一种安全稳定控制系统的结构优化方法及应用与流程

1.本发明涉及电网安全稳定控制系统分析与优化领域，具体涉及一种安全稳定控制系统的结构优化方法及应用。


背景技术：

2.电网安全稳定控制系统作为电力系统的第二道防线，可以实现直流调制、切机、切负荷等功能，避免造成严重的有功和无功缺额，造成频率失稳、功角失稳、电压失稳等问题。随着区域电网互联，如华中、华东、西南和西北电网特高压直流的建设，电网对安全稳定控制系统的要求更高，其故障造成后果更加严重。
3.现有安全稳定控制系统中站点风险评估仅考虑站点故障和运行两种状态，可靠性较差；此外，现有安全稳定控制系统架构大多采用树状结构，上级站点故障将造成下级站点失控，其控制能力较低。因此，现有安全稳定控制系统不足以满足稳定控制需求。


技术实现要素：

4.本发明为解决现有树状架构的安全稳定控制系统控制性能和可靠性较差的问题，提供一种安全稳定控制系统的结构优化方法及应用，能够提高安全稳定控制系统可靠性以及控制能力，并减小由于站点或通信通道故障造成的后果，为后续互联电网的安全稳定控制系统架构设计提供理论支撑。
5.本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
6.第一方面，本技术提供一种安全稳定控制系统的结构优化方法，所述安全稳定控制系统的拓扑结构包括多个站点和站点间的通信通道，所述方法包括以下步骤：
7.步骤1，计算各个通信通道的可靠性参数以及计算对应站点的可靠性参数；
8.步骤2，基于各个通信通道的可靠性参数、各个站点的可靠性参数、所述安全稳定控制系统的拓扑结构及其底层站点所控制的资源容量，计算所述拓扑结构的顶层站点对各底层站点所控制的资源容量的控制能力；
9.步骤3，根据所述顶层站点对各底层站点所控制的资源容量的控制能力、各个站点的正常运行概率以及误动概率，计算所述安全稳定控制系统的控制能力、每个站点在误动状态下的能量冗余度和所述安全稳定控制系统的区域等效控制能力平衡差指标；
10.步骤4，确定包括第一类站点及第二类站点的薄弱站点，所述第一类站点是所述能量冗余度高于能量冗余度阈值的站点，所述第二类站点是基于所述安全稳定控制系统的控制能力对各个站点的可靠性灵敏度进行计算后，其可靠性灵敏度高于可靠性灵敏度阈值的站点；
11.步骤5，以电网故障发生时刻到所述安全稳定控制系统执行保护动作时刻的时间延迟以及所述通信通道的带宽为约束，以所述安全稳定控制系统的控制能力最大、每个站点在误动状态下的能量冗余度最小、所述安全稳定控制系统的区域等效控制能力平衡差指标最小为目标函数，建立所述薄弱站点与同级站点间的环状结构，以形成包含环状结构和
树状结构的所述安全稳定控制系统的环网模型；
12.步骤6，采用gso优化算法对所述安全稳定控制系统的环网模型进行求解，得到优化后的安全稳定控制系统的拓扑结构。
13.可选的，步骤1.1，根据式(1)和式(2)分别计算所述安全稳定控制系统中各个通信通道的故障率和正常运行概率：
[0014][0015][0016]
式(1)中，表示第k条通信通道的故障率，表示第k条通信通道的正常运行概率，λ0表示单位长度的通信通道的故障率，lk表示第k条通信通道的长度；所述各个通信通道的可靠性参数包括所述各个通信通道的故障率和正常运行概率。
[0017]
可选的，所述步骤1包括：
[0018]
步骤1.2，根据站点存在的各状态及状态间的转移过程，建立的站点的状态空间模型，设置每个站点的状态类型，每个站点的状态类型为正常运行状态、误动状态、拒动状态、故障状态和定期检修状态中的一种；
[0019]
根据式(3)计算得出各个站点的状态空间的转移率矩阵a：
[0020][0021]
式(3)中，λ
sr
和λ
se
分别表示任一站点处于拒动状态和误动状态的概率，t表示任一站点的期检修周期，t
25
和t
35
分别表示任一站点发生拒动和误动时检修人员到现场的时间，μ
51
为任一站点定期检修时间的倒数；μ
41
表示任一站点故障后的修复率，α1为任一站点的故障检出系数，α2为任一站点未检出故障时，误动次数占误动次数与拒动次数之和的比值，α3表示任一站点从误动状态到拒动状态的转移率；α4表示任一站点从拒动状态到误动状态的转移率，a
11
、a
22
、a
33
、a
33
、a
55
分别表示所述转移率矩阵a上的五个主对角元素，其取值根据公式(4)计算得到；
[0022][0023]
步骤1.3，基于所述转移率矩阵a、pa＝0、以及式(5)，计算任一站点的状态概率矩阵p：
[0024][0025]
pi表示状态i的概率，式(5)中，p1,p2,p3,p4,p5分别表示状态1～状态5的概率，状态1～状态5分别表示正常运行状态、误动状态、拒动状态、故障状态和定期检修状态，φ是由a转置后的最后一行元素替换为1后再求逆得到的矩阵，以状态概率矩阵p中的概率值作为所述对应站点的可靠性参数。
[0026]
可选的，所述步骤2包括：
[0027]
步骤2.1，获取安全稳定控制系统中各个顶层站点对各个底层站点的控制路径；所述控制路径为顶层站点到达底层站点所经过的站点编号和通信通道编号；
[0028]
步骤2.2，利用式(6)计算第x条控制路径的可控概率p
path,x
：
[0029][0030]
式(6)中，为第i个站点正常运行概率，并由式(5)中的p1得出；x
x
表示第x条控制路径包含的站点集合，y
x
代表第x条控制路径包含的通信通道集合；
[0031]
步骤2.3，利用式(7)计算安全稳定控制系统的拓扑结构的顶层站点对底层站点m控制的资源容量的控制能力cm：
[0032][0033]
式(7)中，nm为安全稳定控制系统控制底层站点m的路径总数，pm为站点m控制的资源容量。
[0034]
可选的，所述步骤3包括：
[0035]
步骤3.1，利用式(8)计算所述安全稳定控制系统的控制能力c
sscs
：
[0036][0037]
式(8)中，n为所述安全稳定控制系统中底层站点的数目；
[0038]
步骤3.2，利用式(9)计算第i个站点在误动状态下的能量冗余度c
r,i
：
[0039][0040]
式(9)中，ni为第i个站点误动时影响的控制资源个数；p
i,2
和p
i,1
分别表示第i个站点的误动概率和第i个站点的正常运行的概率；
[0041]
步骤3.3，利用式(10)计算所述安全稳定控制系统区域等效控制能力平衡差δc
sscs
：
[0042][0043]
式(10)中，w表示顶层站点数目，vi表示第i个站点控制的下级底层站点数量。
[0044]
可选的，所述步骤4包括：
[0045]
步骤4.1，利用式(11)确定第i个站点误动后其能量冗余度大于所述能量冗余度阈值的站点为所述第一站点：
[0046]cr,i
≥c
r,max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)；
[0047]cr,max
为所述能量冗余度阈值，c
r,i
为所述第i个站点误动后其能量冗余度；
[0048]
步骤4.2，利用式(12)计算所述安全稳定控制系统的控制能力对站点的可靠性灵敏度并将其可靠性灵敏度高于所述可靠性灵敏度阈值的站点确定为所述第二类站点：
[0049][0050]
式(12)中，g表示站点的控制路径集合。
[0051]
可选的，所述步骤5包括：
[0052]
步骤5.1，定义l为所述安全稳定控制系统的结构变量，用于表征所述安全稳定控制系统的结构特征，利用式(13)设置以所述安全稳定控制系统的控制能力最大且每个站点在误动状态下的能量冗余度最小为目标的第一目标函数f1(l)：
[0053][0054]
式(13)中，m
l
表示在结构变量l下误动的情况的数量，c
r,i
(l)，c
sscs
(l)分别为结构变量l的能量冗余度函数和控制能力；
[0055]
步骤5.2，利用式(14)设置以所述安全稳定控制的区域等效控制能力平衡差最小为目标的第二目标函数f2(l)：
[0056]
minf2(l)＝δc
sscs
(l)
ꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0057]
式(14)中，δc
sscs
(l)为结构变量l的区域等效控制能力平衡差；
[0058]
步骤5.3，利用式(15)得到总的目标函数f(l)：
[0059]
minf(l)＝ζ1f1(l) ζ2f2(l)
ꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0060]
式(15)中，ζ1和ζ2为对应目标函数的权重系数；
[0061]
步骤5.4，利用式(16)得到所述安全稳定控制系统的通信带宽约束：
[0062][0063]
式(16)中，bq表示第q个信息的字节数，g为信息的总数；t为站点收发数据的时间，ev为环网v中可放置的最大站点数目；v
cable
为所述安全稳定控制系统通信通道的数据传输速度；
[0064]
步骤5.5，利用式(17)得到所述安全稳定控制系统的时延t
delay
的约束：
[0065]
t
delay
≤t
max
ꢀꢀꢀ
(17)
[0066]
式(17)中，t
max
故障发生至安控系统动作的最大时延。
[0067]
步骤5.6，通过建立各薄弱站点与同级站点间的环状通信通道，以建立所述薄弱站点的环状结构，并在每种所述环状结构下计算所述目标函数、所述所述通信带宽约束以及所述时延t
delay
的约束的实际值，以确定最优的所述环状结构，得到包含树状结构和环状结构的所述安全稳定控制系统的环网模型。
[0068]
第二方面，本技术实施例还提供一种安全稳定控制系统的结构优化装置，所述安全稳定控制系统的拓扑结构包括多个站点和站点间的通信通道，所述装置包括：
[0069]
第一计算模块，用于计算各个通信通道的可靠性参数以及计算对应站点的可靠性参数；
[0070]
第二计算模块，用于基于各个通信通道的可靠性参数、各个站点的可靠性参数、所述安全稳定控制系统的拓扑结构及其底层站点所控制的资源容量，计算所述拓扑结构的顶层站点对各底层站点所控制的资源容量的控制能力；；
[0071]
第三计算模块，用于根据所述顶层站点对各底层站点所控制的资源容量的控制能力、各个站点的正常运行概率以及误动概率，计算所述安全稳定控制系统的控制能力、每个站点在误动状态下的能量冗余度和所述安全稳定控制系统的区域等效控制能力平衡差指标；
[0072]
确定模块，用于确定包括第一类站点及第二类站点的薄弱站点，所述第一类站点是所述能量冗余度高于能量冗余度阈值的站点，所述第二类站点是基于所述安全稳定控制系统的控制能力对各个站点的可靠性灵敏度进行计算后，其可靠性灵敏度较高的站点；
[0073]
构建模块，用于以电网故障发生时刻到所述安全稳定控制系统执行保护动作时刻的时间延迟以及所述通信通道的带宽为约束，以所述安全稳定控制系统的控制能力最大、每个站点在误动状态下的能量冗余度最小、所述安全稳定控制系统的区域等效控制能力平衡差指标最小为目标函数，建立所述薄弱站点与同级站点的环状结构，以形成包含环状结构和树状结构的所述安全稳定控制系统的环网模型；
[0074]
第四计算模块，用于采用gso优化算法对所述安全稳定控制系统的环网模型进行求解，得到优化后的安全稳定控制系统的拓扑结构。
[0075]
可选的，所述第一计算模块，用于根据式(1)和式(2)分别计算所述安全稳定控制系统中各个通信通道的故障率和正常运行概率：
[0076][0077]
[0078]
式(1)中，表示第k条通信通道的故障率，表示第k条通信通道的正常运行概率，λ0表示单位长度的通信通道的故障率，lk表示第k条通信通道的长度；所述各个通信通道的可靠性参数包括所述各个通信通道的故障率和正常运行概率。
[0079]
可选的，所述第一计算模块，用于根据站点存在的各状态及状态间的转移过程，建立的站点的状态空间模型，设置每个站点的状态类型，每个站点的状态类型为正常运行状态、误动状态、拒动状态、故障状态和定期检修状态中的一种；
[0080]
根据式(3)计算得出各个站点的状态空间的转移率矩阵a：
[0081][0082]
式(3)中，λ
sr
和λ
se
分别表示任一站点处于拒动状态和误动状态的概率，t表示任一站点的期检修周期，t
25
和t
35
分别表示任一站点发生拒动和误动时检修人员到现场的时间，μ
51
为任一站点定期检修时间的倒数；μ
41
表示任一站点故障后的修复率，α1为任一站点的故障检出系数，α2为任一站点未检出故障时，误动次数占误动次数与拒动次数之和的比值，α3表示任一站点从误动状态到拒动状态的转移率；α4表示任一站点从拒动状态到误动状态的转移率，a
11
、a
22
、a
33
、a
33
、a
55
分别表示所述转移率矩阵a上的五个主对角元素，其取值根据式(4)计算得到；
[0083][0084]
基于所述转移率矩阵a、pa＝0、以及式(5)，计算任一站点的状态概率矩阵p：
[0085][0086]
pi表示状态i的概率，式(5)中，p1,p2,p3,p4,p5分别表示状态1～状态5的概率，状态1～状态5分别表示正常运行状态、误动状态、拒动状态、故障状态和定期检修状态，φ是由a转置后的最后一行元素替换为1后再求逆得到的矩阵，以状态概率矩阵p中的概率值作为所述对应站点的可靠性参数。
[0087]
可选的，所述第二计算模块，用于获取安全稳定控制系统中各个顶层站点对各个底层站点的控制路径；所述控制路径为顶层站点到达底层站点所经过的站点编号和通信通
道编号；利用式(6)计算第x条控制路径的可控概率p
path,x
：
[0088][0089]
式(6)中，为第i个站点正常运行概率，并由式(5)中的p1得出；x
x
表示第x条控制路径包含的站点集合，y
x
代表第x条控制路径包含的通信通道集合；利用式(7)计算安全稳定控制系统的拓扑结构的顶层站点对底层站点m控制的资源容量的控制能力cm：
[0090][0091]
式(7)中，nm为安全稳定控制系统控制底层站点m的路径总数，pm为底层站点m控制的资源容量。
[0092]
可选的，所述第三计算模块，用于利用式(8)计算所述安全稳定控制系统的控制能力c
sscs
：
[0093][0094]
式(8)中，n为所述安全稳定控制系统中底层站点的数目；利用式(9)计算第i个站点在误动状态下的能量冗余度c
r,i
：
[0095][0096]
式(9)中，ni为第i个站点误动时影响的控制资源个数；p
i,2
和p
i,1
分别表示第i个站点的误动概率和第i个站点的正常运行的概率；
[0097]
利用式(10)计算所述安全稳定控制系统区域等效控制能力平衡差δc
sscs
：
[0098][0099]
式(10)中，w表示顶层站点数目，vi表示第i个站点控制的下级底层站点数量。
[0100]
可选的，所述确定模块，用于利用式(11)确定第i个站点误动后其能量冗余度大于所述能量冗余度阈值的站点为所述第一站点：c
r,i
≥c
r,max
(11)，c
r,max
为所述能量冗余度阈值，c
r，i
为所述第i个站点误动后其能量冗余度；利用式(12)计算所述安全稳定控制系统的控制能力对站点的可靠性灵敏度并将其可靠性灵敏度高于所述可靠性灵敏度阈值的站点确定为所述第二类站点：
[0101][0102]
式(12)中，g表示站点的控制路径集合。
[0103]
可选的，所述构建模块，用于定义l为所述安全稳定控制系统的结构变量，用于表征所述安全稳定控制系统的结构特征，利用式(13)设置以所述安全稳定控制系统的控制能力最大且每个站点在误动状态下的能量冗余度最小为目标的第一目标函数f1(l)：
[0104][0105]
式(13)中，m
l
表示在结构变量l下误动的情况的数量，c
r,i
(l)，c
sscs
(l)分别为结构变量l的能量冗余度函数和控制能力；
[0106]
利用式(14)设置以所述安全稳定控制的区域等效控制能力平衡差最小为目标的第二目标函数f2(l)：
[0107]
minf2(l)＝δc
sscs
(l)
ꢀꢀꢀ
(14)
[0108]
式(14)中，δc
sscs
(l)为结构变量l的区域等效控制能力平衡差；
[0109]
利用式(15)得到总的目标函数f(l)：
[0110]
minf(l)＝ζ1f1(l) ζ2f2(l)
ꢀꢀꢀ
(15)
[0111]
式(15)中，ζ1和ζ2为对应目标函数的权重系数；
[0112]
利用式(16)得到所述安全稳定控制系统的通信带宽约束：
[0113][0114]
式(16)中，bq表示第q个信息的字节数，g为信息的总数；t为站点收发数据的时间，ev为环网v中可放置的最大站点数目；v
cable
为所述安全稳定控制系统通信通道的数据传输速度；式(16)中，bq表示第q个信息的字节数，g为信息的总数；t为站点收发数据的时间，ev为环网v中可放置的最大站点数目；v
cable
为所述安全稳定控制系统通信通道的数据传输速度；
[0115]
利用式(17)得到所述安全稳定控制系统的时延t
delay
的约束：
[0116]
t
delay
≤t
max
ꢀꢀꢀ
(17)
[0117]
式(17)中，t
max
故障发生至安控系统动作的最大时延；通过建立各薄弱站点与同级站点间的环状通信通道，以建立所述薄弱站点的环状结构，并在每种所述环状结构下计算所述目标函数、所述所述通信带宽约束以及所述时延t
delay
的约束的实际值，以确定最优的所述环状结构，得到包含树状结构和环状结构的所述安全稳定控制系统的环网模型。
[0118]
第三方面，本技术实施例还提供一种电子设备，包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储支持处理器执行任一所述安全稳定控制系统的结构优化方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
[0119]
第四方面，本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行任一所述安全稳定控制系统的
结构优化方法的步骤。
[0120]
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0121]
1、本发明所提出的一种安全稳定控制系统结构优化方法，与现有技术相比，采用gso(glowworm swarm optimization，萤火虫)算法罗列出所有拓扑方案下的目标函数和约束条件值，并筛选出最优方案，以优化安全稳定控制系统可靠性计算的结果，定义并提出了安全稳定控制系统优化设计的目标函数，为安全稳定控制系统及其互联架构的设计提供理论支撑。
[0122]
2、本发明所提的计及拒动和误动的站点可靠性参数计算，与现有技术相比，细化了站点的故障形式及其概率，解决了现有安全稳定控制系统可靠性计算中仅考虑站点故障概率，计算结果偏乐观的问题。基于站点可靠性模型，量化安全稳定控制系统控制能力和能量冗余度，为安全稳定控制系统风险评估提供新的可靠性指标。
[0123]
3、本发明提出一种针对安全稳定控制系统结构优化方法，与现有技术相比，综合考虑时延和通信带宽要求，提出针对控制能力、能量冗余度和区域等效控制能力平衡差的优化方法，为安全稳定控制系统架构设计确定了新的设计方向。
[0124]
4、本发明通过对控制能力的灵敏度计算和能量冗余度大小以确定薄弱站点，与现有技术相比，提出了一种新的综合考虑站点误动和故障的薄弱站点的确定方法，增加了薄弱站点的范围，增加了安全稳定控制系统结构优化设计的效果。
附图说明
[0125]
图1为本发明的一种安全稳定控制系统结构优化方法流程图；
[0126]
图2为安全稳定控制系统优化计算过程示意图；
[0127]
图3为本发明的计及拒动和误动的站点状态空间模型；
[0128]
图4为采用gso算法的安全稳定控制系统优化流程图；
[0129]
图5为本发明的安全稳定控制系统架构示例图。
具体实施方式
[0130]
本实施例中，一种安全稳定控制系统的优化计算过程如图2所示。计及站点拒动和误动，建立站点的状态空间模型，并基于此确定站点可靠性参数。根据站点和通信通道的可靠性参数，计算安全稳定控制系统的控制能力及误动时的能量冗余度，并基于灵敏度分析确定薄弱站点，以控制能力最大、能量冗余度最小和区域等效控制能力平衡差最小为目标函数，以通信带宽和时延为约束条件，采用gso算法优化安全稳定控制系统架构，其优化过程如图4所示。
[0131]
如图1所示，该安全稳定控制系统的结构优化方法，包括以下步骤：
[0132]
步骤1，计算各个通信通道的可靠性参数以及计算对应站点的可靠性参数；
[0133]
步骤2，基于各个通信通道的可靠性参数、各个站点的可靠性参数、所述安全稳定控制系统的拓扑结构及其底层站点所控制的资源容量，计算所述拓扑结构的顶层站点对各底层站点所控制的资源容量的控制能力；
[0134]
步骤3，根据所述顶层站点对各底层站点所控制的资源容量的控制能力、各个站点的正常运行概率以及误动概率，计算所述安全稳定控制系统的控制能力、每个站点在误动
状态下的能量冗余度和所述安全稳定控制系统的区域等效控制能力平衡差指标；
[0135]
步骤4，确定包括第一类站点及第二类站点的薄弱站点，所述第一类站点是所述能量冗余度高于能量冗余度阈值的站点，所述第二类站点是基于所述安全稳定控制系统的控制能力对各个站点的可靠性灵敏度进行计算后，其可靠性灵敏度高于可靠性灵敏度阈值的站点；
[0136]
步骤5，以电网故障发生时刻到所述安全稳定控制系统执行保护动作时刻的时间延迟以及所述通信通道的带宽为约束，以所述安全稳定控制系统的控制能力最大、每个站点在误动状态下的能量冗余度最小、所述安全稳定控制系统的区域等效控制能力平衡差指标最小为目标函数，建立所述薄弱站点间的环状结构，以形成所述安全稳定控制系统的环网模型；
[0137]
步骤6，采用gso优化算法对所述安全稳定控制系统的环网模型进行求解，得到优化后的安全稳定控制系统的拓扑结构。
[0138]
可选的，步骤1，计算各个通信通道的可靠性参数；根据各个站点的拒动和误动状态，建立状态空间模型，并计算对应站点的可靠性参数；可以包括：
[0139]
步骤1.1，根据式(1)和式(2)分别计算安全稳定控制系统中各个通信通道的故障率和正常运行概率：
[0140][0141][0142]
式(1)中，表示第k条通信通道的故障率，表示第k条通信通道的正常运行概率，λ0表示单位长度的通信通道的故障率，lk表示第k条通信通道的长度，通信通道越长，其故障概率越高；所述各个通信通道的可靠性参数包括所述各个通信通道的故障率和正常运行概率。
[0143]
不同地区单位长度通信通道故障概率不同，取平原地区的架空线路为基准，其停运率为不受地形因素影响情况下的停运率，地形系数为1，单位长度故障率为λ0；对于周边环境和地形会加强风对停运率影响的地形，如风口、迎风坡等，地形系数大于基准值，取1～1.6，故障率即为λ0～1.6λ0；对于周边环境和地形会削弱风对停运率影响的地形，如森林、居住区等，地形系数小于，取0.9λ0～λ0。
[0144]
所述步骤1包括：
[0145]
步骤1.2，根据站点存在的各状态及状态间的转移过程，建立的站点的状态空间模型，如图3所示。设置每个站点的状态类型，每个站点的状态类型为正常运行状态、误动状态、拒动状态、故障状态和定期检修状态中的一种；
[0146]
根据式(3)计算得出各个站点的状态空间的转移率矩阵a：
[0147][0148]
式(3)中，λ
sr
和λ
se
分别表示任一站点处于拒动状态和误动状态的概率，t表示任一
站点的期检修周期，t
25
和t
35
分别表示任一站点发生拒动和误动时检修人员到现场的时间，μ
51
为任一站点定期检修时间的倒数；μ
41
表示任一站点故障后的修复率，α1为任一站点的故障检出系数，α2为任一站点未检出故障时，误动次数占误动、拒动次数之和的比值，α3表示任一站点从误动状态到拒动状态的转移率；α4表示任一站点从拒动状态到误动状态的转移率，a
11
、a
22
、a
33
、a
33
、a
55
分别表示转移率矩阵a上的五个主对角元素的相反数，值为主对角元素值之和，其取值根据公式(4)得到：
[0149][0150]
步骤1.3，基于转移率矩阵a、pa＝0和以及式(5)，计算任一站点的状态概率矩阵p：
[0151][0152]
pi表示状态i的概率，式(5)中，p1,p2,p3,p4,p5分别表示状态1～状态5的概率，状态1～状态5分别表示正常运行状态、误动状态、拒动状态、故障状态和定期检修状态，φ是由a转置后的最后一行元素替换为1后再求逆得到的矩阵，以状态概率矩阵p中的概率值作为所述对应站点的可靠性参数。
[0153]
步骤2，基于各个通信通道的可靠性参数、各个站点的可靠性参数、所述安全稳定控制系统的拓扑结构及其底层站点所控制的资源容量，计算所述拓扑结构的顶层站点对各底层站点所控制的资源容量的控制能力；
[0154]
步骤2.1，以图5所示的安全稳定控制系统拓扑结构为例，获取安全稳定控制系统中各个顶层站点对各个底层站点的控制路径；控制路径为顶层站点到达底层站点所经过的站点编号和通信通道编号；
[0155]
步骤2.2，利用式(7)计算第x条控制路径的可控概率p
path,x
：
[0156][0157]
式(7)中，为第i个站点正常运行概率，并由式(5)中的p1得出；x
x
表示第x条控制路径包含的站点集合，y
x
代表第x条控制路径包含的通信通道集合；
[0158]
步骤2.3，利用式(7)计算安全稳定控制系统的拓扑结构的顶层站点对底层站点m控制的资源的控制能力cm：
[0159][0160]
式(7)中，nm为安全稳定控制系统控制底层站点m的路径总数，pm为底层站点m控制
的资源容量。
[0161]
步骤3，根据所述顶层站点对各底层站点所控制的资源容量的控制能力、各个站点的正常运行概率以及误动概率，计算所述安全稳定控制系统的控制能力、每个站点在误动状态下的能量冗余度和所述安全稳定控制系统的区域等效控制能力平衡差指标；
[0162]
步骤3.1，利用式(8)计算安全稳定控制系统的控制能力c
sscs
：
[0163][0164]
式(8)中，n为安全稳定控制系统中底层站点的数目；
[0165]
步骤3.2，利用式(9)计算第i个站点在误动状态下的能量冗余度c
r,i
：
[0166][0167]
式(9)中，ni为第i个站点误动时影响的控制资源个数；p
i,2
和p
i,1
分别表示第i个站点误动和正常运行的概率。
[0168]
步骤3.3，利用式(10)计算所述安全稳定控制系统区域等效控制能力平衡差δc
sscs
：
[0169][0170]
式(10)中，w表示顶层站点数目，vi表示第i个站点控制的下级底层站点数量；
[0171]
步骤4，确定包括第一类站点及第二类站点的薄弱站点，所述第一类站点是所述能量冗余度高于能量冗余度阈值的站点，所述第二类站点是基于所述安全稳定控制系统的控制能力对各个站点的可靠性灵敏度进行计算后，其可靠性灵敏度高于可靠性灵敏度阈值的站点；
[0172]
步骤4.1，利用式(11)确定第i个站点误动后其能量冗余度大于所述能量冗余度阈值的站点为所述第一站点：
[0173]cr,i
≥c
r,max
ꢀꢀꢀꢀ
(11)；
[0174]cr,max
为所述能量冗余度阈值，c
r,i
为所述第i个站点误动后其能量冗余度；
[0175]
步骤4.2，利用式(12)计算所述安全稳定控制系统的控制能力对站点的可靠性灵敏度并将其可靠性灵敏度高于所述可靠性灵敏度阈值的站点确定为所述第二类站点：
[0176]
[0177]
式(12)中，g表示站点的控制路径集合。
[0178]
步骤5，以电网故障发生时刻到所述安全稳定控制系统执行保护动作时刻的时间延迟以及所述通信通道的带宽为约束，以所述安全稳定控制系统的控制能力最大、每个站点在误动状态下的能量冗余度最小、所述安全稳定控制系统的区域等效控制能力平衡差指标最小为目标函数，建立所述薄弱站点间的环状结构，以形成所述安全稳定控制系统的环网模型；
[0179]
步骤5.1，定义l为安全稳定控制系统的结构变量，体现该安全稳定控制系统的结构特征，利用式(13)设置以所述安全稳定控制系统的控制能力最大且每个站点在误动状态下的能量冗余度最小为目标的第一目标函数f1(l)：
[0180][0181]
式(13)中，m
l
表示在结构变量l下误动的情况的数量，c
r,i
(l)，c
sscs
(l)分别为结构变量l的能量冗余度函数和控制能力；
[0182]
步骤5.2，利用式(14)设置以所述安全稳定控制的区域等效控制能力平衡差最小为目标的第二目标函数f2(l)：
[0183]
minf2(l)＝δc
sscs
(l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0184]
式(14)中，δc
sscs
(l)为结构变量l的区域等效控制能力平衡差；
[0185]
步骤5.3，利用式(15)得到总的目标函数f(l)：
[0186]
minf(l)＝ζ1f1(l) ζ2f2(l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0187]
式(15)中，ζ1和ζ2为对应目标函数的权重系数；
[0188]
步骤5.4，利用式(16)得到所述安全稳定控制系统的通信带宽约束：
[0189][0190]
式(16)中，bq表示第q个信息的字节数，g为信息的总数，该信息包括电压、电流、功率和开关量；t为站点收发数据的时间，ev为环网v中可放置的最大站点数目；v
cable
为所述安全稳定控制系统通信通道的数据传输速度；
[0191]
步骤5.5，利用式(17)得到安全稳定控制系统的时延t
delay
的约束：
[0192]
t
delay
≤t
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0193]
式(17)中，t
max
故障发生至安控系统动作的最大时延。
[0194]
步骤5.6，通过建立各薄弱站点与同级站点间的环状通信通道，以建立所述薄弱站点的环状结构，并在每种所述环状结构下计算所述目标函数、所述所述通信带宽约束以及所述时延t
delay
的约束的实际值，以确定最优的所述环状结构，得到包含树状结构和环状结构的所述安全稳定控制系统的环网模型。
[0195]
步骤6，采用gso优化算法对所述安全稳定控制系统的环网模型进行求解，得到优化后的安全稳定控制系统的拓扑结构。
[0196]
步骤6.1，读入安全稳定控制系统基本数据，包括拓扑结构、站点可控容量和薄弱站点；
[0197]
步骤6.2，随机产生q种站点连接方式组成初始种群；
[0198]
步骤6.3，选择种群中目标函数最小的个体为发现者，随机选择剩余成员中80％为加入者，其余20％为游荡者；
[0199]
步骤6.4，发现者局部寻优，并对加入者和游荡者进行位置更新；
[0200]
步骤6.5，计算新个体目标函数、并重新选择目标函数最小的个体为发现者，并判断是否满足约束条件。若满足，则输出完整的优化方案。若不满足，则再判断发现者是否改变，若是，则更新加入者和游荡者成员，转到步骤6.4；若否，则直接转到步骤6.4。
[0201]
此外，在一种实施例中，本技术实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括存储器以及处理器。其中，存储器用于存储可被处理器执行的应用程序，当该应用程序被处理器执行时，使得处理器可执行本技术上述任一实施例所提及到的安全稳定控制系统的结构优化方法。
[0202]
此外，在一种实施例中，本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行任一所述安全稳定控制系统的结构优化方法的步骤。
[0203]
此外，在一种实施例中，本技术实施例还提供一种安全稳定控制系统的结构优化装置，所述安全稳定控制系统的拓扑结构包括多个站点和站点间的通信通道，所述装置包括：
[0204]
第一计算模块，用于计算各个通信通道的可靠性参数以及计算对应站点的可靠性参数；
[0205]
第二计算模块，用于基于各个通信通道的可靠性参数、各个站点的可靠性参数、所述安全稳定控制系统的拓扑结构及其底层站点所控制的资源容量，计算所述拓扑结构的顶层站点对各底层站点所控制的资源容量的控制能力；
[0206]
第三计算模块，用于根据所述顶层站点对各底层站点所控制的资源容量的控制能力、各个站点的故障概率以及误动概率，计算所述安全稳定控制系统的控制能力、每个站点在误动状态下的能量冗余度和所述安全稳定控制系统的区域等效控制能力平衡差指标；
[0207]
确定模块，用于确定包括第一类站点及第二类站点的薄弱站点，所述第一类站点是所述能量冗余度高于能量冗余度阈值的站点，所述第二类站点是基于所述安全稳定控制系统的控制能力对各个站点的可靠性灵敏度进行计算后，其可靠性灵敏度高于可靠性灵敏度阈值的站点；
[0208]
构建模块，用于以电网故障发生时刻到所述安全稳定控制系统执行保护动作时刻的时间延迟以及所述通信通道的带宽为约束，以所述安全稳定控制系统的控制能力最大、每个站点在误动状态下的能量冗余度最小、所述安全稳定控制系统的区域等效控制能力平衡差指标最小为目标函数，构建所述安全稳定控制系统的环网模型；
[0209]
第四计算模块，用于采用gso优化算法对所述安全稳定控制系统的环网模型进行求解，得到优化后的安全稳定控制系统的拓扑结构。
[0210]
可选的，所述第一计算模块，用于根据式(1)和式(2)分别计算所述安全稳定控制系统中各个通信通道的故障率和正常运行概率：
[0211]
[0212][0213]
式(1)中，表示第k条通信通道的故障率，表示第k条通信通道的正常运行概率，λ0表示单位长度的通信通道的故障率，lk表示第k条通信通道的长度；所述各个通信通道的可靠性参数包括所述各个通信通道的故障率和正常运行概率。
[0214]
可选的，所述第一计算模块，用于根据站点存在的各状态及状态间的转移过程，建立的站点的状态空间模型，设置每个站点的状态类型，每个站点的状态类型为正常运行状态、误动状态、拒动状态、故障状态和定期检修状态中的一种；
[0215]
根据式(3)计算得出各个站点的状态空间的转移率矩阵a：
[0216][0217]
式(3)中，λ
sr
和λ
se
分别表示任一站点处于拒动状态和误动状态的概率，t表示任一站点的期检修周期，t
25
和t
35
分别表示任一站点发生拒动和误动时检修人员到现场的时间，μ
51
为任一站点定期检修时间的倒数；μ
41
表示任一站点故障后的修复率，α1为任一站点的故障检出系数，α2为任一站点未检出故障时，误动次数占误动次数与拒动次数之和的比值，α3表示任一站点从误动状态到拒动状态的转移率；α4表示任一站点从拒动状态到误动状态的转移率，a
11
、a
22
、a
33
、a
33
、a
55
分别表示所述转移率矩阵a上的五个主对角元素，其取值根据公式(4)计算得到；
[0218][0219]
基于所述转移率矩阵a、pa＝0、以及式(5)，计算任一站点的状态概率矩阵p：
[0220][0221]
pi表示状态i的概率，式(5)中，p1,p2,p3,p4,p5分别表示状态1～状态5的概率，状态1～状态5分别表示正常运行状态、误动状态、拒动状态、故障状态和定期检修状态，φ是由a转置后的最后一行元素替换为1后再求逆得到的矩阵，以状态概率矩阵p中的概率值作为所述对应站点的可靠性参数。
[0222]
可选的，所述第二计算模块，用于获取安全稳定控制系统中各个顶层站点对各个
底层站点的控制路径；所述控制路径为顶层站点到达底层站点所经过的站点编号和通信通道编号；利用式(6)计算第x条控制路径的可控概率p
path,x
：
[0223][0224]
式(6)中，为第i个站点正常运行概率，并由式(5)中的p1得出；x
x
表示第x条控制路径包含的站点集合，y
x
代表第x条控制路径包含的通信通道集合；利用式(7)计算安全稳定控制系统的拓扑结构的顶层站点对底层站点m控制的资源容量的控制能力cm：
[0225][0226]
式(7)中，nm为安全稳定控制系统控制底层站点m的路径总数，pm为底层站点m控制的资源容量。
[0227]
可选的，所述第三计算模块，用于利用式(8)计算所述安全稳定控制系统的控制能力c
sscs
：
[0228][0229]
式(8)中，n为所述安全稳定控制系统中底层站点的数目；利用式(9)计算第i个站点在误动状态下的能量冗余度c
r,i
：
[0230][0231]
式(9)中，ni为第i个站点误动时影响的控制资源个数；p
i,2
和p
i,1
分别表示第i个站点的误动概率和第i个站点的正常运行的概率；
[0232]
利用式(10)计算所述安全稳定控制系统区域等效控制能力平衡差δc
sscs
：
[0233][0234]
式(10)中，w表示顶层站点数目，vi表示第i个站点控制的下级底层站点数量。
[0235]
可选的，所述确定模块，用于利用式(11)确定第i个站点误动后其能量冗余度大于所述能量冗余度阈值的站点为所述第一站点：c
r,i
≥c
r,max
(11)，c
r,max
为所述能量冗余度阈值，c
r，i
为所述第i个站点误动后其能量冗余度；利用式(12)计算所述安全稳定控制系统的控制能力对站点的可靠性灵敏度并将其可靠性灵敏度高于所述可靠性灵敏度阈值的站点确定为所述第二类站点：
[0236][0237]
式(12)中，g表示站点的控制路径集合。
[0238]
可选的，所述构建模块，用于定义l为所述安全稳定控制系统的结构变量，用于表征所述安全稳定控制系统的结构特征，利用式(13)设置以所述安全稳定控制系统的控制能力最大且每个站点在误动状态下的能量冗余度最小为目标的第一目标函数f1(l)：
[0239][0240]
式(13)中，m
l
表示在结构变量l下误动的情况的数量，c
r,i
(l)，c
sscs
(l)分别为结构变量l的能量冗余度函数和控制能力；
[0241]
利用式(14)设置以所述安全稳定控制的区域等效控制能力平衡差最小为目标的第二目标函数f2(l)：
[0242]
minf2(l)＝δc
sscs
(l)
ꢀꢀꢀ
(14)
[0243]
式(14)中，δc
sscs
(l)为结构变量l的区域等效控制能力平衡差；
[0244]
利用式(15)得到总的目标函数f(l)：
[0245]
minf(l)＝ζ1f1(l) ζ2f2(l)
ꢀꢀꢀ
(15)
[0246]
式(15)中，ζ1和ζ2为对应目标函数的权重系数；
[0247]
利用式(16)得到所述安全稳定控制系统的通信带宽约束：
[0248][0249]
式(16)中，bq表示第q个信息的字节数，g为信息的总数；t为站点收发数据的时间，ev为环网v中可放置的最大站点数目；v
cable
为所述安全稳定控制系统通信通道的数据传输速度；式(16)中，bq表示第q个信息的字节数，g为信息的总数；t为站点收发数据的时间，ev为环网v中可放置的最大站点数目；v
cable
为所述安全稳定控制系统通信通道的数据传输速度；
[0250]
利用式(17)得到所述安全稳定控制系统的时延t
delay
的约束：
[0251]
t
delay
≤t
max
ꢀꢀ
(17)
[0252]
式(17)中，t
max
故障发生至安控系统动作的最大时延；建立所述薄弱站点的环状结构，并在每种所述环状结构下计算所述目标函数、所述所述通信带宽约束以及所述时延t
delay
的约束的实际值，以确定最优的所述环状结构，得到所述安全稳定控制系统的环网模型。
[0253]
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0254]
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0255]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0256]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0257]
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本公开的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本公开进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本公开后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在公开待批的权利要求保护范围之内。