一种安全稳定控制系统的结构优化方法及应用与流程

技术特征：
1.一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，其特征在于，所述方法包括以下步骤：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；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；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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的安全稳定控制系统的结构优化方法，其特征在于，所述步骤1包括：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：率：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，l
k
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。3.根据权利要求2所述的安全稳定控制系统的结构优化方法，其特征在于，所述步骤1包括：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；根据式(3)计算得出各个站点的状态空间的转移率矩阵a：
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；步骤1.3，基于所述转移率矩阵a、pa＝0、其中，p
i
表示状态i的概率，利用式(5)计算任一站点的状态概率矩阵p：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。4.根据权利要求3所述的安全稳定控制系统的结构优化方法，其特征在于，所述步骤2包括：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；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
：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；
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c
m
：式(7)中，n
m
为安全稳定控制系统控制底层站点m的路径总数，p
m
为底层站点m控制的资源容量。5.根据权利要求4所述的安全稳定控制系统的结构优化方法，其特征在于，所述步骤3包括：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
：式(8)中，n为所述安全稳定控制系统中底层站点的数目；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
：式(9)中，n
i
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；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
：式(10)中，w表示顶层站点数目，v
i
表示第i个站点控制的下级底层站点数量。6.根据权利要求5所述的安全稳定控制系统的结构优化方法，其特征在于，所述步骤4包括：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：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；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：
式(12)中，g表示站点的控制路径集合。7.根据权利要求6所述安全稳定控制系统结构优化方法，其特征在于，所述步骤5包括：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)：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；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)：min f2(l)＝δc
sscs
(l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)式(14)中，δc
sscs
(l)为结构变量l的区域等效控制能力平衡差；步骤5.3，利用式(15)得到总的目标函数f(l)：min f(l)＝ζ1f1(l) ζ2f2(l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)式(15)中，ζ1和ζ2为对应目标函数的权重系数；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：式(16)中，b
q
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，e
v
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；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：t
delay
≤t
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)式(17)中，t
max
故障发生至安控系统动作的最大时延；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。8.一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，其特征在于，所述装置包括：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；
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；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；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；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间的环状结构，以形成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；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。9.一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1-7中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。10.一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，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1-7中任一所述安全稳定控制系统的结构优化方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种安全稳定控制系统的结构优化方法及应用，包括：1计算各通信通道和站点可靠性参数；2计及站点、通信通道可靠性参数及各底层站点控制的资源，计算顶层站点对各底层站点的控制能力；3计算安全稳定控制系统的控制能力和能量冗余度；4基于能量冗余度大小和控制能力对站点的灵敏度，确定薄弱站点；5以通信时延和带宽为约束，以控制能力最大、能量冗余度最小、区域等效控制能力平衡差最小为目标函数，采用环网结构构建安全稳定控制系统模型；6采用萤火虫算法求解所述安全稳定控制系统模型，得到优化后的安全稳定控制系统的拓扑结构。本发明采用环网架构能优化安全稳定控制系统结构，能提高安全稳定控制系统的控制性能。能。能。


技术研发人员：李生虎 周慧敏 韩伟 颜云松 任建锋 王计林 段文岩
受保护的技术使用者：国网河南省电力公司电力科学研究院 国网电力科学研究院有限公司
技术研发日：2022.08.29
技术公布日：2022/11/25