[发明专利]一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法

说明书

本发明公开了一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法，具体如下：1)建立电网CPS五层结构模型；2)对邻接矩阵进行重定义，实现电网CPS拓扑建模；3)建立了描述对象状态转移过程的电网CPS对象状态转移模型；4)耦合模型的思想，将电网CPS中每个节点都看作是一个具有独立内部结构、行为和I/O接口的原子模型，多个原子模型基于一定的连接关系以接口的形式组成耦合模型，最终将电网CPS描述为一个由多个耦合部件构成的网络，实现电网CPS层次关系建模，以描述层次间垂直关系。本发明可用于分析电网CPS物理空间与信息空间交叉影响因素等多种问题，对实现电网信息物理系统的融合建模与综合安全评估具有重要意义。

技术领域

本发明属于电网信息物理系统融合建模领域，涉及一种面向对象的电网信息物理系统层次化建模方法。

背景技术

为了适应新能源的广泛接入、实现能源的高效利用和满足电能消费者的多元化需求，信息通信设备与系统大量接入到电力系统中，使当前的智能电网发展成为信息空间与物理空间深度融合、信息过程与物理过程协同互动的电网信息物理系统(Cyber PhysicalSystem，CPS)，简称电网CPS。

电网CPS中信息空间与物理空间的深度融合以及能量流与信息流的协同互动，给现代电网带来极大能力提升的同时，也引入了新的安全风险。电网CPS物理电网与信息系统的相互依存与深度耦合使信息空间和物理空间的相互影响不断增强，增加了整个系统的脆弱性，任意一侧系统内的故障均有可能会跨越空间边界传播到其耦合网络，并导致交互式级联故障。且随着电网CPS对信息系统依存度的不断提高，信息空间的风险更大程度地威胁到电力系统的安稳运行，信息侧故障极有可能引发在电网CPS的信息系统与物理系统间不断交互传递的大规模级联故障。然而，电网CPS信息系统与传统物理电网不同，涉及计算系统与网络部分，专注于处理离散的计算过程、网络通信及反馈控制，属于离散事件驱动网络，即电网CPS既包含离散的计算过程，又需要处理连续变化的物理事件。信息网络技术的多样化、网络体系结构的层次性与复杂性，使得电网信息物理系统的信息空间呈现为复杂网络的形态，且我国电力系统还加入安全分区的机制，不宜将物理空间的建模方法直接用于信息空间的建模。因此，充分考虑电网CPS中物理电网与信息网络的深度融合特性，分析电网CPS信息空间的复杂形态，研究电网CPS物理空间与信息空间的一体化融合建模方法，是目前亟待解决的问题。

目前针对电网CPS的融合建模方法主要有三种，分别是基于相依理论、基于混合系统以及基于邻接矩阵。基于相依理论的电网CPS建模方法通过分别提取电网CPS中物理系统与信息系统的拓扑，建立两者之间的相互依存关系，将孤立的单侧网络建模为相互依存网络，进而研究其结构特性和耦合关系对整体系统脆弱性的影响，该方法主要侧重于描述物理空间与信息空间节点间的相互依存关系，大多适用于分析网间的耦合关系及其耦合结构特性对系统整体脆弱性影响，具有局限性；通过混合系统的建模主要是将CPS系统的过程用有限状态机进行建模，然后利用微分方程表达的连续物理过程对状态进行扩展和精化，采用事件机制实现状态之间的变迁，该方法大多局限于时间域内的分析，没有考虑计算过程和物理过程的实时交互对系统行为所带来的影响，且模型更多针对具体的应用场景与实际控制，普适性差；基于关联矩阵的电网CPS建模主要采用矩阵形式来表示电网CPS中各层次或元件之间的逻辑连接关系，该类建模方法侧重对电网CPS中信息物理耦合特性的建模与定量分析，无法实现电网CPS中跨空间故障等各种不安全因素的复杂分析。

由此可见，现有的电网CPS建模研究普遍存在以下问题：①大多针对具体的应用场景或某一具体问题，模型普适性差；②没有充分考虑信息空间自身的复杂性和层次特性，无法分析业务层面以下的网络攻击类型，也无法全面刻画网络攻击在电网CPS信息空间和物理空间中交叉传播的实时影响。本发明从电网CPS的耦合特性出发，充分考虑物理电网与信息网络深度融合与交互影响，及信息空间自身的复杂性和层次特性，参考DEVS层次化、模块化的思想，提出了可用于描述电网信息物理系统信息空间与物理空间交叉影响因素等多种问题的电网信息物理系统层次化建模方法。

发明内容