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计算机辅助配电网的故障检测与开关配置
摘要:智能分配系统的实现需要网络化操作。计算机与电力部件的相互作用将影响系统的可靠性。本文主要研究智能配电网馈线故障检测、隔离和恢复的可靠性分析模型。该模型考虑了数据通信的端到端中断概率以及发送、接收和中继通信节点故障的影响。另外，还研究了系统对网络攻击的脆弱性作为可靠性退化的一个新的原因。为了提高故障检测器和开关器件的可靠性，确定了故障检测器和开关器件的最佳位置。将客户服务中断费用与投资费用之和作为目标函数最小化。以罗伊·比林顿试验系统的 2 号总线和一个典型的 27 节点配电网络为例，说明了通信基础设施故 障对配电馈线规划问题的影响。结果和讨论表明，将通信基础设施故障纳入配电网规划问题的必要性。
索引术语ー网络攻击、网络启用设备、共因故障、可靠性、遥控开关、智能故障检测器。
命名
CCF 共因故障
CCCG 共因成分组
EIC 预期中断成本
FD 故障检测器
GA 遗传算法
LAN 局域网局域网
MCS 蒙特卡罗模拟
MTTC 平均折衷时间
MTTF 平均故障时间
MTTR 平均维修时间
RBTS 罗伊·比林顿测试系统
RCS 遥控开关
SCADA 数据采集与监控系统
手稿收到 2015 年 8 月 3 日;修订 2015 年 8 月 11 日，2016 年 1 月 12 日，2016 年 5 月 2 日;接受 2016 年 5 月 20 日。发布日期:2016 年 5 月 26 日;最新版本:2018 年 2 月 16 日。本项目由电力系统工程研究中心(PSERC)在 T-53 项目下支持。文件号码。Tsg -00898-2015.
作者是美国威奇托市卫奇塔州立大学电子工程和计算机科学系的 67260KS
(e-mail: mxheidarikapourchali@wichita.edu; mxsepehry@wichita.edu; visvakumar.aravinthan@wichita.edu).
ny 年数
rho; 回报率
NC 数控意外事故数目
LP 负载点数
LT 负载类型的数目
- 加载点
- 负载类型
y年内k型第负荷平均需求量
lambda;(n) 配电馈线元件故障率
第n次故障时第j次负荷中断持续时间
因引起的k型第负荷中断费用
故障探测器投资成本
转换投资成本
第i个故障检测器的不成功检测概率
故障数据传输不成功的概率
控制信号不成功传输到开关的概率
第i个交换机确认信号的不成功传输概率
lambda; 故障率
mu; 修理速度
lambda;I 通信链路间歇性数据丢失率
lambda;P 通信链路永久数据丢失率
mu;I 从间歇性数据丢失中恢复的速率
mu;P 永久性数据丢失恢复率
开关i闭合/断开不成功的概率
Pfi 故障探测器i不成功运行的概率
Psi 交换机i遥控不成功的概率
Pup 系统的稳态可用性
P down 系统稳态不可用
fup 遇到状态的稳态频率
f down 遇到停机状态的稳态频率
rsg 遥控开关时间
rsw 手动切换时间
rc 网络取证所需时间
i线修复时间
Pmin 最小可接受接收功率
Pr(d) 远距离接收功率。
一. 引言
智能电网要求无处不在的部署先进的监测和自动控制设备，称为网络使能设备。它对可靠的双向信息流提出了更高的要求，以报告事件和发出命令。网络技术的部署已经获得了势头，但是它在分发层面的普遍使用受到几个因素的阻碍。首先，缺乏一个透明的衡量单位资金投资预期回报率的方法 [1]。第二，网络攻击对通信基础设施的影响[2]。第三，网络技术的不可用性。解决这些因素的影响为调动投资以便为现有电网提供情报铺平了道路。对现有电网进行改造，采用智能技术的最终目标是实现电网的自愈。这样的电网能够迅速应对意外事故并从中恢复，从而提高电网的效率、可靠性和安全性 [4]。
目前，分销网络受到监控和通信技术的限制。因此，配电网的正常运行和非正常运行都需要人工干预。减少人为干扰和用户停电时间是配电系统管理的一个重要课题。在现有电网中集成监控和保护装置一直是一个不断出现的规划和管理目标。
为了通过限制断续负荷来提高可靠性，[5]-[8]中考虑了手动开关的放置。为了减少故障隔离时间，在[9]和[10]中提出了一个最优的 FD 位置。故障定位仪可视或远程帮助现场工作人员找到故障位置。安装远程控制交换机(RCS)是加快向尽可能多的客户恢复服务的进一步措施[11]。这种趋势伴随着通信设备的技术改进已经达到了一个点，即电网以一种自我修复的方式行动。在自愈智能电网中，故障应该自动检测和隔离，并且在很少或没有人为干预的情况下，将故障恢复到非故障区域。在智能电网中，通信网络是智能设备与控制中心之间的骨干网络。这给为了传输数据而维护安全连接带来了新的挑战。由于网络基础设施并非没有故障，它与现有电网的整合增加了电力传输的故障模式。可靠性计算中需要包括新的失效模式，以便能够作出更精确的规划和运行决策。
已经发表了若干研究报告，以便将通信基础设施不可用的影响纳入电网的可靠性。法拉哈提和傅[12] 猫理解的网络权力相互依存分为两种类型:直接和间接。他们定量地评估了失效模式，建立智能微型电网和高压变电站的模型，以模拟电脑网络对电力设备的即时和潜在影响。等人通过定义网络物理接口矩阵，将基于 IEC61850 的变电站保护系统的可靠性分析解耦为独立的实体，即网络网络和电力系统。该矩阵使得将变电站网络设备的故障模式纳入到一个复合电力系统模型中成为可能。在[13]-[15]中，研究了地理上可以通过网络控制的电力系统，如变电站和微型电网的可靠性。
在[16]-[18]中，通信网络不可用性的影响分析被扩展到支线 FDISR。作者在[18]中将包括 RCS在内的分布馈线的信息和通信技术表示方法整合到蒙特卡罗模拟(MCS)中，以数值方式评估它们之间的相互依赖性。文献[18]是对考虑按需通信故障的配电馈线可靠性进行量化的初步尝试之一。以上工作仅仅针对计算机元件的按需故障及其对电力系统可靠性的影响进行研究。然而，这并不是网络电网引起的唯一担忧。
一项关于电力公司网络安全的调查结果显示，许多公司经常遭受网络攻击。针对超级控制与数据采集系统(SCADA)部件的网络攻击，可能导致智能电子设备故障，降低系统可靠性。这些攻击通过获得网络组件的更高权限级别和发送错误的控制命令或状态数据来执行。网络攻击通常表示为攻击者为了提升特权级别和危及系统而花费的平均时间。这个时间称为平均妥协时间 (MTTC)。
麦奎因等人[20]提出了一个模型来估计 SCADA 系统的网络组件的 MTTC。在这项工作中，攻击者试图利用组件的已知脆弱性的操作分为三种情况。这些情况取决于攻击者是否知道组件中的可操作性及其利用。等人使用基于贝氏网路的攻击图表示潜在的攻击序列，以获得网络的根特权。在序列的每个步骤中，都利用组件的脆弱性来提升特权级别。已知和未知(零日)漏洞都包含在 MTTC 评估中。等人 [22]提前发送了一个基于贝氏网路的攻击图表，用来表示人在中间攻击 SCADA 通信链路时的潜在序列。攻击者可以窃听截获的消息，修改它们或者在网络中注入新的消息。这项工作还将可能的对策纳入图中。
Stamp 等[23]应用 MCS 评估网络攻击场景对电力系统可靠性退化的影响。第一种情况是攻击发电单元和传输线/电源保护。在第二种情况下，SCADA 系统是目标。在这种攻击中，如果攻击者获得更高的权限级别，跳闸信号可以发送到多个断路器。折衷的时间被假设为指数分布式随机变量。平均修复时间(MTTR)的定义是所需的时间为网络取证和物理恢复的单位。Zhang 等人在[19]和[24]中介绍了不同的场景来攻击 SCADA 和风电场能源管理系统。这些场景包括对控制中心、企业和分局的 SCADA 通信链路和局域网的攻击。在单片机中，采用各种情况下的 MTTC 和 MTTR 来评估基准电力系统的负荷损失概率和未供电的期望能量。在文献[25]中，我们利用一个改进的半马尔可夫过程来评估攻击场景的 MTTC。本文采用博弈论方法，对不同目标的攻防资源进行优化配置。在文献[26]中，我们将文献[25]中的模型扩展到对入侵容忍 SCADA 系统的正常攻击和渗透攻击的 MTTC 评估。
文献[25]和[26]也使用 MCS 对电力系统进行可靠性评估。
回顾近年来的研究工作，指出了建立一个全包容的、可扩展的配电网可靠性模型的必要性。在认识到文献中所缺少的内容之后，本文旨在通过分析评估系统可靠性指标，包括随需应变通信故障和网络攻击，来找出这一问题。
本文采用了一个包含间歇性和永久性链路故障的数据可用性马尔可夫模型，引入了通信媒介中的平均可用性概念。无线技术被认为是两个节点之间传输数据的媒介。在[27]中，已经研究了智能电网应用中无线通信媒体的可行性和要求。在我们的工作中，通信中断概率被用来表示控制中心和网络支持设备之间的数据传输的按需无效 。
根据监视和保护装置的成功或失败操作，故障可能传播到更大的区域。这些设备要么是独立失效，要么是由于共同的原因而失效。此外，本文还从两个方面探讨了网络攻击在网络使能设备故障中的作用。将网络攻击纳入网络物理系统的可靠性评估中，可以提供更真实的评估。在第一类攻击中，攻击者在系统的正常运行模式下向 rcs 发送假跳闸信号以中断供应。在第二类中，时间关键的数据和监视及保护设备的命令被阻塞或损坏。这些分布式拒绝服务攻击攻击加起来就是网络设备的按需失效。
该分析模型用于识别各个加载点的断裂持续时间。该模型对于准确评价定向投资对配电网现代化建设的效益具有重要意义。最佳布局的 rcs 和功率因数随着手动操作开关是进行了作为一个应用所提出的模型。这种技术的目的是降低长期预期的分离成本(EIC)。以 RBTS[28]的2 号总线和典型的 27 节点配电网为例进行了研究。结果和讨论表明，在配电网规划中引入通信设施故障是必要的。
本文件的主要贡献如下:
- 计算机辅助配电网馈线故障后序贯动作分析。
- 开发了一种通信网络按需故障和网络攻击情况下的可靠性(计算机网络)分配计算分析方法。
- 介绍常见的网络物理故障
- 将计算机辅助配电系统可靠性模型的影响纳入同
时开关和故障检测器的配置问题。
二.基于网络控制的配电系统
IEEEPES 配电自动化工作组[30]将配电自动化定义为:“使电力公司能够从远程地点以实时方式远程监测、协调和运行配电部件的系统”。具有信息发送和接收能力的设备的持续进步是分发自动化的关键推动器。与此趋势相一致，手动开关和发光固体已被网络传感器和固体光电子器件所取代。这通常与沿分布
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