基于有限状态机的配电网信息物理元件建模方法及系统

技术领域

本发明涉及配电网信息物理融合技术领域，具体涉及一种基于有限状态机的配电网信息物理元件建模方法及系统。

背景技术

电网智能化水平越来越高，信息通信与智能控制等技术广泛应用于电网，使得电网信息物理系统(Cyber-Physical Systems，CPS)中信息系统与电力物理系统的耦合与交互的过程变得错综复杂。针对包含海量物理、信息元件与复杂通信规约的庞大系统，梳理清楚电网CPS各部分之间的逻辑关联关系成为建模的基础与关键。

电网CPS是一个典型多层级的CPS，如单个光伏发电、本地保护系统、区域安控系统、自动发电控制AGC系统、智能电网调度系统等都是不同层级的CPS。不同层级的CPS都包括状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环过程。现有的电网CPS不能对电网进行全面清楚的划分及建模，不利于对电网控制器对不同层级元件进行精准的控制。

发明内容

因此，为了克服现有电网CPS不能对电网进行全面清楚的划分及建模，不利于对电网控制器对不同层级元件进行精准的控制的缺陷，本发明提供一种基于有限状态机的配电网信息物理元件建模方法及系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种基于有限状态机的配电网信息物理元件建模方法，包括:

获取配电网信息物理元件有限状态集合及各状态下的工作函数集合；

根据元件间的外部交互控制机制，获取各类元件在不同外部驱动条件下的状态转换规则；

根据元件的多种属性构建各类元件的有限状态机模型，所述元件的属性包括：有限状态集合、各状态下的工作函数集合、状态转换规则、预设状态迁移函数、预设初始状态集合。

优选地，元件的状态转换，包括：同类元件外部驱动条件引发的状态转换和不同类元件外部驱动条件引发的状态转换；

元件的状态变化包括：元件的物理状态变化和工作逻辑的变化；

元件的状态转移包括异常状态和正常状态下的状态转移。

优选地，所述元件包括：物理层元件，信息层元件，融合层元件，物理层元件包括可再生能源元件：风力发电机，光伏逆变器，电池储能；

信息层元件包括二次信息通讯元件：交换机；

融合层元件包括智能电网监控控制元件：配电开关监控终端。

优选地，元件的状态转移包括异常状态和正常状态下的状态转移。

优选地，风力发电机的有限状态集合包括：运行状态S

S

C

P

S

C

S

S

F

S

C

其中，控制器向风力发电机发送控制信号F

优选地，光伏逆变器的单相两级逆变器运行流程的有限状态集合包括：准备状态S

S

T

S

S

T

P

S

T

P

S

C

其中，控制器向光伏逆变器发送控制信号F

优选地，电池储能的有限状态集合包括：设备正常投运状态S

S

S

S

S

S

S

其中，P

优选地，交换机的有限状态集合包括：设备正常运行S

S

其中，函数函数a'(t)和a”(t)为在不同时间尺度下生成cache地址表，b(t)函数表示报文转发，Max_tim为有限时间，参数γ、α、β刻画交换机的外部状态，当状态正常时，γ、α、β等于1；当交换机的硬件遭受损坏、软件设定被篡改或者带宽被非法占用时，γ、α、β小于1而大于等于0；

S

优选地，配电开关监控终端具备控制功能a和量测功能b，其有限状态集合，包括：设备正常运行S

设备出现故障S

设备出现故障S

设备出现故障S

设备重启/检修S

S

Y′(t)＝X(t)，C(t)＝0

S

Y′(t)＝S(t)，C(t)＝0

S

S

Y(t)＝Y′(t)＝null，C(t)＝1

S

Y(t)＝Y′(t)＝null，C(t)＝1

其中，主站/子站向配电开关监控终端发送控制信号(C(t)，X(t))，C(t)＝{0，1}为设备重启指令的标志位，0为不重启，1为立即重启；X(t)＝{0，1}，0为执行动作使开关断开，1为执行动作使开关闭合；配电开关监控终端向分段开关发送控制信号Y(t)＝{0，1，null}，0为开关断开，1为开关闭合，null为不执行任何动作；配电开关监控终端中当前设备状态信息S(t)＝{0，1}，0为开关断开，1为开关闭合；配电开关监控终端向主站/子站发送设备状态信息Y′(t)＝{0，1}，0为开关断开，1为开关闭合。

第二方面，本发明实施例提供一种基于有限状态机的配电网信息物理元件建模系统，元件有限状态及工作函数获取模块，用于获取有限状态获取配电网信息物理元件有限状态集合及各状态下的工作函数集合；

有限状态机模型构建模块，用于根据元件间的外部交互控制机制，获取各类元件在不同外部驱动条件下的状态转换规则；

有限状态机模型构建模块，用于根据元件的多种属性构建各类元件的有限状态机模型，所述元件的属性包括：有限状态集合、各状态下的工作函数集合、状态转换规则、预设状态迁移函数、预设初始状态集合。

第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行本发明实施例第一方面的基于有限状态机的配电网信息物理元件建模方法。

第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行本发明实施例第一方面的基于有限状态机的配电网信息物理元件建模方法。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的基于有限状态机的配电网信息物理元件建模方法及系统，首先获取配电网信息物理元件有限状态集合及各状态下的工作函数集合；然后根据元件间的外部交互控制机制，获取各类元件在不同外部驱动条件下的状态转换规则；最后根据元件的多种属性构建各类元件的有限状态机模型，所述元件的属性包括：有限状态集合、各状态下的工作函数集合、状态转换规则、预设状态迁移函数、预设初始状态集合。本发明构建的有限状态机模型可以对于整个系统的事件感知，不仅能在宏观层面上引发采用哪种控制策略，并且在微观上元件的状态就可以成为控制算法的输入，可以对电网不同层级控制优化，更好的进行科学决策及精准执行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中提供的基于有限状态机的配电网信息物理元件建模方法的一个具体示例的流程图；

图2为本发明实施例中提供的风力发电机有限状态转换图；

图3为本发明实施例中提供的光伏逆变器有限状态转换图；

图4为本发明实施例中提供的电池储能有限状态转移图；

图5为本发明实施例中提供的交换机有限状态转移图；

图6为本发明实施例中提供的FTU有限状态转移图；

图7为本发明实施例中提供的基于有限状态机的配电网信息物理元件建模系统一示例的模块组成图；

图8为本发明实施例提供的计算机设备一个具体示例的组成图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供一种的基于有限状态机的配电网信息物理元件建模方法，如图1所示，包括:

步骤S1:获取配电网信息物理元件有限状态集合及各状态下的工作函数集合。

本发明实施中的配电网信息物理元件包括不同层级不同属性的元件，例如是海量物理元件、信息元件与监控控制元件。

步骤S2:根据元件间的外部交互控制机制，获取各类元件在不同外部驱动条件下的状态转换规则。

本发明实施例面向元件间的外部交互控制机制，研究电力及信息各类元件在不同外部驱动条件下的状态转换规则。元件的状态转换，包括：同类元件外部驱动条件引发的状态转换和不同类元件外部驱动条件引发的状态转换，由同类元件外部驱动条件引发的状态转换，包括信息内容、通信量引发的信息元件状态转换，潮流引发的电力元件状态转换；由不同类元件外部驱动条件引发的状态转换，如信息内容、通信量引发的电力元件状态转换，潮流信息引发的信息元件状态转换。

本发明实施例中的元件的状态变化，包含其自身的物理状态变化和其工作逻辑的变化。其中物理状态变化是指其会受所在的工作环境条件，是否露天，接受风吹日晒雨淋冰冻，以及是否可能受到不法分子或者鸟兽的破坏，结合自身的材料属性，可能会造成物理状态上的变化，如良好变成破损等；其工作逻辑的变化是指一个元件之所以能在系统里发挥作用，在接受系统内或者系统外的影响因子，经过自身逻辑处理，输出给系统内的其它元件。

步骤S3:根据元件的多种属性构建各类元件的有限状态机模型，所述元件的属性包括：有限状态集合、各状态下的工作函数集合、状态转换规则、预设状态迁移函数、预设初始状态集合。

本发明实施例同时关注元件的工作异常状态和元件正常状态下的状态转移，采用有限状态机模型，即表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。状态机归纳为4个要素，即现态、条件、动作、次态。“现态”和“条件”是因，“动作”和“次态”是果。

根据电网一次二次设备的工作状态属性和内外部事件驱动机理构建元件模型为：物理层元件，信息层元件，融合层元件。

其中，物理层元件包括可再生能源元件：风力发电机，光伏逆变器，电池储能；信息层元件包括二次信息通讯元件：交换机；融合层元件包括智能电网监控控制元件：配电开关监控终端(简称FTU)。

在一具体实施例中，以上述物理层元件，信息层元件，融合层元件所包含的元件为例进行建模的过程如下：

1、风力发电机

风机的运行状态在最高层次，紧急停机状态在最低层次，提高工作状态层次只能一层一层向上升，降低工作状态可以一层或多层，当系统在转变状态过程中监测到故障，则自动进入停机状态。当监测到故障且致命，则直接从运行状态到紧急。风力发电机的有限状态集合：

(1)S

(2)S

(3)S

(4)S

如图2所示的为风力发电机有限状态转换图，如表1所示的为发电机控制状态转换规则：

表1

控制器向风力发电机发送控制信号F

(1)S

C

P

(2)S

C

S

(3)S

F

(4)S

C

2、光伏逆变器

光伏并网逆变器通常可分为单级型和两级型，单级逆变器仅含有DC/AC变换器，两级逆变器包含一个用来实现MPPT的DC/DC变换器和一个DC/AC变换器。本部分以单相两级逆变器为例，构建一个基于状态转移的逆变器模型。单相两级逆变器运行流程可分为5个状态：

(1)S

(2)S

(3)S

(4)S

(5)S

如图3所示的为光伏逆变器有限状态转换图，如表2所示的为光伏逆变器元件状态转换规则：

表2

控制器向光伏逆变器发送控制信号F

(1)S

T

(2)S

(3)S

T

P

(4)S

T

P

(5)S

C

3、电池储能

电池储能是通过化学方式实现电能的储存和释放装置，我国大力发展清洁能源，风电、光伏实现跨越式大发展，新能源装机容量占比日益提高。然而，在清洁能源高速发展的同时，波动性、间歇式新能源的并网给电网从调控运行，安全控制等诸多方面带来了不利影响，极大地限制了清洁能源的有效利用。电池储能电站可与分布/集中式新能源发电联合应用，是解决新能源发电并网问题的有效途径之一。电池储能有限状态集合：

(1)S

(2)S

(3)S

图4所示的为电池储能有限状态转移图，电池储能的状态转换规则满足概率为p的马尔可夫过程。表3中为电池储能状态转换规则：

表3

电池储能的工作函数包括存储电能功率P

(1)S

Son＝F(P

(2)S

Soff＝Null

(3)S

Sfail＝Null

4.交换机

设定交换机具备2种功能a(生成IP地址表)与b(分发报文)，先生成功能a的Cache地址表再完成功能b的报文转发，交换机根据生成的IP地址表匹配目的IP，将报文正常发送至DTU等目标设备。同时交换机可能受到诸如过热、导电等硬件攻击，也可能受到篡改Cache表、DDOS、限定Cache容量等手段的软攻击，其有限状态集合包括：

(1)S

(2)S

如图5所示的为交换机的状态转换规则，其满足概率为p的马尔可夫过程，如表4所示的为交换机状态转换规则：

表4

主站或者向交换机发送报文，交换机按照报文里的目的地IP地址分发报文。此过程中，交换机工作动作包含两步，第一步是主动向全网段发送监听报文，在有限时间Max_time内主动生成IP地址表，随后转为被动监听，一旦网段里有新设备添加，则被动更新IP地址表。第二步是在完整的IP地址表的匹配下，交换机将主站或者子站的报文分发至目标设备。

(1)S

其中，函数函数a'(t)和a”(t)为在不同时间尺度下生成cache地址表，b(t)函数表示报文转发，Max_tim为有限时间，参数γ、α、β刻画交换机的外部状态，当状态正常时，γ、α、β等于1；当交换机的硬件遭受损坏、软件设定被篡改或者带宽被非法占用时，γ、α、β小于1而大于等于0；

整个函数刻画整个交换机功能是否正常的概率。

(2)S

5.FTU

设定FTU具备2种功能a(控制)与b(量测)，两个功能相互独立运行，当某个功能失效时由主站/子站决策是否立即重启/检修FTU。FTU有限状态集合：

(1)S

(2)S

(3)S

(4)S

(5)S

如图6所示的为FTU的状态转换规则，其满足概率为p的马尔可夫过程，如表5-1FTU状态转换规则：

表5-1

其中，主站/子站向FTU发送控制信号(C(t)，X(t))，C(t)＝{0，1}为设备重启指令的标志位，0为不重启，1为立即重启；X(t)＝{0，1}，0为执行动作使开关断开，1为执行动作使开关闭合。FTU向分段开关发送控制信号Y(t)＝{0，1，null}，0为开关断开，1为开关闭合，null为不执行任何动作。FTU中当前设备状态信息S(t)＝{0，1}，0为开关断开，1为开关闭合。FTU向主站/子站发送设备状态信息Y′(t)＝{0，1}，0为开关断开，1为开关闭合。

(1)S

Y′(t)＝X(t)，C(t)＝0

表5-2为该状态的工作函数一览表：

表5-2

(2)S

Y′(t)＝S(t)，C(t)＝0

(3)S

(4)S

Y(t)＝Y′(t)＝null，C(t)＝1

(5)S

Y(t)＝Y′(t)＝null，C(t)＝1

本发明实施例通过对多个层次不同属性的元件构建有限状态机模型，尤其是对可再生能源发电单元进行建模，可以更加全面的可以全面的对于整个系统的事件感知，这些感知包括：(1)对于量测数据的感知，包括风力发电机的风速，电流传感器的数据，等等这些可以是通过数据量测设备的反馈；(2)人为操作的感知，比如说开关刀闸等；(3)描述事件引发的状态切换，比如说停电动车到带充电桩的车位。

有限状态机模型中的元件状态某种程度上作为系统的输入和输出，是自动化的初始配置和某些控制状态的最终显现，比如对于故障的自愈控制，需要读取故障设备的状态，使得控制器可以更好的做出控制决策甚至改变一些设备的状态。

有限状态机模型中的元件状态和事件的关联，为外界驱动时间引发内部控制优化决策算法切换及功能启动的效果，不仅能在宏观层面上引发采用哪种控制策略，并且在微观上元件的状态就可以成为控制算法的输入等。可以对电网不同层级控制优化，更好的进行科学决策及精准执行。

实施例2

本发明实施例提供一种基于有限状态机的配电网信息物理元件建模系统，如图7所示，包括：

元件有限状态及工作函数获取模块1，用于获取有限状态获取配电网信息物理元件有限状态集合及各状态下的工作函数集合；此模块执行实施例1中的步骤S1所描述的方法，在此不再赘述。

状态转换规则获取模块2，用于根据元件间的外部交互控制机制，获取各类元件在不同外部驱动条件下的状态转换规则；模块执行实施例1中的步骤S2所描述的方法，在此不再赘述。

有限状态机模型构建模块3，用于根据元件的多种属性构建各类元件的有限状态机模型，所述元件的属性包括：有限状态集合、各状态下的工作函数集合、状态转换规则、预设状态迁移函数、预设初始状态集合；该模块执行实施例1中的步骤S3所描述的方法，在此不再赘述。

本发明实施例提供的基于有限状态机的配电网信息物理元件建模系统，构建的有限状态机模型可以对于整个系统的事件感知，不仅能在宏观层面上引发采用哪种控制策略，并且在微观上元件的状态就可以成为控制算法的输入，可以对电网不同层级控制优化，更好的进行科学决策及精准执行。

实施例3

本发明实施例提供一种计算机设备，如图8所示，包括：至少一个处理器401，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，至少一个通信接口403，存储器404，至少一个通信总线402。其中，通信总线402用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口403可以包括显示屏(Display)、键盘(Keyboard)，可选通信接口403还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器404可以是高速RAM存储器(Ramdom Access Memory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器404可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器401的存储装置。其中处理器401可以执行实施例1的基于有限状态机的配电网信息物理元件建模方法。存储器404中存储一组程序代码，且处理器401调用存储器404中存储的程序代码，以用于执行实施例1的基于有限状态机的配电网信息物理元件建模方法。

其中，通信总线402可以是外设部件互连标准(peripheral componentinterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standardarchitecture，简称EISA)总线等。通信总线402可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图8中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器404可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard diskdrive，缩写：HDD)或固降硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。

其中，处理器401可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。

其中，处理器401还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：ASIC)，可编程逻辑器件(英文：programmable logic device，缩写：PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：FPGA)，通用阵列逻辑(英文：generic arraylogic,缩写：GAL)或其任意组合。

可选地，存储器404还用于存储程序指令。处理器401可以调用程序指令，实现如本申请执行实施例1中的基于有限状态机的配电网信息物理元件建模方法。

本发明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可执行指令，该计算机可执行指令可执行实施例1的基于有限状态机的配电网信息物理元件建模方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(FlashMemory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固降硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。