“互联网+”形势下电力信息物理融合发展研究综述与展望

能源技术的变革催生了电力系统技术的发展,"互联网+"技术的创新应用加强了电力系统信息-物理之间的联系。在对比电力系统信息化建设进程的基础上,深入阐述了其核心特征——信息物理融合的本质。进而,基于信息物理融合系统(CPS)的研究范畴,从数值仿真和机理解析2个维度,总结综述了电力CPS在信息物理融合的建模分析及相互影响方面的研究进展,并提出了在"互联网+"技术融合创新下电力CPS相关技术的研究挑战。最后,展望了"互联网+"形势下一二次融合、芯片传感、透明网络、区块链等电力系统信息物理融合关键技术的发展趋势。     

电力信息物理融合系统中的网络攻击分析

正1电力信息物理融合系统背景近年来,关于电力信息物理融合系统(cyber physical system,CPS)的研究在智能电网领域掀起一股热潮。电力CPS通过3C(computation,communication,control)技术将计算系统、通信网络和电力系统的物理环境融为一体,形成一个实时感知、动态控制与信息服务融合的多维异构复杂系统。与传统电力系统相比,电力CPS的一个重要优势在     

光伏储能协调控制的信息物理融合建模研究

信息物理融合系统(cyber-physical system CPS)紧密融合了物理、通信和信息网络,其与电力系统的结合被认为是发展智能电网的技术基础。文章从确保物理、信息模型的一一对应出发,探讨了建立单个、集成多个物理信息融合(cyber-physical,CP)模型的方法。在光伏、储能电池的场景上,分别建立了其CP模型,并在此基础上研究了光储协调控制的集成CP模型。通过动态链接库桥接物理、信息模型的仿真工具,对所建立的光伏CP模型以及光伏储能协调控制CP模型进行了仿真,仿真结果验证了物理信息融合建模方法的有效性以及CP模型在优化控制应用上的有效性。     

电力信息物理融合系统的建模分析与控制研究框架

传统的电力系统研究与信息系统研究在理论和方法上基本都是割裂的,故在现有的理论和方法框架下难以系统而深入地分析信息系统对电力系统分析与控制的影响。实现智能电网的关键之一就在于怎样将前沿的计算、通信、传感技术与电力系统紧密而有机地结合起来,而信息物理融合系统（CPS）的目标正是将物理系统和信息系统融合为新型工业系统。在此背...     

信息物理融合系统安全现状与关键技术

介绍信息物理融合系统(cyber physical systems,CPS)的发展现状,分析CPS所面临的安全威胁,针对这些安全威胁给出了相应的防范对策,并重点分析了CPS防范系统中的认证技术、访问控制技术和隐私保护技术等关键技术,以促进CPS在信息安全方面的健康发展。     

网络攻击下电力系统信息安全研究综述

随着信息和通信技术的发展,传统电力系统已经转变成一个具有实时感知、动态控制和信息服务等功能的电力信息物理融合系统。信息系统在优化电力系统功能的同时,网络攻击带来的信息安全问题使电力系统的安稳运行敲响了警钟。文中针对电力信息物理融合系统环境下的网络攻击问题展开讨论,基于攻击目标的差异性对网络攻击进行分类。在研究图论攻击建模方式的基础上,提出网络攻击下实现系统综合安全评估的必要性。最后对电力信息物理融合系统的研究工作进行展望。     

基于攻击图的电网信息物理融合系统风险定量评估

由于信息和通信技术的广泛应用,现代电网已成为一个实时感知、动态控制与信息服务的多维异构复杂系统,即电网信息物理融合系统(电网CPS)。信息系统与电力系统的深度融合使得电网面临更多的网络威胁。在此背景下,本文提出了虚假数据注入攻击下的电网信息物理融合系统风险定量评估方法。针对攻击建立了数据流传递的电力信息安全模型,将攻击分为两个过程:首先选择变电站注入虚假数据,然后基于通信拓扑图构建了流传递路径,采用攻击图量化攻击源信息传递模型,并基于故障下最优负荷削减策略对电力系统潜在后果进行了定量评估。最后通过算例研究,确定考虑网络攻击因素下系统的薄弱节点,验证了所提方法的可行性和有效性。     

计及负荷优化重配的电力CPS可生存性量化评估

针对电力信息物理融合系统(CPS)规模不断扩大且现有级联失效模型忽略信息流和潮流转移特性,使得可生存性难以快速有效评估的问题,计及负荷优化重配对电力CPS可生存性进行量化评估。首先,根据系统拓扑结构和关联关系,通过定义度函数和电气介数建立了度—介加权电力CPS关联矩阵,实现了耦合CPS的形式化表征。然后,从CPS级联失效的结构连通性变化和风险传播范围两个维度出发,基于节点负荷容量限制、信息流择优分配策略、潮流优化方程和系统安全运行等约束条件设计了可生存性评估模型。最后,采用混沌Lévy搜索萤火虫算法对评估模型进行高效求解。通过算例分析,有效量化评估了电力CPS的可生存性并提高了大规模耦合系统的评估效率。     

多证据融合下电力信息物理系统风险评估研究

电力与信息的深度融合是能源互联网的发展趋势,一旦电力网或信息网发生风险与故障,电网运行的稳定性将受到极大影响。针对电力信息物理融合系统风险等级评估准确性较低的问题,提出了基于证据理论的风险评估方法。首先,通过识别电力信息物理融合系统的关键风险因素,从电力空间、信息空间和网架结构3个方面构建了电力信息物理融合系统风险指标体系。其次,借助证据融合理论实现了电力信息物理融合系统风险等级计算模型,并利用该模型评估分析了5个不同的电力信息物理融合系统,得出了各个电力信息物理融合系统不同的风险等级,验证了所提模型对评估电力信息物理融合系统风险等级的适用性。     

微电网CPS物理端融合模型设计

基于微电网信息物理融合系统(CPS)的架构体系,分析了微电网CPS的信息资源环境特征,提出了针对微电网CPS中电气物理设备端节点的融合模型,其本质为一种依附于电气物理设备工作状态的微电网CPS云端计算融合模型;模型充分挖掘物理设备终端节点所被赋予的信息资源,各层次的任务有序地分配到核心服务器节点、集群服务器节点和物理设备端节点上,以达到所有信息资源高效利用的目的;为了满足能够在微电网"即插即用"控制策略下灵活调度和管理大量物理设备端节点的信息资源,提出一种新颖的环形协同管理机制,该机制能够有效地增加物理设备端节点的工作稳定性,减轻上层节点的计算负担;最后给出了具有参考意义的基于融合模型的设计方案。     

配电网信息物理系统的典型特征与联合测试验证

随着多通信方式网络、分布式电源等信息物理资源的加入,传统配电网的信息流和能量流特性发生了重要转变,因此迫切需要从信息物理融合的视角去研究相关运行及控制问题。首先阐述了配电网信息物理系统(cyber physical system,CPS)的5种典型特征;其次,为完整保留能量流和信息流交互过程,从数字与动模测试验证互补的角度,提出配电网CPS数模混合测试验证平台,以支撑该领域理论分析和控制方法研究;最后,基于分布式光伏无功优化控制算例验证了平台的有效性。     

电力信息物理系统韧性的概念与提升策略研究进展

信息系统和物理系统耦合形成的信息物理系统,使电力系统具有更强的可控可观性,与此同时,信息系统与物理系统的故障将造成更严重的电力安全事故。如何结合通信因素分析信息系统与物理系统的互相作用,是提升电力信息物理系统韧性的关键问题。首先,设计了电力信息物理系统的框架,定义了电力信息物理系统韧性概念的特点并分析韧性的意义。其次,基于信息流动路径的传输原理介绍通信技术的特点和发展趋势,并根据信息网络特点分析不同极端事件对韧性的影响。再次,归纳了电力信息物理系统联合仿真方法。然后,总结了各层次网络韧性提升策略的研究进展,探讨了卫星通信、无人机通信等应急通信技术的可行性。最后,阐述电力信息物理系统韧性研究未来面临的挑战。     

考虑信息-物理组合预想故障筛选的配电网CPS安全性评估

随着ICT技术和自动化控制技术的快速发展,配电网逐渐发展为信息系统和物理系统高度耦合的配电网信息物理系统（配电网CPS）,信息系统支撑物理系统稳定运行的同时也给配电网CPS带来了一定的安全隐患,因此在原有的单一物理预想故障评估中需考虑信息影响。提出一种考虑信息-物理组合预想故障筛选的配电网CPS安全性分析与评估方法。首先基于配电网CPS结构,建立了可以反映电力-信息耦合特性的配电网CPS关联矩阵模型;接着分析信息故障和物理故障的相关性,依据拓扑相关和业务相关构建初始的信息-物理组合预想故障集;然后以故障恢复率排序作为依据筛选出关键的信息-物理组合预想故障;最后针对筛选出的组合预想故障利用配电网CPS安全性评估指标进行安全评估,并在算例中验证,算例结果表明了所提方法的合理性和有效性。     

信息物理融合视角下的电流纵差保护可靠性分析

现代电网已经具备信息-物理紧密融合的特征，电流差动保护是信息物理紧密耦合的典型应用，因此，有必要从信息物理融合的视角研究其可靠性。从物理-量测-通信-决策的完整闭环控制过程出发，分析线路电流、互感器测量误差、通信延时及保护判据（分析决策）等信息物理因素对电流差动保护的综合影响，提出电力信息物理系统视角下电流差动保护业务的误动概率模型。然后，通过仿真算例验证了模型的合理性，并分析了影响电流差动保护误动的关键因素。     

基于信息物理融合的间接空冷机组冷端系统运行优化

随着我国能源消费与供给革命不断推进,火电企业发展形势日益严峻,需要在新一代能源系统中提高自身竞争优势。在系统阐述电站信息物理融合系统(cyber physical system,CPS)的体系结构和应用模式的基础上,提出基于CPS的火电机组生产过程表征与运行优化方法,并针对间接空冷机组冷端系统优化开展模型验证与案例分析。采用数据驱动方法建立间接空冷机组冷端CPS模型;利用机组历史运行数据修正汽轮机级组效率曲线,构建汽轮机变工况模型;通过BP神经网络回归预测空冷塔出口水温,协同优化得到变频泵最佳运行频率。案例机组运行数据分析结果表明:采用该冷端CPS模型及优化策略可降低机组供电煤耗0.9g/kWh,有效提升机组经济性。     

配电网CPS理论架构和典型场景应用

随着计算机、通信、控制（3C）技术的发展与在配电网中的深入应用，配电网信息空间与物理空间实现了深度融合和实时交互，其感知、集成、共享、协同、自治等能力得到了极大提升，形成了配电网信息物理系统（cyber physical system，CPS）。基于信息物理融合的角度，从本质、特征与体系分析配电网CPS的内涵，分析多样化的控制方式与CPS资源部署形式对配电网运行控制特性的影响。依据CPS概念剖析其发展的不同阶段、不同的业务需求与场景类型分析3类典型配电网CPS示范工程应用，从而对配电网CPS的理论模型架构进行测试与验证。     

考虑网络攻击因素的电网信息物理系统业务可靠性分析

电网信息物理系统(grid cyber physical system,GCPS)的主要特征是信息空间和电力空间的深度融合与交互影响。针对智能电网广域实时保护控制业务,首先研究了信息业务对物理系统可靠性影响的表征方式,建立信息设备关联的业务可靠性模型。在此基础上,引入设备可靠性因子,提出考虑攻击因素的信息设备可靠性评估指标,并给出了结合层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)和贝叶斯网络的业务可靠性量化评估方法。通过算例研究,确定了考虑攻击因素的情况下系统的薄弱环节,并分析不同冗余程度的信息系统对业务可靠性的影响,并且与已有方法进行对比,验证了所提方法的可行性和合理性。     

基于攻击预测的电力CPS安全风险评估

为准确评估当前电力信息物理系统（cyber physical system，CPS）的风险状态，针对信息、电力紧密耦合的特点，提出一种基于攻击预测的电力CPS风险评估方法。利用已检测到的攻击告警信息，基于隐马尔科夫模型（hidden Markov model，HMM）识别出可能的攻击场景，推测攻击者的攻击意图，分析其未来的攻击目标和概率。攻击预测结果表征着系统当前的攻击威胁状况，将其作为输入，结合传统的单域（信息域或物理域）风险评估方法计算单域风险，再基于电力CPS复杂网络模型评估跨域风险，融合二者的结果得到最终的风险值。基于智能配电网IEEE 33节点的仿真平台，对攻击预测方法以及安全风险评估方法进行了验证，证明了基于攻击预测的风险评估方法的可行性和合理性。     

基于关联特性矩阵的电网信息物理系统耦合建模方法

电网信息物理系统(电网CPS)中信息层和物理层的紧密耦合,使得信息或物理的失效都会对电网CPS的正常运行造成影响。文中提出了一种基于关联特性矩阵的电网CPS建模方法,对电力系统控制应用中信息流与能量流的复杂耦合关系和交互机理进行梳理与建模。该方法首先对实际电网CPS逻辑进行梳理与抽象,得到电网CPS基本分析单元;然后,采用多元组定量描述信息节点、二次设备节点和通信节点的外特性,采用关联特性矩阵的方法定量描述电网CPS中物理层、二次设备层、通信层、信息层内部及其相互之间的逻辑关联关系及特性,形成完整的电网CPS耦合模型。最后,基于电网CPS模型对实际电网CPS应用系统进行分析,说明模型的使用方法,验证模型的合理性和有效性。