基于渗流理论的电力CPS网络风险传播阈值确定方法

由于电力信息物理系统(CPS)网络的非均匀性及风险传播过程的动态性,使得风险爆发的临界点难以数值确定。从相依网络视角出发,提出一种基于渗流理论的电力CPS网络风险传播阈值确定方法。首先,根据拓扑关联和耦合逻辑将电力CPS网络抽象为双层复杂网络有向图,并采用非对称balls-into-bins分配方法建立"一对多"及"部分耦合"的非均匀电力CPS表征模型。然后,考虑信息层与物理层链接之间的方向性及依赖关系,引入渗流概率对各层内部耦合关系建立传播动力学方程。最后,通过定义电力CPS网络节点的生存函数对风险传播阈值进行数值求解,并以IEEE 30节点系统和150节点的Barabsi-Albert模型算例验证了所述方法的有效性。     

电力信息物理系统建模和信息攻击机制分析

随着智能电网和能源互联网战略的推进,电力网的安全可靠运行越来越依赖信息网,对电力信息物理系统CPPS(cyber power physical system)合理建模具有十分重要的意义.本文从信息物理融合角度出发,将CPPS划分为电力层、信息层和耦合层三层架构.以信息流为主要视角,采用多元数据组构成的状态矩阵定量描述电力层信息,针对信息流传递方向的不同,将信息层分为信息上传、分析决策和信息下达三个过程分别建模.再以耦合矩阵关联电力层和信息层,建立以电力层状态量为"信源"和"信宿"的闭环一体化CPPS模型.简要分析了信息攻击风险在模型中的传播机制.最后,用IEEE 9节点和30节点系统定量推演信息流交互对电网运行状态的影响,验证模型的合理性.     

考虑多层耦合特性的电力信息物理系统建模方法

从信息物理融合的角度出发,综合考虑电力网、通信网和信息网的关联关系和耦合特性,提出了一种电力信息物理系统分层建模方法。首先,提出了考虑多层耦合特性的电力信息物理系统三层模型框架。然后,基于电网稳态潮流方程,考虑通信传输过程和信息决策过程,对电力网、通信网和信息网进行了分层次建模。针对信息网的监控功能和信息流的传递方向不同,建立了负责信息传递的上行/下行通信通道模型,再以网间接口模型关联电力网、通信网和信息网,推导出考虑多层耦合的电力信息物理系统一体化模型,显现了电力网、通信网和信息网的功能关系。最后,用IEEE 9节点和39节点系统构建的电力信息物理系统模型,基于潮流计算和拓扑分析方法,以最小切负荷为优化目标,定量推演信息网的感知决策过程和模型参数的变化对电网运行状态的影响,验证了所提出建模方法的有效性,适用于分析网络攻击、连锁故障演化机理等场景。     

图计算在电网CPS中的应用场景研究

信息技术的广泛应用使得电力系统一次侧和二次侧形成了典型的信息-物理耦合系统(cyber-physicalsystem,CPS)。电网CPS的出现促进了新的建模方法、安全评估方法以及问题场景的出现。同时,由电网CPS导致的问题规模扩大、关联复杂性提升也对计算技术和分析方法形成了新的挑战。图计算作为计算机领域出现的一种新的并行计算框架,在处理海量图结构数据和复杂关联性问题时具有很大的优势。该文在详细阐述图计算特性的基础上,对图计算在电网CPS建模及耦合计算、网络结构脆弱性研究等场景的应用进行了分析,并提出了基于电网业务的图数据建模方法和电网CPS业务风险评估的图计算算法。最后利用实际的图计算系统进行了算例分析和应用展示。为电网CPS中相关场景的研究和实际应用提供了一种可行的图数据存储、分析和可视化技术方案。     

基于改进渗流理论的信息物理融合电力系统连锁故障模型

基于改进渗流理论,提出了考虑物理层电网潮流分析与信息层延时的信息物理融合电力系统连锁故障模型。将连锁故障的动态发展描述为故障在信息层、物理层交替传播扩大的多阶段过程,在分析故障在物理层传播的阶段中考虑物理层电网潮流,在脆弱度指标中综合拓扑完整度、信息层延时增量及物理层实际运行指标。对信息层、物理层不同对应依靠策略及节点攻击策略的连锁故障建模仿真表明拓扑中心度对应依靠策略呈现较低的脆弱度;物理层分区设立分布式控制中心与集中式控制中心的结构相比,能提高连锁故障发展中信息层的运行实时性。同时,节点蓄意攻击相比于随机攻击能造成发展更迅速,影响范围更广的连锁故障。     

面向智能变电站模型应用的二次设备建模优化

目前智能变电站二次设备建模主要关注通信层面的互操作性,而信息语义层面的互操作较差,难以支撑实现业务功能的自动配置。随着基于二次设备信息的智能变电站运维等高级应用技术的应用,二次设备模型语义基础的薄弱越来越成为阻碍变电站智能化技术发展的主要问题。针对上述问题提出了二次设备模型优化原则,通过智能电子设备能力描述模型的语义化增强模型的自描述特性,支撑实现基于间隔关联的一、二次设备模型自动关联,为智能变电站各类配置工作的模板化奠定了基础。该方案可实现智能变电站运维等高级应用功能自动配置,可显著提高智能变电站配置的效率及质量。     

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。     

基于拓扑势均衡的配电网信息物理系统规划算法

配电网信息物理系统(cyber physical system for distribution networks,CPSDN)是自动化技术、信息技术和通信技术与电网的深度融合产物。其与传统通信系统规划的一个显著区别在于CPS系统内的网元异构性。基于数据场理论,建立了CPS广义节点质量模型,数学量化了节点差异,进而定义CPS势函数,以系统可靠性为测度建立配电网CPS规划问题的势均衡数学模型。对该规划问题,提出改进的二进制粒子群算法进行求解。采用IEEE LVNTS算例及实际电网算例计算,实验表明所建立模型和算法符合配电网CPS系统规划,所提出方法规划CPS网络,可准确辨识网络关键节点,建立高可靠性CPS网络拓扑,实现效能的提升。     

网络攻击下基于贝叶斯图论的配电系统安全分析

随着信息通信技术的发展,信息网络与物理系统深度融合,使配电网信息物理融合系统(cyber physical system,CPS)面临网络攻击的运行安全风险增加。文章分析了网络虚假数据攻击下配电网CPS运行安全性,并提出了基于贝叶斯攻击信息传递图论的融合建模与动态安全风险综合评估方法。通过分析信息设备漏洞的不同利用模式,构建了与设备漏洞关联的潜在数据攻击图以及信息-物理系统间的交互作用模型。结合贝叶斯概率量化理论与攻击证据点动态更新了信息传递后验概率,并在此基础上提出了动态安全风险综合评估指标与框架,定量分析了攻击对于信息网络以及配电网CPS系统运行安全的影响。最后基于改进的IEEE 33节点配电CPS系统的算例仿真验证了所提安全风险评估方法的有效性。     

微电网CPS体系架构及其物理端研究

针对未来微电网智能化发展的趋势,提出将信息物理融合系统(CPS)技术引入微电网建设中,建立微电网CPS。论述了建立微电网CPS的理由和必要性,给出其架构示意图,并提出了微电网CPS的6层控制体系框架,分别为应用层、网络层、连接层、协调层、调节层和物理层,对每个控制层的功能和作用进行了描述;通过对微电网CPS环境的云计算平台进行分析,指出其中可能会存在的大量端点资源浪费的问题,并提出采用云端计算方式代替当下的云计算方式的想法。在微电网CPS云端计算环境下,采用Agent技术,建立微电网CPS物理端节点的Agent模型,并对其行为进行了描述。     

智能变电站通信网络的广义信源和流量计算模型

对于智能变电站而言,用于预测各类场景下通信网络流量的计算模型至关重要。文中首先提出了基于信息物理融合的广义信源模型,包括一次系统状态激励的电力二次智能装置报文模型、信息设备物理故障信源模型以及寄生的拒绝服务(DoS)攻击信源模型等,形成信息设备的综合信源报文模型。然后,在网络演算链路汇流方法的基础上,给出了基于广义信源的智能电网信息流流量分布矩阵定义以及演算方法,形成了明确、详细的定量分析计算流程。最后,对过程层信息设备故障、DoS攻击及一次侧设备故障的大小方式等典型运行场景,分别进行理论计算算例验证,并对其进行OPNET仿真验证,证明了所提方法的有效性。     

电力信息物理系统中信息系统发生预想事故的影响

摘 要：在电力信息物理融合系统（cyber physical power system,CPPS）中,电力信息系统与电力物理系统深度融合,互相影响。为分析CPPS中电力信息系统预想事故对电力物理系统可能造成的影响,构建了CPPS动态交互模型。其中,电力物理系统针对嵌入了分布式电源的配电系统,采用微分代数方程组描述;在电力信息系统中,则考虑了信息传输过程的数据错误、数据错位、传输延时等预想事故,采用信息关联矩阵模型描述。最后,以修改的IEEE 33节点辐射状配电系统为例,说明所提方法的可行性和有效性。     

提升电力信息物理系统韧性的通信网鲁棒优化方法

依赖于先进信息技术的现代电力系统是典型的信息物理系统。电力信息物理系统不仅在业务层面存在能量流与信息流的耦合,在网架拓扑层面,物理电网和电力通信网因采用光纤复合架空地线等也存在高度的耦合特性,因此存在着故障跨空间传播的风险。为提高电力信息物理系统的韧性,基于建立的信息流及通信网模型,文中定义了一种考虑信息-物理耦合的信息流关联负荷度指标及通信网关联负荷度指标,并提出了一种面向极端场景下电力信息物理系统韧性的通信网鲁棒优化方法。该优化方法可用于电力通信网中与负荷相关的传输网层面关键业务,将重要的信息分配到更可靠的链路上,实现极端场景下电力信息物理系统韧性的提升。基于中国广东电网的实际算例系统验证了所提方法的有效性,该方法已初步应用于广东电网原型系统。     

基于信息物理系统融合的广域互联电网阻尼控制策略

随着信息通信技术在电网中的广泛应用,紧密融合电网与信息通信的电力信息物理系统(Cyber-Physical Power System, CPPS)为广域互联电网间的低频振荡抑制提供了便利。在电力系统海量运行数据的基础上,提出CPPS广域阻尼控制(Wide-Area Damping Control, WADC)策略。其采用可变遗忘因子最小二乘法来辨识物理系统模型,并基于此模型由广义预测控制算法(Generalized Predictive Control, GPC)生成决策控制指令。进一步地,建立通信补偿机制来补偿信息系统延时、丢包、乱序对物理系统运行的不利影响。通过Matlab和Visual Studio建立CPPS联合仿真平台来分析电力系统和信息系统的交互影响。以16机5区系统为例进行仿真,结果表明建立的CPPS联合仿真模型能够有效地模拟物理系统与信息系统的交互影响。所提出的CPPS广域阻尼控制策略,在信息系统的不利影响下,能够有效抑制电力系统低频振荡。     

电力信息物理系统网络攻击与防御研究综述(一)建模与评估

在电网转变为电力信息物理系统(电力CPS)的过程中,信息侧和物理侧体现出明显的相互依赖性,信息侧作为通信、计算、控制的支撑性组成部分,在电力CPS安全可靠运行中具有重要的地位。而针对电力CPS的恶意网络攻击行为在近年来不断发生,引发关注,大量针对电力CPS的网络攻击研究取得了一些成果。针对当前的电力CPS网络攻击研究,从攻击建模和电力CPS安全性评估方面进行了归纳和整理,对已有方法进行分析,明确了研究课题的问题本质。随后结合电力CPS的特点和发展趋势,指出当前研究的不足,提出需要关注的问题和可能的解决方法,以完善电力CPS恶意网络攻击研究。     

基于信息物理接口矩阵的IEC61850变电站自动化系统可靠性分析

随着电力系统通信控制网络和物理设备网络交互的加深,基于信息物理融合发展的变电站自动化系统的综合可靠性问题亟待研究。以IEC61850实际变电站自动化系统为例,基于变电站主接线建立其信息物理融合框架,在该框架下将信息层保护元件对物理层主要设备的影响进行分类,提出用信息物理接口矩阵表征故障传播类别的概率。考虑信息层的影响,建立变电站自动化系统可靠性分析方法,以实际变电站为算例进行了可靠性计算分析,验证了所提方法的正确性。结合算例进一步分析可靠性指标,结果表明信息层故障将明显增大系统的故障损失,而对系统连锁故障风险的影响相对较小。针对信息传输延时进行灵敏度分析,结果表明负荷点期望缺供电力的变化幅度随过程总线传输延迟率的增加而显著提升。     

电力信息物理系统入侵容忍能力评估方法

随着控制系统与新信息技术的集成程度不断提高,电力信息物理系统（cyber-physical power system, CPPS）不仅面临着来自物理世界的不确定性,还面临着来自网络空间的攻击威胁,亟须能够评估CPPS遭受网络攻击时防御能力的方法。提出一种以平均失效时间与可靠度为评估指标的入侵容忍能力与最优资源配置的评估方法。首先,采用半马尔可夫链模型对高级可持续威胁（advanced persistent threat,APT）进行建模,具体分析来自网络层面的攻击对CPPS的破坏渗透过程,利用随机博弈模型动态描述CPPS中攻防双方的交互过程,预测纳什均衡下攻击者的理性进攻策略,确定应对恶意攻击的最佳防御策略。最后,以CPPS安全试验场为案例仿真验证了入侵容忍能力评估方法的有效性,结果说明：入侵容忍能力对CPPS安全运行具有不可忽视的作用。     

考虑威胁传播特性的电力CPS安全态势评估方法

电力信息物理系统（cyber physical power system, CPPS）（简称电力CPS）在提高智能电网的信息化、自动化、智能化程度的同时,也带来了一些潜在的风险问题,这是由一次系统与二次系统耦合过程中的复杂机理导致的,该类风险具有级联性和隐蔽性。在此背景下,提出了一种考虑威胁传播特性的电力CPS安全态势评估模型。首先,将电力CPS抽象为一个网络,将系统中的资产定义为网络节点、资产间存在的连接定义为网络的边;然后,将资产间的威胁传播定义为威胁传播树,并对电力CPS中各资产重要性进行量化评估;最后,采用一种适合该场景精确度与时效性的折中决策隶属度函数,在过滤后的信息基础上使用改进威胁传播树进行态势评估,并在IEEE-30节点系统上进行算例分析,仿真结果验证了所提模型的可行性和有效性。