电网信息物理系统分析与控制的研究进展与展望

作为未来电网发展的新形态,电网信息物理系统将深刻影响智能电网研究的视角和方向,在能源互联系统构建中不可或缺。该文总结了电网信息物理系统相关领域的研究进展,从4个关键方向进行评述:电网信息物理系统融合建模、结合形式化方法的模型验证、信息-物理交互机理分析及基于融合模型的电网控制。进一步指出电网信息物理系统可为发展更先进的智能电网形态提供理论基础,支持能源互联网、电力物联网等方向的应用研究,改进电网的运行与控制模式。     

电网信息物理系统建模与仿真验证平台研究

电网信息物理系统通过建立融合模型,研究电网信息控制系统与一次系统的互作用机制,建模与仿真验证平台为此提供了研究工具。基于混合系统的融合模型以及信息模型,设计了平台功能模块、实现工具;初步构建电网信息物理系统建模与仿真验证平台,可建立电网连续及离散模型,仿真电网运行动态,模拟控制过程及信息交互,并验证信息交互的正确性和一致性;最后通过算例展示并测试了平台界面和主要功能。     

馈线功率控制下的主动配电网信息物理风险演化分析

在主动配电网信息物理系统中,信息系统与物理网架之间存在强耦合关系。在电网复杂的信息物理交互作用下,信息系统的异常或故障会直接影响并降低电力系统的运行水平,甚至引发严重的连锁故障。且相对于传统电力系统,电网信息物理系统的风险致因因素更多,交互机理更复杂,监测识别更困难。电网信息物理系统的安全风险问题已成为当前亟待解决的基础问题之一。以主动配电网为研究对象,对信息侧架构与信息物理交互机理进行分析,建立了信息攻击下的风险传递模型,揭示了故障在配电网信息物理系统中的演化机理。最后,在DIgSILENT中搭建仿真算例进行实例分析,验证了所提出模型的正确性,并对未来配电网如何抵御信息侧风险,加强安全风险防护水平提出了建议。     

信息失效威胁下的电力信息物理系统安全评估与 防御研究综述

电力CPS中信息失效可能导致严重物理后果,必须准确评估信息失效威胁下的电力CPS安全性,实现电力CPS安全防御。首先阐述电力CPS建模与信息物理交互机理研究思路。之后通过信息失效来源分析、失效跨空间传递过程分析、安全评估指标计算三个环节建立电力CPS安全评估研究框架。最后从信息网结构优化、路由优化、网络安全防御三方面分析总结了信息失效威胁下的电力CPS安全防御方法,并就后续研究给出建议。     

基于混合系统的风机和光伏电池信息物理融合建模

信息物理融合系统现已广泛应用于交通、医疗等方面。信息物理融合系统集成了计算进程和物理进程,可以利用混合系统对信息物理融合系统建模。大量的分布式能源接入电网中,传感、通信、控制等构成了电力系统的二次系统,.电力系统从简单的能量传输,进化到能量传输与信息流传递并行的现代电网运行体系。电网的物理进程和信息元素的动态关联是连续和离散行为的交互,即混合系统。本文利用混合模型对风机和光伏电池进行信息物理融合建模。     

考虑信息攻击的配电网信息物理运行风险分析

以典型配电网控制系统为研究对象,分析了配电网运行控制存在的信息威胁,阐述了信息攻击下配电网控制系统信息空间与物理空间之间的风险传递作用。在此基础之上,提出了一种融合信息决策处理和物理设备动态模型的信息物理风险传递模型,通过建立离散信息决策系统与连续物理控制系统间的信息流、控制流接口,实现对信息风险向物理网络传递过程的动态描述。最后,基于DIgSILENT软件建立了仿真模型,通过仿真直观描述了信息攻击场景下的配电网动态运行过程,分析对比了不同攻击持续时间对配电网造成的影响,验证了所提模型的可行性,并为配电网信息物理系统的风险评估和防御提供了模型依据。     

电网信息物理系统的数据驱动架构设计及应用

为了实现信息系统和电力系统更加紧密的融合与协作,电网信息物理系统(power grid cyber physical system,PGCPS)需要满足数据驱动、软件定义、泛在连接、虚实映射、异构集成和系统自治六大特征。其中,数据驱动是PGCPS的灵魂,而软件定义则是PGCPS的实现形式,这两者共同构成了实现其余4大特征的基础,也是构建PGCPS的基础和难点所在。该文提出了一种基于数据驱动的系统设计方案——基于自律分散系统(autonomous decentralized system,ADS)理论的数据驱动系统架构及其关键技术:数据资源的抽象和数据交互机制。具体地,以数据元接口作为数据资源的抽象表达形式,并集成到信息交互协议中,从而将数据驱动和软件定义相融合,进而为基于ADS理论的数据驱动系统架构的横向扩展和纵向集成提供支撑,有助于实现该系统架构的泛在连接、异构集成和系统自治;提出了基于主动通信的数据交互机制,该机制定义了各模块的信息发布准则,并且提升了虚实映射的实时性和效率。该方案从系统架构、信息共享协议和数据交互机制3个维度支撑数据驱动系统架构的实现,为构建PGCPS奠定了坚实的基础。     

考虑物理-信息虚拟连接的电力信息物理融合系统的脆弱性评估

不断发展的自动化与信息技术的广泛应用明显提高了现代电力系统的运行水平,电力信息系统与电力物理系统的融合也逐步广泛和深入,从而进化为电力信息物理融合系统(CPPS)。在CPPS中,信息设备的故障会影响物理系统的安全可靠运行,而外部对物理与信息元件的攻击则可能导致停电事故。在此背景下,为了分析物理元件与信息元件的交互影响,将CPPS抽象模拟为物理节点、物理-物理连接、信息节点、信息-信息连接与信息-物理连接5类元素,并在此基础上评估信息系统受损对物理系统运行的影响。在博弈论的框架下构建了双层数学规划模型分别对物理与信息环节进行了防御资源分配,用于量化存在假想攻击下系统中各环节的重要程度。以修改的IEEE 14节点系统为例进行了仿真计算,结果验证了所提方法的可行性与有效性。     

智能变电站信息物理融合可靠性评估方法

智能变电站具备信息物理融合系统特征,其可靠性评估应从信息物理系统视角展开。分析了智能变电站物理侧和信息侧的可靠性因素及其相互影响,提出了考虑设备重要度的二次设备可靠性指标和考虑传输数据可靠性的通信链路可靠性指标,并给出了设备重要度的层次分析模型;指出智能变电站可靠性评估应考虑电网扰动和复杂运行状态对量测信息正确性的影响,且信息侧及信息-物理交互影响对智能变电站可靠性影响的问题可以转换为测量和控制报文可靠性对断路器动作可靠性影响的分析问题,进而提出了考虑信息侧影响和信息-物理交互影响的断路器等效可靠性计算方法;在此基础上,给出了基于贝叶斯网络的智能变电站可靠性评估方法。最后,通过算例验证了文中方法的合理性。     

基于事件驱动的配电信息物理连锁故障演化机理

随着通信与控制技术在配电系统中迅速发展,其逐渐呈现出信息物理系统的典型特征。这既带来了崭新的发展机遇,也将信息系统中的多类型风险引入了电力系统中,致使近来电网中信息物理连锁故障频发,导致严重事故。因此,分析与研究信息物理连锁故障的演化过程与故障后果,探索信息物理连锁故障演化的内在机理具有重要的理论与现实意义。本文基于事件驱动模型提出配电信息物理系统架构,分析物理与信息系统的交互机理,提出信息物理连锁故障演化机理研究框架。然后,对信息系统内部节点重要度进行研究,综合考虑系统总风险值与防御资源,计算信息节点被攻击成功概率等相关参数并建立相关矩阵。最后,在算例上进行信息物理连锁故障演化机理的仿真计算,验证所提机理的合理性与其在故障过程推演和后果计算上的有效性。