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。     

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。     

电网信息物理系统运行中信息-物理交互机理探索

为揭示电网信息物理系统(power grid cyber-physical systems,PGCPS)运行机制,对其系统运行过程中信息空间与电网物理系统之间的信息-物理交互机理开展了探索性研究。首先,从信息-物理交互拓扑、离散信息状态与连续电力过程的相互驱动、PGCPS系统运行状态的演化等层面剖析信息空间与电网物理系统交互特性,并提出了考虑离散信息状态与连续电力过程融合的信息-物理耦合事件概念;进而,构建基于信息-物理交互特性的信息-物理交互机理研究框架,以阐释PGCPS系统运行方式以及运行状态的演化过程;最后,探讨了信息-物理交互机理分析涉及的若干关键技术,并展望其在PGCPS分析与控制领域的应用前景。     

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.     

基于嵌入式的电网自动调度信息分级采集系统设计

传统系统在电网调度信息采集的过程中,未对其进行分级,导致系统采集数据误差较大,准确度较低.为了提高电网自动调度信息分级采集能力,提出基于嵌入式的电网自动调度信息分级采集系统.构建电网自动调度信息的大数据挖掘模型,结合嵌入式调度方法,实现电网自动调度信息分级采集和优化检索.仿真结果表明,电网自动调度信息分集采集的准确度较高,自适应性较好,具有一定可行性,数据准确性满足系统设计需要,达到实用效果.     

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。     

泛在物联的配用电优化运行：信息物理社会系统的视角

泛在物联的配用电系统是智能配电网与电力物联网深度融合形成的信息物理社会系统(CPSS)。分析了泛在物联的配用电系统的参与主体及其信息、物理、社会属性,并从物理域、信息域和社会域3个层面探讨参与主体之间的交互影响,并提炼其运行特点,包括物理域中的节点、网络和功能的灵活性;信息域中的泛在感知的不确定性、计算模式的边缘化、开放交互的安全性;社会域中的角色可变性、效用个性化、商业模式多元化。在分析国内外研究动态的基础上,提炼其难点,包括复杂配用电系统的特征识别、社会行为建模与混合仿真、非完全信息的随机博弈框架与应用、融合社会属性的优化问题建模与求解、边缘计算的调度策略与驱动机制、配用电终端物联网的交互安全机制等。在理论层面为信息、物理、社会系统的多学科交叉提供分析探讨,在应用层面为泛在电力物联网和智能电网的建设提供技术支持。     

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。     

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CIM的变压器剩余寿命信息建模及应用

信息集成技术作为未来电网中数据交互的重要支撑,将为未来智能电网的信息化发展奠定基础,并成为推动智能电网发展的重要方向。以变压器剩余寿命计算应用为依托,分析其需要的数据结构,并按照公共信息模型(CIM)标准为其建立相应的信息模型。在模型基础上,设计信息交互过程中的消息规范及传递信息内容,实现各系统之间对于变压器剩余寿命计算应用的信息交互。最终,以算例分析实现变压器剩余寿命计算,提出考虑加速老化的变压器剩余寿命计算方法,实现变压器剩余寿命计算的信息集成建模研究,并通过消息传递机制计算出相应寿命结果。     

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。     

基于动态攻防博弈的电力信息物理融合系统脆弱性评估

以电力信息物理融合系统受人为因素攻击为背景,应用博弈论的相关知识对现代电网在遭受人为主观攻击威胁下的电网脆弱性评估方法进行了研究和探讨。根据兰德公司的风险评估模型建立了电力信息物理融合系统基于攻防场景的脆弱性评估框架,并基于博弈论中用于描述动态攻防博弈的多层数学规划模型,提出一种电力物理网络和电力信息网络同时遭受人为攻击场景下的电网攻防动态博弈三层数学规划模型。针对所提出的模型,给出了相应的解算方法,并在求解过程中,应用一种最优的防御资源分配策略以有效求得电网元件上需分配的资源。最后,通过简单算例系统验证了本文所提模型与方法的有效性。     

电网信息物理系统态势感知:现状与研究构想

电网信息物理系统(GCPS)态势感知是电力一次系统安全稳定运行控制和信息系统主动安全防御的决策基础。单个系统的态势感知因没有考虑信息空间影响及交互影响,不能表征信息物理系统的整体态势,而目前将GCPS中信息系统和物理系统融合的协同态势感知研究成果较少。为此,对电网和信息网络2个领域的态势感知研究进行了综述,讨论了GCPS态势感知的必要性,定义了GCPS态势感知的概念,构建了GCPS态势感知的研究框架,阐述了GCPS态势感知的关键问题和关键技术,给出了可能的应用场景。最后,针对具体案例,给出了GCPS电网侧和信息侧协同的态势感知和防御思路。     

计及网络攻击影响的安全稳定控制系统风险评估方法

安全稳定控制系统（稳控系统）是保证电网可靠运行的重要防线,针对稳控系统的网络攻击会造成严重的物理后果。为了量化评估稳控系统遭受网络攻击的影响以及现有风险评估方法缺乏充分考虑网络攻击的易发性,提出一种计及网络攻击影响的安全稳定控制系统风险评估方法。文中首先分析了稳控系统的层次结构。然后,从攻击对象、攻击方式,攻击后果三个角度分析了稳控装置本体与稳控装置站间通信的网络攻击风险点。其次,基于模糊层次分析法对网络攻击易发性进行量化,并结合Petri网建立的网络攻击防护单元模型,建立针对稳控系统的网络攻击成功概率模型。最后,结合物理后果和攻击成功概率,对标准系统和实际系统进行风险评估,计算了正常运行和网络攻击两种情况下的风险值,验证了所提模型的有效性。     

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。     

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。     

不确定性环境下考虑信息失效的主动配电网可靠性评估

针对目前评估方法中存在的分布式电源、信息物理模型和交互作用分析考虑不充分的问题,文中提出了一种在不确定性环境下考虑信息失效的主动配电网可靠性评估方法。首先,建立了分布式电源与负荷模型、信息物理元件模型和信息传输可靠性模型。然后,结合信息失效对配电自愈过程的间接作用,量化分析了不确定性环境下信息系统不同层次失效对故障隔离、定位和供电恢复的影响,提出了采用蒙特卡洛抽样的可靠性评估方法。最后,通过算例仿真验证了所提模型和方法的有效性。     

扬州智能电网输变电状态监测系统应用研究

目前,国内设计风光互补系统配置一般采用经验来估算,这往往会造成系统装机容量严重不足或者过剩现象.风光互补独立供电系统的优化配置可看作一个多目标优化问题,2个冲突的目标是极大化供电可靠性和极小化成本.文中供电可靠性采用计算机软件模拟蓄电池组一年的每日的荷电状态值（SOC）来验算保证;成本的优化可采用遗传算法动态搜索模式,搜索计算出最小化系统配置花费.结合扬州智能电网输变电状态监测系统的具体建设,将风光互补前端供电技术在该项目中的成功应用进行了详细介绍.     

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。