电力CPS研究综述

电力信息物理融合系统(CPS)是电力系统的一个全新领域,并对国民经济和社会发展影响重大。本文首先介绍了电力CPS的概念、特征和结构模型,接着从基础理论和应用研究两方面综述了电力CPS的研究现状,包括建模理论、系统框架、仿真技术、安全性与可靠性及能源互联网等方面,最后,总结了电力CPS的几点发展趋势,并提出了发展建议。     

电力CPS的架构及其实现技术与挑战

引入前沿信息技术并把电力系统和信息系统进行深度融合是实现电力系统智能化的关键。信息物理融合系统(cyber physical system,CPS)是通过3C(computation,communication,control)技术将计算、网络和物理环境融为一体的多维复杂系统,通过多技术有机融合,实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务,具有非常广阔的应用前景,因而在国际上受到了普遍重视。在此背景下,基于CPS概念并结合电力系统特点,提出建立电力CPS的思路和框架。首先,概述了CPS的概念、主要功能和技术特征。之后,构造了电力CPS的架构和主要组成部分,指出了实现电力CPS的若干关键技术。最后,从基础理论、建模方法、仿真算法、安全性分析、可靠性分析、系统设计与规划、运行调度、标准化等方面讨论了电力CPS研究中所面对的主要挑战。     

“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。     

复杂网络理论在电力CPS连锁故障研究中的应用综述

历次大停电事故表明,电网中单一元件故障是导致电力信息物理系统(cyber physical system,CPS)连锁故障的主要原因。因此,探寻电力系统信息网与电力网的交互机理,建立电力CPS耦合网络模型、研究电力CPS连锁故障传播及演化过程,对保障电力系统安全和稳定运行具有重要的理论现实意义。文章首先从电力CPS建模、仿真、蓄意攻击及安全分析方法 4个方面梳理了电力CPS研究现状;然后从影响电力CPS连锁故障建模分析的4个方面,重点综述了复杂网络理论在电力CPS连锁故障研究中的应用,并分析了已有研究成果的优点和不足;最后,结合电力系统发展需求,指出了相关研究课题及研究方向。     

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。     

论GIS在电力系统中的应用

地理信息系统(GIS)在电力系统中的应用是电力系统数字化、信息化的必由之路。通过对国内外电力GIS应用状况、相关技术及典型的配电自动化系统工程实施范例的分析,阐述了将GIS应用开发与现有自动化系统相互融合和集成的一体化设计思想,给出了基于Web服务的电力GIS应用框架,并指出了进一步的发展方向。     

地理信息系统GIS技术在电力系统自动化中的应用

地理信息系统(G IS)在电力系统中的应用是电力系统数字化、信息化的必由之路。通过对国内外电力G IS应用状况、相关技术及典型的配电自动化系统工程实施范例的分析,阐述了将G IS应用开发与现有自动化系统相互融合和集成的一体化设计思想,给出了基于W eb服务的电力G IS应用框架并指出了进一步的发展方向。     

地理信息系统技术在电力系统自动化中的应用

地理信息系统(GIS)在电力系统中的应用是电力系统数字化、信息化的必由之路。文中通过对国内外电力GIS应用状况、相关技术及典型的配电自动化系统工程实施范例的分析，阐述了将GIS应用开发与现有自动化系统相互融合和集成的一体化设计思想，给出了基于Web服务的电力GIS应用框架。最后，指出了进一步的发展方向。     

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。     

基于节点映射模型的电力信息物理系统实时仿真平台

随着电力系统与信息系统的耦合影响日益加深复杂,需建立能够高效协调控制数据传输的电力信息物理系统(cyber-physical system,CPS)联合仿真平台,以精确模拟CPS的信息交互过程。该文在对比分析现有电力CPS联合仿真架构优缺点基础上,基于OPAL-RT和OPNET建立了电力信息物理系统实时仿真平台。针对电力系统实时控制场景需求,建立了链接电力和通信网络的节点映射模型,使用统一交互接口协调控制多节点电力CPS网络的信息交互动态过程,并验证了仿真平台数据交互的实时性。基于网络化控制的微电网仿真算例验证了建立的实时混合仿真平台的有效性和合理性,高效精确模拟出电力CPS信息交互过程。     

Real-time cyber physical system testbed for power system security and control

The existing electric power grid is upgraded into a smart grid through an intelligent communication infrastructures, layers of information, extensive computing and sensing technologies. These cyber and physical components of grid together constitute a complex cyber-physical system (CPS), and this integration increases the risk from cyber attacks and introduces new vulnerabilities to the power system. Researchers need a power system testbed which can provide a platform for realistic experiments. This paper presents the development of a real-time cyber-physical system testbed for cyber security and stability control. We use SEL 351S protection system with OPAL-RT including control functions and communications to build a cyber-physical environment. In this testbed, we conducted power grid security experiment by knocking down two transmission lines in a row and analyzed the impact of failures. Meanwhile, we provided two mitigation strategies for this failure using optimal power flow. In addition, we conducted load fluctuations for multimachine power system, and provide timely adaptive control strategies.     

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。     

面向恶意攻击的安全稳定控制系统信息物理协调防御方法

信息物理的紧密耦合使网络安全问题成为电力系统安全稳定运行的重大挑战,同时也给信息物理的协调感知和安全防御提供了新的潜力.围绕安全稳定控制业务,针对信息物理融合带来的网络安全问题,挖掘信息物理协调的潜力,提出信息物理协调防御的框架,提升安全稳定控制系统防御恶意攻击的能力.首先,通过试验分析了恶意攻击对电网安全稳定控制系统和电力一次系统产生的影响.在此基础上,分别从时间和空间维度提出了网络安全信息物理协调防御体系和框架,并结合传统网络安全技术和安全稳定控制业务逻辑分别提出了包含装置侧和主站侧的网络安全辨识和防护方案,给出了安全稳定控制系统网络安全监视与分析应用框架,从而提升了安全稳定控制系统应对恶意攻击的能力.     

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。     

Concept and Research Framework for Coordinated Situation Awareness and Active Defense of Cyber-physical Power Systems Against Cyber-attacks

Due to the tight coupling between the cyber and physical sides of a cyber-physical power system (CPPS), the safe and reliable operation of CPPSs is being increasingly impacted by cyber security. This situation poses a challenge to traditional security defense systems, which considers the threat from only one side, i.e., cyber or physical. To cope with cyber-attacks, this paper reaches beyond the traditional one-side security defense systems and proposes the concept of cyber-physical coordinated situation awareness and active defense to improve the ability of CPPSs. An example of a regional frequency control system is used to show the validness and potential of this concept. Then, the research framework is presented for studying and implementing this concept. Finally, key technologies for cyber-physical coordinated situation awareness and active defense against cyber-attacks are introduced.     

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。     

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...     

电力和信息通信系统混合仿真方法综述

智能电网是电力系统与信息通信系统深度融合的时空多维异构系统。通信系统中事件的离散特性和电力系统中时间的连续特性使得对电力通信复合系统的问题研究更为复杂。目前对某个系统进行简化,采用单一仿真工具研究电力通信复合系统的研究方法,其准确性和实用性值得商榷。因此混合仿真方案成为近年来研究热点。文中针对电力通信复合系统的复杂动态行为混合仿真问题进行了分析,从联立仿真、非实时和实时混合仿真方案3个方面,对建模工具、系统架构和数据同步等问题相关的研究成果进行了归纳分析,指出复合系统的时间同步问题是混合仿真的关键问题之一,并提出了一种基于状态缓存的电力与信息通信混合仿真平台时间同步方法,为后续相关研究提供了解决思路。     

基于OPAL-RT和OPNET的电力信息物理系统实时仿真

随着智能电网建设的推进,电力信息物理系统(CPS)的可观性和可控性得到了极大增强。电力CPS的信息采集、传输、处理等过程对电力业务的影响越发明显。建立电力CPS的动态联合仿真平台有助于为相关理论和应用研究提供坚实的技术支撑。文中对比分析了现有的联合仿真平台方案与架构,指出由于电力流和信息流在数学模型上的本质区别,需要建立实时联合仿真平台;基于电力仿真工具OPAL-RT和通信仿真工具OPNET,研制开发了数据交互接口及数据转换模块,建立了电力CPS实时仿真平台,能够高速、精确地模拟电力CPS动态响应特性。针对电力CPS负荷控制的仿真算例结果表明,所研制的电力CPS实时仿真平台具有合理性和有效性。     

基于多组件并行架构的电力CPS实时联合仿真平台

融合传统电力系统与先进信息技术形成的电力信息物理系统(CPS),其物理侧电力系统与信息侧通信网络的耦合程度不断加深,网络故障与恶意攻击等通信问题导致的电力系统故障愈发严重,传统仿真手段不再适用于模拟和分析此类场景.分析了电力CPS仿真技术的研究现状,在主流实时仿真工具的基础上设计了嵌入式控制组件与渗透测试组件,基于多组...