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。     

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.     

考虑负荷数据虚假注入的电力信息物理系统协同攻击模型

随着电网信息层与物理层的耦合程度越来越高,配合良好的信息物理协同攻击将对电网造成巨大的威胁。为了更好地保障电网的安全稳定运行,在信息物理高度融合的背景下,提出了一种考虑负荷数据虚假注入的双层协同攻击模型。以广泛应用的基于残差分析的不良数据检测原理为基础,制定网络攻击与物理攻击资源分配约束;以考虑权重的负荷削减期望为损失度量指标,给出了上层攻击者最大化损失和下层防御者最小化损失的具体模型及求解方案;基于修改的IEEE 14节点系统进行了定量分析,得到了不同状态下攻击者的最优攻击方案,为电网防御者在信息物理协同攻击威胁下制定新的防御方案提供参考。     

极端自然灾害下电力信息物理系统韧性增强策略

电力系统在极端灾害下维持并恢复正常功能的能力取决于其韧性.考虑信息系统与电力系统的相互影响,提出了一种电力信息物理系统应对极端自然灾害的韧性增强策略.首先,建立了电力信息物理系统的极端自然灾害防御框架,展示在信息物理环境下的决策控制技术.在此基础上,提出电网预防分区方法,在预测防护阶段依据故障概率和拓扑连通度进行电网分...     

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。     

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。     

基于主动割集的电力信息物理系统饱和防御方法

近年来多起境外大停电事故表明对电力信息物理系统(cyber-physical system,CPS)的协同攻击可导致电网故障的加剧和迅速扩散,甚至系统崩溃。本文针对系统故障短时无法消除且有快速扩散趋势的紧急情况,采用饱和防御思想,提出一种基于主动割集的电力信息物理系统饱和防御新方法。算法协同考虑赛博(cyber)子域和物理子域的系统结构、资源和运行方式,采用改进赋权GN分裂法搜索信息割面可行域,进而通过机组同调约束、功率平衡约束以及最小有功潮流冲击计算,优选分区方案可行解。从而在保证信息网络通信性能最小化损失和物理系统稳定约束的同时,寻找到统一的信息割面与物理割面,实现性能损失代价最小的主动撕裂威胁子区,阻止攻击破坏扩大,维护系统安全主区的稳定运行。最后以改进IEEE39节点信息物理系统为仿真算例,验证了所提方法在不同攻击强度下具有明显的攻击阻断能力和系统失负荷概率低的优势。     

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...     

智能电网物联网技术架构及信息安全防护体系研究

物联网作为能够全面实现信息感知、可靠传输及高效信息处理的先进技术,在智能电网发电、输电、变电、配电、调度、用电等环节应用广泛且前景广阔。解决物联网的信息安全问题,实现物联网在智能电网中的安全应用既必要又迫切。探讨了智能电网中典型的物联网系统,分析了通用的技术架构及系统面临的信息安全风险,最后提出了智能电网中物联网系统信息安全防范的技术体系和关键的安全防护措施。     

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...     

计及通信失效的输电系统信息物理协同恢复策略

为应对输电系统信息物理复合故障,提出了一种计及通信系统失效的信息物理协同恢复策略.首先,基于发电机、电力线路与负荷的故障特性,综合考虑了系统频率、节点电压、线路容量等安全约束,构建了物理系统的恢复模型.然后,提出了一种基于通信网络拓扑的信息系统恢复策略.接着,考虑信息系统故障给发电机出力调节、电力线路投运以及负荷恢复可...     

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。     

配电信息物理系统分析与控制研究综述

随着先进信息通信技术在配电网中的广泛应用,配电网信息侧和物理侧融合程度愈发增强,已具备信息物理系统的典型特征。从分析与自愈控制的角度,对配电信息物理系统（cyber physical distribution system, CPDS）研究现状进行分析和展望。在分析方面,从CPDS可靠性评估和风险评估两个方面进行总结分析。在自愈控制方面,对传统物理侧自愈控制以及信息物理协同的CPDS自愈控制进行综述,指出现有研究的进展和不足。最后,从两网融合背景下的CPDS架构、考虑分布式电源的CPDS安全分析、CPDS混合通信网自愈机制以及CPDS自愈控制体系等4个角度,对CPDS未来研究方向进行展望。     

分布式协同控制模式下配电网信息物理系统脆弱性评估

分布式协同控制模式的提出,为解决未来配电网信息物理系统(CPS)中高密度、强随机性分布式电源接入问题提供了途径。但同时,配电网CPS信息物理高度融合的特点也方便了网络攻击者通过信息系统威胁电力系统的安全稳定运行。据此,提出一种基于动态攻防博弈的分布式协同控制模式下配电网CPS脆弱性评估方法。首先,阐述了一种分布式电源等输出比协同控制策略,并对其收敛特性进行了分析和总结。其次,基于CPS风险评估框架,结合分布式电源协同控制策略及实际网络攻防策略的特点,提出配电网CPS风险评估模型;在此基础上,设计动态攻防博弈函数及博弈求解步骤,实现对于分布式协同控制模式下配电网CPS脆弱性的量化评估。最后,基于IEEE 34节点配电系统开展仿真测试,验证了所提方法的有效性。     

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...     

集成防危性与安全性的电力CPS风险分析 研究综述

智能电网深度融合电力系统和信息系统,是一种典型的信息物理融合系统（Cyber-physical system,CPS）。针对电力CPS的网络安全攻击不仅会破坏电力系统的完整性、机密性和可用性,也可能影响电力系统的稳定运行甚至发生停电事故。集成防危性和安全性的电力CPS风险分析方法可以有效地建模和分析由于网络攻击导致电力系统失效的安全威胁场景。本文针对当前主流的集成防危性与安全性的电力CPS风险建模及分析方法进行了综述。首先针对防危性和安全性的联系与区别进行了分析,其次给出了集成防危性与安全性的电力CPS建模及分析框架。根据该框架,从电力CPS风险建模、定性分析、定量分析三个方面对现有的研究工作进行了综述。最后对现有的研究工作中的问题进行了总结并给出了未来的研究方向。本文可以为电力CPS的风险建模与分析提供参考。     

极端自然灾害下考虑信息-物理耦合的电力系统弹性提升策略:技术分析与研究展望

随着智能电网技术的发展,电力系统基础设施与通信网络的耦合越发紧密,构成典型的信息-物理融合系统.电力系统依赖于通信系统实现海量接入设备的监测和控制,提升系统的可观性和可控性来满足诸多电力系统高级应用的需求,而通信网络设备的供电则需要电网的支持.在极端自然灾害下,这一信息-物理耦合特性成为电力系统的薄弱环节,给建立弹性电...     

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.     

考虑信息物理融合的电网脆弱社团评估方法

针对目前元件级的电力信息物理脆弱性评估应用于实际大规模电力信息物理网时存在计算复杂度高和脆弱性保护配置难的问题,充分考虑网络的介观局域特征和社团结构,提出了一种考虑信息物理融合的电网脆弱社团评估方法。以电力系统潮流为边权重,采用Fast Unfolding算法对电网进行社团划分,根据电网和通信网对应分层分区建设的现状和实际耦合关系划分通信网社团,IEEE标准算例的仿真结果证明所采用社团划分方法的优越性。在不同的社团内部耦合关系下采用不同的攻击策略攻击电网中各个社团,根据整个信息物理融合系统故障后的最大连通子集指标评估电网中的脆弱社团,符合我国电网和通信网分层分区建设的现状,有利于减少计算复杂度和脆弱性保护模块化配置的难度。华中500 kV电网信息物理系统的仿真结果证明了所提方法的可行性。     

考虑模型与数据双重驱动的电力信息物理系统动态安全防护研究综述

数字革命的到来使智能电网运行安全防护问题从单一的物理层面防护扩展至信息物理协同防护,先进的网络安全威胁将会对电网物理侧造成严重影响.高效、可靠、实时的电网协同安全防护方法是智能电网发展的核心基础支撑.回顾了国内外相关研究.针对电力信息物理系统的内涵特征,提出了模型与数据双重驱动下的智能电网动态安全防护闭环控制思想,具体...