电力信息物理系统中信息系统物理化的建模及分析方法

该文基于信息系统物理化的设想提出电力信息物理系统(cyber-physical power system,CPPS)中的信息流建模和计算分析方法。采用连续时间函数来刻画信息流的特征,并定义信息网络运行参数为流量累积函数、信息流速和时延。首先,基于遍历法搜索出信息流路径,建立信息流速矩阵的范式;然后利用改进的网络演算(network calculus,NC)特性赋值流速矩阵的元素;进一步采用流量累积函数表征信源数据发送规律,从而显式求解时延上界。最后将提出的信息流建模方法应用于智能变电站自动化系统的时延计算,通过与OPNET的仿真结果相比较,验证所提出模型的有效性,而且该方法可以提供定量分析指标以优化变电站组网方案设计中的信息流分布。

新型ADETCS下工业信息物理系统综合安全控制

针对一类虚假数据注入(FDI)攻击与故障共存的工业信息物理系统(ICPS),在新型自适应离散事件触发通信机制(ADETCS)下,研究了综合安全控制与通信的协同设计问题。引入ADETCS取代传统离散事件触发通信机制,构建安全与通信可自适应协同优化运行的ICPS架构;通过对ADETCS中阈值函数的优化设计,获得一种可随系统动态行为双向连续变化的新型ADETCS;在该机制下,基于主动容侵和容错的思想,通过构造Lyapunov泛函,借助新型Bessel-Legebdre不等式、锥补线性化(CCL)等少保守性技术,在统一的自适应变采样框架下,推证出鲁棒估计器与综合安全控制器的求解方法,使ICPS可同时防御FDI攻击与故障,并具有更优的自适应通信调节能力。仿真结果表明:新型ADETCS中阈值函数的巧妙设计及CCL的应用,相较现存通信机制和设计方法,可使ICPS的综合安全控制性能与资源节约获得更优的折中平衡。

面向网络攻击的电力信息物理系统风险量化评估研究综述

针对网络攻击严重威胁电力系统安全运行的现状,文中对面向网络攻击的电力信息物理系统风险量化评估问题展开分析。本文从由网络攻击造成的典型停电事故出发,阐述电力信息物理系统的风险来源及传播机理。然后对比传统信息系统及电力系统,对电力信息物理系统风险量化评估的特点展开讨论,并进一步基于节点风险概率、风险传播概率和物理量损失量三个方面,对电力系统风险量化计算方法进行分析总结。最后,面向网络攻击的发展方向,对未来研究提出建议和展望。In view of the current situation that cyber attacks pose a serious threat to the safe operation of power systems, this paper analyzes the quantitative risk assessment of cyber-physical power systems for cyber attacks. Based on the typical power outages caused by cyber attacks, the sources of risk and the mechanisms of risk propagation within cyber-physical power systems is elucidated. Then, compared with traditional information systems and power systems, the distinctive characteristics of risk quantification assessment for cyber-physical power systems are discussed. Furthermore, based on nodal risk probability, risk propagation probability, and physical quantity loss, the quantitative risk calculation methods for power systems is summarized. Finally, facing the development direction of network attacks, suggestions and prospects for future research are proposed.

电力信息物理系统跨域攻击协同防御架构及机制研究

我国电力基础设施已经发展成为具有高度信息化、自动化、智能化特征的信息物理融合系统.信息-物理交互在显著提升电力供给效率和性能的同时,也引入了新型网络安全威胁,通过发生于信息域并明确作用于物理域的跨域攻击,可造成电力基础设施系统性瘫痪,继而引发大面积停电事故,而当前孤立的信息侧或物理侧防御体系难以有效应对跨域攻击威胁.本文介绍了电力系统面临的信息物理跨域攻击威胁现状,分析了传统防御方法面对跨域攻击时存在的不足,提出了一种信息物理协同的跨域攻击防御架构,在针对跨域攻击传播的不同阶段,从感知、辨识、阻断三个角度设计了防御方法,通过算例验证了所提信息物理协同防御架构能够有效保障电力系统安全稳定运行.

基于深度强化学习的空天地一体化网络信息物理系统垂直切换策略

针对空天地一体化网络信息物理系统模型复杂、很难获得网络拓扑先验知识和模型化假设的特点,研究其基于深度强化学习的垂直切换策略。首先,综合考虑系统稳定性、切换开销和网络使用成本约束,将垂直切换策略问题建模为约束马尔可夫决策过程(CMDP),并给出保证可行解存在的充分条件;其次,提出约束-近端策略优化(CPPO)算法解决该问题,并在基站侧引入分布式强化学习机制加速训练收敛。相较于基准策略,仿真验证了所提垂直切换策略的优越性和有效性。

电力信息物理系统形态演进关键技术及其进展

“双碳”目标促进了电力系统形态的改变,同时对新型电力系统的运行和控制方式提出全新挑战,有必要研究电力信息物理系统的形态演进方法来提升新型电力系统的分析决策能力。该文基于信息物理融合视角,首先综述了电力信息物理系统在安全运行与经济运行两方面的形态演进研究现状,然后进一步阐述了电力信息物理系统形态演进的关键技术,包括系统形态刻画方法、安全运行形态演进分析方法以及经济运行形态演进分析方法,最后分别从仿真验证和数理逻辑两个层面对电力信息物理系统形态演进分析所依赖的数字孪生仿真技术和形式验证技术进行了展望。

隐蔽攻击下信息物理系统的安全输出反馈控制

研究了受到隐蔽攻击的信息物理系统(Cyber-physical system,CPS)安全控制问题.采用KL(Kullback-Leibler)散度描述攻击的隐蔽性,并设计动态输出反馈控制器,使系统可达集始终保持在安全区域内,其中可达集定义为系统状态以一定概率属于的集合.首先,给出隐蔽攻击下检测器残差所在范围的一个外椭球近似集;其次,根据该近似集和噪声的范围给出控制器参数与系统椭球形不变可达集的关系;然后,通过设计可逆线性变换并构造凸优化问题,求解安全控制器参数和相应的不变可达集;最后,使用弹簧−质量−阻尼系统进行仿真,验证了所提控制方法的有效性.

智能汽车信息物理系统状态估计与执行器攻击重构

针对含有网络攻击的非线性广义系统形式描述的信息物理系统,本文研究其状态估计和攻击信号重构问题。首先,将广义系统形式上写成一般系统,利用中间变量重构攻击信号,设计出中间变量观测器;而后,通过线性矩阵不等式得出观测器增益矩阵存在的充分条件;最后,利用数值仿真验证所提方法的可行性。仿真分析中,针对智能汽车的车道保持系统进行建模,将车辆动力模型和车辆保持模型转化为动力系统的形式,从信息物理系统的角度出发,研究车辆的安全状态估计问题。当系统含有网络攻击时,利用所提观测器对车道保持系统状态进行估计,结果表明设计的中间变量观测器能够准确地估计系统状态和攻击信号,且误差系统均在4 s内趋于稳定。

专刊评述:重大装备信息物理系统异常检测与安全控制

在国家加快推进质量强国建设、新质生产力发展的关键阶段,聚焦工业与制造领域的重大装备信息物理系统异常检测与安全控制,面向国家战略需求,坚持“安全可靠性优先”的原则,推进重大装备服役异常检测、健康状态评估、早期故障诊断、安全冗余控制等基础理论和核心技术发展,将有效提升重大装备运行的安全性与可靠性,服务国家在关键装备制造与维护中的创新应用需求,具有重要科学价值和工程意义。为此,四川大学主办的《工程科学与技术》期刊,专门开辟了“重大装备信息物理系统异常检测与安全控制”专栏,为国内外复杂装备可靠性领域学者提供了一流交流平台。

一种考虑储能的电力信息物理系统连锁故障阻断控制策略

电网信息物理高度融合背景下,为了降低电力信息物理系统发生跨空间连锁故障的风险,提出一种计及储能配置的连锁故障阻断控制优化策略。首先,基于电力系统可观可控性构建信息物理多重交互机理,并根据系统间交互阐明过载主导型连锁故障的演化过程。同时在现有调控手段基础上考虑储能入网对连锁故障阻断控制的影响。并将阻断控制表述成多阶段最优潮流问题,获得兼顾安全性与经济性的连锁故障控制方案。采用IEEE-118节点系统对不同控制策略进行对比,验证了所提控制优化策略的有效性,并分析了储能规模对阻断控制的影响。

FDIA-蠕虫混合攻击下的配电网信息物理系统弹性拓扑优化配置

电力安全是现代社会持续发展的重要保障。随着信息技术逐步发展,网络攻击手段的日渐增多和变强会对新型电力系统造成严重破坏,而合理的网络拓扑结构和有效的网络防御资源的是电力系统遭受网络攻击后负荷恢复的关键。为此,提出一种虚假数据注入(false data injection attack,FDIA)-蠕虫混合攻击下的配电网信息物理系统(cyber-physical systems,CPS)弹性拓扑优化和防御资源配置策略,用于提高配电系统网络攻击下的弹性。该模型采用上、中、下3层的框架对拓扑结构和防御资源进行优化:上层建立以规划成本和失负荷风险为目标的多目标帕累托规划模型,结合中层计及攻击与恢复的网络攻击传播模型,采用非支配排序遗传算法-II(non-dominated sorting genetic algorithm II,NSGA-II)进行规划方案求解;下层考虑信息层与物理层的多种耦合方案,基于配电网CPS弹性度量指标对拓扑优化配置进行评估。与传统的一对一串联模式方案相比,通过模型求解的3种耦合关系下的网络拓扑结构与防御资源优化方案,在提高系统弹性方面能够发挥重要作用。

基于ASRUKF和IMC算法的电力信息物理系统虚假数据注入攻击检测

针对传统电力信息物理系统的虚假数据注入攻击(FDIA)检测精度低问题,提出了基于自适应SageHusa噪声无迹卡尔曼滤波(ASRUFK)和改进马尔科夫链(IMC)预测算法的电力信息物理系统FDIA检测方法。首先,通过加入随机插值调整状态区间,提出了一种改进马尔科夫链(IMC)预测算法;然后,利用ASRUKF和IMC预测算法分别对系统待测数据进行状态估计,根据2种预测算法状态估计结果的偏差值构建随机变量,利用Box-Cox将随机变量转换为服从正态分布的变量;最后,通过双边假设检验实现电力信息物理系统的FDIA检测。在IEEE-14节点和IEEE-30节点系统中验证了所提出方法的有效性和正确性。

电力信息物理系统的网络攻击建模、演化规律及应对成本研究

随着电网信息层和物理层的不断融通发展,信息流交互频繁,电力信息物理系统(CPS)面临巨大安全挑战,针对信息层的网络攻击传播至物理层,极易导致整个电力系统的崩溃。基于电力CPS的双层耦合结构,运用传播演化理论建立了一类新型的SIA IB RA RB网络攻击传播模型,描述了网络攻击在电力网络节点中的传播行为。运用动力学分析方法分析网络攻击对电力CPS的攻击力和影响范围,提供预判网络攻击破坏力的具体算法;运用偏秩相关系数法和三维关联偏微分方法对系统参数进行敏感度分析,研究发现电力CPS的网络结构和传播概率对网络安全性至关重要,通过2个仿真模拟验证了上述理论结果的正确性。以南方电网有限公司历次典型设计和典型造价为例,梳理了电力系统网络安全防护体系实际建设费用变化趋势,建议从3个角度对安全防护体系进行精准定位建设,在降低电力CPS造价成本的同时保证系统的安全性。研究结果可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。

基于混合黑猩猩优化极限学习机的电力信息物理系统虚假数据注入攻击定位检测

针对已有检测方法无法对虚假数据注入攻击(false data injection attack,FDIA)进行精确定位的问题,提出了一种基于混合黑猩猩优化极限学习机(extreme learning machine,ELM)的电力信息物理系统FDIA的定位检测方法。首先,使用ELM作为分类器,用于提取电力数据特征并检测系统各节点的异常状态。然后,采用一种具有全局搜索能力且局部收敛速度更快的混合黑猩猩优化策略,用于寻找ELM最优隐藏层神经元数量。建立基于混合黑猩猩优化ELM的检测方法,实现对FDIA的精准定位,有利于后续防御措施的实施。最后,在IEEE 14和IEEE 57节点系统中进行大量仿真对比实验。结果表明,所提方法具有更佳的准确率、查准率、查全率和F1值,对FDIA能够进行更为精准的定位检测。

考虑结构和功能耦合特征的电力信息物理系统 随机加固规划

为提升电力信息物理系统(electric cyber-physical system, ECPS)面对台风等极端灾害的抵抗力,基于两阶段随机优化方法,提出一种考虑双网结构和功能耦合特征的电力/通信网架随机加固规划模型。模型第一阶段计及电力/通信线路的结构耦合特征,以总加固投资和台风灾害损失期望最小为目标,确定加固的电力/通信线路,其中,台风灾害的损失期望由第二阶段计算;第二阶段考虑通信网络故障对电力系统应急调度的级联影响,最小化随机台风场景下ECPS的故障损失期望。为生成具有代表性的台风场景集,确保随机加固方案的适应性,根据台风场景毁伤特征与ECPS故障损失的映射关系,提出一种基于高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)聚类的约简场景集生成方法。最后,基于逐步对冲算法求解随机加固模型,通过对IEEE RTS 79节点信息物理系统的仿真分析,证明了文章提出的电力/通信网架随机加固规划方法对ECPS具有较好的韧性提升效果。

级联失效模型下电力信息物理系统鲁棒性与能控性分析

电力网与信息网的深度融合在增强电力系统能控性的同时,也使得系统抵御外界干扰的能力下降。首先,根据提出的节点负载与容量的负载重分配分配概率建立电力信息物理系统级联失效模型,研究不同耦合策略下的电力信息物理系统级联失效过程中的鲁棒性与能控性变化。其次,利用幸存负荷百分比的概念来量化电力网抵御级联失效的能力,并分析不同耦合策略和容量参数对电力信息物理系统(cyber-physical power systems,CPPS)的鲁棒性和能控性的影响。基于网络能控性理论提出电力节点重要度的评估方法,并且在IEEE39系统中进行验证。研究结果表明,电力网高介数节点与信息网高介数节点耦合形成的电力信息物理网络抗干扰能力更强,电力网节点容量参数比信息网节点容量参数对系统影响更大。

具有双重时延的电力信息物理系统的同步控制

随着电力系统的安全可靠运行越来越依赖于通信系统,时间延迟也成为影响电力信息物理系统同步的主要因素之一。针对具有双重时延的电力信息物理系统(cyber physical power system,CPPS)的同步问题,设计控制器解决时延对系统同步的影响。首先,搭建具有双重时延的电力信息物理系统模型,然后根据系统模型设计出控制器,并通过构造Lyapunov函数证明控制器的有效性。对于大规模的系统,提出自适应牵制同步控制器,即将控制器添加到按照结构熵筛选出的牵制节点集的节点。结构熵可以解决当节点度相同时牵制节点的选择问题。最后通过两个算例验证了所提方法的可行性。

基于单工架构的信息物理系统运行时安全性保障方法

运行时安全性保障方法旨在系统运行过程中确保安全性属性得到满足.基于单工(simplex)架构的运行时安全性保障方法能够在使用复杂且安全性未经验证的控制器的情况下,为系统提供安全性保证.其基本思想是将复杂且安全性未经验证的复杂控制器与经过严格形式化验证的安全控制器相结合,前者工作在无安全风险的情况下,若检测发现系统存在潜在的安全风险,则通过决策模块完成复杂控制器与安全控制器之间的切换,从而确保系统的安全性.本文重点关注基于simplex架构的信息物理系统运行时安全性保障方法,从simplex架构决策模块的设计、改进与拓展,以及simplex架构的应用3个方面展开研究,对相关工作进行了梳理和总结,指出当前面临的技术挑战,并展望未来的发展方向,认为基于simplex架构的运行时安全性保障方法将会是解决智能信息物理系统安全性保障问题的有效途径之一.

基于能源枢纽的综合能源信息物理系统安全防护架构研究

为了提高综合能源系统(IES)中设备间和能源节点间的能源和信息交互效率,降低能源生产和传输成本,实现多种能源的高效转化与灵活分配,构建了一种基于能源枢纽(EH)的集中-分布式IES架构。基于该IES模型,定义了基于子信息物理系统集群的信息物理系统,在信息侧提出了能源枢纽节点内部每个子信息物理系统运行模型以及基于子信息系统服务器的信息交互模型。计及IES中信息安全问题对系统可靠性的影响,结合不同类型能源互补、能源网络传输分配、储能和清洁能源动态接入等系统运行特性,分析了综合能源信息物理系统安全需求,并基于可信计算技术构建了一种三元三层可信安全防护架构。从各能源节点为入手点,该防护体系形成了基于节点可信、网络连接可信和应用可信的防护机制,以确保IES安全可靠运行。

电力信息物理系统建模与故障分析

针对电力信息物理系统分层建模中信息层数据转发关系表达不清晰的问题,建立了考虑前置机数据转发功能的电力信息物理系统模型。基于信息物理交互视角,通过对信息流流动过程进行分析并结合电力信息物理系统结构与功能特性,将电力信息物理系统分为数据上传与数据下发两个部分进行建模。数据上传与下发过程中分别建立决策接收矩阵与前置机数据下发矩阵以表达信息流横向流动过程。在数据上传部分建立数据预处理矩阵以表征电力信息系统自动调控能力。最后以IEEE30节点系统为例进行模型推演与故障分析以验证模型的有效性,仿真结果表明,所提模型对多种故障情形下的数据流动分析具有普适性。