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。

信息物理深度融合背景下综合能源系统可靠性分析评述

信息物理系统的深度融合使得综合能源系统在国内外得到迅速发展,以实现低碳高效的社会目标。考虑到不同能源系统之间、能源网络与信息网络之间的耦合关系以及多重不确定因素对综合能源系统的影响,首先概述了信息物理系统融合背景下开展综合能源系统可靠性评估的必要性。其次,指出综合能源系统中能源物理元件以及需求侧用能行为相应的等效多状态时变可靠性模型,并对综合能源物理系统、信息系统、信息物理融合系统的可靠性分析模型及方法进行广泛综述。此外,考虑信息系统与能源物理系统的相关关系,提出综合能源信息物理系统可靠性评估框架。最后,进一步指出新形势下综合能源系统可靠性研究的重点研究方向。

基于复杂网络的能源互联网信息物理融合系统跨空间风险传递研究

能源互联网呈现物理信息深度融合的趋势,为电力系统管理研究定义了新的研究框架。作为一个先进的复杂系统,能源互联网信息物理系统(Energy Internet Cyber-Physical System,ECPS)在其发展过程中面临着一些新的挑战,其中一个就是耦合结构下的风险管理。本文结合复杂网络理论和风险传递理论,着重在拓扑层面分析了ECPS跨空间交互机理,并在此基础上定义了交互路径和交互系数;接着建立了ECPS跨空间风险传递模型,量化描述了风险的传递和演化过程,并进行了风险影响评估;最后,通过仿真实验分析了三种不同交互系数节点故障的风险传递过程和不同攻击模式下系统的崩溃过程。对仿真结果的讨论阐述了能源互联网风险跨空间传递的特点,为更深入地研究ECPS的风险管理提供了参考。

适合多元用户互动的信息—物理融合能源USB系统

能源互联网接入设备是用能设施接入能源互联网的媒介。文中阐述了适用于多元用户互动的能源互联网接入设备的基本概念和特征,并基于计算机领域"通用串行总线(USB)"的理念,研发了信息—物理融合的能源互联网接入设备,即能源USB系统(EUSBS)。首先,阐述了EUSBS的信息—物理融合内涵和功能,并设计了总体架构和应用拓扑结构。基于此,对其软硬件系统进行研发,重点介绍了其中的硬件架构搭建、五类主要能源USB装置研发和实验测试。软件研发则简要介绍了其总体架构和主要功能模块。此外,以某商业楼宇为对象,通过安装EUSBS和配置分布式设备,对其进行了能量管理分析,初步验证了EUSBS可对接入设备进行实时监测和协调控制,实现了能量流和信息流的双重流通。最后,对EUSBS未来应用进行了展望。

考虑信息设备故障的综合能源信息物理系统可靠性分析

综合能源信息物理系统(integrated energy cyber physical system,IECPS)中信息系统失效将会对系统可靠性造成一定程度的影响,为研究信息系统中信息设备故障对综合能源系统可靠性影响,定义了信息物理子系统的概念并提出了一种适用于综合能源信息物理系统的可靠性评价指标。首先,基于马尔科夫过程蒙特卡洛法(Markov chain Monte Carlo,MCMC)建立多时段状态概率模型。其次,建立了综合能源信息物理系统模型,分别利用复杂网络理论和能源集线器技术建立了信息系统静态模型和物理系统数学模型,并对信息系统作用过程进行分析和建模。最后,利用提出的可靠性评价指标同时考虑系统供能水平,分析了不同情况下信息设备故障对综合能源系统可靠性的影响,以及系统可靠性对不同信息设备的敏感程度。算例以某综合能源信息物理系统为例,按照上述评估指标和方法评估信息设备故障对综合能源系统可靠性影响程度,结果可为综合能源信息物理系统的规划和运行提供参考。

信息物理融合的智慧能源系统多级对等协同优化

针对能源电力系统的优化管理与控制问题,提出了一种信息物理融合的智慧能源系统(Intelligent energy systems,IES)多级对等协同优化方法.在信息物理融合能源系统(Cyber-physical energy systems, CPES)的基础上,构建了智慧能源系统的局域和广域两级协同优化架构.综合考虑产消者能源实体对等交互过程中的社会福利、供求平衡和需求意愿等因素,基于Stone-Geary函数和双向拍卖机制构建了智慧能源系统能量优化模型,给出了通过收敛判定域引导的全局随机寻优与区域定向寻优策略,有效地提高了算法的局部搜索能力.此外,通过双向拍卖机制的理性定价以及智能合约的辅助服务,有效地实现了用户友好的对等交易模式.仿真实例表明,在社会福利最大化的前提下可获得产消者电力资源最优分配结果,进一步验证了本文方法的有效性和可行性.

基于函数挖掘的能源信息物理系统数据安全风险识别算法

数据安全风险评估对于能源信息物理系统安全稳定运行至关重要。现有的从二次设备、信息等角度来分析数据安全风险已经无法满足能源信息物理系统广泛的能源接入和各能源之间的能量、信息交互需求。首先提出基于粗糙集的数据安全风险要素特征选择算法,对影响能源信息物理系统中数据的安全风险特征集进行特征选择,降低能源信息物理系统数据安全风险要素集的维度;在此基础上,利用基因表达式编程(gene expression programming,GEP)的函数挖掘特性,提出基于混合GEP的能源信息物理系统数据安全风险识别算法,通过设计小生境种群生成策略以及动态自适应变异概率动态调整策略来提高数据安全风险识别的准确率和效率。仿真实验结果表明,所提算法对于复杂高维的能源信息物理系统数据安全风险集的识别和预测具有较高的准确率和较强的实用性,可为下一步制定能源信息物理系统数据安全防护策略提供理论方法支撑。

微能源网信息物理系统模型及其协调控制

能源互联网系统对物理与信息的协同调控技术要求不断提高,信息物理融合系统可以很好地解决此类问题。在微能源网和信息物理系统的基础上,提出了一种微能源网信息物理系统的基本构架。在物理层面,建立了能源网络模型和能源耦合模型。在信息层面,将电力系统的统一信息模型扩展到能源领域,建立起信息系统模型。对有时滞的微能源网信息物理系统,使用一致性理论对其协调控制,并进行了仿真验证。仿真结果证明了信息时滞对物理系统运行的影响以及一致性理论对系统协调控制的有效性。

综合能源信息物理系统的分层建模和能量-信息流混合计算方法

在电力信息物理系统(cyberphysicalpowersystem,CPPS)的研究背景下,包含电、热、气等多种能源形式的综合能源系统的能源网络与信息网络之间呈现出更为复杂和紧密的耦合关系,构成了综合能源信息物理系统(integratedenergy cyber physical system,IECPS)。为便于定量分析通信设备故障或网络攻击造成的不正常信息流对能量流的影响,该文提出了IECPS的分层建模方法。首先,能源层采用基于统一能路理论(energy circuit theory,ECT)的多能流模型,然后分别建立了矩阵形式的传输层和信息层模型,由此推导出IECPS的一体化模型。为对所建模型进行求解,该文提出了IECPS能量-信息流的混合计算方法,最后,通过由IEEE39节点电网-6节点热网-7节点气网组成的综合能源系统算例,在稳态场景和信息物理协同攻击场景下分别进行了分析,验证了该文所提出的理论方法的有效性。

基于信息物理融合系统的能源路由器

能源路由器作为能源互联网的核心设备,能够实现能源网络中各种设施的高效配置。本文阐述了信息物理融合系统的概念与其基本构架,介绍了国内外在能源路由器领域的发展现状,提出了能源路由器的框架结构,并从层次结构角度给出了能源路由器应具备的功能,最后,对能源路由器的关键技术进行了可行性分析并对其发展前景作出了展望。

能源互联网目标下电力信息物理系统深度融合发展研究

能源互联网是解决当前能源系统问题、推动能源系统变革的智慧综合能源系统,对提高可再生能源比重,促进化石能源清洁高效利用,提升能源综合效率具有重要意义。电力信息物理系统融合是建设能源互联网的核心基础和关键所在,融合水平是决定能源互联网发展阶段的重要因素。通过研究电力与信息技术融合的价值、架构以及与能源互联网的关系,以历史长周期(1900—2018年)为跨度,量化分析揭示电力信息物理融合发展规律,预测未来趋势,提出能源互联网建设重点战略方向,为中国能源互联网的建设与发展提供理论依据和决策参考。

“综合能源系统优化控制与信息物理安全”专刊征稿启事

随着物联网、边缘计算、5G等信息通信技术的高速发展,海量分布式发、储、用电设备资源接入,电力、冷热、天然气等综合能源系统自动化、智能化的水平不断提升,能源物理系统与信息系统的融合愈发紧密。然而,随着系统网络的规模及其感知与控制单元数量的增加,能源信息物理系统的架构与互动机理日益复杂,不同环节面临的不确定性风险逐渐增加,传统控制模式的鲁棒性与公平性难以保证。因此,如何高效利用海量数据与实体资源实现综合能源系统的优化控制,最大限度减小外部条件与人为扰动等因素下信息物理系统的安全风险与故障传播,是目前综合能源系统大规模发展亟待解决的重要问题之一。

电网信息物理系统的关键技术及其进展

信息物理系统旨在通过物理与信息系统的互通与深度融合,实现超越传统应用系统的运行效果与性能水平。电网信息物理系统是其在电网领域的拓展和应用,该文阐述了电网信息物理系统的概念及研究现状,提出了由4个关键技术组成的研究体系,包括:电网信息物理融合建模技术、电网信息物理系统分析方法、基于融合模型的电网控制技术、基于融合模型的形式化验证。在此基础上,展望了电网信息物理系统在能源互联网、主动配电网以及传统电网中的应用。

电力系统信息物理融合建模与综合安全评估:驱动力与研究构想

智能电网与能源互联网都是典型的信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS),信息环节的可靠性问题可能导致物理系统的运行风险。为了对其系统及信息故障进行分析评估,文中在分析了对电力系统进行信息物理融合建模与评估的必要性去驱动力后,提出了一种CPS融合建模构想。该方法将CPS系统抽象为一个有向拓扑图,模型将物理系统和信息系统中的状态量统一抽象为"数据节点",将信息处理、信息传输等环节抽象为"信息支路"。在此基础上,系统的信息-能量流可通过矩阵运算的方式快速简单地进行量化计算,与一般的迭代计算和仿真方法相比,该方法可有效提升计算速率。最后,对信息物理系统的综合安全评估技术体系进行了展望。

基于信息物理融合系统的能源路由器分析

作为能源互联网的核心设备,通过能源路由器可以高效的配置能源网络中的各种设施。文章通过下文对基于信息物理融合系统的能源路由器的相关内容进行了阐述与分析。

面向新型电力系统的信息物理系统分析与控制

构建以新能源为主体的新型电力系统,是实现碳达峰、碳中和的重要举措。大规模系统动态平衡将愈发依赖基于信息交互的协同平衡机制,借助信息技术实现能源设备的协调互联,构成信息通信技术、控制技术与能源技术深度融合的信息物理系统,是新型电力系统的发展趋势。云计算、物联网、人工智能、边缘计算等信息技术在电网物理系统的深度应用,为新型电力系统运行控制提供支撑的同时,也可能诱发信息物理交叉传播的安全风险,影响电网的可靠运行。此背景下,应开展面向新型电力系统的信息物理建模、交互机理分析、安全风险评估及运行控制优化等关键技术研究,融合离散化、网络化的信息计算资源与电网物理系统,推进建设全景智能感知、高效信息处理和安全柔性互动的新型电力系统。

基于信息物理系统的工业园区用能控制策略研究

构建工业园区用能控制系统,从能源的生产、传输、转换、存储、消费等环节出发,实现供能侧多能互补优化、源网荷储协调控制,提升工业园区整体用能管理水平,开展能源友好互动,降低工业园区综合能耗,增加企业经济效益,并为用户开展智慧用能建设提供技术支撑。

电力系统中信息物理安全风险传播机制

在电力信息物理融合系统(cyber physical system,CPS)中,信息空间中的风险有可能传递到电力空间中并导致电力设备故障。为此,有必要研究信息安全风险在电力CPS中的传播机制。首先,阐述了电力CPS中信息安全风险跨空间传播的基本形式,指出智能终端设备是安全风险跨空间传播的必经之路;之后,根据电力CPS的特点和细胞自动机理论的特征,建立了电力CPS中信息物理安全风险的传播模型。最后,以MATPOWER中自带的三机九节点系统为例,通过仿真计算分析了风险跨空间传递概率、故障细胞治愈概率等因素对风险传播的影响,也讨论了仿真时间间隔对仿真结果的影响。

分布式新能源接入能源互联网的信息物理广域关联接口

能源互联网和电网信息物理系统(cyber-physical power systems,CPPS)是未来能源系统和电力系统发展的趋势,而分布式新能源发电是优化能源结构、实现多能源融合的关键。分布式新能源发电相关信息通过并网接口在能源互联网中广泛流通,使终端接口参与更广范围系统的分析调节,是能源互联网与电网信息物理系统的迫切需求。该文根据分布式新能源接口在CPPS的价值与应用特性,提出分布式新能源接入能源互联网的信息物理广域关联接口(wide-area cyber-physical associated interface device,WACPAID)概念。根据CPS节点化原则设计了其组成要素与各要素的信息物理映射,在此基础上根据控制需求建立WACPAID的CP融合模型。采用以有限状态机模拟信息决策,以预设事件轴为交互基准的模拟仿真方法,验证了其可感控性价值与终端级、系统级和市场级应用特性。

信息–物理–社会融合的智慧能源调度机器人及其知识自动化:框架、技术与挑战

着眼于能源5．0前瞻性基础理论，重点研究基于信息-物理-社会融合系统（eyber-physical．socialsystems，CPSS）的智慧能源调度机器人（robotofenergycontrol，RoboEC）群体及其知识自动化的关键理论方法。包括：构建面向下一代能源电力系统的平行CPSS理想框架及工程可行性框架体系；提出基于数据驱动及自校正引导方法的新型高精度镜像计算实验方法，实现镜像系统对真实物理系统的趋优引导；研究面向未来能源电力系统集中／分散调度模式下的知识自动化流程和平行机器学习方法，实现RoboEC群体的知识自我探索和群体智慧水平的自动提升；探讨平行系统与真实系统的交互协调收敛数学机理及实现CPSS大闭环的系统化设计方法，获得能源、信息、社会三者的深度融合方法和系统化工程设计方法。在后续研究过程中，不断完善基于平行CPSS架构的RoboEC研究平台，并提出可最终尝试将RoboEC投入到小规模实际工程进行运行测试。最后，分析了其面临的挑战，为中国在“能源4．0”到“能源5．0”的技术发展之路上先行一步提供借鉴和思考。