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。

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。

电力信息物理系统脆弱性评估分析

电网与通信系统之间的强耦合可能会引起级联故障传播,造成大规模停电。为了定量分析相互依赖关系对电力系统脆弱性的影响,对电力信息物理系统(CPPS)进行建模。利用人工信息网络和IEEE 118总线系统建立相依模型,分别基于“度数-介数”“度数-电气度数”和“随机耦合”3种相互依赖模型,评估和比较CPPS在随机攻击和恶意攻击下的系统脆弱性。仿真结果表明:不同的连接模式、耦合程度和攻击类型都可以影响CPPS的脆弱性;具有“度数-电气度数”相互依赖模型的CPPS在面对随机攻击时表现出更高的鲁棒性,而且在遭受恶意攻击时,其性能要优于其他相互依赖模型。

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。

考虑监视与控制功能的电网信息物理系统可靠性评估

电网信息物理系统的最主要特征是信息系统与物理系统的深度融合与相互影响。针对电网信息物理系统中信息系统主要的监视与控制两类功能,建立功能失效模型,研究每类功能对电网信息物理系统可靠性评估影响的表征方式,建立考虑控制功能作用后的断路器的设备可靠性模型。在此基础上,分析监视功能失效所导致的电网事故蔓延状况,提出考虑信息–电力作用的电网信息物理系统可靠性评估方法。最后,对测试系统进行仿真测试,分析信息系统故障发生位置对电网信息物理系统可靠性的影响,验证了所提算法的可行性、必要性与有效性。

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。

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。在此背景下,将CPS概念与电力系统特点相结合,提出电力CPS架构;利用微分代数方程组、有穷自动机、随机过程、排队论等数学工具,建立其稳态与动态模型,阐述相应的分析方法,并进一步提出电力CPS可靠性和安全性研究方向。最后,基于网络延时和丢失补偿提出了多种控制方法相结合的混合控制策略。

电网信息物理系统的混合系统建模方法研究

信息物理系统(cyber physical system,CPS)是随着工业信息化发展而提出的新理念,强调在生产中物理过程与信息处理的紧密融合。电网正向智能化发展,是典型的信息物理融合系统。建立CPS模型有助于更好分析、控制日益复杂、灵活的电网运行,该文结合电网特点、需求,分析了电网CPS模型的构成和形式,提出了基于混合系统的电网CPS建模方法及其控制方案;并根据上述方法和步骤,建立柔性负荷和源储协调控制的混合系统模型,提出基于该模型的优化控制问题。

考虑有效距离接近中心性的信息设备重要度评估

电网信息物理系统中,信息系统失效与遭受的攻击可能造成物理系统的能量损失。针对这一问题,文中提出了一种考虑有效距离接近中心性的信息设备重要度评估方法。首先,将信息系统结构抽象为有权有向的拓扑图,使之适用于量化评估。其次,根据信息系统对物理系统可靠性的影响大小,计算拓扑图中各有向边的权重。在此基础上,引入有效距离的概念,计算各个节点的有效距离接近中心性,实现从能量损失角度对信息设备重要度的量化评估。最后,对测试系统进行了信息设备重要度排序,验证了所提方法的有效性。

电网信息物理系统建模与仿真验证平台研究

电网信息物理系统通过建立融合模型，研究电网信息控制系统与一次系统的互作用机制，建模与仿真验证平台为此提供了研究工具。基于混合系统的融合模型以及信息模型，设计了平台功能模块、实现工具；初步构建电网信息物理系统建模与仿真验证平台，可建立电网连续及离散模型，仿真电网运行动态，模拟控制过程及信息交互，并验证信息交互的正确性和一致性；最后通过算例展示并测试了平台界面和主要功能。

电力信息物理系统的雾状通信技术研究

融合多种通信技术构建高效、可靠与经济的综合通信网络,是电力信息物理系统(Cyber Physical Power System,CPPS)安全稳定经济运行的重要保障。文章首先指出电网物理规划、通信规划与电网运行间存在的问题,提出了适用于电力信息物理系统的雾状通信概念;然后,提出了雾状通信关键技术,基于提出的电力业务与通信技术适配原则,对主流CPPS通信技术进行了技术经济比较,并将其与主配网电力业务进行了适配性分析,基于构建的雾状通信模型提出了雾状通信控制方法;最后,针对当前现状讨论了雾状通信循环递进式研究及应用路线,指出了可用于验证雾状通信的CPPS联合仿真平台及示范园区建设思路,给出了雾状通信在CPPS规划与运行协同优化框架中的应用路线。

信息物理系统在变压器稳压调节控制中的应用研究

考虑到现有变压器电压调节方法受调压档位限制,且电压调整判断依据为调度部门确定的电压曲线,难以实现灵活、高效、高精度的变压器输出电压稳定调节,提出一种基于信息物理融合系统的稳压动态调节方法,以更好地解决变压器运行过程中出现的电压偏移问题。建立变压器的物理模型与信息模型,通过物理参数与信息属性的相互映射,利用动态链接对物理模型与信息模型在统一仿真平台上进行整合,建立变压器的信息物理融合系统模型,通过信息量对物理量的实时反馈作用机制,控制变压器原副线圈匝数比的自动调节,实现变压器输出稳压。仿真实验结果表明,信息物理融合方法在变压器输出电压稳定调节应用中具有一定的有效性。

基于关联特性矩阵的电网信息物理系统耦合建模方法

电网信息物理系统(电网CPS)中信息层和物理层的紧密耦合,使得信息或物理的失效都会对电网CPS的正常运行造成影响。文中提出了一种基于关联特性矩阵的电网CPS建模方法,对电力系统控制应用中信息流与能量流的复杂耦合关系和交互机理进行梳理与建模。该方法首先对实际电网CPS逻辑进行梳理与抽象,得到电网CPS基本分析单元;然后,采用多元组定量描述信息节点、二次设备节点和通信节点的外特性,采用关联特性矩阵的方法定量描述电网CPS中物理层、二次设备层、通信层、信息层内部及其相互之间的逻辑关联关系及特性,形成完整的电网CPS耦合模型。最后,基于电网CPS模型对实际电网CPS应用系统进行分析,说明模型的使用方法,验证模型的合理性和有效性。

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。

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。

面向数据可用性的电力通信系统静态分层建模方法

电力通信系统的正常运行是保障电力系统量测数据和控制命令可靠传输、维持电力系统安全稳定运行的基础。传统的电力通信系统静态模型忽略不同节点功能的差异性,难以同时描述物理与逻辑支路的多层次连接状态,无法准确刻画各种信息物理风险事件下信息流的变化情况。针对这一问题,提出了面向数据可用性的电力通信系统静态分层建模方法。该方法利用物理层到会话层的直接/间接邻接矩阵与层间映射依赖关系,自底向上对信息的传输与处理过程展开详细建模,能更全面地分析信息物理风险事件导致的信息流变化情况,为更准确地开展信息物理交互影响分析和风险评估等研究奠定基础。对复杂风险事件下的IEEE 9节点和IEEE 118节点系统进行了信息物理混合仿真分析,验证了所提方法的有效性。

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。

考虑天气影响的配电信息物理系统可靠性评估

电力与通信深度融合是配电网发展的趋势,而天气又是影响配电网可靠性最主要的要素之一,研究评估考虑天气影响的配电信息物理系统可靠性很有必要。首先,选取对电力元件故障和通信元件故障影响最大的天气要素,并对天气要素进行区间划分,构建适合分析电力元件故障和通信元件故障的天气状态模型;其次,结合配电网历史故障数据和历史天气数据,构建以天气状态为变量的电力元件故障概率模型和通信元件故障概率模型;接着,针对通信元件故障使得监视和控制失效而造成的后果评估,给出配电网失负荷量化分析方法;然后,综合考虑电力元件和通信元件故障,提出基于蒙特卡洛方法的配电网信息物理系统可靠性评方法;最后,在改进的IEEE 33节点测试系统进行仿真测试,验证了所提算法的可行性和有效性。

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。