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。     

电力信息物理系统韧性的概念与提升策略研究进展

信息系统和物理系统耦合形成的信息物理系统,使电力系统具有更强的可控可观性,与此同时,信息系统与物理系统的故障将造成更严重的电力安全事故。如何结合通信因素分析信息系统与物理系统的互相作用,是提升电力信息物理系统韧性的关键问题。首先,设计了电力信息物理系统的框架,定义了电力信息物理系统韧性概念的特点并分析韧性的意义。其次,基于信息流动路径的传输原理介绍通信技术的特点和发展趋势,并根据信息网络特点分析不同极端事件对韧性的影响。再次,归纳了电力信息物理系统联合仿真方法。然后,总结了各层次网络韧性提升策略的研究进展,探讨了卫星通信、无人机通信等应急通信技术的可行性。最后,阐述电力信息物理系统韧性研究未来面临的挑战。     

基于电力信息物理系统实时仿真平台的网络安全仿真

随着信息流和能量流耦合程度的不断加深,现代电力系统已逐渐发展成为信息系统和物理系统深度耦合的电力信息物理系统。传统的只对物理系统进行仿真运算的方法已无法保证其仿真分析的准确性。文章从仿真分析的角度,在对比分析现有仿真方法的基础上,进行仿真工具和配合模式上的改进,并进一步加入中间人环节,搭建了一种新的考虑网络攻击的电力信息物理系统（cyber physical power system,CPPS）实时联合仿真平台。最后,基于该平台,以负荷控制业务为例,研究了网络攻击对电力物理系统的影响,深入分析CPPS中信息系统与物理系统的深层次耦合关系,仿真验证了所提平台的有效性和实时性。     

基于改进超图的变电站自动化系统关键要素识别

泛在电力物联网是我国电网发展的最新方向,从特征来看,其作为信息流与电力流高度耦合的复杂系统——信息物理系统,从关键节点识别的角度开展安全防范研究至关重要.以变电站自动化系统为研究对象,提出了一种基于改进超图的变电站自动化系统关键要素识别方法.讨论变电站自动化系统逻辑拓扑图中各类中心性指标,从中选择适用于逻辑结构分析的两类指标,将其进一步定义到超图中并进行各节点的排序差异对比研究.从逻辑节点失效和电力系统负荷损失两个角度定义了变电站自动化系统工作有效性指标和电力信息物理系统效能损失指标,从而评价某一逻辑节点工作异常的影响.并应用IEEE 14节点系统进行了算例分析.该方法可获得变电站自动化系统中物理域与逻辑域交集内的逻辑节点关键度排序,进而识别出严重影响电力信息物理系统静态网络安全的重要逻辑节点.     

考虑可观测性的电力信息物理系统级联故障分析方法

传统的电力信息物理系统故障分析往往仅考虑了网络间的故障波动,而很少考虑故障波动对系统观测能力的影响。系统观测能力对电网调度方案的制定特别重要,尤其是发生级联故障时,系统可观测性的降低会给调度系统带来巨大困难,从而加剧故障损失。提出了一种计及系统可观测性的电力信息物理系统分析方法,并研究了在不同网络互相似耦合强度下的网络抗毁性。首先,搭建了一对一耦合方式电力—通信网络模型作为电力信息物理系统的物理基础,给出了系统可观测性评估指标,量化了在级联事故过程中导致电网失去全网可观性时的故障规模;其次,通过分析量化网网耦合互相似性,提出了电力信息物理系统互相似度评估指标;然后,借鉴电网级联事故模型,建立了适用于电力信息物理系统的级联事故逻辑分析流程;最后,通过IEEE 118节点仿真分析发现,发生级联故障时,电网会在级联故障结束之前失去全网可观性;耦合网络间的互相似性越高,整体网络在发生级联故障时的电网可观测性抗毁能力越强。     

分布式信息能源系统的耦合模型、网络架构与节点重要度评估

分布式信息能源系统是能源互联网发展的新阶段和应用的新形态,也是信息和能源深度耦合的分布式复杂信息物理系统。该文在研究电网与电力通信网的耦合网络模型的基础上,借鉴复杂网络理论,采用相关系数法和关联矩阵法建立以能源路由器为节点的分布式信息能源系统网络架构;结合信息流和能量流的不同业务特征,建立考虑双网耦合标度的网架节点重要度评价指标体系,提出一种可由客观因素修正主观赋权的多指标综合评价方法;仿真验证表明通过节点重要度计算可有效优化系统骨干网架的搜索过程,确保覆盖重要度高的节点及关键线路,进而验证节点重要度评估机制的可行性及合理性。     

恶意攻击下的电力耦合网络风险传播模型研究

电网可视为信息域、物理域相互耦合的信息物理系统(cyber-physicalsystem,CPS),存在严重的安全风险。针对信息域的恶意攻击极有可能传播至物理域,导致停电事故的问题,文章首先分析电网CPS耦合结构框架,并基于此研究电网风险跨域传播的基本形式,提出一种基于复杂网络的电网风险传播模型,并给出风险评估指标。最后通过构建IEEE-118总线系统为物理域的耦合电网场景,仿真模拟该场景下遭受恶意攻击的风险传播模型,并讨论风险扩散率、初始攻击点等因素对风险传播的影响。文章核心贡献是基于真实攻击场景构建一类电网CPS系统风险传播扩散及系统存活性评估通用模型,为宏观上控制电网安全风险的扩散提供有效的探索。     

考虑极端场景的输电-通信网络协同鲁棒扩展规划方法

为了在满足经济性前提下,尽可能降低极端场景下电力和通信网络故障耦合引起的大面积停电风险,考虑双网结构融合和功能耦合特征,提出了信息物理协同双层(主层、子层)鲁棒扩展规划模型。首先,以投资经济性和极端场景下失负荷损失成本最小为目标,建立双网线路和通信业务路由协同优化的主层模型;其次,在子层模型中,计及线路结构耦合引起的共因失效模式,构建了电力/通信线路多重故障集,并考虑通信失效对电力系统应急调度的影响,基于max-min准则建立最恶劣极端场景最小失负荷损失成本计算模型;随后,采用列和约束生成算法实现两层模型解耦求解;最后,基于IEEE 14 节点信息物理系统进行仿真分析,结果表明,提出的协同规划模型能以经济合理的投资优化双网结构,降低通信系统故障级联影响,提高耦合系统面对极端场景的抵抗力。     

考虑极端场景的输电-通信网络协同鲁棒扩展规划方法

为了在满足经济性前提下,尽可能降低极端场景下电力和通信网络故障耦合引起的大面积停电风险,考虑双网结构融合和功能耦合特征,提出了信息物理协同双层(主层、子层)鲁棒扩展规划模型。首先,以投资经济性和极端场景下失负荷损失成本最小为目标,建立双网线路和通信业务路由协同优化的主层模型;其次,在子层模型中,计及线路结构耦合引起的共因失效模式,构建了电力/通信线路多重故障集,并考虑通信失效对电力系统应急调度的影响,基于max-min准则建立最恶劣极端场景最小失负荷损失成本计算模型;随后,采用列和约束生成算法实现两层模型解耦求解;最后,基于IEEE 14 节点信息物理系统进行仿真分析,结果表明,提出的协同规划模型能以经济合理的投资优化双网结构,降低通信系统故障级联影响,提高耦合系统面对极端场景的抵抗力。     

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区。然后,提出支路有功调整方法,用于降低灾害抵御阶段线路开断导致的支路功率越限和系统失稳的风险。针对灾后恢复,提出信息系统和电力系统协同恢复方法,以恢复停电负荷和故障线路。修改的新英格兰测试系统仿真结果表明,所提策略能够有效降低灾害风险,加快信息物理系统的恢复进度。     

基于负荷恢复价值折算的主动配电网电力-通信故障统一修复策略

极端灾害下,先修复电力网络的传统配电网修复策略,难以发挥信息物理融合主动配电网（ADN）的调度自动化功能,导致系统弹性低。针对该问题,提出一种电力-通信故障统一修复策略。首先,定义度量弹性的故障恢复力指标,并基于信息盲区分析通信系统对故障恢复过程的影响;然后,提出基于故障概率的负荷恢复价值折算方法,量化电力和通信故障修复带来的负荷恢复;在此基础上,建立含负荷恢复价值折算值和故障恢复时间的抢修任务分配目标函数,生成统一修复任务分配方案。算例仿真结果表明,与先修复电力网络相比,在极端灾害情况下所提策略可有效提升ADN弹性。     

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。     

多证据融合下电力信息物理系统风险评估研究

电力与信息的深度融合是能源互联网的发展趋势,一旦电力网或信息网发生风险与故障,电网运行的稳定性将受到极大影响。针对电力信息物理融合系统风险等级评估准确性较低的问题,提出了基于证据理论的风险评估方法。首先,通过识别电力信息物理融合系统的关键风险因素,从电力空间、信息空间和网架结构3个方面构建了电力信息物理融合系统风险指标体系。其次,借助证据融合理论实现了电力信息物理融合系统风险等级计算模型,并利用该模型评估分析了5个不同的电力信息物理融合系统,得出了各个电力信息物理融合系统不同的风险等级,验证了所提模型对评估电力信息物理融合系统风险等级的适用性。     

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...     

极端天气下智能配电网的弹性评估

近年来受极端天气的影响,配电网大范围停电事故率不断上升,能够防御自然灾害、减小停电事故影响的弹性配电网引起了人们的重视。为了更好地评估配电网应对极端灾害的弹性,文中提出了一种智能配电网弹性评估方法。首先,建立了极端天气下的故障模型用以量化极端天气对配电网的影响。其次,针对极端天气的随机性,文中通过蒙特卡洛法模拟极端天气场景并采用K-means聚类算法对场景进行缩减,根据脆弱性曲线可以得到配电网各支路的时变故障率。考虑到负荷、可再生能源出力的不确定性,采用拉丁超立方抽样抽取负荷、可再生能源出力和配电网故障场景对配电网进行弹性评估。然后,为了全面准确地反映含分布式电源的配电网弹性,将配电网遭受自然灾害时分为防灾和减灾2个阶段,并基于此构建了包括配电网防御时间、弹性恢复系数、孤岛可持续时间覆盖率和重要负荷平均中断时间在内的弹性评估指标体系。最后,对一包含2条馈线的实际配电系统的弹性进行仿真评估,并考虑了电力线路类型、光伏渗透率和联络线对配电网弹性的影响,验证了所提评估方法的有效性。     

计及信息-能量耦合节点重要度的主动配电网灾后孤岛划分方法

针对自然灾害导致的主动配电网连锁故障问题,提出了一种计及信息-能量耦合节点重要度的主动配电网灾后孤岛划分方法,以实现对重要节点的持续供电。基于电力网络与电力通信网的耦合关系,以电力网络为基础网,构建分布式信息物理系统的网络架构,并结合能量流与信息流二者的业务特征,通过主客观相结合的赋权方法得到耦合节点的重要度;基于全局信息发现模型,通过局部信息交换获取全局信息以完成孤岛划分模型输入参数的获取,满足灾后的通信需求;通过控制自动开关设备、分布式电源(DG)和储能的开关状态,将主动配电网划分为多个由DG或DG与储能协同供电的微电网,以实现等效恢复负荷的最大化。通过算例仿真验证了所提方法的有效性。     

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。