电力信息物理系统中信息系统发生预想事故的影响

摘 要：在电力信息物理融合系统（cyber physical power system,CPPS）中,电力信息系统与电力物理系统深度融合,互相影响。为分析CPPS中电力信息系统预想事故对电力物理系统可能造成的影响,构建了CPPS动态交互模型。其中,电力物理系统针对嵌入了分布式电源的配电系统,采用微分代数方程组描述;在电力信息系统中,则考虑了信息传输过程的数据错误、数据错位、传输延时等预想事故,采用信息关联矩阵模型描述。最后,以修改的IEEE 33节点辐射状配电系统为例,说明所提方法的可行性和有效性。     

基于信息物理系统融合的广域互联电网阻尼控制策略

随着信息通信技术在电网中的广泛应用,紧密融合电网与信息通信的电力信息物理系统(Cyber-Physical Power System, CPPS)为广域互联电网间的低频振荡抑制提供了便利。在电力系统海量运行数据的基础上,提出CPPS广域阻尼控制(Wide-Area Damping Control, WADC)策略。其采用可变遗忘因子最小二乘法来辨识物理系统模型,并基于此模型由广义预测控制算法(Generalized Predictive Control, GPC)生成决策控制指令。进一步地,建立通信补偿机制来补偿信息系统延时、丢包、乱序对物理系统运行的不利影响。通过Matlab和Visual Studio建立CPPS联合仿真平台来分析电力系统和信息系统的交互影响。以16机5区系统为例进行仿真,结果表明建立的CPPS联合仿真模型能够有效地模拟物理系统与信息系统的交互影响。所提出的CPPS广域阻尼控制策略,在信息系统的不利影响下,能够有效抑制电力系统低频振荡。     

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。     

基于节点映射模型的电力信息物理系统实时仿真平台

随着电力系统与信息系统的耦合影响日益加深复杂,需建立能够高效协调控制数据传输的电力信息物理系统(cyber-physical system,CPS)联合仿真平台,以精确模拟CPS的信息交互过程。该文在对比分析现有电力CPS联合仿真架构优缺点基础上,基于OPAL-RT和OPNET建立了电力信息物理系统实时仿真平台。针对电力系统实时控制场景需求,建立了链接电力和通信网络的节点映射模型,使用统一交互接口协调控制多节点电力CPS网络的信息交互动态过程,并验证了仿真平台数据交互的实时性。基于网络化控制的微电网仿真算例验证了建立的实时混合仿真平台的有效性和合理性,高效精确模拟出电力CPS信息交互过程。     

电力调频系统的信息物理融合建模及其在容错控制中的应用

该文提出一种考虑离散事件系统与连续时间系统融合动态的电力信息物理系统(cyberphysicalpowersystems,CPPS)建模与控制方法,并应用于调频系统的容错控制。首先,基于混合自动机理论,依据信息系统和物理系统的运行状态划分出CPPS调频系4的四种运行模态并明确之间的转移条件;其次,对于每一种模态,分别在SimEvents及Simulink中构建了基于事件驱动的信息采集、通信、处理、控制模块以及基于时间驱动的物理系统动态模型。对于包含信息系统故障的模态,提出一种频率估计策略及其对应的容错控制方法。最后,通过算例对本文提出的信息物理融合建模方法以及CPPS调频系统进行了测试,系统频率控制结果验证了所提方法的有效性。     

基于网络依存关系的CPPS连锁故障分析及风险评估

信息系统的融合给电网安全运行带来了新的风险，因此有必要研究电力信息物理系统(cyber-physical power system, CPPS)连锁故障的产生及传播机理。首先建立CPPS部分相互依存模型，采用老化因素、潮流、隐性故障、偶然因素构建电网风险元，采用信息占用率、拓扑结构、网络攻击、节点负荷以及依存关系构建信息网风险元，从而将风险元理论应用于CPPS连锁故障预测过程。其次提出一种同时考虑两网失负荷率的风险计算方法，可以识别骨干层与接入层的关键节点。最后分析信息节点自身故障和网络攻击引起的信息节点失效对连锁故障的不同影响。算例分析表明：依存关系会促进故障在两网传播，增大系统的风险；对CPPS进行整体分析能较全面地评估连锁故障风险，识别关键信息节点；同时遭受网络攻击与信息节点自身故障的CPPS的平均风险最高，需采取措施提高其可靠性。     

智能电网信息安全防御体系与信息安全测试系统构建 乌克兰和以色列国家电网遭受网络攻击事件的思考与启示

正1乌克兰和以色列国家电网遭受网络攻击事件分析智能电网是一种典型的信息物理融合系统,由传统电力基础架构与信息基础架构共同组成。智能电网的安全问题包括物理安全和信息安全两个方面。智能电网信息化及其物理系统与信息系统的深度融合为其引入了新的安全隐患,针对信息系统的网络攻击在破坏其功能的同时,也会传导至物理系统并威胁其安全运行。近几年来,通过网络攻击智能电网并进行破坏的事件时有发生。2015年12月23日,乌克兰电网遭遇突发停电     

信息物理电力系统耦合网络仿真综述及展望

随着先进的量测、通信和网络技术的应用,电力系统正逐步演化发展为信息物理电力系统(cyber physical powersystem,CPPS)耦合网络。CPPS的稳定性、安全性分析和控制器校验,均依赖于其动态仿真。文章综述了CPPS仿真领域的相关研究。首先指出CPPS是由连续动态和离散时间耦合的混成系统,并概括其基本特点。随后,围绕CPPS耦合网络的联合仿真问题,从系统建模、平台构建、关键技术和仿真应用4个方面对已有工作进行了回顾和综述,特别关注了如何将连续动态和离散事件系统的仿真模型与框架结合起来,形成统一的联合仿真平台,实现仿真过程中两者的相互配合。在此基础上,分析了实现CPPS耦合网络仿真需要解决的关键问题,即仿真模型的合理简化与高效协调机制的设计,为后续相关研究指明了方向。     

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。     

计及网络信息安全的配电网CPS故障仿真

配电网信息物理系统的发展使得信息系统与物理系统相互融合,两者之间相互影响,网络信息安全给配电网安全稳定运行带来很大隐患。为研究信息系统对配电网物理系统的影响,首先搭建配电网信息物理系统(cyberphysical system,CPS)仿真平台,在此基础上,建立配电网CPS终端仿真模型,具有恒功率控制和下垂控制2种控制方式的分布式电源模型,通信网络模型,控制层模型,以及中间人攻击和虚假数据注入模型。然后仿真三相短路故障处理和孤岛运行控制2个场景,分析通信数据篡改对故障处理过程的影响以及虚假数据注入和数据拦截对孤岛运行控制过程的影响。仿真结果表明,通信数据篡改事件导致了停电范围扩大,虚假信息注入和数据拦截事件导致了孤岛运行频率调整失败等。该文仿真为配电网CPS运行特性分析以及信息网络安全事件识别与防控提供了仿真基础。     

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环境中的网络攻击研究综述

电力信息物理融合系统(CPS)借助大量传感设备与复杂通信网络使现代电力系统形成一个实时感知、动态控制与信息服务的多维异构复杂系统。信息流交互使得电网面临更多潜在威胁。近年来频发的网络攻击影响电网稳定运行事件敲响了电力系统安全的警钟。目前,国内对电力CPS网络攻击方面的研究尚处于起步阶段。文中首先提出了电力CPS领域中网络攻击的定义,从通信网络覆盖范围和网络攻击目的对攻击行为进行分类;其次,从发、输、配、用电侧4个环节归纳和分析了电力CPS网络攻击典型场景;最后,对国内电力CPS网络攻击研究现状进行了总结与展望。     

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...     

电力信息物理系统网络攻击与防御研究综述(二)检测与保护

从针对电力信息物理系统(电力CPS)网络攻击的检测和保护两个方面,对当前国内外研究进行了梳理和归纳,发掘相关研究问题的本质和目的。在检测方面,介绍了基于偏差和特征的防御检测实现思路及其在信息侧和物理侧的实践方法;在保护方面,介绍了以被动防御为主的信息侧保护方法和基于资源配置和校正控制的物理侧保护方法。在现有研究基础上,对电力CPS网络攻击的检测和保护领域关键技术进行了提炼,并对未来研究方向进行了展望。     

面向电力信息基础设施的网络战及其应对措施

国际网络战局势紧张,谨防面向我国电力信息基础设施的网络战攻击,做好必要的安全防御部署,成为亟待考虑、准备和落实的必要工作。文章在研究网络战基本特征、作战方法和技术装备的基础上,从电力网站及服务终端攻击、电力生产控制系统攻击和重要信息流监控不同战略层面,分析了我国电力信息基础设施可能面临的网络战攻击风险和途径,并提出相应的防御措施及建议,可为电力企业开展相关安全防御工作提供参考。     

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。     

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。     

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.     

基于改进渗流理论的信息物理融合电力系统连锁故障模型

基于改进渗流理论,提出了考虑物理层电网潮流分析与信息层延时的信息物理融合电力系统连锁故障模型。将连锁故障的动态发展描述为故障在信息层、物理层交替传播扩大的多阶段过程,在分析故障在物理层传播的阶段中考虑物理层电网潮流,在脆弱度指标中综合拓扑完整度、信息层延时增量及物理层实际运行指标。对信息层、物理层不同对应依靠策略及节点攻击策略的连锁故障建模仿真表明拓扑中心度对应依靠策略呈现较低的脆弱度;物理层分区设立分布式控制中心与集中式控制中心的结构相比,能提高连锁故障发展中信息层的运行实时性。同时,节点蓄意攻击相比于随机攻击能造成发展更迅速,影响范围更广的连锁故障。     

信息物理融合视角下的电流纵差保护可靠性分析

现代电网已经具备信息-物理紧密融合的特征，电流差动保护是信息物理紧密耦合的典型应用，因此，有必要从信息物理融合的视角研究其可靠性。从物理-量测-通信-决策的完整闭环控制过程出发，分析线路电流、互感器测量误差、通信延时及保护判据（分析决策）等信息物理因素对电流差动保护的综合影响，提出电力信息物理系统视角下电流差动保护业务的误动概率模型。然后，通过仿真算例验证了模型的合理性，并分析了影响电流差动保护误动的关键因素。