电力信息物理融合系统结构脆弱性分析

为了识别电力信息物理融合系统(Cyber Physical Power System,CPPS)脆弱性并制定相应脆弱性防控策略,从结构的角度,建立电力网为IEEE118节点系统、双星型信息网和网型信息网2种具有不同子网络结构的CPPS相依网络模型.提出一种相依节点对重要度综合指标,该指标可以辨识对CPPS结构脆弱性产生重大影响的相依节点对,克服单层网络指标的局限性.基于相依网络连锁故障模型,分别采用随机攻击策略和蓄意攻击策略,分析2种CPPS的结构脆弱性,并研究关键节点保护策略对2种CPPS结构脆弱性的影响.仿真结果表明,随机攻击策略下,网型信息网CPPS的结构比双星型信息网CPPS更加脆弱.蓄意攻击策略下,优先攻击相依节点对对网络连通性的破坏程度更大.合理选取关键节点保护策略的保护节点可以改善系统的结构脆弱性.     

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。     

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。     

考虑节点异质性和故障函数的电力信息物理系统风险传播模型

由于电力信息物理系统的耦合建模方法大多数依赖网络拓扑结构划分节点类型,未考虑节点信息的属性,同时也忽略了不同节点类型对风险传播的影响,削弱了对风险预测的能力。因此,提出了一种考虑节点异质性和故障函数的电力信息系统风险传播模型。首先对实际电力网络节点特性以及耦合性特点进行分析,结合节点异质性提出双网节点的表征方法,基于双网物理和逻辑依赖关系,设计了电力信息物理融合系统(cyber physical systems, CPS)表征模型。在此基础上,考虑双网状态交互影响的方向性及节点的依赖性,分析影响风险传播的因素,通过定义基于节点度的故障概率函数,构建了电力CPS风险传播模型。以合成网络和意大利真实数据所建立的耦合网络进行实验分析,证明模型的有效性。     

电力信息物理系统易损性分析方法

针对电力信息物理系统（CPS）体系复杂、网络耦合、易损性分析困难这一现状,以近年来国内外电力系统毁伤相关研究成果为基础,构建了电力CPS的毁伤树模型.根据电力CPS节点重要性与故障级联毁伤特性,提出了一种基于节点重要性的电力CPS易损性分析方法,构建了易损性评估模型,并结合实例进行了分析说明.结果表明,该模型可用于电力信息物理系统的生存力研究,为目标抗毁伤结构设计提升提供支撑.      

复杂动态网络同步控制及其在信息物理系统中的应用

信息物理系统是一个高度复杂的物理系统,物联网被认为是信息物理系统的一种简约应用.基于复杂动态网络及其同步控制思想,研究信息物理系统中的控制问题.首先,阐述复杂动态网络模型、复杂动态网络同步控制、网络故障诊断;其次,提出信息物理系统中的控制问题,分析复杂动态网络同步控制技术在信息物理系统控制中的应用;最后,对信息物理系统中控制问题的研究提出建议.     

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。     

社团生成结构的电力信息物理系统鲁棒性分析

随着传感器技术的快速发展,信息网与电网的深度融合,电力系统的智能化水平越来越高,但也面临着安全性、脆弱性等一系列问题.结合相互依存网络与介数负荷-容量级联故障模型,提出了包含电网、信息网孤岛运行的连锁故障仿真算法,主要研究了具有社团结构的电力信息物理系统(cyber physical system,CPS)鲁棒性,修正...     

基于系统可靠性评估的机组检修规划模型

为确定市场环境下发电容量充裕度较低系统的机组检修计划,在分析其对系统运行成本影响的基础上,提出了基于系统可靠性评估的规划模型.该模型以规划期内系统总运行成本最小为目标,考虑各时段系统失负荷概率约束、运行约束及检修约束后,确定各机组检修时段,其中系统可靠性指标由蒙特卡洛模拟法评估.与其他模型相比,该模型考虑了双边合同及日前市场、机组及线路故障对检修计划的影响,并将系统可靠性水平转化为经济指标加以衡量.算例分析表明,该模型优先规划对系统可靠性影响大的机组,可确保系统各时段失负荷概率在指定范围内及整个检修计划的经济性.     

一种考虑风险传播与预期故障分析的配电网信息物理系统安全性评估方法

伴随着电力系统与信息系统交融的程度不断加深,配电网逐渐发展为高度融合的信息物理系统(cyber-physical system, CPS),这对配电网的运行带来了一定程度的风险。当信息网局部节点失效时,可能使得电力网受到大规模扰动,从而导致电力网负载大量丢失甚至崩溃。基于信息网风险传播理论与预期故障分析方法提出一种配电网CPS安全性评估方法。首先分析CPS的结构框架,建立配电网CPS关联矩阵模型,再根据信息-物理系统的耦合相关性,考虑信息网节点间风险传播,构建信息-物理组合预想故障集,并提出安全性评估指标,最后通过仿真模型验证了该方法的合理性。     

网络攻击下基于观测器的信息物理系统输出反馈控制

针对信息物理系统中随机发生的虚假数据注入攻击和数据包丢失现象,提出了一种基于观测器的信息物理系统输出反馈安全控制方法.首先,考虑到虚假数据注入攻击和数据包丢失的影响,建立了一类具有网络攻击、数据包丢失和外部扰动等多种约束参数的马尔可夫跳变系统模型;其次,借助李雅普诺夫稳定性理论、随机系统理论和线性矩阵不等式方法给出系统随机稳定的充分条件,进而设计了具有给定H_∞性能的信息物理系统输出反馈控制器;最后,通过仿真实例验证了所提控制方法的正确性和有效性.     

面向复杂工业环境的信息物理融合系统可靠性

针对恶意节点的攻击行为,提出了一种基于随机Petri网的概率模型,描述信息物理融合系统的入侵检测响应行为. 分析了入侵检测响应对信息物理融合系统可靠性的影响. 主要考虑连续性攻击、随机攻击和阴险攻击3种攻击行为,设置最优的检测强度和响应强度,平衡系统节能和入侵容忍. 实验结果表明:根据攻击强度和检测行为,调整检测响应强度,信息物理融合系统的可靠性最优.      

基于维修事件信息的船闸可靠性分析

为挖掘维修信息中隐含的工程系统健康规律,构建并验证了基于维修事件数据的船闸寿命周期可靠性分析模型。以工程系统结构分解为技术支撑,集成船闸运行阶段的维修事件信息,依据复杂系统可靠性理论,用维修间隔时间来界定船闸寿命周期可靠性,定义大修间隔时间、中修间隔时间、故障维修时间和故障次数等作为船闸系统可靠性参数。借鉴制造业产品研制阶段可靠性分析的思路和方法,提出了基于维修事件数据的船闸系统可靠性分析模型,并采用京杭运河苏北段17座船闸的历史维修数据验证了模型的科学性。     

信息物理世界如何实现人机共融协同?

信息物理系统(CPS)的系统架构在未来世界具有核心地位.介绍人在回路的CPS的基本架构,提出在CPS架构下人机如何实现协同共融的核心科学问题.指出需要融合信息、计算、控制等多学科方法,从系统理论的角度实现协同.     

信息大系统综合集成研究的体系模型

信息系统学科的发展对信息系统集成已从组织层面上提出了要求，从技术层面上提供了条件．集成化的信息大系统应是物理系统与认知系统的统一，具有走向智能化的趋势．信息系统的集成与发展可分为4个层次，现提出一个第3层面上的信息系统综合集成的体系模型，用以支持信息系统综合集成的研究．     

伴随随机攻击的信息物理系统的同步控制

信息物理系统(CPS)广泛存在于现代基础设施体系中,例如未来智能电网、智能交通网络和公众健康系统等。该系统的安全是社会正常运行的关键。该文介绍了信息物理系统的物理层网络和信息层网络,这两层网络是相互依存的。提出了在存在随机攻击条件下,相互依存的信息物理系统的数学模型,该攻击既存在于物理层网络,也存在于信息层网络。该文研究了在存在随机攻击条件下,相互依存的信息物理系统的同步问题,并提出了一种自适应非线性控制器。利用Weiner过程将这些控制器加入到物理层网络中,以实现相互依存的信息物理系统的同步。数值模拟证明了理论结果是有效的。     

基于博弈论的信息物理系统在FDI攻击下的控制

随着信息物理系统(Cyber-Physical System,CPS)的广泛应用,很多恶意攻击者都将注意力转移到了CPS上.针对存在虚假数据注入(False Data Injection,FDI)攻击的信息物理系统,从控制理论角度入手,以非合作博弈的二人零和博弈为基础设计H∞鲁棒控制方法,将控制器和攻击信号分别视为博弈双方参与者,通过寻找二人零和博弈的纳什均衡点从而保证最坏攻击情况下系统的稳定运行.在此基础上,提出了一种无模型Q-学习算法,在不需要系统动力学信息的情况下在线学习最优控制策略.最后进行了仿真实验,验证所提方法的有效性.     

蓄意攻击策略下信息物理系统的级联失效及安全评估

为了对信息物理系统的安全问题进行有效评估,从而为信息物理系统故障预测和安全性分析提供有效支撑,对信息物理系统进行建模,并给出蓄意攻击策略下级联失效过程的理论分析.在此基础上,基于仿真实验对比分析,给出影响信息物理系统安全性的主要因素及分析;最后探讨了信息物理系统的安全性分析的挑战和下一步研究工作的延伸方向.     

基于信息-电力混合熵的边缘计算节点部署规划方法

随着配电系统中海量终端互联化、设备数据高维化和网架层次复杂化的发展,传统依靠单一的云主站信息处理模式存在着数据传输高时延高拥塞、信息远离设备端且排队处理缓慢等弊端.边缘计算技术将计算力部署在近配电终端物理设备和数据源侧,在控制执行单元侧进行数据分析、系统运行状态态势感知、并做出自主快速决策,有效弥补云计算的不足.本文面向配电信息物理系统分布式边缘计算需求,计及信息稳定性和电力稳定性,提出一种边缘计算节点部署新方法.通过量化信息实时度、信息准确度和信息完整度构建计算信息稳定度计算模型,通过小干扰电压变化观测方法建立电力稳定性标度,基于混合熵理论计算系统信息-电力混合熵,进行网络边缘计算节点的最优化部署求解.最后,基于IEEE39节点电力系统标准算例仿真,数值分析了系统电力稳定度、信息传输稳定度以及电网频率控制性能,实验仿真结果验证采用所提方法得到的ECN部署方案可有效提高网络响应速度,具有更强的无功支撑,并实现了对系统频率偏差的快速平抑.     

面向信息物理融合的建筑信息模型扩展方法

提出了一种面向信息物理融合的BIM(building information modeling,建筑信息模型)扩展方法,重点从面向信息物理融合的BIM扩展总体框架、BIM信息物理融合实体的定义与构建等方面开展研究,可为高效构造基于BIM的建筑运维动态管控、增强现实人机交互等新型系统提供技术支撑。原型系统构建试验结果表明,该方法开发基于BIM的工程运维系统时具有模块化程度高、易于理解等优点。