【精彩论文】配电信息物理系统分析与控制研究综述

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李晓，李满礼，倪明

南瑞集团有限公司

引文信息

李晓, 李满礼, 倪明. 配电信息物理系统分析与控制研究综述[J]. 中国电力, 2020, 53(1): 11-21.

LI Xiao, LI Manli, NI Ming. A review of analysis and control of cyber physical distribution system[J]. Electric Power, 2020, 53(1): 11-21.

研究背景

随着风电、光伏等分布式电源的大量接入以及先进的数据采集、通信和控制技术的广泛应用，现代配电网已逐渐向主动配电系统（active distribution system，ADS）过渡。ADS借助于大规模的传感测量系统以及复杂的信息通信网络，实现感知、计算、通信与控制等技术的深度融合，已具备典型配电信息物理系统（cyber physical distribution system，CPDS）的技术特征。先进信息通信技术（information and communication  technology，ICT）的广泛采用虽然大幅提升了CPDS主动感知与控制的能力，但信息侧与物理侧的高度耦合也会将信息侧安全风险传递到电力物理系统，增大系统运行风险，甚至造成严重的跨空间连锁故障。

论文所解决的问题及意义

本文从分析与自愈控制的角度，对国内外CPDS研究现状进行分析和展望。在CPDS分析研究方面，从可靠性评估和风险评估两个方面进行总结分析。在自愈控制研究方面，对传统物理侧自愈控制以及信息物理协同的CPDS自愈控制进行综述，指出现有研究的进展和不足。最后，从两网融合背景下的CPDS架构、考虑分布式电源的CPDS安全分析、CPDS混合通信网自愈机制以及CPDS自愈控制体系等4个角度，对CPDS未来研究方向进行展望。本文通过对现有CPDS主要研究成果的总结与归纳，分析现有研究的进展及不足之处，可为后续CPDS相关研究提供依据和参考。

论文重点内容

1、CPDS结构与功能

CPDS结构包含物理侧和信息侧两部分，物理侧包括变压器、配电线路、隔离开关、断路器等传统一次设备和风机、光伏等新能源设备以及储能、电动汽车等储能设备等；信息侧包括信息通信设备以及通信网采用的通信协议、软件、拓扑等。主流的CPDS结构可分为应用层、通信层、终端层，如图1所示。

图1 CPDS结构图

2、CPDS可靠性与风险评估

目前，针对CPDS分析的相关研究主要集中在可靠性评估和风险评估两个方面。CPDS可靠性评估是指考虑信息系统的影响，根据一定的可靠性评价指标，评估信息或物理系统故障对负荷可靠性的影响。而CPDS风险评估是将风险理论应用到配电系统中，融合了安全风险发生的概率和风险所造成的物理后果两部分因素，侧重于外部网络攻击事件对CPDS的冲击程度期望的评估。

在可靠性评估研究方面，CPDS将信息系统与物理系统视为深度耦合的整体，在可靠性评估中关注信息系统失效给物理电网可靠性带来的影响，以此反映配电系统可靠性的真实性能。现有研究主要集中于信息物理交互机理建模、可靠性评价指标与评估方法等方面。而CPDS信息物理交互影响机理的相关研究多关注于信息系统故障对配电物理系统的影响，包括考虑内、外部信息故障对供电可靠性、馈线自动化自愈过程等的影响。事实上，信息-物理交互机理还应包括信息系统对物理系统信息采集与控制的闭环过程，在CPDS现有研究中还未涉及，在后续研究中应予以关注。

在CPDS风险评估研究方面，现有研究在网络攻击建模分析、风险传播路径分析方法、后果评价指标体系等方面已取得了一定的阶段性成果。但还存在现有风险传播分析方法在应对多级跳板攻击和描述攻击行为间的交互关系时存在局限，后果评价指标大多关注物理侧而对信息侧后果考虑不足等问题。此外，现有针对网络恶意攻击建模与分析研究中往往忽视了“社会”和“人”的因素，对恶意攻击者是否具有专业背景，选择哪些节点、采用何种方式、通过何种途径发起攻击等对交互影响规律起到关键影响的攻击者特征行为方面不能较为全面地掌握。

3、CPDS自愈控制方法

自愈控制是保障配电系统运行可靠性的核心技术，其包含事故发生前的预防控制以及事故发生后的故障定位、故障隔离与供电恢复等紧急控制过程。目前考虑信息系统影响的CPDS自愈控制的相关研究才刚刚起步。现有研究中大多侧重于馈线自动化传统物理侧的自愈控制过程，对信息系统影响下的自愈控制关注较少。在配电信息系统故障失效或遭受网络攻击的情形下，如何在信息侧和物理侧进行协同控制，进而实现故障的识别、定位、隔离和供电恢复，仍是未来研究工作的重点。

4、CPDS关键技术展望

从两网融合背景下的CPDS架构、考虑分布式电源的CPDS安全分析、CPDS混合通信网自愈机制以及CPDS自愈控制体系等4个角度，分析现有研究的不足，并对CPDS未来研究方向进行展望。

研究结论

（1） CPDS的基本结构与功能已比较明确。但在两网融合的背景下，CPDS架构需要进一步的设计与丰富，以应对智能终端设备的大量接入和对不安全的外部信息的处理。

（2） CPDS分析包括可靠性评估和风险评估。现有研究在信息物理交互影响机理、针对网络攻击建模、风险传播机制、可靠性指标或风险指标、后果评价等方面取得了一定的成果。但存在信息物理交互机理简化程度较高、后果评价指标大多侧重于物理侧而对信息侧安全反映不足，以及分布式电源的大量接入对CPDS信息侧和物理侧安全影响挖掘不够深入等问题，需要进一步开展研究。

（3） 现有研究针对配电系统自愈控制开展了大量的工作，但大多研究只关注于物理侧，从信息物理融合的整体视角对CPDS自愈控制进行分析的研究尚少。CPDS混合通信网自愈机制尚不明确，信息物理协同自愈控制体系亟需建立。

主要作者介绍

第一作者：李晓（1994—），男，硕士，助理工程师，从事电力信息物理系统、配电CPS安全分析与控制等研究。

E-mail：[e-mail]。

第二作者：李满礼（1989—），男，硕士，工程师，从事电力信息物理系统、电网安全稳定控制等研究。

E-mail: [e-mail]。

第三作者：倪明，男，博士，通信作者，高级工程师（研究员级），从事电力信息物理系统、电力系统安全稳定控制等研究。

E-mail: [e-mail]。

团队介绍

南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司倪明博士带领的研究团队，致力于电网安全稳定分析与控制、电力信息物理系统的建模/分析/仿真、恶意攻击辨识与防御等方面的研究与开发工作。近年来参与国家自然科学基金/重点研发计划项目3项，主持国家电网公司科技项目十余项。发表SCI收录论文十余篇，EI收录及中文核心论文60余篇，受理专利20余项。

 往期回顾 

编辑：杨彪

审核：许晓艳

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