【专栏推荐】信息物理电力系统(CPPS)专栏

编者按：当前电力基础网络和信息通信网络联系日益紧密，大量的数据采集设备、计算设备和电气设备通过电网、通信网两个实体网络互连，电力系统已具备信息物理系统(cyber-physical system, CPS)的基本特征，成为信息物理电力系统（cyber physical power system, CPPS）。CPPS环境下，电力物理层中源—网—荷之间的构成与互动形式较以往趋于复杂，而电力通信网络层的扰动和故障也会不同程度地影响到电力物理层。因此，在利用CPPS的信息层为更精确有效的全网优化控制提供支撑的同时，需要考虑降低或规避通信网络层传输信息时引入的安全风险。为了展示信息物理电力系统领域的研究成果，《中国电力》邀请东南大学汤奕教授、南瑞集团倪明博士作为特约主编，组织了“信息物理电力系统（CPPS）”专栏。专栏于2020年1期刊出，共计10篇文章。本期公众号将专栏文章进行汇编，以飨读者！

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01

作者：李晓, 李满礼, 倪明

单位：南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司）；国电南瑞科技股份有限公司；智能电网保护和运行控制国家重点实验室

摘要：随着先进信息通信技术在配电网中的广泛应用，配电网信息侧和物理侧融合程度愈发增强，已具备信息物理系统的典型特征。从分析与自愈控制的角度，对配电信息物理系统（cyber physical distribution system, CPDS）研究现状进行分析和展望。在分析方面，从CPDS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。

作者：周艳真, 查显煜, 兰健, 郭庆来, 孙宏斌, 薛峰, 王胜明

单位：清华大学 电机工程与应用电子技术系；南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司）；智能电网保护和运行控制国家重点实验室

摘要：针对传统数据驱动的电力系统暂态稳定分析方法中，较少考虑输入数据存在噪声和信息缺失后对预测模型性能的影响问题，提出一种基于数据增强和深度残差网络的暂态稳定预测方法。首先，考虑噪声和信息缺失情况，对原始训练数据进行扩充；然后，采用发电机受扰后动态数据作为输入特征；考虑到输入的高维时序数据具有图像的特点，利用图像处理中一种特殊的卷积神经网络—深度残差网络构建用于暂态稳定评估的深层模型。算例分析表明，所提出的方法能够提高模型的泛化能力，在含噪声以及部分发电机信息缺失情况下具有更好的鲁棒性。

作者：丁茂生, 孙维佳, 蔡星浦, 王琦

单位：国网宁夏电力公司；东南大学 电气工程学院

摘要：传统电力系统风险评估方法以普通风险为研究对象，无法体现极端事件对系统运行带来的破坏性影响。基于金融领域风险价值理论，提出一种电力系统极端风险评估与量化方法，对传统风险评估方法进行补充和完善。采用极值风险评估方法，着重考察极端事件对系统稳定运行造成的影响，体现了小概率极端事件对系统稳定造成的严重后果。基于电力系统网络攻击事件和极端灾害事件进行极端风险评估，对比常规风险与极值风险评估结果，验证了所提的极端风险评估方法的合理性。同时，基于电力系统脆弱性与反脆弱性特征，提出极端风险防范的关键难点在于如何协调普通风险与极端风险。

作者：周霞, 杨洲, 倪明, 卜成杰, 林沪生, 李满礼

单位：南京邮电大学 先进技术研究院；南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司）；国电南瑞科技股份有限公司；智能电网保护和运行控制国家重点实验室

摘要：随着ICT技术和自动化控制技术的快速发展，配电网逐渐发展为信息系统和物理系统高度耦合的配电网信息物理系统（配电网CPS），信息系统支撑物理系统稳定运行的同时也给配电网CPS带来了一定的安全隐患，因此在原有的单一物理预想故障评估中需考虑信息影响。提出一种考虑信息-物理组合预想故障筛选的配电网CPS安全性分析与评估方法。首先基于配电网CPS结构，建立了可以反映电力-信息耦合特性的配电网CPS关联矩阵模型；接着分析信息故障和物理故障的相关性，依据拓扑相关和业务相关构建初始的信息-物理组合预想故障集；然后以故障恢复率排序作为依据筛选出关键的信息-物理组合预想故障；最后针对筛选出的组合预想故障利用配电网CPS安全性评估指标进行安全评估，并在算例中验证，算例结果表明了所提方法的合理性和有效性。

05

作者：赵艳军, 梁坤杰, 龙霏, 唐景星, 王洪涛

单位： 广东电网有限责任公司电力科学研究院；电网智能化调度与控制教育部重点实验室(山东大学)；广东电网有限责任公司电力调度控制中心

摘要：中国南方台风多发地区的电网防风加固等防灾资源分配与建设是大电网安全防御的关键问题之一，通常将其建模成防御者-攻击者-防御者（D-A-D）的动态博弈模型进行求解，但是现有的D-A-D模型没有考虑攻击者攻击顺序以及运行方式调整的动态过程。提出考虑攻击者攻击顺序以及潮流调整动态过程的多阶段动态博弈模型，并将其转化成可用列与约束生成算法求解的改进D-A-D模型，得出最优防御资源分配结果。在IEEE39节点系统上进行了所提的模型与算法的仿真，仿真结果表明，所提出的模型更加符合电网的实际情况，求解算法也更高效。

06

作者：汤奕, 徐香香, 陈彬, 易弢

单位：东南大学 电气工程学院；国网福建省电力有限公司电力科学研究院

摘要：针对山地丘陵地区的输电线路所处环境复杂，降雨滑坡灾害可能导致输电杆塔故障从而影响电力系统的安全稳定运行的问题，提出一种降雨滑坡灾害下的输电杆塔故障预警方法，从滑坡风险区域、滑坡活动时间以及杆塔受损状况三个角度实现灾害全过程的量化在线预警。首先，利用GIS技术将降雨预报区域和电网区域进行叠置获得目标风险区域，提出基于网格化的滑坡灾害指数来确定易滑坡区域；其次，结合气象数据分析渗入土壤中的降雨量逐日变化情况，构建动态更新的累积有效降雨量模型，进而提出可用于预测滑坡活动时间的滑坡概率模型；最后，以坡体冲击能为致灾强度、与输电塔挠度限值对应的弯曲变形能为抗灾性能，从功-能角度得到反映易滑坡区域输电杆塔损毁程度的定量函数关系。算例结果表明，所提方法具有一定的可行性和合理性。

07

基于移动无线传感网的电缆通道应急监测系统

作者：徐鑫乾, 徐铼, 陈杰, 刘洋, 张朝鹏, 何嘉弘, 高丙团

单位：国网江苏省电力有限公司；国网江苏省电力有限公司电力科学研究院；东南大学 电气工程学院

摘要：为实现电缆通道通信网络缺失、故障或受攻击等应急情况下的环境信息监测需求，研发了一种基于WiFi和超宽带（ultra-wide band，UWB）通信的低成本移动无线传感网络监测系统。该系统包括监测上位机和由球形机器人移动节点组成的无线监测网络。移动节点以STM32系列单片机为主控芯片，集成摄像头模块和温湿度模块实现现场信息采集，集成WiFi通信模块采用无线自组网按需平面距离向量路由协议（ad hoc on-demand distance vector routing, AODV）构建无线传感网络实现信息传输，集成3个UWB通信模块实现移动节点的测距和队列跟随。实验结果表明，该系统能够实现电缆通道环境的稳定实时监测，移动传感队列跟随误差不超过20 cm，监测视频平均传输延时不超过150 ms。

08

基于多预测模型融合的电力变压器安全预判

作者：李典阳, 张育杰, 王善渊, 冯健, 王洪哲, 秦领

单位：东北大学 信息科学与工程学院；国网辽宁省电力有限公司

摘要：为解决传统分析措施未能将多源异类的数据信息纳入电网设备故障征兆分析及基于小样本单一算法难以较好应对多种故障类型设备诊断的问题，构建一种不同类型电网设备相关数据的统一化、标准化方法。采用卡方分布算法通过对数据相关性挖掘进行特定故障类型征兆集的选择，以避免层次分析法、格林兰验证等故障征兆集分析方法存在人工经验干扰。构建了一种多算法融合决策方法来避免单一算法决策的弊端。通过实例验证了对电力设备的单一故障类型寻找故障征兆集比针对设备选择故障征兆集具有更好的简约效果与预判准确率。实例还验证了所提融合算法效果好于单一算法。

09

作者：何金栋, 王宇, 赵志超, 李俊娥, 谢新志, 张锐文, 柳玙卿, 裘德熙

单位：国网福建省电力有限公司电力科学研究院；空天信息安全与可信计算教育部重点实验室（武汉大学 国家网络安全学院）

摘要：全面掌握智能变电站嵌入式终端可能遭受的网络攻击方式及其对电力一次系统的影响，是建立有效安全防护措施的基础。目前，有关智能变电站嵌入式终端网络攻击的研究大都针对单一类型的网络攻击，且仅停留在理论分析阶段，未对提出的网络攻击类型进行验证。在分析智能变电站嵌入式终端及其通信环境的脆弱性的基础上，从攻击检测所需要的数据源和检测方法角度总结了终端可能遭受的网络攻击类型；提出了实物与仿真相结合的攻击验证方案；分析了泛洪类和报文类主要攻击的原理，给出了相应攻击工具的构造方法；使用所构造的攻击工具在验证方案设计的实验环境中进行了测试，结果证明这些攻击会对智能变电站嵌入式终端及电力一次设备造成影响，且终端抵御泛洪类攻击能力较差。

10

作者：王宇飞, 邱健, 李俊娥

单位：空天信息安全与可信计算教育部重点实验室（武汉大学 国家网络安全学院）；电力规划设计总院

摘要：为了准确检测由网络攻击引发的各种跨空间连锁故障，提出了一种考虑攻击损益的场站级跨空间连锁故障早期预警方法。首先，根据跨空间连锁故障演化机理讨论了故障早期预警的工作原理，建立故障早期预警的数学模型；进而，提出误用检测与异常检测融合的场站级跨空间连锁故障检测方法；最后，在基于CEPRI-36节点的电网信息物理系统仿真环境中，模拟网络攻击引发的跨空间连锁故障并利用所提方法给予早期预警，验证了所提方法的有效性。

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. 

周艳真, 查显煜, 兰健, 等. 基于数据增强和深度残差网络的电力系统暂态稳定预测[J]. 中国电力, 2020, 53(1): 22-31.

ZHOU Yanzhen, ZHA Xianyu, LAN Jian, et al. Transient stability prediction of power systems based on deep residual network and data augmentation[J]. Electric Power, 2020, 53(1): 22-31.

丁茂生, 孙维佳, 蔡星浦, 等. 电力系统极端事件的风险评估与防范[J]. 中国电力, 2020, 53(1): 32-39, 65.

DING Maosheng, SUN Weijia, CAI Xingpu, et al. Risk assessment and prevention of extreme events in power systems[J]. Electric Power, 2020, 53(1): 32-39, 65. 

周霞, 杨洲, 倪明, 等. 考虑信息-物理组合预想故障筛选的配电网CPS安全性评估[J]. 中国电力, 2020, 53(1): 40-48.

ZHOU Xia, YANG Zhou, NI Ming, et al. Security evaluation of distribution network cps considering cyber-physical combinations for anticipated fault screening[J]. Electric Power, 2020, 53(1): 40-48.

赵艳军, 梁坤杰, 龙霏, 等. 考虑灾害事件攻防顺序的电网防灾资源分配策略[J]. 中国电力, 2020, 53(1): 49-55.

ZHAO Yanjun, LIANG Kunjie, LONG Fei, et al. A resource allocation strategy for power grid disaster prevention considering the attack and defense sequence of disaster events[J]. Electric Power, 2020, 53(1): 49-55. 

汤奕, 徐香香, 陈彬, 等. 降雨滑坡灾害对输电杆塔故障的时空强在线预警[J]. 中国电力, 2020, 53(1): 56-65.

TANG Yi, XU Xiangxiang, CHEN Bin, et al. Space-time-intensity online early-warning of transmission tower faults by caused rainfall-induced landslides[J]. Electric Power, 2020, 53(1): 56-65. 

徐鑫乾, 徐铼, 陈杰, 等. 基于移动无线传感网的电缆通道应急监测系统[J]. 中国电力, 2020, 53(1): 66-71, 99.

XU Xinqian, XU Lai, CHEN Jie, et al. An emergency monitoring system for power cable tunnels based on mobile wireless sensor network[J]. Electric Power, 2020, 53(1): 66-71, 99.

李典阳, 张育杰, 王善渊, 等. 基于多预测模型融合的电力变压器安全预判[J]. 中国电力, 2020, 53(1): 72-80.

LI Dianyang, ZHANG Yujie, WANG Shanyuan, et al. Safety prejudging method for power transformer based on multi-prediction model fusion[J]. Electric Power, 2020, 53(1): 72-80.

何金栋, 王宇, 赵志超, 等. 智能变电站嵌入式终端的网络攻击类型研究及验证[J]. 中国电力, 2020, 53(1): 81-91.

HE Jindong, WANG Yu, ZHAO Zhichao, et al. Type and verification of network attacks on embedded terminals of intelligent substation[J]. Electric Power, 2020, 53(1): 81-91.

王宇飞, 邱健, 李俊娥. 考虑攻击损益的电网CPS场站级跨空间连锁故障早期预警方法[J]. 中国电力, 2020, 53(1): 92-99.

WANG Yufei, QIU Jian, LI June. A station level early warning method of cascading failures across space based on attack gain and cost principle in gcps[J]. Electric Power, 2020, 53(1): 92-99.

专栏特约主编简介——汤奕

汤奕，东南大学教授，博士生导师，电力系统自动化研究所所长，毕业于哈尔滨工业大学。从事电力系统稳定分析与控制、电网信息物理融合系统等研究。负责国家自然科学基金3项，承担国家重点研发计划及80余项各级科技项目，获中国电力科学进步奖、国网科技进步特等奖等奖项10余项；发表SCI/EI检索论文100余篇，授权国家发明专利38项。《电力系统自动化》、《PCMP》等学术期刊编委会委员，中国电机工程学会新能源并网与运行专委会及其他5个专委会委员。

专栏特约主编简介——倪明

倪明，博士，研究员级高级工程师，博士生导师。国家电网公司特聘专家，南瑞集团电网规划分析首席专家。主要从事电力系统安全稳定分析与控制、电力系统规划、电力信息物理系统的建模/分析/仿真等方面的研发工作。

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编辑：杨彪

审核：方彤

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