分布式协同控制模式下配电网信息物理系统安全性能研究

摘要

为了应对日益严重的能源危机和环境问题，低碳经济、能源多样化和可持续发展成为了当前电力工业界所关注的焦点。在此背景下，可再生新能源分布式发电技术正逐渐成为传统集中式发电形式的有效补充。同时，分布式协同控制模式的提出，也为解决高密度、强随机性可再生新能源接入问题提供了途径。据此，为实现分布式协同控制模式在电网中的应用，需构建配电网信息物理系统(Cyber-Physical System，CPS)以加强对物理设备的即时感控能力，并促使网络信息的双向流动和高效利用。但同时，配电网CPS信息物理高度融合的特点也方便了网络攻击者通过信息系统威胁电力系统的安全稳定运行，这也成为了未来电力系统所必须面临的严峻挑战。
　　基于上述背景，本文主要以具有大规模新能源机组接入的配电网CPS为研究对象，从安全鲁棒性角度，通过分析并建立可满足未来配电网CPS运行与控制需求的分布式新能源协同控制体系，实现在提高对于高渗透率新能源的消纳水平的同时，保证系统安全、可靠、高效、经济运行的能力。具体的研究内容包括以下几个方面:
　　第一，在多分布式新能源控制架构研究方面，设计了配电网CPS协同控制架构，为先进的控制策略的实施以实现配网侧能量统筹管理准备了条件。首先结合CPS的组成要素和关键功能，提出了一种包含主动配电网及微电网技术在内的配电网CPS框架结构;在此基础上，针对配电网CPS的协同控制策略及其多层面、分布式耦合的特征，提出了包含感知通信、计算以及物理对象的分布式实体控制架构，以及兼具内部统一特性与外部互联特性的层次化抽象控制架构，从而构成完整的配电网CPS协同控制架构。
　　第二，在含多分布式新能源配电网CPS安全鲁棒控制研究方面，提出一种对网络攻击鲁棒的虚拟发电厂分布式经济调度策略，以应对分布式经济调度由于自身网络控制系统安全等级较低而易于受到网络攻击威胁的问题。该控制策略不仅能够通过分布式的架构解决电力系统经济调度问题，同时，对于任意类型的网络攻击以及通信故障还具有鲁棒作用。其基本设计思路为:各DG的控制终端通过所设计的通信网络以及网络连通性信息检测其周围DG的运行状态;当检测发现异常时，则将该异常DG从网络中逐渐边缘化以致隔离，以避免恶意信息的进一步扩散从而对经济调度进程和结果造成影响。此后，其余正常DG仍可继续接受调度并完成既定的分布式经济调度的目标。基于IEEE123节点配电系统的仿真算例，验证了所提出策略对于抵御不同类型网络攻击的有效性。
　　第三，在对于含多分布式新能源配电网CPS安全性能评估研究方面，提出一种在分布式电源协同控制模式下基于动态攻防博弈的配电网CPS安全风险评估方法，以从安全风险性角度实现对分布式协同控制在配电网CPS中实施效果的量化评估。该评估方法有效结合分布式电源协同控制策略及实际CPS网络攻防策略的特点，在CPS风险评估框架的基础上，通过斯塔克尔伯格动态攻防博弈计算得到最终的系统安全风险的量化评估结果。基于IEEE34节点配电系统开展仿真测试验证了这一评估方法的有效性。

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致谢

摘要

插图清单

附表清单

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 配电网信息物理系统

1．3 多分布式电源控制结构

1．4 分布式协同控制基本理论

1．5 配电网信息物理系统安全性能分析的研究现状

1．6 本文的主要工作

2 配电网信息物理系统协同控制架构

2．1 概述

2．2 配电网信息物理系统框架结构

2．3 配电网信息物理系统协同控制架构

2．4 本章小结

3 对网络攻击鲁棒的虚拟发电厂分布式经济调度策略

3．1 概述

3．2 无网络攻击时虚拟发电厂分布式经济调度策略

3．3 网络攻击环境下虚拟发电厂分布式经济调度策略

3．4 对于网络攻击鲁棒的虚拟发电厂分布式经济调度策略

3．5 仿真验证

3．6 本章小结

4 分布式协同控制模式下配电网信息物理系统安全风险评估

4．1 概述

4．2 分布式电源协同控制策略

4．3 基于分布式协同控制策略的配电网信息物理系统安全风险评估模型

4．4 配电网信息物理系统动态攻防博弈模型

4．5 仿真验证

4．6 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者攻读硕士学位期间取得的研究成果