基于双网络耦合结构的智能电网信息故障蔓延动力学建模与仿真研究

As an emerging technology, the smart grid integrates the communication system with the power grid, envisioning the promising future of the power network. Also, in terms of the network architecture, the smart grid demonstrates a unique framework with two networks coupled together, which makes the smart grid security significantly different from the traditional system. Therefore, how to quantitatively model affects of cyber threats against the reliability of the holistic system within the coupled network architecture, is the principle issue of this project. To address this issue, we plan to take the system failure as an example to investigate the particular evolution process of cascading failures among devices and among networks. More specifically, we firstly start from transmission features of time-critical messages in the smart grid. By leveraging these features, a time-constrained disease epidemic model will be built up. Secondly, based on the common feature of the device failure in the power system, we will propose a degree-dependence based model to study the underlying law of the power device failure propagations. Thirdly, by virtue of two proposed models, a joint model will be designed to capture the cyber-attack originated cascading failures within a network, as well as the iterated system behaviours between the networks. Finally, within the joint model, we will analyse the influences of the cyber attack over the system stability, including the random selected attack and the specific targeted attack. Through such an analysis, we expect to summarize our project with a series of insightful recommendations and suggestions regarding the effective cyber security countermeasures in the smart grid.

作为一种新兴技术，智能电网融合了电力与通信系统，代表着未来电网的发展方向。在网络结构上，智能电网也呈现出了独特的双网络耦合结构，使得其系统安全体现出与传统网络截然不同的特点。如何在智能电网双网络耦合结构中，定量描述信息安全威胁对系统运行稳定性的影响，是本项目主要解决的问题。本项目拟从复杂网络的角度，以系统故障为例研究设备与设备之间，网络与网络之间故障级联迭代的演化行为。具体地，首先从智能电网中大量的时间紧急通信业务的消息传输特点出发，建立具有时间约束的传染病模型，对智能电网通信网络行为进行分析；其次，根据电网设备损毁的一般特征，建立基于节点度相关性的模型，分析电网设备故障的传播规律；第三，借助单个网络模型，建立联合模型系统，刻画由网络攻击导致的故障在网内级联，网间迭代的动力学行为。最后，利用联合模型系统，分析随机和目标节点攻击对系统的影响，从而为智能电网信息安全措施的部署提供建议。

作为一种新兴技术，智能电网融合了电力与通信系统，代表着未来电网的发展方向。在网络结构上，智能电网也呈现出独特的双网络耦合结构，使得其系统安全体现出与传统网络截然不同的特点。如何在智能电网双网络耦合结构中，定量描述电力系统故障或信息安全威胁对系统运行稳定性的影响，是本项目主要解决的问题。项目从电力系统故障或通信网络系统攻击出发，研究设备与设备之间，网络与网络之间故障级联迭代的演化行为。具体地，项目的研究内容分为三个方面：首先，从智能电网中大量的时间紧急通信业务的消息传输特点出发，建立了基于时序网络的时间紧急业务消息传播模型；其次，以电网“甩负荷”（Load Shedding）操作为例，量化给出了双网络耦合形态对于电网故障清除和抑制的影响和作用；第三，构建了双网络行为联合分析模型，量化评估耦合网络对于级联失效传播的影响。围绕三方面研究内容，项目在定量分析耦合网络对于电网故障消解的影响，以及定量分析耦合网络对于级联失效传播的影响两个方面取得了重要的理论成果。在故障消解方面，项目组在国际上首次构建了面向负荷规划的耦合网络分析模型，利用该模型发现，耦合网络条件下，全局协同的“甩负荷”操作受限于时延紧急的通信网络性能，传统思路认为最优的全局协同的负荷规划在实际中并非是全时全局最优的方法。在级联失效传播方面，项目组在国际上首次提出耦合网络对级联失效传播影响的评价系统，利用该系统分析发现，耦合网络在故障传播初期发挥了重要的抑制作用，而当级联失效稳定扩散时，耦合网络架构则抵消了各种故障消解手段的效果。上述两方面的研究成果从本质上理清了耦合网络架构对于电网系统运行可靠性的影响，大大推进了对于智能电网双网络耦合结构特点和运行规律的认识，从系统架构层面明确了规避和避免因网络攻击或系统故障而导致大范围停电事故的应急方法，对于指导大电网安全可靠的规划和建设和提高基础设施系统应对风险的能力有着重要的理论指导意义。