基于耦合网络模型的电力信息物理系统脆弱性研究

Cyber-Physical Power Systems (CPPS) are double-layer complex networks that integrate the information world with the physical world, while the interaction between networks brings about new vulnerabilities, such that the failures in the information network may infiltrate into the power grid and cause cascading effects. Therefore, it is of great practical significance to study on the structural vulnerability of the Cyber-Physical Power Systems. In this project, we intend to use the methods of theoretical analysis and simulation to carry out the following work: by extracting the topology characteristics of the unilateral network and taking into account the impact of inter-network dependence, a multi-subnet two-layer coupled network model is constructed for the Cyber-Physical Power Systems with multi-scale coupling and heterogeneous multi-level characteristics; and then by introducing a node importance index that has the characteristics of the node itself and can reflect its contribution to the network, a pinning synchronization strategy and a key node identification method based on importance index are proposed from the perspective of information synchronization transmission; finally, we analyze the potential factors that affect the vulnerability of network topology from two perspectives: static node characteristics and dynamic inter-network topology relationships, and furthermore, we explore how to improve the robustness of the network model against attacks and obtain the structural characteristics that the optimal network model with increased robustness should have. The expected results of this project will provide scientific theoretical basis and processing methods for the layout optimization and resource scheduling of Cyber-Physical Power Systems.

电力信息物理系统(CPPS)是一个融合信息世界与物理世界的双层复杂网络，网络间的交互关系带来了新的脆弱性因素，使得信息网中的故障有可能渗透到电力网而引发级联效应，因此研究电力信息物理系统结构脆弱性问题具有极重要的现实意义。本项目拟采用理论解析与仿真模拟相结合的方法：通过提取单侧网络拓扑特性并考虑网间依存边影响，针对具有多尺度耦合和异构多层次等特性的电力信息物理系统，构建多子网双层耦合网络模型；引入具有节点自身网络特性且能反映其对网络所做贡献程度的节点重要度指数，从信息同步传输角度，提出一种基于重要度指数的牵制同步策略和关键节点辨识方法；从静态的节点特性和动态的网间拓扑关系两个角度分析影响网络拓扑结构脆弱性的潜在因素，并进一步探讨如何提升网络模型的抗攻击能力，得到最优网络模型应具有的结构特征。本项目的预期成果将为电力信息物理系统的布局优化以及资源调度等问题提供科学的理论依据和处理方法。

电力信息物理系统(Cyber-Physical Power System, CPPS)是一个综合计算、网络与物理环境的多维复杂系统，在大型工业系统的实时感知、动态控制以及信息服务方面具有重要的应用前景。作为一种典型的复杂网络系统，如何深度融合电力系统与信息系统，探索其交互影响机理，研究与之相适应的系统建模、同步控制及系统结构脆弱性分析，对于指导电力信息物理系统的应用具有重要的现实意义。本项目主要研究电力信息物理系统的双层耦合网络脆弱性问题，研究成果如下：.1）通过提取电力网与信息网的自身拓扑特性，并考虑单侧网络在电力信息物理系统中的依赖程度，采用基于模型的聚类分析方法，将大而复杂的电力信息物理系统建模成由很多电力子网和信息子网所耦合而成的双层网络模型。在建模的过程中，既考虑同一子网中的节点合作，又考虑不同子网间的节点竞争，同时还考虑外界随机不确定性因素的影响，使得所构建的网络模型结构简单且稳定性能良好。.2）综合考虑网络实际情况及节点自身差异，提出一种不仅能反映节点自身特性还能体现节点在网络中所做贡献程度的关键节点辨识方法。然后针对具有不同节点特性的电力信息物理系统，提出一种能以较小代价实现整个网络中所有节点信息同步的基于重要度指数的自适应牵制同步方案和牵制节点选取方法。将节点重要度指数引入控制器设计中，得到自适应牵制控制器设计更合理有效的方法，可解决控制器设计中参数因设为常数而缺少理论依据的问题。.3）基于复杂网络理论研究成果并结合电力信息物理系统实际，从复杂网络同步分析角度对电力信息物理系统的关键节点和结构脆弱性进行分析。然后从静态的节点特性和动态的网间依存关系等角度考虑关键节点、依存边和网间拓扑相似性对电力信息物理系统结构脆弱性的影响。考虑关键节点遭受攻击后实现同步所需的代价，给出关键节点相应的反馈调节因子，进而动态调整这些关键节点的网间依存关系以改善网络的结构脆弱性。.4）将该方案用于双层网络混沌保密通信中，引入由很多对匹配子网对所组成的双层复杂网络模型提高了整个网络的抗攻击和抗干扰能力。基于此模型，我们还研究了双层多重复杂网络的自适应聚类同步问题，还考虑了具多边链接和时延的双层复杂网络建模及其同步控制问题。. 本项目研究成果为丰富电力信息物理系统的网络结构优化提供了重要的理论依据和处理方法。