工业配用电信息物理系统多维度安全防御理论和关键技术研究

The ever-developing modern industrial power distribution and utilization (IPDU) system comprised of traditional electric power, distributed household photovoltaic power generation, energy storage, and various kinds of power consumption equipment and information &communication unit, is essential for maintaining security in production and improving economic benefits. This project focuses on the IPDU with the characteristics such as heterogeneous, uncertain, coupling and time-space distribution, studies the theoretical system and key technology of multi-dimensional security protection, and solves the information security problems caused by the coupling among IPDU, information technology and communication technology. The main researches include: 1) the planning method of cyber physical IPDU (CP-IPDU) system which meets the requirements of information communication, security control and power balance, the interaction mechanism of physical system and information system, establishment physical information fusion system model; 2) the space-crossing propagation mechanism of faults for P-IPDU system, the information security defense method and the system based on channel redundancy and fault data injection, improvement of the capability of security defense; 3) the distributed estimation method of power flow and the control strategy of power dynamic balance, the distributed control strategy dealing with different network attacks, enhancement of the capability of distributed cooperative operation between power supply, energy storage and loads; 4) development of the hybrid simulation technology of CP-IPDU system, establish the semi-physical simulation platform.

以传统电力供应、分布式光伏发电、储能、各类用电设备和信息通信设备为主所构成的新型工业配用电系统，是保障企业安全生产的重要环节。针对具有多源异构、不确定性、关联耦合、时空分布等特征的工业供用电系统，研究多维度安全防护理论体系和关键技术，解决该系统与信息、通信技术深度耦合所带来的信息安全问题。主要研究内容包括：（1）研究满足信息通信、安全运行要求的工业配用电信息物理系统规划方法，探索物理系统与信息系统的交互影响机理，建立工业配用电信息物理融合系统综合模型；（2）探索工业配用电系统的故障跨空间传播机制，研究基于信道冗余与故障数据注入检测的信息安全防御方法，提高系统的安全防御能力；（3）研究功率动态平衡控制方法，提出应对不同网络攻击的分布式控制策略，改善电源、储能与负荷的分布式协同运行能力；（4）研究工业配用电信息物理系统混合仿真技术，搭建半实物仿真平台。

随着先进信息、通信技术在工业配用电系统中的广泛普及与应用，通信可靠性、信息系统安全性等问题已成为影响系统整体性能的重要因素。基于此，针对具有多源异构、不确定性、关联耦合、时空分布等复杂特征的工业配用电系统，研究了其信息空间与电力空间耦合机制与系统建模方法，提出了基于拓扑势平衡的配电网CPS通信规划方法以及信息故障下的工业配用电CPS模型等成果，在CPS的规划与建模方面具有指导意义。在准确描述工业配用电CPS系统模型的基础上，从系统安全评估、故障诊断、预警与防御等方面对工业配用电CPS安全防御机制开展了研究，提出了虚假数据注入下的PMU状态估计准确性评估方法、基于时间序列提取和维诺图的电力数据异常检测方法、配电网分布式虚假数据注入检测及错误估计的定位方法等方法，实现了对系统潜在安全威胁的感知和预警，为进一步消除安全威胁提供了可靠依据。为应对安全威胁，提高工业配用电CPS运行效率，研究了工业配用电CPS 协同运行控制体系，搭建了工业配用电CPS的分层、分布式式控制架构，提出了风电场变下垂电压控制方法、基于分布式估计的自治微电网二级控制方法等方法，实现了微电网内部功率分配、频率同步以及电压调整的分布式自治管理。同时，充分考虑了复杂网络环境下的安全控制问题，提出了考虑通信延时和故障的风机群分布式功率分配控制、信息攻击下的功率分配协同控制等方法，解决了安全威胁下的系统稳定控制问题。从经济性、安全性等多角度出发，提出了一系列多目标优化调度方法，最终形成完整、高效的工业配用电CPS协同运行控制体系。此外，基于前沿仿真技术，结合项目取得的理论成果，设计搭建了工业配用电CPS混合仿真平台，平台能够实现对工业配用电CPS的实时仿真，同时根据理论成果开发了安全防御组件，能够准确模拟攻击与系统防御，为工业配用电CPS的多维度安全防护理论体系和关键技术的研究提供了硬件基础。