电力系统网络安全技术论文提纲

论文题目：复杂电力系统孤岛划分方法和脆弱性分析研究

摘要：随着经济发展,电力需求增加,电网规模不断扩大,形态也日益复杂。电网规模和复杂性的提高,使得电力系统安全运行问题日益突显。一方面,分布式电源、分布式储能、电动汽车、可控负荷以及各类智能设备等,其飞快发展和大规模接入,推进电力系统,尤其是中低压配电网发生巨大变化,打破了传统配电网单向潮流的格局。这些设施能够进行双向互动,作为可控资源参与电力系统的运行。在紧急情况下,可以将配电网划分为多个规模各异、独立运行的孤岛区域,提升电力系统的供电可靠性。另一方面,现代电力系统逐渐演变成为一个深度耦合的信息物理系统。先进信息通信技术的广泛应用,为电力系统提供了操控便利性。但是同时,信息系统与电力系统间的复杂耦合关系也给电网运行带来潜在的安全威胁。单侧网络内一个很小的故障有可能通过系统间的交互传播引发大规模扩散。为确保电网安全稳定运行,需要分析信息物理层间耦合机理,探索双层耦合系统中故障的协同演化机制,评估信息网络给电力系统脆弱性带来的影响。因此,本文主要就配电网孤岛划分、配电网络中社团结构的挖掘、信息物理电力系统交互机理建模与分析、融合建模与脆弱性评估、双层网络故障传播建模等方面进行研究,工作内容概括如下:第一,配电网中分布式电源渗透率较高的情况下,当故障发生时,孤岛运行作为一种特殊的运行方式,可以提升供电可靠性。本文针对有源配电网提出一种基于人工蜂群算法的孤岛划分方法。研究了节点间的电气连接强度,利用参数少、收敛快的人工蜂群算法进行孤岛搜索,计及负荷等级和电力系统约束条件,确定初始孤岛范围,然后进行校验和修正,使其符合电网实际运行要求。采取69节点测试系统进行仿真分析,结果表明所提方法能有效实现孤岛划分。第二,鉴于复杂网络中社团结构挖掘和配电网中各机组分区域自治运行这两者思路的相似性,本文提出一种基于社团挖掘的策略用于配网孤岛划分。根据电网拓扑结构和电气特性,定义一个新指标电气边介数,将计划孤岛问题转化为电力网络社团结构挖掘问题,采用GN算法进行求解,用模块度函数值的大小来明确社团个数及位置,考虑了发电机组的同调性和多个安全运行约束条件,综合分析而得出切实可行的配电网孤岛划分方案。最后通过算例仿真及与其他方法对比分析验证了所提方法的有效性。第三,为了量化分析信息层与物理层间深度交互耦合对电力系统级联故障传播和脆弱性的影响,本文提出电气度指标,用以识别电力系统中的重要节点,与信息网中度数较高的节点相互耦合,建立“度-电气度”同配耦合的信息物理电力系统（Cyber-Physical-Power-System,CPPS）融合相互依存网络模型。采用双星型通信网络和IEEE118节点电力系统进行仿真,在随机攻击和基于度的蓄意攻击模式下,对比研究基于“度-介数耦合”、“度-电气度耦合”、“随机耦合”3种相依网络模型的信息物理电网的整体脆弱性。仿真结果表明:层间不同依存模式、耦合程度、攻击类型都会影响信息物理电网的脆弱性。第四,从复杂网络中传播动力学的角度出发,将故障在信息物理电力系统中的传播类比某种传染疾病在两个群体中的传播,信息节点和物理电网节点分别看作群体1、群体2中的个体。本文建立了信息物理电网的双层相依网络模型,在SIS疾病传播模型的基础上构建了双层网络协同故障传播模型。考虑对关键节点加以保护的情况,引入不同的节点保护机制。采用生成的无标度信息网络和IEEE118节点电力系统进行仿真,分析信息层和物理层的耦合作用对信息物理电网中最终故障规模的影响。

关键词：复杂电力系统;孤岛划分;信息物理电网;相依网络;故障传播;脆弱性分析

学科专业：电气工程

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 课题研究现状

1.2.1 配电网孤岛划分方案研究

1.2.2 CPPS建模与故障传播分析研究

1.3 复杂网络在智能电网中的应用

1.4 课题来源与主要工作

第2章 复杂网络模型及特性

2.1 引言

2.2 复杂网络研究简史

2.3 基本概念

2.3.1 网络图的表示

2.3.2 平均路径长度

2.3.3 度与度分布

2.3.4 聚类系数

2.3.5 介数

2.4 网络拓扑模型及特性

2.4.1 随机图

2.4.2 小世界网络

2.4.3 无标度网络

2.4.4 鲁棒性和脆弱性

2.5 小结

第3章 基于人工蜂群算法的配电网孤岛划分

3.1 引言

3.2 背包问题

3.3 孤岛划分数学模型

3.4 人工蜂群算法

3.5 基于人工蜂群算法的配电网孤岛划分

3.6 算例仿真及结果分析

3.7 小结

第4章 基于社团挖掘的配电网孤岛划分

4.1 引言

4.2 社团结构挖掘

4.2.1 社团结构概述及意义

4.2.2 社团挖掘的基本方法

4.2.3 模块度

4.3 电气距离测度

4.4 基于社团挖掘的孤岛划分方法

4.4.1 GN算法

4.4.2 基于电气距离和GN算法的孤岛划分

4.5 算例仿真及结果分析

4.6 小结

第5章 基于相依网络的信息物理电网建模及脆弱性分析

5.1 引言

5.2 相依网络理论基础及耦合关系

5.2.1 相依网络概述

5.2.2 相依网络模型分类

5.2.3 耦合方式与耦合强度

5.3 信息物理电网建模与特性分析

5.3.1 电力系统拓扑建模与结构特性

5.3.2 信息网络拓扑建模与结构特性

5.3.3 信息物理电网的相依网络模型

5.4 级联故障过程分析

5.5 信息物理电网结构脆弱性评估

5.5.1 攻击模式

5.5.2 脆弱性综合评估指标

5.6 算例仿真及分析

5.6.1 随机攻击下CPPS脆弱性分析

5.6.2 蓄意攻击下CPPS脆弱性分析

5.7 小结

第6章 基于传染病模型的信息物理电网故障传播分析

6.1 引言

6.2 疾病传播模型和临界阈值

6.2.1 疾病传播的基本模型

6.2.2 均匀网中的传播阈值

6.2.3 非均匀网中的传播阈值

6.3 信息物理电力系统双层相依网络模型

6.4 故障协同传播模型

6.5 节点保护机制

6.6 算例仿真及结果分析

6.7 小结

总结及展望

本文工作总结

未来研究方向及展望

参考文献

致谢