MPCE 2018年第6卷第5期
Special Section on Cyber Physical Power Systems (CPPS)主编寄语
作者：倪明（Ming NI），刘东（Dong LIU）, 查南 辛格（Chanan SINGH）
随着信息和通信技术的深入和广泛应用，电网已成为重要的信息物理融合系统（CPS）之一。然而，传统的电网分析或控制方法侧重于物理电力系统，而且对信息和物理系统分别处理。为了充分理解信息和物理系统的相互依赖性和相互作用，应将CPS作为一个综合系统进行研究。通过对CPS的研究，可以揭示信息和物理部分的相互依赖性，降低信息—物理交互带来的风险，也可以借此推导出提高整体系统效率的方法。本期专题讨论了电力信息物理融合系统（CPPS）的最新进展和关键技术。
本专题聚焦虚假数据注入攻击、一般网络安全问题、连锁故障和CPPS的新兴技术。作为本专题的特约主编，也希望借此机会感谢以下为此专题论文定稿评审与遴选做出贡献的特约编辑：清华大学郭庆来博士，美国密歇根州立大学Joydeep MITRA博士，美国华盛顿州立大学Anurag SRIVASTAVA博士，荷兰代尔夫特理工大学Simon TINDEMANS博士，香港中文大学（深圳）赵俊华博士，以及美国威奇塔州立大学Visvakumar ARAVINTHAN博士。
本专题包含11篇论文，其中3篇讨论虚假数据注入攻击的检测和防御方法；3篇涉及CPPS中的网络安全问题；2篇介绍了CPPS中连锁故障的建模和分析方法，其他3篇介绍了CPPS中使用的一些新技术。
1）CPPS中虚假数据注入攻击
Nemanja ZIVKOVIC, Andrija T. SARIC（塞尔维亚施耐德电气公司，塞尔维亚诺维萨德大学）的论文“Detection of false data injection attacks using unscented Kalman filter”指出，状态估计（SE）是现代能量管理系统（EMSs）中最重要的实时功能，容易受到虚假数据注入攻击，无法使用标准的不良数据检测技术对其进行检测。因此，本文提出了实时使用无迹卡尔曼滤波器（UKF）结合基于加权最小二乘法（WLS）的SE算法，以检测状态变量估计之间的差异，借此识别虚假数据攻击。
Mohammad Hasan ANSARI, Vahid Tabataba VAKILI, Behnam BAHRAK, Parmiss TAVASSOLI （伊朗科技大学，伊朗德黑兰大学）的论文“Graph theoretical defense mechanisms against false data injection attacks in smart grids”使用基于图形理论公式的防御机制来减轻智能电网中的虚假数据注入攻击。文中首先讨论了典型智能电网图的特征，如平面性。然后，提出了三种不同的方法求解需要保护的最优测量集合：一种在实践中运行良好的快速有效的启发式算法，一种能保证保护测量集合质量的近似算法，以及一种可找到最优解的精确算法。
Efstathios KONTOURAS, Anthony TZES, Leonidas DRITSAS（希腊帕特雷大学，纽约大学阿布扎比分校，希腊教育学与技术教育学院 ）的论文“Set-theoretic detection of data corruption attacks on cyber physical power systems”提出了一种集合论方法，可用于在电网的负荷频率控制环路上监测数据损坏网络攻击。基于整体离散时间网络动力学，提取凸面的、紧凑的多面体鲁棒不变集，并将其用作集合诱导异常检测器。
2）CPPS中的网络安全问题
每当存在重大威胁时，现代电网的重要性就得到承认。Anurag K. SRIVASTAVA, Timothy A. ERNSTER, Ren LIU, Vignesh G. KRISHNAN（美国华盛顿州立大学，美国陆军工程兵部队，美国道明尼电力公司）的论文“Graph-theoretic algorithms for cyber-physical vulnerability analysis of power grid with incomplete information”指出，最新的关注点是对协调的信息物理攻击的风险评估，以及最大限度地降低成功攻击的影响。大多数网络攻击者仅拥有有限的系统信息，而且传统的电网“N-1”安全分析无法扩展以评估此类风险。本文提出了一种基于中心性指标的图论方法，利用有限的系统信息对各种母线和线路突发事件引起的电力系统脆弱性进行评估，并提供初步防御机制以预防这种攻击。
Zhiyi LI, Mohammad SHAHIDEHPOUR, Xuan LIU（美国伊利诺理工大学，湖南大学）的论文“Cyber-secure decentralized energy management for IoT-enabled active distribution networks”提供了一种在信息和运营技术汇集于有源配电网（ADN）时，提高其运行的网络安全的战略性解决方案。本文首先研究了物联网（IoT）在实现细粒度可观察性和可控性方面的重要性，然后提出了网络安全的分散式能量管理框架。该框架利用软件定义网络技术，可以确保各微电网中物联网设备之间的通信安全，并探索了利用区块链技术，保持ADN中联网微电网之间通信的完整性的可能性。
Hamzeh DAVARIKIA, Masoud BARATI（美国路易斯安那州立大学，美国匹兹堡大学）的论文“A tri-level programming model for attack-resilient control of power grids”提出了一种新方法，通过针对人为攻击或自然灾害制定适当的强化策略，帮助电力系统规划人员提高电网恢复能力。引入了脆弱性指标，基于三层（防御者—攻击者—运行人员（DAO））阻截问题，通过迭代求解，给出系统中最脆弱元件。DAO输出的在网络中进行最优分配的强化策略的集合，以减轻最坏损害的影响。
3）CPPS中连锁故障
通过使用快速响应扰动的自动保护方案（automated protection schemes），可以增强电网的利用水平。然而，这种控制系统可能发生故障，反而恶化扰动的影响。Jose Luis CALVO, Simon H. TINDEMANS, Goran STRBAC（英国帝国理工学院，荷兰代尔夫特理工大学）的论文“Risk-based method to secure power systems against cyber-physical faults with cascading impacts: a system protection scheme application”提出了对信息（保护逻辑）和物理（网络）系统的整体评估方法，考虑到每个部分的故障和他们的相互作用。提出了基于电力系统响应模拟的迭代优化方法，，以便进行详细的影响评估，并比较候选解决方案。
Yuqi HAN , Chuangxin GUO, Shiying MA, Dunwen SONG（浙江大学，中国电力科学研究院）的论文“Modeling cascading failures and mitigation strategies in PMU based cyber-physical power systems”在改进的渗流理论基础上，提出了CPPS中连锁故障的模型以及故障缓解策略。在该模型中，改进的渗流理论将电网潮流连同网络层数据传输与延迟皆考虑在内。
4）CPPS中使用的新技术
不同能源实体之间日益复杂的交互需要安全，高效和强大的网络基础设施。作为一种新兴的分布式计算技术，区块链为此类交互提供了一个安全的环境。Zhaoyang DONG, Fengji LUO, Gaoqi LIANG（澳大利亚新南威尔士大学，澳大利亚悉尼大学，香港中文大学（深圳））的论文“Blockchain: a secure, decentralized, trusted cyber infrastructure solution for future energy systems”对使用区块链作为未来电网的安全分布式网络基础设施的前景进行了展望。提出了基于智能电网信息物理基础设施模型的区块链。文中还介绍了区块链在未来电网中的一些有前景的应用领域和潜在的挑战。
Lukun ZENG, Yi SUN, Xingjie ZHOU, Bin LI, Bing QI（华北电力大学）的论文“Demand dispatch in cyber-physical load aggregation system with multilevel incentives”基于信息物理系统理论，提出了需求侧负荷聚合系统中对聚合电热水器进行调度的策略。目的是解决信息物理负荷聚合系统参与电网需求调度时热水器负荷控制的问题。介绍了多层次激励模型，EWH设备模型和恒温器设定点控制规则。基于模型和规则，在网络空间和物理空间之间设计需求调度策略的实施框架，包括状态感知，实时分析，科学决策和精确执行。
虽然光伏（PV）电站的本地控制提高了网络安全，但缺乏集中控制策略的优化优势。Theis Bo RASMUSSEN, Guangya YANG, Arne Hejde NIELSEN, Zhaoyang DONG（丹麦科技大学，澳大利亚新南威尔士大学）的论文“Effects of centralized and local PV plant control for voltage regulation in LV feeder based on cyber-physical simulations”考虑了两种控制策略的协调。通过在已建立的实时信息物理仿真平台中进行建模和仿真，对低压电网采用本地和集中控制进行了评估。确定用于协调两种策略的一组边界条件，可以帮助电网调度人员在不同的操作情况下决定合适的控制方式。