信息物理融合

为解决电力系统中可能发生的协同攻击事件,文章提出包含单点防御、级联防御和全局防御的三级联合防御模型,配合攻防推演模块和策略规约模块,能够实现针对电力系统协同攻击的有效防御。三级防御分析器分别基于攻击防御树、连锁故障和深度强化学习实现,其核心为基于多智能体行动者-注意力-评论家框架(multi-agent actor attention critic,MAAC)的全局防御分析模型,MAAC能够考虑攻击者与防御者之间的竞争协作关系进而给出防御策略,使其更加适合电力信息物理系统(cyber physical systems,CPS)复杂的攻防场景分析。实验采用IEEE总线系统为基础构造电力CPS,环境中的数据从实际电力系统引入,使MAAC的训练学习面向真实环境。实验结果表明,该模型在收敛速度和防御性能上均优于其他模型,证明所提出的联合防御模型能够有效提升电力CPS面对复杂协同攻击场景的防御能力。

在新型电力系统输配电场景下通信系统的建设过程中,由于业务环境的不同以及信息物理融合导致的业务不安全风险,需要选择恰当的通信方案。文章针对输配电场景下各类业务需求,提出了一种5G+卫星通信与输配电业务多维度层次化适配性分析方法,考虑信息物理融合风险,基于现场实测数据以及性能指标衡量结果,利用该方法完成5G+卫星通信不同通信方案与输配电业务的适配性评分,并根据评分进行了适配性分析。结果证明所提适配性分析方法具有良好的实用性,实际操作效果良好。

上世纪末至本世纪初我国开始配电自动化建设，由于技术不成熟、缺乏有效的检测手段和工具，其实用化水平较低，在故障处理等核心功能上未能取得应有成效，制约配电自动化的推广应用及供电可靠性的提升。“十三五”期间配电自动化迎来更大规模建设浪潮，伴随大规模分布式新能源的接入和主动控制需求的增长，如何对大规模配电终端、馈线故障处理及主动配电网运行控制逻辑进行全方位、系统级的测试与评估成为影响配电自动化实用化水平提升的难点和关键。 项目团队针对上述难点开展攻关，历时 7 年发明可扩展闭环同步的多类型配电终端检测技术，研制了多间隔同步输出的配电终端检测平台；提出无静差反馈控制与分段插值校正方法，研制了 1kA 大电流动态相位偏移不大于 0.05度的故障指示器检测平台，解决了配电终端与故障指示器的全自动闭环规模化检测难题。发明了配电终端现场一体化自动闭环故障诊断方法，研制了诊断系统和装置，实现了配电自动化现场测量准确性校验与故障诊断一体化，自动进行配电终端各模块的故障诊断，单个终端的故障诊断时间不超过半小时，解决了配电自动化终端设备现场运维的难题；首创配电网馈线自动化形式化描述和验证方法，研制了主站与二次协同注入馈线自动化测试系统，验证场景覆盖率从不足 50%提高到 100%，解决了馈线自动化控制算法逻辑正确性验证以及系统性现场测试的难题，实现全部接线方式与运行方式下馈线自动化的测试验证和性能评价；发明并研制了基于信息物理融合的主动配电网实际场景硬件在环仿真控制测试平台，打通数字仿真模型与实际测控终端高速通道，仿真规模从常规 50 条馈线提高到 1000 条馈线，解决了多类型新能源接入规模化配电网协同交互控制策略的测试与验证难题。 项目授权发明专利 28 项、实用新型专利 15 项、软著 12 项；发布国标 1 项、行标 4 项；发表论文 65 篇；出版专著 5 部。中国电机工程学会组织的鉴定认为：项目成功解决了配电自动化系统与设备的检测试验及主动配电网运行可靠性提升等技术难题，研究成果整体达到国际领先水平。应用项目成果完成数十万台配电终端的性能检测和万余条馈线自动化测试，馈线自动化覆盖区域供电可靠性提升 0.08%。项目成果获得国网公司设备管理部、中国电科院的高度认可，在北京等 100 余市获得推广应用，有力支撑我国配电自动化及主动配电网检测试验与验收工作，极大提升了我国配电自动化实用化水平、应用地区配网供电可靠性和分布式能源消纳能力。

城市配电网安全稳定运行关乎国计民生。感知体系是其可靠运行的基础。立项之初，大型城市配电网感知设备往往局部配置冗余、整体感知能力不足，经济性较差；感知数据完整性、精准度不高，风险防控缺乏数据支持和有效方法；提高电网精益感知水平迫在眉睫。随着分布式电源大量接入、智能化设备快速推广，城市配电网规模愈加庞大，加速向多源协同、信息物理融合的复杂系统演变，对感知和运行提出了更高要求，突破精益感知与风险防控技术意义重大。 长期以来，大型城市配电网精益感知和风险防控领域面临三大难题：①网架结构多样、运行不确定性强，兼顾经济性、可靠性、可观性等多目标的感知设备精准配置难度大；②终端设备运行环境复杂、元件耦合度高，信号交互干扰，设备-系统多层级、多类型数据可信提升困难；③城市配电网呈现源网荷交互、信息物理耦合、中低压协同等特征，风险主动防控十分复杂。 在国家自然科学基金和国网科技项目支持下，团队历时6年产学研联合攻关，取得三方面重大技术突破：①建立了兼顾可观性、可靠性的中低压配电感知设备优化配置模型，突破了基于改进差分演化算法与模糊综合评价的配置方法，优化感知设备位置、类型；②突破了感知终端多维可信诊断技术，攻克了融合参数识别与过零同步的拓扑自动辨识方法，提出了基于随机森林模型分析与数据流异常检测的主站-终端双重校核技术，异常数据识别准确率超过97%；③提出了信息物理协同的配电网“设备-网格-系统”多空间尺度风险感知技术，突破了考虑时滞影响的功率波动协同平抑技术，发明了融合配用电信息的中低压故障快速识别与分级供电保障方法，提升了风险防控能力。 项目获授权发明专利11项，发表论文33篇，发布国标等技术标准8项，出版专著1部，登记软著8项，研制软硬件8套。项目通过了中电联组织的成果鉴定，中国工程院罗安院士任组长的鉴定委员会一致认为配电网感知设备优化配置和精益化感知技术处于国际领先水平。 成果在天津、杭州等20多个大型城市率先应用，并规模化推广至陕西、贵州等23个省，感知体系建设成本降低8.35%以上，异常量测数据识别准确率超过97%，有效平抑了分布式电源、“煤改电”等电能替代负荷大规模接入后带来的风险，直接经济效益超10亿元，在庆祝新中国成立70周年大会、进博会等重大活动保电中发挥了关键作用，间接效益数十亿元，促进配电网感知与防控从“粗放+被动”向“精益+主动”转变，为支撑“新基建”、推进城市能源变革提供了坚强技术保障。

发展热电联产是实现国家两个根本性转变，实施可持续发展战略的重要举措，是提高人民生活质量的公益性基础设施。随着新能源发展和社会转型的加速，使得热电机组面临着电力调峰能力严重低下、供热能力日益不足等技术难题。当前我国集中供热系统一次能源消耗水平比欧洲同纬度国家能耗高出一倍以上，主要原因是“首站定流量、换热站分摊”的单向信息流调节方式，致使热源与热网间供热信息孤立，无法按需供热。 项目引领了我国热电联产领域的技术革新，特别是新型凝抽背供热技术，突破了汽轮机设计需保证低压缸最小进汽流量的限制，为国内汽轮机改造与设计提供了新思路。项目从“热源-储能-热网”一体化的角度，以负荷需求为导向，实现供热系统的信息物理融合，达到多能协同优化和调度。积极响应了国家“互联网+”行动计划，推进了集中供热系统“互联网+”智慧能源建设。