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摘要：在电力信息物理系统（cyber physical power system,CPPS）的研究背景下,包含电、热、气等多种能源形式的综合能源系统（integrated energy system,IES）的能源网络与信息网络之间呈现出更为复杂和紧密的耦合关系,构成了综合能源信息物理系统（integrated energy cyber physical system,IECPS）。随着网络攻击的全球布局,IES作为连接多个能源网络的枢纽系统也面临遭受网络攻击的风险,而国内外针对IES的研究仍停留在物理层面的运行优化方向,无法满足目前信息物理融合背景下IES的安全稳定分析需求。基于上述背景,本文将包含电、热、气三种能源形式的IECPS作为研究对象,对IECPS的融合建模和能量-信息流混合计算方法、信息物理协同攻击对IECPS运行状态的影响分析和IECPS通信网路由鲁棒优化方法三个问题展开研究,主要研究内容如下:1)通过对IECPS中能源层、传输层和信息层的交互特性进行分析,提出了IECPS分层建模方法,从而推导出了IECPS的一体化融合模型,并通过所提出的能量-信息流混合求解方法实现了稳态场景下能量流和信息流的混合求解,为网络攻击对IECPS运行状态的影响分析提供了理论基础。2)基于IECPS一体化融合模型,以虚假数据注入（false data injection,FDI）攻击为信息侧故障形式,分别建立了针对数据上传通信和下传通信过程的信息物理协同攻击模型,考虑综合能源负荷控制业务和经济调度业务,分析了信息物理协同攻击对IECPS运行安全性和经济性的影响。3)提出了计及负荷控制业务和经济调度业务的IECPS信息流路由方式重要度评价指标,在此基础上建立了随机拒绝服务（denial of service,Do S）攻击背景下的IECPS路由鲁棒优化模型,以降低高风险区域关联业务度为优化目标,采用列约束生成（column-and-constraint generation,CCG）算法对该模型进行求解。本文所提出的IECPS一体化融合模型和能量-信息流混合计算方法在改进的IEEE39节点电网、6节点热网和7节点气网组成的区域综合能源系统下进行了算例分析,提出的IECPS路由鲁棒优化方法在改进的IEEE30节点电网、14节点热网和20节点气网组成的区域综合能源系统光纤通信网下进行了测试,证明了本文所提出的理论方法的正确性和有效性,可为信息物理融合背景下IES的建模与优化问题提供新的思路和方法。
关键词：综合能源信息物理系统;融合建模;
文章目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 IECPS融合建模方法研究现状
1.2.2 能源网络中网络攻击研究现状
1.2.3 通信网路由优化方法研究现状
1.3 本文主要工作
第二章 信息物理融合建模理论基础
2.1 引言
2.2 IECPS的基本概念
2.2.1 IECPS基本架构
2.2.2 IECPS交互特性分析
2.3 统一能路理论和信息物理融合建模方法
2.3.1 统一能路理论
2.3.2 基于关联特性矩阵融合建模方法
2.3.3 能量-信息流融合建模方法
2.4 本章小节
第三章 考虑多层交互特性的IECPS分层建模方法
3.1 引言
3.2 IECPS能源层建模
3.2.1 电网能量流模型
3.2.2 热网能量流模型
3.2.3 气网能量流模型
3.2.4 能源站能量流模型
3.3 IECPS传输层建模
3.3.1 通信信道模型
3.3.2 通信接口模型
3.4 IECPS信息层建模
3.5 IECPS能量-信息流混合计算方法
3.6 算例分析
3.6.1 算例系统
3.6.2 基值迭代过程分析
3.6.3 能量流计算结果分析
3.6.4 信息流计算结果分析
3.7 本章小节
第四章 信息物理协同攻击对IECPS运行状态的影响分析
4.1 引言
4.2 信息物理协同攻击过程建模
4.2.1 针对上传通信过程的协同攻击模型
4.2.2 针对下传通信过程的协同攻击模型
4.3 控制中心优化决策过程建模
4.3.1 负荷控制业务模型
4.3.2 经济调度业务模型
4.4 算例分析
4.4.1 IECPS运行安全性分析
4.4.2 IECPS运行经济性分析
4.5 本章小节
第五章 随机DoS攻击背景下IECPS通信网路由优化方法
5.1 引言
5.2 通信网路由方式建模
5.3 计及双业务的路由方式重要性评价指标
5.3.1 信息流重要度评价指标
5.3.2 通信链路重要度评价指标
5.4 IECPS通信网路由鲁棒优化方法
5.4.1 随机DoS攻击最恶劣场景建模
5.4.2 路由优化问题建立
5.4.3 路由优化问题求解方法
5.5 算例分析
5.5.1 算例系统
5.5.2 IECPS通信网路由优化结果分析
5.5.3 优化前后IECPS通信网韧性对比
5.5.4 单业务指标与双业务指标优化结果对比
5.6 本章小节
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
[1]连锁故障下电力信息物理系统脆弱性研究[D]. 王聪.华东交通大学 2020
[2]基于边缘计算的主动配电网信息物理系统研究[D]. 罗安琴.华北电力大学(北京) 2019
[3]电力信息物理系统脆弱性评估方法研究[D]. 宋丹.华北电力大学(北京) 2019
[4]基于社团理论的电力信息物理系统连锁故障研究[D]. 连宏汇.宁夏大学 2019
[5]增设虚拟信息节点的电力信息物理系统防护及攻防博弈[D]. 左修涵.湘潭大学 2019
[6]电力信息物理系统框架下基于通信架构的系统可靠性研究[D]. 钟靖.广东工业大学 2019
[7]电网信息物理系统的联合仿真技术研究[D]. 刘增稷.东南大学 2019
[8]电网信息物理系统中电力信息业务重要度与可靠性建模研究[D]. 茹叶棋.武汉大学 2017
[9]配电网信息物理系统混合仿真平台设计方法及其算例实现[D]. 付灿宇.浙江大学 2019
[10]基于非序贯蒙特卡罗模拟的配电网信息物理系统可靠性分析[D]. 徐世琨.浙江大学 2019
