分布式能源接入的智能配电网主动安全控制与自愈优化

The high penetration of Distributed Energy Resources (DERs) in the demand side greatly improves energy efficiency, reduces transmission cost and energy loss, and meanwhile, introduces great challenges for the safety of power systems. Therefore, it is important to design security control and protection technology for power system with DERs. In this project, we will focus on the smart power distribution networks, where the modeling theory of cyber-physical systems and attack-defense game theory of complex networks are borrowed to describe the relationships among dynamic topology, attack diffusion and security protection of systems with DERs. Moreover, distributed attack detection mechanism will be built. New attack-trigger-based resilient security control and optimization methods will be developed, which improve the survivability and self-healing ability for smart distribution networks. The main contents include: topology analysis and security assessment of smart distribution networks with DERs; attack detection mechanism based on distributed state estimation; attack-trigger-based resilient security control and energy management of DER grid-connected distribution networks; Performance test and evaluation. The proposed active security defense system for smart distribution networks with high penetration of DERs will improve the survivability of power systems in multiple coupling accidents of information networks and physical power grids. It has important scientific significance and economic value to the safe and stable operation of power systems.

分布式能源在需求侧的高渗透接入极大提高了能源利用率、降低输送成本和能量损耗，同时，也为电力系统的安全运行带来了巨大挑战。因此，分布式能源并网的电力系统安全控制与防护技术设计刻不容缓。本项目以智能配电网为对象，融合信息物理系统模型理论和复杂网络攻防博弈理论，刻画分布式能源渗透下系统动态拓扑、攻击扩散与安全防护之间的内在复杂关系，构建分布式攻击检测机制架构，设计基于攻击事件驱动的弹性安全控制与优化调度方法，提高智能配电网对攻击的存活和自愈能力。主要内容有：分布式能源并网的拓扑分析与系统安全弹性评估；基于分布式关联状态估计的攻击检测机制；攻击驱动下DER并网的弹性安全控制与能量管理；分布式能源并网弹性安全控制方法的性能测试与应用。本项目所提的高渗透率下的智能配电网主动安全防御体系，可提高电力系统在信息网与物理电网多种耦合关联事故的生存能力，对电网的安全稳定运行具有重要的科学意义和经济价值。

本项目以含有多种分布式能源的智能配电网为研究对象，开展分布式能源并网的信息物理安全理论研究。主要研究内容有：分布式能源并网的拓扑分析与系统安全弹性评估；基于分布式关联状态估计的攻击检测机制；攻击驱动下DER并网的弹性安全控制与能量管理;分布式能源并网弹性安全控制方法的性能测试与应用。重要结果包括：深入分析了分布式能源接入/移除等系统动态拓扑变化、攻击扩散与安全防护之间的内在复杂关系，阐述了隐蔽攻击的攻击特性及攻击同源变种规律，提出了针对性的攻击协同检测方法和系统的弹性安全控制策略，增强了系统的抗毁性和自愈能力。具体地，融合物理和信息约束构建了负荷重分配攻击及其攻击变种，主动发现系统潜在的脆弱性，提出一种协同考虑动态输电容量技术成本-效益平衡的鲁棒安全能量管理方法；考虑电网拓扑结构和电力参数配置动态变化情形，提出了协同主动电抗控制技术的鲁棒安全防御方法；针对随机协同隐蔽攻击，设计了权重系数自适应切换的弹性安全控制策略；针对多传输通道混合随机攻击，提出了基于攻击触发的自适应安全控制策略；考虑同类负荷动态特性相似的特性，提出基于负荷多特性的智能微网架构这一新概念，并利用不同区域相似负荷的动态特性为攻击检测提供参考，设计基于相似负荷分区的分布式能源多层管理策略；针对能源供应端和负荷需求侧响应时间尺度不一致问题，提出基于双时间尺度的多步协调控制策略，实现能源的安全调度与优化。所提方案都进行了仿真验证，实验结果表明：项目针对未知攻击目标及其攻击变种提出的主动弹性安全控制策略和优化调度方法具有较好的普适性和鲁棒性，能够应对随机隐蔽攻击对系统的影响，保障系统的安全运行，提升系统的抗毁能力和自愈能力。