基于能量曲面重塑的电网动态安全控制及其在信息阻塞攻击下的优化

The imposed short non-stationary disturbance with cyber-attack severely threaten the safety of power grid. Therefore, dynamic security control for power grid which drive the system to normal steady state is a crucial demand of power industry. To deal with dynamic security problem of power grid, we investigate the theory and methodology of power grid dynamic energy and security control with energy function and game theory under cyber jamming attack for enhancing the grid security and the resilience of dynamic security control system under cyber-attack. We firstly develop an energy function according to power system dynamic mechanisms, and convert security problem to stability problem by introducing overload energy and control energy. The critical point on energy surface is enhanced so as to implement security control and reducing the computational complexity on control. The sparse relation of control system structure is characterized by sparse blocks, the power grid dynamic security is measured by analyzing invariant set of energy polyhedron, so that the utility of game is obtained to establish imperfect game model for depict the human purpose. By solving the game model, we can optimize the structure and strategy of security control system, enhancing the resilience of security control system under cyber jamming attack. This proposal not only offer a new way to strengthen the dynamic security of power grid, but also promote this new application of control theory in power grid.

信息攻击下短时非平稳扰动导致的动态过程严重威胁电网安全，通过设计动态安全控制器，确保电网回到正常稳定状态，是当前电力行业的重大需求。课题针对电网动态安全问题，立足于能量函数和博弈理论，研究过载和控制约束下电网能量和信息阻塞攻击博弈的一般理论与方法，提高电网安全裕度和抵御信息阻塞攻击能力。通过电网物理机理建立电网能量模型，引入过载能量约束和控制器能量曲面重塑机制，将安全问题转化为稳定性问题，提升能量曲面关键状态点增加电网稳定裕度，实现动态安全控制，降低在线计算复杂度。采用稀疏块刻画结构变量的稀疏关联，通过构建电网能量分布体系和能量多面体不变集，评估系统动态安全性，获取信息阻塞攻击博弈收益，建立不完备信息博弈模型，描绘信息攻击人为目的性。通过求解博弈模型均衡，优化控制策略和结构，提高安全控制系统抵御信息阻塞攻击的能力。本课题不仅为提升电网动态安全性开辟新的路径，也推动控制理论在电网中的应用。

息攻击下短时非平稳扰动导致的动态过程严重威胁电网安全，通过设计动态安全控制器，确保电网回到正常稳定状态，是维持电网安全稳定的重大需求。课题针对电网动态安全问题，立足于能量函数和博弈理论，研究过载和控制约束下电网能量和信息阻塞攻击博弈的一般理论与方法，提高电网安全裕度和抵御信息阻塞攻击能力。课题围绕研究内容执行了以下探索 ①研究了基于能量函数的系统安全判定方法，针对电网功角稳定，并考虑频率控制系统在信息阻塞共挤下分析系统在高度非线性下安全裕度的测量方法。②针对电网规模大，复杂度高的特点，研究了将系统划分为物理耦合的物理网络互联系统，提出基于分布式控制和分布式学习的融合算法框架，从而降低计算复杂度。③探究了在难以获得大规模复杂电网动态模型情况下，针对负荷频率稳定的无模型安全控制方法，基于强化学习提出了一种集成分布式评价和执行学习的优化控制策略。④基于无模型集成评价和执行的强化学习控制方案以及基于伯努利概率的信息阻塞模型研究了一种安全控制与信息阻塞攻击方之间的博弈模型，并探究了博弈的防御方优化策略和平衡点。⑤基于强化学习安全控制策略，引入一种组稀疏正则，探索了在信息阻塞攻击和机器学习下的控制系统的结构设计方法，并在博弈框架下的优化机制，增强了抵御信息阻塞攻击的能力。本课题不仅为提升电网动态安全性开辟新的路径，也推动了控制理论在电网中的应用。项目资助下共发表了14篇论文，其中SCI论文14篇，申请已受理3项专利，培养研究生两名，超额完成项目指标。