考虑信息物理安全风险的直流微网群分布式自治控制研究

DC microgrid cluster is an effective way for efficient energy conversion and utilization of renewable energy, as well as reliable power supply. Although distributed coordinated control can achieve self-organizing and plug-and-play operation of the microgrid cluster, it also faces more serious cyber-physical security risks than the conventional centralized scheme. For this reason, this project is dedicated to study distributed self-organizing control of the DC microgrid cluster considering the potential cyber-physical security risks. Within this project: 1) An integrated cooperative-gradient algorithm based distributed self-organizing control strategy is proposed, which integrates the operational schedule for the long time-scale and deals with the real-time fluctuation of load/renewable energy; 2) The mechanism of common cyber attacks on the cyber-physical microgrid cluster is investigated, based on which a quantitative indicator for cyber-physical risk assessment is proposed; 3) Aiming at minimizing the potential cyber-physical risk level, an optimization model and its algorithm are introduced for optimal configuration of control parameters under the constraints of communication cost and convergence rate. This research is expected to provide a distributed optimal solution for the plug-and-play and self-organizing operation of DC microgrid cluster with satisfactory cyber-physical security level. It can also contribute to the development of distributed control and cyber-physical security theories.

直流微网群是提高分布式电源能量转换和利用效率，保证供电可靠性的重要手段，而分布式协调控制技术是实现微网群即插即用和自治运行的关键。然而随着网络安全问题的日益严峻，分布式方案所面临的物理信息安全风险较集中式方案更加严重。为此，本项目致力于研究直流微网群分布式协调自治控制问题，同时实现提升微网群信息物理安全水平的目标。研究内容包括：首先针对直流微网群提出协同-梯度混合分布式自治控制策略，融合上层能量交易与调度计划，应对新能源与负荷的随机波动；然后分析常见网络攻击策略对微网群信息物理系统的影响机理，对各类影响因素进行量化建模并拟定综合风险评估指标；最后研究以抑制信息物理安全风险为目标，协调考虑通信成本和自治控制收敛性的控制参数优化配置模型及其求解方法。研究成果将为直流微网群提供一套满足信息物理安全要求，支持即插即用和自治运行的分布式最优控制方案，同时也可为分布式控制和网络安全理论的发展做出贡献。

分布式调控技术是实现微网集群即插即用和自治运行的关键。然而，微网集群信息物理系统正在面临日益严峻的网络安全威胁。为此，本研究构建了考虑多时间尺度耦合的微网集群分布式优化运行体系，揭示了网络攻击对所提出运行方案的影响机理，进而提出了从多维度改善分布式运行微网集群网络安全性能的方法。本项目的主要研究内容包括：.1) 为了实现微网集群在较长时间尺度的协调运行，提出一种基于能量共享的微网集群去中心化安全运行策略：分析了网络攻击的动机及后果，建立了基于马尔可夫过程评估的恶意行为检测与定位机制，确保微网集群的安全可靠运行。.2) 构建了直流微网集群的分层控制架构：面向集群层提出分布式联络线功率合作控制方法，实现各微网协同应对随机功率波动维持系统稳定运行的目标，揭示了微网集群日前运行计划和实时运行状态的协调机理；面向直流微网层，提出基于信息-物理自趋优机制的分布式的直流微网虚拟发电厂多目标控制方法，实现了微网虚拟发电厂运行经济性、安全性和电能质量等指标的折衷。.3) 提出了抵抗网络攻击的微网分布式控制策略：揭示了不同类型网络攻击对网络控制系统的影响机理，提出了基于竞争互动机制的鲁棒性提升方法和检测-隔离机制的韧性提升方法，明晰了对抗网络攻击的鲁棒性和韧性指标间的折衷关系。.本项目的研究将为分布式运行微网集群提供有效的网络安全保障，同时期望本课题能够为提升我国电力系统的供电安全可靠性和新能源消纳水平提供新的视角与方法。