[论文解读] Vulnerability Analysis of Power Systems

Taedong Kim, Stephen J. Wright+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2015

Smart Grid Security and Resilience参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于交流潮流方程的电力系统漏洞分析框架，用于建模通过增加阻抗来攻击输电线路的情形。该研究引入了两种优化模型：一种是最大化电压偏差的非线性规划模型，另一种是通过双层优化建模防御性切负荷，针对IEEE 118节点和波兰2383节点系统应用了定制化算法，识别出易导致系统失稳的关键线路和目标母线。

ABSTRACT

Potential vulnerabilities in a power grid can be exposed by identifying those transmission lines on which attacks (in the form of interference with their transmission capabilities) causes maximum disruption to the grid. In this study, we model the grid by (nonlinear) AC power flow equations, and assume that attacks take the form of increased impedance along transmission lines. We quantify disruption in several different ways, including (a) overall deviation of the voltages at the buses from 1.0 per unit (p.u.), and (b) the minimal amount of load that must be shed in order to restore the grid to stable operation. We describe optimization formulations of the problem of finding the most disruptive attack, which are either nonlinear programing problems or nonlinear bilevel optimization problems, and describe customized algorithms for solving these problems. Experimental results on the IEEE 118-Bus system and a Polish 2383-Bus system are presented.

研究动机与目标

• 识别在阻抗增加时导致电力系统稳定性最大破坏的输电线路。
• 使用非线性交流潮流方程而非简化的直流或无损交流模型来建模电网脆弱性。
• 通过电压偏差与1.0 p.u.的偏离程度以及为恢复稳定性所需最小切负荷量来量化系统破坏程度。
• 开发定制化算法以求解脆弱性评估中出现的复杂非线性和双层优化问题。
• 识别在最坏情况攻击下必须进行切负荷的目标母线，从而支持有针对性的韧性规划。

提出的方法

• 将脆弱性分析建模为一个非线性规划问题，目标是在阻抗增加约束下最大化对1.0 p.u.的电压偏差。
• 将防御响应建模为双层优化：上层寻找最坏情况攻击，下层计算恢复系统可行性的最小切负荷量。
• 在双层模型中使用加权ℓ₁目标函数，以最小化攻击后总切负荷量与发电减少量。
• 采用序列线性化与活动集策略（算法3），通过迭代剔除γ值较低的线路来识别脆弱线路。
• 通过改进约束条件的负载承载能力分析，对在最大攻击下需切负荷的节点进行分类。
• 通过动态调整这些节点的切负荷下限，将目标节点识别整合进攻击搜索过程中。

实验结果

研究问题

• RQ1 在交流潮流模型下，哪些输电线路在阻抗增加时会导致对1.0 p.u.的最大电压偏差？
• RQ2 在攻击后，为恢复系统可行性所需的最小切负荷量是多少，哪些母线最易受此需求影响？
• RQ3 在交流潮流背景下，如何有效求解双层优化问题以建模攻击者-防御者互动关系，而无需依赖KKT松弛？
• RQ4 哪些母线对攻击引发的失稳最为敏感，如何通过最大负载承载能力分析识别它们？
• RQ5 所提出的算法在大规模系统（如2383节点波兰系统）上的可扩展性与性能表现如何？

主要发现

• 所提出的非线性规划模型成功识别出阻抗增加导致最大电压偏差的输电线路，结果表明在IEEE 118节点与2383节点系统中，关键线路均出现显著电压下降。
• 双层优化模型准确计算出攻击后恢复稳定所需的最小切负荷量，结果表明即使在最坏攻击下，也仅需对极少数母线进行切负荷。
• ESL（安全线路剔除）算法通过迭代剔除γ值较低的线路，有效识别出脆弱线路，显著缩小搜索空间并提升计算效率。
• 通过最大负载承载能力分析进行目标节点识别，成功区分出在最大攻击扰动下需要切负荷的节点（目标节点）与无需切负荷的节点。
• 双层优化与序列线性化相结合，实现了在大规模系统上的可扩展脆弱性分析，2383节点波兰系统验证了该方法在真实规模电网中的适用性。
• 研究表明，电压失稳最可能发生在与最脆弱线路相连的母线上，且这些线路并不总是系统中负载最重或使用最频繁的线路。