[论文解读] On the Definition of Cyber-Physical Resilience in Power Systems

Reza Arghandeh, Alexandra von Meier+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2015

Smart Grid Security and Resilience参考文献 67被引用 4

一句话总结

本文提出了一种统一的、多维的电力系统网络物理韧性定义，整合了物理、网络和人为因素，以应对故障、攻击和自然灾害等扰动。该研究通过将韧性正式定义为系统在意外威胁下维持稳定运行的系统属性，推动了该领域的发展，并倡导利用分布式能源资源的新运行范式。

ABSTRACT

In recent years, advanced sensors, intelligent automation, communication networks, and information technologies have been integrated into the electric grid to enhance its performance and efficiency. Integrating these new technologies has resulted in more interconnections and interdependencies between the physical and cyber components of the grid. Natural disasters and man-made perturbations have begun to threaten grid integrity more often. Urban infrastructure networks are highly reliant on the electric grid and consequently, the vulnerability of infrastructure networks to electric grid outages is becoming a major global concern. In order to minimize the economic, social, and political impacts of power system outages, the grid must be resilient. The concept of a power system cyber-physical resilience centers around maintaining system states at a stable level in the presence of disturbances. Resilience is a multidimensional property of the electric grid, it requires managing disturbances originating from physical component failures, cyber component malfunctions, and human attacks. In the electric grid community, there is not a clear and universally accepted definition of cyber-physical resilience. This paper focuses on the definition of resilience for the electric grid and reviews key concepts related to system resilience. This paper aims to advance the field not only by adding cyber-physical resilience concepts to power systems vocabulary, but also by proposing a new way of thinking about grid operation with unexpected disturbances and hazards and leveraging distributed energy resources.

研究动机与目标

• 解决电力系统中网络物理韧性缺乏普遍接受定义的问题。
• 将韧性正式建模为涵盖物理、网络和人为扰动的多维属性。
• 提出一种整合分布式能源资源以提升韧性的新运行框架。
• 推进韧性概念在电力系统术语和设计原则中的融合。
• 通过明确在意外威胁和相互依赖关系下的韧性，支持电网运行中的决策制定。

提出的方法

• 本文对系统理论、控制工程和电力系统中的现有韧性概念进行了全面综述。
• 识别并综合了韧性的核心组成部分：鲁棒性、冗余性、适应性和恢复能力。
• 作者提出了一个网络物理韧性框架，用于建模物理基础设施与网络物理控制系统之间的相互依赖关系。
• 该方法纳入了包括自然灾害、网络攻击和人为错误在内的多种灾害情景。
• 提出了一种基于扰动下系统状态稳定性的韧性评估概念模型。
• 该方法强调利用分布式能源资源以增强系统的适应性和恢复能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 电力系统中网络物理韧性的全面且普遍适用的定义应包含哪些要素？
• RQ2 如何将韧性正式建模为涵盖物理、网络和人为因素的多维属性？
• RQ3 分布式能源资源在应对意外扰动时对提升系统韧性起到何种作用？
• RQ4 物理与网络组件之间的相互依赖关系如何影响整体系统韧性？
• RQ5 现代电力系统中支持韧性的运行范式需要哪些调整？

主要发现

• 本文建立了一个多维的网络物理韧性定义，整合了鲁棒性、冗余性、适应性和恢复能力。
• 研究指出，韧性必须涵盖起源于物理故障、网络故障和人为行为的扰动。
• 作者表明，当前电力系统领域中的定义在清晰度和一致性方面存在不足。
• 所提出的框架能够系统性地评估不同灾害类型和系统状态下的韧性。
• 研究强调了分布式能源资源在扰动期间提升适应性和恢复能力的重要性。
• 本文呼吁电网运行范式发生转变，从被动恢复转向主动韧性管理。