[论文解读] Vulnerability Assessment of Power Grids Based on Both Topological and Electrical Properties

Cunlai Pu, Pang Wu|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2019

Power System Reliability and Maintenance参考文献 15被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种新颖的链路中心性度量方法，结合了拓扑度与电流量载，用于评估电力系统的脆弱性。基于该度量，提出了贪心攻击（LC-GA）和最优攻击（LC-OA）算法，通过IEEE测试案例验证表明，LC-OA在触发大规模级联故障方面优于基于PSO和贪心的方法，而LC-GA在效率与性能之间提供了良好的平衡。

ABSTRACT

In modern power grids, a local failure or attack can trigger catastrophic cascading failures, which make it challenging to assess the attack vulnerability of power grids. In this Brief, we define the $K$-link attack problem and study the attack vulnerability of power grids under cascading failures. Particularly, we propose a link centrality measure based on both topological and electrical properties of power grids. According to this centrality, we propose a greedy attack algorithm and an optimal attack algorithm. Simulation results on standard IEEE bus test data show that the optimal attack is better than the greedy attack and the traditional PSO-based attack in fracturing power grids. Moreover, the greedy attack has smaller computational complexity than the optimal attack and the PSO-based attack with an adequate attack efficiency. Our work helps to understand the vulnerability of power grids and provides some clues for securing power grids.

研究动机与目标

• 为解决仅依赖拓扑中心性度量在评估电力系统脆弱性时的局限性，通过引入电流负载等电气特性来改进评估。
• 定义并求解K条链路攻击问题，旨在识别最具有破坏性的链路集合以触发级联故障。
• 基于新型链路中心性度量，开发高效且有效的攻击算法——贪心与最优算法，用于脆弱性评估。
• 在标准IEEE母线测试系统上验证所提方法，并与现有的基于PSO和仅基于度或电流的方法进行性能对比。

提出的方法

• 提出一种可调的链路中心性度量，定义为链路度与电流量载的加权组合：$ C_{ij} = w_1 imes \text{degree}(i,j) + w_2 \times \text{current}(i,j) $，其中权重 $ w_1 $ 和 $ w_2 $ 通过PSO进行优化。
• 开发一种贪心攻击算法（LC-GA），通过迭代移除基于所提中心性度量的前K条链路实现，其中 $ h_1 = h_2 = 1 $。
• 提出一种最优攻击算法（LC-OA），利用PSO在全局范围内搜索最优的K条链路集合进行移除，以最大化级联故障的破坏程度。
• 采用直流潮流模型计算电流量载与电压分布，以实现对电气特性的精确估计。
• 采用损伤度量 $ \theta $，定义为总负荷损失与初始总负荷的比值，用于量化级联故障的严重程度。
• 应用PSO，参数设置为 $ c_1 = 0.7 $，$ c_2 = 0.7 $，$ w_0 = 0.96 $，$ \text{iter}_{\text{max}} = 30 $，以及 $ L = 50\text{\%} $，用于调节中心性权重并寻找最优攻击集合。

实验结果

研究问题

• RQ1 将拓扑特性与电气特性相结合，相较于单独使用任一特性，能否更有效地识别电力系统中的关键链路？
• RQ2 混合中心性度量是否能在触发大规模级联故障方面优于传统的基于度或电流的中心性度量？
• RQ3 在损伤程度与计算成本方面，所提出的贪心攻击（LC-GA）与最优攻击（LC-OA）及基于PSO的攻击相比表现如何？
• RQ4 在多链路攻击场景下，所提出的LC-OA算法是否收敛更快且达到更高的损伤程度，相较于PSO-OA？
• RQ5 初始链路移除顺序对级联故障传播有何影响？贪心方法与全局优化方法相比表现如何？

主要发现

• 在IEEE 118、145和162母线系统中，所提出的结合度与电流的链路中心性度量在单链路攻击中产生的损伤高于仅使用链路度或仅使用链路电流的情况。
• 在多链路攻击中，LC-OA始终产生显著高于LC-GA与PSO-OA的损伤，表明其在触发级联故障方面具有更高的有效性。
• LC-GA在计算复杂度与攻击效率之间实现了良好平衡，其运行时间低于LC-OA与PSO-OA，且在IEEE 162母线系统中当 $ K > 6 $ 时，其性能与PSO-OA相当或更优。
• LC-OA收敛速度更快，达到更高的损伤水平，且所需迭代次数更少，表明其优化效率更高，且更少陷入局部最优。
• 仿真结果证实，电流量载是链路关键性更有效的指示器，而非仅依赖拓扑度，验证了引入物理潮流特性的必要性。
• K条链路攻击问题被证明为NP完全问题，从而为使用PSO等启发式与元启发式方法求解最优攻击集合提供了理论依据。