具有完全隐私保护的电-气综合能源系统分布式协同算法

高晗; 李正烁

doi:10.7500/AEPS20220222003

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具有完全隐私保护的电-气综合能源系统分布式协同算法

信息-物理-社会融合视角下的网络安全与隐私保护 | 更新时间：2025-06-16

- 具有完全隐私保护的电-气综合能源系统分布式协同算法
- Full Privacy-preserving Decentralized Coordination Algorithm for Integrated Electricity-Gas Energy Systems
- 电力系统自动化 2023年47卷第8期页码：71-79
- 作者机构：
  
  1.山东大学电气工程学院,山东省济南市 250061
  2.电网智能化调度与控制教育部重点实验室(山东大学),山东省济南市 250061
- 作者简介：
  
  高晗(1996—)，男，硕士研究生，主要研究方向：综合能源系统的优化运行。E-mail：gaohan@mail.sdu.edu.cn
  李正烁(1988—)，男，通信作者，教授，博士生导师，主要研究方向：电力系统优化调度、综合能源系统协同优化。E-mail：zsli@sdu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52007105)
- DOI：10.7500/AEPS20220222003
  中图分类号：
- 收稿：2022-02-22，
  
  修回：2022-06-16，
  
  网络出版：2022-08-26，
  
  纸质出版：2023-04-25
- 稿件说明：
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高晗,李正烁.具有完全隐私保护的电-气综合能源系统分布式协同算法[J].电力系统自动化,2023,47(8):71-79.

GAO Han,LI Zhengshuo.Full Privacy-preserving Decentralized Coordination Algorithm for Integrated Electricity-Gas Energy Systems[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(8):71-79.
高晗,李正烁.具有完全隐私保护的电-气综合能源系统分布式协同算法[J].电力系统自动化,2023,47(8):71-79. DOI： 10.7500/AEPS20220222003.

GAO Han,LI Zhengshuo.Full Privacy-preserving Decentralized Coordination Algorithm for Integrated Electricity-Gas Energy Systems[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(8):71-79. DOI： 10.7500/AEPS20220222003.

摘要

电-气综合能源系统中

电力系统和天然气系统分属不同代理，需要进行分布式协同。“弱中心化架构”下的分布式协同过程中

代理与协调中心之间通过直接的信息交互实现算法收敛，各代理隐私数据面临严重的泄露风险。针对这一问题，文中提出了具有完全隐私保护的分布式协同算法，将多方安全计算理论引入分布式协同框架，通过同态加密技术以密文形式进行电-气协同，实现了“弱中心化架构”下的完全隐私保护。同时，提出自适应凸松弛和恢复方法求解非凸天然气系统子问题，提升了求解速度。最后，通过算例分析验证了所提算法的有效性。

Abstract

In the integrated electricity-gas energy system

the power system and the natural gas system belong to different agents and need to be collaborated distributedly. In the distributed collaboration process under the weakly-centralized framework

the algorithm convergence is achieved through direct information interaction between the agents and the coordination center

and the private information of each agent faces serious risk of leakage. To solve this problem

a full privacy-preserving decentralized coordination algorithm is proposed to achieve the full privacy preservation under the “weakly-centralized framework”. The algorithm introduces the theory of multi-party security computation into the distributed collaborative framework and achieves full privacy preservation in a “weakly-centralized framework” by means of homomorphic encryption technology in the form of ciphertexts for electricity-gas collaboration. Meanwhile

this paper proposes an adaptive convexification and feasibility recovery method to solve the nonconvex natural gas system subproblem

which improves the solution speed. Finally

the effectiveness of the proposed algorithm is verified through the analysis of cases.

关键词

Keywords

references

兰浦哲，韩冬，徐潇源，等 . 基于长短期记忆的电-气耦合综合能源系统贝叶斯状态估计［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 20 ）： 18 - 28 .

LAN Puzhe ， HAN Dong ， XU Xiaoyuan ， et al . Bayesian state estimation for electricity-gas coupled integrated energy system based on long short-term memory ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 20 ）： 18 - 28 .

苏洁莹，邓丰强，张勇军 . 考虑相依特性的电-气互联网络故障评估方法［J］. 电力自动化设备， 2021 ， 41 （ 11 ）： 32 - 39 .

SU Jieying ， DENG Fengqiang ， ZHANG Yongjun . Failure assessment method of integrated electricity and natural gas network considering interdependent characteristics ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2021 ， 41 （ 11 ）： 32 - 39 .

陈泽兴，林楷东，张勇军，等 . 电-气互联系统建模与运行优化研究方法评述［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 3 ）： 11 - 23 .

CHEN Zexing ， LIN Kaidong ， ZHANG Yongjun ， et al . A review of modeling and optimal operation of integrated electricity-gas system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 3 ）： 11 - 23 .

RUDNICK H ， BARROSO L ， CUNHA G ， et al . A natural fit： electricity-gas integration challenges in south America ［J］. IEEE Power and Energy Magazine ， 2014 ， 12 （ 6 ）： 29 - 39 .

WEN Y F ， QU X B ， LI W Y ， et al . Synergistic operation of electricity and natural gas networks via ADMM ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2018 ， 9 （ 5 ）： 4555 - 4565 .

崔星灿，禹晓辉，刘洋，等 . 分布式流处理技术综述［J］. 计算机研究与发展， 2015 ， 52 （ 2 ）： 318 - 332 .

CUI Xingcan ， YU Xiaohui ， LIU Yang ， et al . Distributed stream processing： a survey ［J］. Journal of Computer Research and Development ， 2015 ， 52 （ 2 ）： 318 - 332 .

瞿小斌 . 多主体决策环境下电-气能量流分布式协同优化调度研究［D］. 重庆：重庆大学， 2018 .

QU Xiaobin . Research on distributed synergistic optimization of electric power and natural gas flows with multiple decision-makers ［D］. Chongqing ： Chongqing University ， 2018 .

孙宏斌，郭庆来，吴文传，等 . 面向能源互联网的多能流综合能量管理系统：设计与应用［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 12 ）： 122 - 128 .

SUN Hongbin ， GUO Qinglai ， WU Wenchuan ， et al . Integrated energy management system with multi-energy flow for Energy Internet： design and application ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 12 ）： 122 - 128 .

ZHANG C L ， AHMAD M ， WANG Y Q . ADMM based privacy-preserving decentralized optimization ［J］. IEEE Transactions on Information Forensics and Security ， 2019 ， 14 （ 3 ）： 565 - 580 .

ZHAO C ， ZHAO S N ， ZHAO M H ， et al . Secure multi-party computation： theory， practice and applications ［J］. Information Sciences ， 2019 ， 476 ： 357 - 372 .

LU Y ， ZHU M H . Privacy preserving distributed optimization using homomorphic encryption ［J］. Automatica ， 2018 ， 96 ： 314 - 325 .

王保义，胡恒，张少敏 . 差分隐私保护下面向海量用户的用电数据聚类分析［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 2 ）： 121 - 127 .

WANG Baoyi ， HU Heng ， ZHANG Shaomin . Differential privacy protection based clustering analysis of electricity consumption data for massive consumers ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 2 ）： 121 - 127 .

TIAN N F ， GUO Q L ， SUN H B ， et al . Fully privacy-preserving distributed optimization based on secret sharing ［EB/OL］. ［ 2022-02-22 ］. https：//doi.org/10.36227/techrxiv.15087774.v1 https://doi.org/10.36227/techrxiv.15087774.v1 .

许春香 . 安全秘密共享及其应用研究［D］. 西安：西安电子科技大学， 2003 .

XU Chunxiang . Research of secure secret sharing and its applications ［D］. Xi'an ： Xidian University ， 2003 .

HUO X ， LIU M X . Privacy-preserving distributed multi-agent cooperative optimization—paradigm design and privacy analysis ［J］. IEEE Control Systems Letters ， 2022 ， 6 ： 824 - 829 .

李宗育，桂小林，顾迎捷，等 . 同态加密技术及其在云计算隐私保护中的应用［J］. 软件学报， 2018 ， 29 （ 7 ）： 1830 - 1851 .

LI Zongyu ， GUI Xiaolin ， GU Yingjie ， et al . Survey on homomorphic encryption algorithm and its application in the privacy-preserving for cloud computing ［J］. Journal of Software ， 2018 ， 29 （ 7 ）： 1830 - 1851 .

HAN S ， TOPCU U ， PAPPAS G J . Differentially private distributed constrained optimization ［J］. IEEE Transactions on Automatic Control ， 2017 ， 62 （ 1 ）： 50 - 64 .

PaillierCrypto-matlab-master ［EB/OL］. ［ 2022-02-22 ］. https：//github.com/martin-kaluz/PaillierCrypto-matlab https://github.com/martin-kaluz/PaillierCrypto-matlab .

何宇斌 . 电-气综合能源系统的随机优化和分布式调度研究［D］. 杭州：浙江大学， 2019 .

HE Yubin . Research on stochastic optimization and decentralized dispatch for integrated electricity-natural gas system ［D］. Hangzhou ： Zhejiang University ， 2019 .

KARGARIAN A ， FU Y ， LI Z Y . Distributed security-constrained unit commitment for large-scale power systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2015 ， 30 （ 4 ）： 1925 - 1936 .

STEPHEN B ， NEAL P ， ERIC C ， et al . Distributed optimization and statistical learning via the alternating direction method of multipliers ［M］. Boston， USA ： Now Foundations and Trends ， 2011 .

苏盛，吴长江，马钧，等 . 基于攻击方视角的电力CPS网络攻击模式分析［J］. 电网技术， 2014 ， 38 （ 11 ）： 3115 - 3120 .

SU Sheng ， WU Changjiang ， MA Jun ， et al . Attacker's perspective based analysis on cyber attack mode to cyber-physical system ［J］. Power System Technology ， 2014 ， 38 （ 11 ）： 3115 - 3120 .

徐唯耀，秦浩 . 电力信息化中数据加密技术的应用［J］. 电工技术， 2020 （ 4 ）： 121 - 122 .

XU Weiyao ， QIN Hao . Application of data encryption technology in power information ［J］. Electric Engineering ， 2020 （ 4 ）： 121 - 122 .

周元刚，刘绚，张波 . 基于多阶段传输的智能变电站安全通信策略［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 22 ）： 105 - 114 .

ZHOU Yuangang ， LIU Xuan ， ZHANG Bo . Security communication strategy for smart substation based on multi-stage transmission ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 22 ）： 105 - 114 .

李华杰 . 长输管道SCADA系统数据安全研究——以中亚天然气管道为例［J］. 自动化技术与应用， 2016 ， 35 （ 11 ）： 118 - 121 .

LI Huajie . Research of data security of SCADA system for long pipeline based on trans Asia gas pipeline ［J］. Techniques of Automation and Applications ， 2016 ， 35 （ 11 ）： 118 - 121 .

倪明，颜诘，柏瑞，等 . 电力系统防恶意信息攻击的思考［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 5 ）： 148 - 151 .

NI Ming ， YAN Jie ， BAI Rui ， et al . Power system cyber attack and its defense ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 5 ）： 148 - 151 .

LIANG X Y ， LI Z G ， HUANG W J ， et al . Relaxed alternating direction method of multipliers for hedging communication packet loss in integrated electrical and heating system ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2020 ， 8 （ 5 ）： 874 - 883 .

CHEN S ， CONEJO A J ， SIOSHANSI R ， et al . Unit commitment with an enhanced natural gas-flow model ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 5 ）： 3729 - 3738 .

HE Y B ， YAN M Y ， SHAHIDEHPOUR M ， et al . Decentralized optimization of multi-area electricity-natural gas flows based on cone reformulation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2018 ， 33 （ 4 ）： 4531 - 4542 .

ERDENER B C ， PAMBOUR K A ， LAVIN R B ， et al . An integrated simulation model for analysing electricity and gas systems ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2014 ， 61 ： 410 - 420 .

FANG J K ， ZENG Q ， AI X M ， et al . Dynamic optimal energy flow in the integrated natural gas and electrical power systems ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2018 ， 9 （ 1 ）： 188 - 198 .

王珏，杨勇，吴立强，等 . 支持双向选择聚合的智能电网隐私保护方案［J］. 科学技术与工程， 2021 ， 21 （ 28 ）： 12166 - 12174 .

WANG Jue ， YANG Yong ， WU Liqiang ， et al . Privacy-preserving data aggregation scheme for grid smart with Bi-directionality and selectivity ［J］. Science Technology and Engineering ， 2021 ， 21 （ 28 ）： 12166 - 12174 .

LIU C ， SHAHIDEHPOUR M ， FU Y ， et al . Security-constrained unit commitment with natural gas transmission constraints ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2009 ， 24 （ 3 ）： 1523 - 1536 .

DAVIS D ， YIN W . Convergence rate analysis of several splitting schemes ［M］. Cham， Switzerland ： Springer ， 2014 .

BASTIANELLO N ， TODESCATO M ， CARLI R ， et al . Distributed optimization over lossy networks via relaxed Peaceman-Rachford splitting： a robust ADMM approach ［C］// 2018 European Control Conference （ECC）， June 12-15 ， 2018 ， Limassol， Cyprus ： 477 - 482 .

ROALD L A ， SUNDAR K ， ZLOTNIK A ， et al . An uncertainty management framework for integrated gas-electric energy systems ［J］. Proceedings of the IEEE ， 2020 ， 108 （ 9 ）： 1518 - 1540 .

ZIMMERMAN R D ， MURILLO-SÁNCHEZ C E ， THOMAS R J . MATPOWER： steady-state operations， planning， and analysis tools for power systems research and education ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2011 ， 26 （ 1 ）： 12 - 19 .

王荣志 . 电力自动化无线通信中的信息安全研究［D］. 北京：华北电力大学， 2008 .

WANG Rongzhi . The analysis of data security algorithm for wireless communication of electric power automation ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2008 .

李治 . 电力系统信息安全关键技术的研究［D］. 武汉：武汉大学， 2004 .

LI Zhi . The research of key technique on the network security for power system ［D］. Wuhan ： Wuhan University ， 2004 .

闵兆娥 . 并行同态加密算法及其应用研究［D］. 南京：南京邮电大学， 2020 .

MIN Zhaoe . Research on parallelization of homomorphic encryption algorithm and its applications ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Posts and Telecommunications ， 2020 .

王丹丹 . 安全加密即时通信系统的设计与实现［D］. 北京：中国科学院大学， 2020 .

WANG Dandan . Design and implementation of secure encrypted instant messaging system ［D］. Beijing ： University of Chinese Academy of Sciences ， 2020 .

李孟天，胡斌 . 基于批处理技术的RLWE全同态加密方案［J］. 计算机科学， 2019 ， 46 （ 3 ）： 209 - 216 .

LI Mengtian ， HU Bin . RLWE-based fully homomorphic encryption scheme with batch technique ［J］. Computer Science ， 2019 ， 46 （ 3 ）： 209 - 216 .

苏斌 . 智能电网时代电力信息通信技术的应用和研究［D］. 北京：华北电力大学， 2015 .

SU Bin . Research and application on information and communication technology of the smart grid ear ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2015 .

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