电力信息物理系统跨域攻击协同防御架构及机制研究

我国电力基础设施已经发展成为具有高度信息化、自动化、智能化特征的信息物理融合系统.信息-物理交互在显著提升电力供给效率和性能的同时,也引入了新型网络安全威胁,通过发生于信息域并明确作用于物理域的跨域攻击,可造成电力基础设施系统性瘫痪,继而引发大面积停电事故,而当前孤立的信息侧或物理侧防御体系难以有效应对跨域攻击威胁.本文介绍了电力系统面临的信息物理跨域攻击威胁现状,分析了传统防御方法面对跨域攻击时存在的不足,提出了一种信息物理协同的跨域攻击防御架构,在针对跨域攻击传播的不同阶段,从感知、辨识、阻断三个角度设计了防御方法,通过算例验证了所提信息物理协同防御架构能够有效保障电力系统安全稳定运行.

基于深度强化学习的多阶段信息物理协同拓扑攻击方法

随着智能电网的发展及通信设备不断引入到信息物理系统(cyber physical system,CPS)中,CPS正面临一种破坏性更强的新型攻击方式——信息物理协同攻击(coordinated cyber physical attack,CCPA),其隐蔽性与威胁性易导致系统出现级联故障。首先,基于攻击者的视角,提出一种多阶段信息物理协同拓扑攻击模型,单阶段的物理攻击使线路中断,双阶段的网络攻击分别用来掩盖物理攻击的断开线路和制造一条新的虚假断开线路。其次,结合深度强化学习(deep reinforcement learning,DRL)理论,提出一种基于深度Q网络(deep Q-network,DQN)的最小攻击资源确定方法。然后,给出攻击者考虑上层最大化物理攻击效果和下层最小化攻击代价的具体模型及求解方法。最后,以IEEE 30节点系统为例,验证了所提多阶段攻击模型的有效性。仿真结果表明,多阶段信息物理协同拓扑攻击较单一攻击更加隐蔽且有效,对电网的破坏程度更大,为防御此类攻击提供了参考。

考虑电压控制的信息物理协同攻击模型

随着电力信息物理系统的高度融合,信息物理协同攻击对电网的运行构成巨大的威胁。基于完全信息下的攻防策略,构建了考虑电压控制的两阶段协同攻击模式。首先分析了针对电压控制的虚假数据注入攻击;然后建立了信息物理协同攻击双层优化模型,上层模型优化物理和信息攻击点;为考虑物理攻击后果对信息攻击实施的影响,下层为模拟物理和信息攻击下的二阶段攻防模型;最后,以改进的IEEE14、IEEE57节点系统为例,对所提模型进行仿真验证。仿真结果表明,协同攻击较单一打击更加有效、隐蔽,物理攻击点的选择和系统负荷的大小都能影响协同攻击的效果;并揭示了随机物理打击下最优信息打击点的特征,为防御此类协同攻击提供参考。

电力信息物理融合系统的网络-物理协同攻击

随着智能电网的发展及智能设备不断引入电力信息物理融合系统(CPPS)中,CPPS面临一种新的攻击方式--网络-物理协同攻击(CCPAS)。这种攻击方式既隐蔽又可引发连锁故障,易造成大规模停电事故。首先,阐述CPPS遭受CCPAS的基本形式,在直流潮流模型下构建考虑状态估计约束的CCPAS模型。然后,探讨CCPAS的机理,以攻击者的角度分析规避状态估计监测后最大范围的攻击,分析CCPAS情景下CPPS的脆弱线路。最后,以IEEE 14、118节点系统为例,通过仿真计算验证模型的有效性、适用性,对比分析考虑状态估计约束后物理攻击的限制。

目标冲突下电力信息物理协同攻击分析

电力信息物理协同攻击(coordinated cyber physicalattack,CCPA)是智能电网面临的新型网络攻击之一,攻击者和调度中心目标分别为最大化和最小化攻击效果,两者目标相互冲突。以直流潮流模型为基础,首先建立基于虚假数据攻击的电力信息物理协同攻击数学表达式,用于表征量测单元中注入的虚假数据、攻击前后电力系统拓扑和电气参数之间的关系。然后,考虑攻击者的目标在于最大化攻击破坏效果,基于双层规划理论建立考虑攻击者和调度中心交互关系的电力信息物理协同攻击分析模型。最后,采用KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件和Fortuny-Amat-McCarl方法,将双层规划模型转化为单层混合整数线性规划模型。以IEEE14节点测试系统为例,仿真结果表明,电力信息物理协同攻击通过在量测单元中注入虚假数据重新分配母线负荷,并倾向于增加负荷需求较大的母线负荷,造成切负荷,最终影响电力系统的运行状态。与负荷重分配攻击和物理攻击相比,电力信息物理协同攻击不仅可以增加发电机出力成本和切负荷损失,而且可能导致更多线路过载。同时,量测单元在双层规划模型解中出现的次数可以表征该量测单元的脆弱程度,出现次数越多,则该节点越脆弱。

面向协同信息攻击的物理电力系统安全风险评估与防御资源分配

乌克兰大停电事故表明,对电力信息网实施协同信息攻击将严重威胁电力信息物理系统(electric cyber physical system,ECPS)的安全,提出一种面向协同信息攻击的ECPS风险评估及防御资源分配方法具有现实意义。在分析信息攻击对物理电网的破坏机制与ECPS的信息攻击防御措施的基础上,从攻防博弈角度提出了协同信息攻击的概率表达。然后综合考虑信息攻击的成功率与破坏程度,给出了面向协同信息攻击的ECPS风险计算公式。最后,根据风险计算公式,提出了既定风险情况下的防御资源需求值确定方法与有限防御资源情况下的资源优化分配方法。并将上述方法应用于以10机39节点系统为基础的ECPS,验证了方法的有效性。

考虑负荷数据虚假注入的电力信息物理系统协同攻击模型

随着电网信息层与物理层的耦合程度越来越高,配合良好的信息物理协同攻击将对电网造成巨大的威胁。为了更好地保障电网的安全稳定运行,在信息物理高度融合的背景下,提出了一种考虑负荷数据虚假注入的双层协同攻击模型。以广泛应用的基于残差分析的不良数据检测原理为基础,制定网络攻击与物理攻击资源分配约束;以考虑权重的负荷削减期望为损失度量指标,给出了上层攻击者最大化损失和下层防御者最小化损失的具体模型及求解方案;基于修改的IEEE 14节点系统进行了定量分析,得到了不同状态下攻击者的最优攻击方案,为电网防御者在信息物理协同攻击威胁下制定新的防御方案提供参考。

考虑电-气耦合系统连锁故障的多阶段信息物理协同攻击策略

针对电-气耦合系统在恶意攻击下的风险分析,提出了一种计及电-气耦合系统连锁故障的信息物理多阶段协同攻击策略。为了诱导调度人员做出错误调度决策和降低电网的安全裕度,提出了一种以最大化线路过载程度为目标的改进负荷重分配(LR)攻击模型。综合考虑天然气系统与电力系统的调度时间尺度差异,构建一种新型的电-气耦合系统多阶段协同攻击策略:初始阶段通过攻击气网侧气源或管道以影响电-气耦合节点的天然气机组状态,然后针对电力系统交替采用改进LR攻击和物理攻击,最终导致大规模连锁停运。基于Q-Learning提出了最优策略求解算法,以比利时20节点天然气系统和IEEE30节点系统为算例,验证了所提信息物理协同攻击模型的正确性和有效性。

DoS攻击下信息物理系统的分布式协同控制

针对具有复杂非线性动态的信息物理系统(CPS)在拒绝服务(DoS)攻击下的跟踪协同控制问题,提出了一种分布式间歇控制方法。首先,将CPS建模为一类二阶非线性多智能体系统,通过在控制器中引入间歇机制来设计分布式控制器。其次,使用驻留时间分析方法对DoS攻击的持续时间和频率进行了详细分析,以保证DoS攻击下系统可以实现跟踪协同。此外,通过构造合适的李雅普诺夫函数和利用数学归纳法,分析所得误差系统的稳定性,最终得到跟踪协同的充分条件。值得注意的是,该结果为控制增益的设计提供了更高的灵活性。最后,通过仿真验证了所提理论结果的有效性和可靠性。

分布式协同控制模式下配电网信息物理系统脆弱性评估

分布式协同控制模式的提出,为解决未来配电网信息物理系统(CPS)中高密度、强随机性分布式电源接入问题提供了途径。但同时,配电网CPS信息物理高度融合的特点也方便了网络攻击者通过信息系统威胁电力系统的安全稳定运行。据此,提出一种基于动态攻防博弈的分布式协同控制模式下配电网CPS脆弱性评估方法。首先,阐述了一种分布式电源等输出比协同控制策略,并对其收敛特性进行了分析和总结。其次,基于CPS风险评估框架,结合分布式电源协同控制策略及实际网络攻防策略的特点,提出配电网CPS风险评估模型;在此基础上,设计动态攻防博弈函数及博弈求解步骤,实现对于分布式协同控制模式下配电网CPS脆弱性的量化评估。最后,基于IEEE 34节点配电系统开展仿真测试,验证了所提方法的有效性。

基于协同交互型观测器的虚假数据注入攻击信号重构方法

针对信息物理系统中传感器和执行器虚假数据注入攻击现象,利用观测器技术研究对该攻击信号的重构问题。由于防守者难以直接利用攻击信号的估计误差,导致难以准确估计攻击信号,借助系统输入输出数据建立包含攻击估计误差信息的虚拟辅助系统,利用协同交互策略构建一类协同交互型观测器,该观测器通过与虚拟辅助系统间的协同交互,利用攻击信号的估计误差信息来提高攻击信号的重构精度,获得更加准确的攻击信号。利用李雅普诺夫方法证明了重构的攻击信号收敛于真实攻击信号周围的紧集内。通过数值仿真验证了新方法的有效性。

容忍阶段性故障的协同网络攻击引发电网级联故障预警方法

为了准确预警由协同网络攻击引发的电网级联故障(CFCC),提出了一种容忍阶段性故障的预警方法。首先,通过分析CFCC预警的目标,提出阶段性故障容忍的原则并论述基于该原则的CFCC预警原理。然后,设计容忍阶段性故障的CFCC预警方法。该方法依据预警初始时刻的网络攻击观测序列辨识各种潜在CFCC以构造预警解集合。文中利用动态计算的网络攻击预测误差与阶段性故障观测误差作为预警的信息物理协同判据,这样可以逐渐缩小预警解集合的规模以判别CFCC类型及演化趋势,并分析该方法对CFCC主动防御有效性的提升。最后,通过典型CFCC仿真与预警的实验结果验证了该方法的有效性。

应对协同攻击的电力系统发输电拓展随机规划

随着能源互联网和智能电网的大力发展,中国电力系统已经发展成为一个复杂的信息物理系统,其遭受各种恶意攻击的风险大幅增加。为了保证电力系统的安全可靠运行,对各类恶意攻击进行建模并提出针对性的防御措施具有重要的现实意义。文中针对信息物理协同攻击提出了一个防御性随机规划模型,模型以攻击导致的削负荷期望量最小为目标函数,考虑多种协同攻击方案的影响,通过优化新增机组和线路达到防御攻击的目的。在建模过程中,首先在攻击人员的角度建立了协同攻击模型,并提出了协同攻击场景生成方法。然后,基于所生成的协同攻击场景提出了应对攻击的电力系统随机规划模型,并考虑了遭受攻击后运行人员以及规划人员视角下规划系统的运行情况。最后,基于改进IEEE RTS-79系统进行了算例分析,验证了所提模型的正确性和有效性。

配电网信息物理故障的耦合度计算方法

配电网信息物理系统(CPSDN)中信息系统和物理系统深度耦合,使得信息和物理故障可以相互耦合对配电网的运行造成影响。文中提出一种配电网信息物理故障的耦合度计算方法,从故障危害的角度评估信息与物理系统间的耦合程度。首先,在分析信息物理协同攻击(CCPA)对CPSDN影响的基础上,综合考虑攻击造成的故障危害及节点的防护水平,给出故障概率的计算方法。然后,通过节点耦合度(CDBN)对异构系统节点间故障的相关程度进行计算,并基于CDBN来计算节点与系统间耦合度(CDBNS)、系统间耦合度(CDBS)。最后,以一个包含3条馈线的配电系统作为算例,验证了所提计算方法的合理性和有效性。

支路与保护协同篡改的虚假拓扑攻击攻防博弈模型研究

虚假拓扑攻击作为一种特殊类型的虚假数据注入攻击,通过协同篡改支路量测数据与保护动作信息,影响控制中心对系统拓扑的实时感知从而干扰调度策略,对现代电力系统的安全经济运行造成了极大威胁。该文针对拓扑攻击开展深入研究,首先在分析虚假数据攻击作用机理的基础上,研究拓扑攻击的实施策略。此外,拓扑攻击者需协同篡改保护装置与断路器状态,因此考虑实际系统中的输电线路、变压器支路与母线保护配置,构建了针对实际系统保护配置的虚假拓扑攻击方案与模型。其次,建立了3层数学模型以反映拓扑攻击下防御者–攻击者–运行者三者间的动态博弈过程,并提出了基于交流状态估计的攻击向量快速转换方法。最后,采用IEEE 14节点算例描述博弈过程并分析不同情况下的系统关键支路。

DoS攻击下CPS容错控制与通讯协同设计

针对遭受拒绝服务(Denial-of-Service,DoS)攻击的信息物理系统(Cyber Physical System,CPS),研究了其基于离散事件触发通讯机制(Discrete Event-triggered Communication Scheme,DETCS)的容错控制与通讯协同设计问题。首先,为减少信息传递过程中通讯资源的浪费,引入DETCS,使网络带宽得到充分利用;接着,建立具有非均匀传输的CPS闭环模型,进而给出了DoS攻击下的CPS具有鲁棒和网络通讯协同设计的方法;最后,通过仿真算例验证了该方法的有效性。

攻击与故障共存的 ICPS 综合安全控制方法

针对同时存在假数据注入(FDI)攻击与执行器故障的工业信息物理融合系统(ICPS),在离散事件触发机制(DETCS)下,综合应用Lyapunov稳定性理论及更具少保守性的仿射Bessel-Legendre不等式,研究执行器故障与FDI攻击估计、综合安全控制与通讯协同设计问题.从主动防御攻击的态势入手,综合考虑通讯资源与计算资源的高效利用与合理分配,给出DETCS下的ICPS综合安全控制架构,将鲁棒估计器与综合安全控制器的设计统一于同一非均匀数据传输机制下.将执行器故障与FDI攻击增广为同一向量,给出系统状态、增广故障鲁棒估计器的设计方法.基于所得估计结果并结合事件触发条件,对执行和传感双侧网络中的FDI攻击分别采用分离与补偿的防御策略,对执行器故障进行故障调节,给出综合安全控制器设计方法,实现对FDI攻击和执行器故障主动容侵和主动容错的综合安全控制与通讯协同设计.通过数值算例和四容水箱实例,仿真验证了提出方法的有效性.

基于智能电网量测集受控随机化的移动目标防御方法

信息物理协同攻击利用网络攻击掩盖或者延长物理攻击的影响,对智能电网造成了极大威胁。为阻止协同的虚假数据注入攻击,暴露物理攻击的影响,提出了一种基于量测集受控随机化的移动目标防御方法。首先,形式化描述了量测值的选择需要满足的约束;其次,采用随机的量测集进行状态估计,使得攻击者关于电网的先验知识失效;最后,使用MATPOWER模拟器在IEEE标准系统上进行了大量的仿真,实验结果表明,该方法可以防止50%以上的状态被攻击。

考虑攻击方身份的电力监控系统网络安全风险分析

信息与物理系统的深度耦合使得网络攻击成为影响电力系统运行可靠性的重要因素。首先,从攻击方视角进行网路安全威胁风险分析,根据攻击者身份推断其可动用的资源,分析想要达成的攻击目的及可能采取的渗透入侵路径和破坏模式,为研制针对性的防护方法提供指导;其次,分析电力行业正在推进的可信计算、等级保护、安全态势感知等防御机制的缺陷,指出软、硬件系统的供应链安全威胁;然后考虑到攻击不同电力监控系统造成的风险水平和危害后果有所差异,从成功攻击可能性和危害后果2个维度构建电力系统网络攻击风险矩阵,并指出多目标协同攻击相比于单点攻击将使风险出现跃迁现象;最后,从国家支持型网络攻击可动用的资源和想要达成的攻击目的出法,提出2种高危潜在网络攻击破坏模式,并对其攻击实现过程和危害机制进行概要分析。

基于深度强化学习的电力CPS联合防御方案

为解决电力系统中可能发生的协同攻击事件,文章提出包含单点防御、级联防御和全局防御的三级联合防御模型,配合攻防推演模块和策略规约模块,能够实现针对电力系统协同攻击的有效防御。三级防御分析器分别基于攻击防御树、连锁故障和深度强化学习实现,其核心为基于多智能体行动者–注意力–评论家框架(multi-agent actor attention critic,MAAC)的全局防御分析模型,MAAC能够考虑攻击者与防御者之间的竞争协作关系进而给出防御策略,使其更加适合电力信息物理系统(cyber physical systems,CPS)复杂的攻防场景分析。实验采用IEEE总线系统为基础构造电力CPS,环境中的数据从实际电力系统引入,使MAAC的训练学习面向真实环境。实验结果表明,该模型在收敛速度和防御性能上均优于其他模型,证明所提出的联合防御模型能够有效提升电力CPS面对复杂协同攻击场景的防御能力。