面向网络攻击的电力信息物理系统风险量化评估研究综述

针对网络攻击严重威胁电力系统安全运行的现状,文中对面向网络攻击的电力信息物理系统风险量化评估问题展开分析。本文从由网络攻击造成的典型停电事故出发,阐述电力信息物理系统的风险来源及传播机理。然后对比传统信息系统及电力系统,对电力信息物理系统风险量化评估的特点展开讨论,并进一步基于节点风险概率、风险传播概率和物理量损失量三个方面,对电力系统风险量化计算方法进行分析总结。最后,面向网络攻击的发展方向,对未来研究提出建议和展望。In view of the current situation that cyber attacks pose a serious threat to the safe operation of power systems, this paper analyzes the quantitative risk assessment of cyber-physical power systems for cyber attacks. Based on the typical power outages caused by cyber attacks, the sources of risk and the mechanisms of risk propagation within cyber-physical power systems is elucidated. Then, compared with traditional information systems and power systems, the distinctive characteristics of risk quantification assessment for cyber-physical power systems are discussed. Furthermore, based on nodal risk probability, risk propagation probability, and physical quantity loss, the quantitative risk calculation methods for power systems is summarized. Finally, facing the development direction of network attacks, suggestions and prospects for future research are proposed.

CPS系统物理实体时空一致性建模与分析

CPS作为一个混合系统,是计算系统和物理系统的集中体现,注重计算进程和物理进程行为一致性分析与刻画。传统建模方式只针对物理进程和计算进程进行单一建模,难以满足CPS物理实体状态转移时空一致性的要求,在此基础上提出一种新的建模方法。将CPS时空状态转移融合成一个状态转移实时时空事件,并在时间Petri网基础上引入空间标签,建立时空Petri网模型,利用时空Petri网对物理实体状态转移过程进行分析。最后通过列车控制系统实例进一步分析了时空模型的有效性,从而例证了该方法的可行性。

配电网信息物理系统(CPS)的初步探讨

物理信息融合系统是融合了计算系统、物理系统、通信网络的多维复合系统,能够实现电力系统与信息系统的深度融合。本文首先阐述了配电网CPS的概念、组成以及功能,最后讨论了要构建配电网CPS系统还需继续研究的若干问题。

基于深度强化学习的空天地一体化网络信息物理系统垂直切换策略

针对空天地一体化网络信息物理系统模型复杂、很难获得网络拓扑先验知识和模型化假设的特点,研究其基于深度强化学习的垂直切换策略。首先,综合考虑系统稳定性、切换开销和网络使用成本约束,将垂直切换策略问题建模为约束马尔可夫决策过程(CMDP),并给出保证可行解存在的充分条件;其次,提出约束-近端策略优化(CPPO)算法解决该问题,并在基站侧引入分布式强化学习机制加速训练收敛。相较于基准策略,仿真验证了所提垂直切换策略的优越性和有效性。

信息物理系统(CPS)安全技术研究

1信息物理系统简介1.1 CPS产生的背景当前,网络信息技术的飞速发展以及与工业领域的深度融合,在科技与经济发展的双重推动下,促进了CPS的诞生。·CPS最早在2006年美国政府发布的《美国竞争力计划》中提出,同年10月,美国国家自然科学基金会（Nation Science Foundation,NSF）将CPS列为美国未来八大关键信息技术的首位。·2010年美国总统科技顾问委员会明确将其列为美国政府应当优先关注的技术之一。·德国政府2011年11月公布的《高技术战略2020》中的一项重要战略是＂工业4.0＂,

考虑网络重构和应急资源的灾后配电网信息物理系统协调恢复方法

近年来,极端天气灾害频发给配电网信息物理系统造成了严重影响,因此,灾后配电网和信息网的协调恢复至关重要。为减小灾后系统的损失,提出了一种以系统损失成本最小为目标的配电网信息物理系统灾后多源协调恢复方法。基于配电网和信息网的耦合建立系统灾后协调恢复模型,综合考虑分布式发电机组、储能设备、网络重构、移动应急资源等措施来加快负荷的恢复;在此基础上考虑新能源出力的不确定性,提出基于信息间隙决策理论的配电网信息物理系统灾后多源协调恢复方法;采用IEEE 33节点配电网和21节点信息网仿真验证了所提方法的有效性。

基于频域控制约束的物理神经网络非线性系统预测方法

针对现有物理信息神经网络利用数值模拟近似物理控制方程带来的高计算代价、边界条件限制等问题,提出一种基于频域控制约束的物理神经网络非线性系统预测方法。首先构建时序特征交替更新的非线性预测网络模型,再在频域建立基于傅里叶谱方法(FSM)的物理控制方程约束,时空数据在网络模型与频域控制约束耦合下实现无标签数据加速训练,完成系统演化学习。最后在Burgers系统上进行湍流预测验证,实验结果表明该方法可在物理规则约束下实现无标签非线性复杂建模,对比主流PINN模型及其变体,具有更快的学习速度与预测准确率。在t≤0.25 s、t≤0.5 s短时预测情况下,经前期20次训练后系统预测均方误差(MSE)相比主流基准模型同期预测,MSE降低了86%与95%,在t≤2 s长时预测情况下,经充分训练后系统预测MSE能降低80%。

基于系统动力学的民航CPS网络风险评估

为解决民航信息物理系统网络风险评估中风险的时间依赖性及复杂的耦合效应,以航油自控系统为例,提出一种基于系统动力学与关联分析相结合的评估方法.首先定义系统动力学表达式,利用系统安全状态函数达成评估目标一致性.进一步结合软因素将风险系统划分为网络风险、业务风险、人为风险和管理风险四个子系统,使用轻量级控件规则定义风险耦合,最后使用Vensim进行仿真分析.结果表明,基于系统动力学的网络风险评估方法相比于传统方法更关注风险耦合,评估结果更具有实时性,为解析风险动态演化机制、从根本上降低航油自控系统网络风险提供了科学依据.

电力信息物理系统的网络攻击建模、演化规律及应对成本研究

随着电网信息层和物理层的不断融通发展,信息流交互频繁,电力信息物理系统(CPS)面临巨大安全挑战,针对信息层的网络攻击传播至物理层,极易导致整个电力系统的崩溃。基于电力CPS的双层耦合结构,运用传播演化理论建立了一类新型的SIA IB RA RB网络攻击传播模型,描述了网络攻击在电力网络节点中的传播行为。运用动力学分析方法分析网络攻击对电力CPS的攻击力和影响范围,提供预判网络攻击破坏力的具体算法;运用偏秩相关系数法和三维关联偏微分方法对系统参数进行敏感度分析,研究发现电力CPS的网络结构和传播概率对网络安全性至关重要,通过2个仿真模拟验证了上述理论结果的正确性。以南方电网有限公司历次典型设计和典型造价为例,梳理了电力系统网络安全防护体系实际建设费用变化趋势,建议从3个角度对安全防护体系进行精准定位建设,在降低电力CPS造价成本的同时保证系统的安全性。研究结果可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。

基于CPS系统的网络入侵检测方法

有效防御信息物理系统(CPS)的网络入侵是网络安全的难点问题。以化工厂危险化学品信息物理系统为背景,为了解决CPS系统中IP/TCP加密协议的网络安全问题,提出了信息增益KLIC与极限学习机(ELM)融合的CPS系统入侵检测方法。KLIC对特征进行筛选实现数据降维处理。为了使ELM更好地识别网络异常行为,使用粒子群优化算法对参数进行优化。仿真结果表明:所提方法从实际应用角度解决CPS网络安全问题,在识别网络入侵行为有较高的准确率,具有较好的应用前景。

基于信息物理双侧数据的配电网CPS窃电检测方法

高比例量测设备的广泛应用为配电网信息物理系统(CPS)带来了大量信息侧网络攻击风险,其中以获取经济利益为目的的窃电攻击严重危害了电力公司的应得利益。现有窃电检测方法中,数据驱动方法与模型驱动方法单独应用时都存在一定的局限性,无法有效降低输出结果的误报率。提出了一种基于信息物理双侧数据的配电网CPS窃电检测方法。首先对配电台区物理侧量测的线损序列进行监测,确定异常用电行为的时段;其次将配电台区信息侧用户传输的多参数用电数据以周为单位送入卷积神经网络进行疑似窃电用户排查;最后利用时间距离加权皮尔逊相关性算法,根据窃电时段内的台区线损序列和窃电用户电力消耗数据序列之间存在的负相关性,对窃电检测模型的输出结果进行窃电嫌疑二次筛查。基于IEEE 33节点系统对配电网运行过程进行仿真,输出用于分析和构建检测方法的正异常用户电力消耗多参数数据。对比试验结果表明,与其他方法相比,该检测方法具有可靠性更高、可解释性更强的窃电判据,能够在提高准确率的同时进一步降低数据驱动模型检测结果的误报率。

计算机发展的下一个主题——信息-物理融合CPS系统

一、CPS系统简介 信息物理融合系统CPS（Cyber—Physical System）是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务（见图1）。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。

面向硕士研究生的信息物理系统(CPS)与智能工厂课程教学中案例教学法的应用

为了提高课程教学效果和研究生培养质量,文章研究了案例教学法的应用,以研究生专业课程信息物理系统(CPS)与智能工厂为例,阐述了课程案例的设计、课程案例的实践过程和案例库使用效果。

空中交通CPS结构特性及韧性评估

针对空中交通体系结构复杂、耦合性强、脆弱性高的特点,为缓解因受扰导致的级联失效现象,对其结构韧性进行研究。建立了空中交通信息物理系统(CPS)模型,提出同层度与层间度、同层介数与层间介数等指标,分析级联失效过程;提出空中交通CPS韧性的概念,并采用定量评估方法对受损能力和恢复能力进行度量;对比不同扰动-恢复策略下的空中交通CPS表现,制定最佳恢复策略,提高受扰时的韧性。以华东地区空中交通CPS为例进行分析,结果表明:空中交通CPS网络度分布服从幂率分布,介数服从指数分布;在基于介数度值扰动下,采用介数恢复策略可以有效提高受扰时空中交通CPS的韧性。

电力信息物理融合系统环境中的网络攻击研究综述

电力信息物理融合系统(CPS)借助大量传感设备与复杂通信网络使现代电力系统形成一个实时感知、动态控制与信息服务的多维异构复杂系统。信息流交互使得电网面临更多潜在威胁。近年来频发的网络攻击影响电网稳定运行事件敲响了电力系统安全的警钟。目前,国内对电力CPS网络攻击方面的研究尚处于起步阶段。文中首先提出了电力CPS领域中网络攻击的定义,从通信网络覆盖范围和网络攻击目的对攻击行为进行分类;其次,从发、输、配、用电侧4个环节归纳和分析了电力CPS网络攻击典型场景;最后,对国内电力CPS网络攻击研究现状进行了总结与展望。

相依网络理论及其在电力信息–物理系统结构脆弱性分析中的应用综述

近年来,全球发生的多起交互连锁故障停电事故促使研究人员从一体化建模分析的角度对物理电网与信息通信网间的相互影响进行深入研究。相互依存网络理论作为复杂网络理论的延伸,从宏观的角度解释了交互连锁故障的传播机理。该文在概述电力信息-物理相依网络的建模方法、现有的模型及脆弱性评估方法的基础上,重点对其结构脆弱性影响因素及保护策略的研究现状进行了总结归纳。最后,结合电力系统的发展需求和研究总结,展望了相关研究课题与方向。

电力信息物理系统中信息系统物理化的建模及分析方法

该文基于信息系统物理化的设想提出电力信息物理系统(cyber-physical power system,CPPS)中的信息流建模和计算分析方法。采用连续时间函数来刻画信息流的特征,并定义信息网络运行参数为流量累积函数、信息流速和时延。首先,基于遍历法搜索出信息流路径,建立信息流速矩阵的范式;然后利用改进的网络演算(network calculus,NC)特性赋值流速矩阵的元素;进一步采用流量累积函数表征信源数据发送规律,从而显式求解时延上界。最后将提出的信息流建模方法应用于智能变电站自动化系统的时延计算,通过与OPNET的仿真结果相比较,验证所提出模型的有效性,而且该方法可以提供定量分析指标以优化变电站组网方案设计中的信息流分布。

复杂网络理论在电力CPS连锁故障研究中的应用综述

历次大停电事故表明,电网中单一元件故障是导致电力信息物理系统(cyber physical system,CPS)连锁故障的主要原因。因此,探寻电力系统信息网与电力网的交互机理,建立电力CPS耦合网络模型、研究电力CPS连锁故障传播及演化过程,对保障电力系统安全和稳定运行具有重要的理论现实意义。文章首先从电力CPS建模、仿真、蓄意攻击及安全分析方法 4个方面梳理了电力CPS研究现状;然后从影响电力CPS连锁故障建模分析的4个方面,重点综述了复杂网络理论在电力CPS连锁故障研究中的应用,并分析了已有研究成果的优点和不足;最后,结合电力系统发展需求,指出了相关研究课题及研究方向。

电力信息物理系统网络攻击与防御研究综述(一)建模与评估

在电网转变为电力信息物理系统(电力CPS)的过程中,信息侧和物理侧体现出明显的相互依赖性,信息侧作为通信、计算、控制的支撑性组成部分,在电力CPS安全可靠运行中具有重要的地位。而针对电力CPS的恶意网络攻击行为在近年来不断发生,引发关注,大量针对电力CPS的网络攻击研究取得了一些成果。针对当前的电力CPS网络攻击研究,从攻击建模和电力CPS安全性评估方面进行了归纳和整理,对已有方法进行分析,明确了研究课题的问题本质。随后结合电力CPS的特点和发展趋势,指出当前研究的不足,提出需要关注的问题和可能的解决方法,以完善电力CPS恶意网络攻击研究。

电力信息物理系统网络攻击与防御研究综述(二)检测与保护

从针对电力信息物理系统(电力CPS)网络攻击的检测和保护两个方面,对当前国内外研究进行了梳理和归纳,发掘相关研究问题的本质和目的。在检测方面,介绍了基于偏差和特征的防御检测实现思路及其在信息侧和物理侧的实践方法;在保护方面,介绍了以被动防御为主的信息侧保护方法和基于资源配置和校正控制的物理侧保护方法。在现有研究基础上,对电力CPS网络攻击的检测和保护领域关键技术进行了提炼,并对未来研究方向进行了展望。