LR攻击和TCSC接入对电力系统可靠性的影响分析

作为一种特殊的网络攻击形式,负荷重分配LR(load redistribution)攻击受到了越来越多的关注,同时可控串联补偿器TCSC(thyristor controlled series compensation)在实际电网中得到了广泛的应用。为此,研究了LR攻击和TCSC接入对电力系统运行可靠性的影响。分析了LR攻击的作用原理,建立了考虑LR攻击和TCSC接入的系统负荷削减双层优化模型;提出了基于非序贯蒙特卡洛模拟的考虑LR攻击和TCSC接入的可靠性评估算法,并定义了反映LR攻击严重程度的评价指标。以IEEE RTS79修改系统为例进行了算例分析,算例结果验证了提出的负荷削减模型和可靠性评估算法的正确性。

针对负荷重分配攻击的移动目标防御策略

负荷重分配攻击考虑电力系统实际设备配置及实际运行情况,通过篡改负荷量测对电力系统安全稳定运行造成威胁。提出一种基于拓扑变换的移动目标防御方法,通过变换系统拓扑结构破坏攻击者对电力系统信息的掌握程度,实现对负荷重分配攻击的防御,为电力系统安全可靠运行提供保障。首先,建立负荷重分配双层优化模型,对攻击策略进行分析;然后,分析拓扑结构的优化重构方式,建立拓扑结构变换的优化模型;最后,将拓扑结构优化算法与状态估计相结合实现移动目标防御,完成对负荷重分配攻击的检测。在IEEE 14节点系统中对所提方法进行了测试与分析,算例证明基于拓扑变换的移动目标防御方法能够对负荷重分配攻击进行有效防御,增强电力系统的抗攻击能力。

基于博弈论的负荷重分配攻击风险评估模型

为了评估网络攻击风险,基于博弈论的方法构建负荷重分配攻击风险的双层评估模型。对虚假数据攻击和负荷重分配攻击进行介绍,并基于博弈论的方法构建负荷重分配攻击风险的双层优化模型。采用KKT条件将双层优化模型转化为单层线性规划模型,并在IEEE 14节点系统和IEEE 30节点系统上进行仿真实验分析,以评估电力系统负荷重分配攻击风险。最后就如何预防和抵御负荷再分配攻击提供了建议。

考虑网络负荷重分配攻击的变电站运行安全可靠性分析

为了进一步降低网络负荷重分配(network load redistribution, NLR)攻击对变电站线路停运的影响,设计了一种考虑NLR攻击的变电站可靠性评估流程。分析NLR负荷攻击方案,设置线路潮流相依姿态下实时停运模型,根据最优负荷削减过程来确定系统安全状态,并以IEEE 14节点为例进行算例分析和可靠性评估。结果表明:受到NLR攻击后会形成不同节点负荷分布状态。随着攻击资源数提高,NLR攻击会引起负荷削减。不同NLR攻击场景下,考虑线路停运会增强负荷削减结果可靠性。所提方法提高了变电站运行安全可靠性指标,有助于电力系统信息化建设。

考虑负荷重分配攻击的电力系统运行可靠性评估

负荷重分配(load redistribution, LR)攻击对线路的实时停运模型和最优负荷削减模型均会产生影响。现有研究忽略LR攻击对线路实时停运模型的影响,因此无法准确反映LR攻击下的电力系统运行风险。为此,分析了LR攻击原理,建立了考虑LR攻击对线路实时停运和系统最优负荷削减双重影响的运行可靠性模型。并提出了考虑LR攻击双重影响的电力系统运行可靠性评估方法。以IEEE14节点修改系统为例进行算例分析。算例结果表明:LR攻击对系统运行人员的调度行为会产生较大影响,LR攻击下运行人员非最优调度引起的负荷削减量与攻击资源数目有关;LR攻击可能导致部分线路的实时停运概率增加,从而使得系统实时运行可靠性降低。该研究能为信息物理融合电力系统的规划设计和调度运行提供参考。

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。

Detection and Localization of Load Redistribution Attacks on Large-scale Systems

A nearest-neighbor-based detector against load redistribution attacks is presented.The detector is designed to scale from small-scale to very large-scale systems while guaranteeing consistent detection performance.Extensive testing is performed on a realistic large-scale system to evaluate the perfor-mance of the proposed detector against a wide range of attacks,from simple random noise attacks to sophisticated load redistribution attacks.The detection capability is analyzed against different attack parameters to evaluate its sensitivity.A statistical test that leverages the proposed detector is introduced to identify which loads are likely to have been maliciously modified,thus,localizing the attack subgraph.This test is based on ascribing to each load a risk measure(probability of being attacked)and then computing the best posterior likelihood that minimizes log-loss.

考虑负荷重分配攻击和脆弱线路防御的发输电系统可靠性评估

负荷重分配(LR)攻击是一种特殊的网络攻击形式,对LR攻击进行建模并研究其对电力系统运行的影响具有重要的现实意义。首先,对LR攻击过程进行了分析,并基于半马尔可夫链建立了LR攻击的随机过程模型;其次,对LR攻击作用下攻击者与调度员之间的交互作用过程进行分析,建立了考虑LR攻击的发输电系统负荷削减模型;然后,从保护关键量测数据的角度出发,提出了一种基于输电线路利用率的脆弱线路防御策略,并进一步提出了考虑LR攻击和脆弱线路防御的发输电系统可靠性评估算法;最后,以IEEE 14节点修改系统为例进行算例分析,验证了所提出的考虑LR攻击的发输电系统可靠性评估算法的正确性以及脆弱线路防御策略的有效性。

边攻击下非对称相依作战网络级联失效模型

复杂网络理论在作战网络中的应用是一个全新的研究视角,也是探索网络结构和功能之间关系的有力手段.为研究负荷作用下相依作战网络的级联失效过程,首先依据军事系统的实际交联关系构建了非对称双层相依作战网络模型;然后改进了基于本地负荷重分配的非线性"负荷-容量"模型来研究连边的失效及负荷传递,计算了级联失效模型的计算复杂度;最后仿真分析了连边遭受蓄意攻击时,连边负荷及容量与网络级联抗毁性的关系,并与WS-WS对称网络模型进行对比.仿真结果表明:无论是孤立状态还是相依状态下,网络的级联抗毁性与连边容量变化呈正相关,而与负荷的变化呈负相关;相依网络的级联抗毁性比孤立网络要差,并且相依网络级联失效的过程更缓慢;孤立C2网络中的层级加权结构使得级联失效过程中出现短暂的平台期;与对称WS-WS相依网络相比,非对称作战网络的级联抗毁性更差.在非对称相依网络中,子网之间的级联抗毁性不同,而在相依对称网络中,子网的级联抗毁性几乎相同.

基于博弈论的负荷重分配攻击最佳防御策略

电力系统是国家最关键的基础设施之一,其可能遭受包括负荷重分配攻击在内的各种网络攻击。考虑到防御资源的有限性,有必要对攻击者和防御者的相互作用关系加以研究,从而以最佳方式分配有限的防御资源。在攻击和防御资源均有限的条件下建立了负荷重分配攻击双层优化模型,并使用博弈论的方法加以研究,攻击者和防御者的相互作用关系通过零和游戏进行建模以求得需要保护的关键测量信息。上述模型在具有代表性的IEEE 14-bus系统上进行实验分析并得到了最佳的防御策略。研究对于如何更加有效地阻止和防御负荷重分配攻击提供了一些有益的启示。

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。