电力信息物理网络协同攻击免疫机制研究

发布时间：2020-07-09 11:26

【摘要】：伴随智能电网的日益发展和泛在电力物联网建设的提出,电力系统逐步演化为信息与物理系统深度协作耦合的电力信息物理融合系统(Cyber Physical System,CPS),电力物理系统的稳定运行也愈加依赖于信息系统的安全保障。耦合系统的信息流与能量流交互日益频繁,在提升电网感知、计算、通信和控制能力的同时,亦增加了电力CPS网络安全风险,网络协同攻击会导致双网级联失效而降低电力CPS可生存性。如何量化分析网络协同攻击对耦合电力CPS的影响并有效抑制安全风险传播是亟待解决的问题。因此,建立电力CPS的耦合一体化模型、量化评估网络协同攻击下的可生存性并提出针对脆性环节的免疫方法具有现实意义。本文对电力信息物理网络协同攻击免疫机制进行研究,主要研究工作如下:(1)针对电力CPS节点具有异质性和耦合性,难以通过无权网络模型表征信息-能量流交互的问题,构建了加权电力信息物理网络模型。在拓扑结构和耦合关系的分析基础上,融入信息网负荷优化和物理网潮流分布特性,定义了信息网度函数和物理网电气介数作为网内连接边权重,通过加权关联矩阵和节点初始负荷及容量,实现耦合电力CPS网络的形式化表征,为可生存性评估和免疫方法提供支撑。(2)针对电力CPS规模不断扩大且现有级联失效模型忽略信息流和潮流转移特性,使得可生存性难以快速有效评估的问题,设计了网络协同攻击下的电力CPS可生存性量化评估模型。计及级联失效的负荷优化重配过程,将节点负荷及容量概念引入电力CPS,从耦合系统级联失效的结构连通性变化和风险传播范围两个维度出发,基于节点负荷容量限制、信息流择优分配策略、潮流优化方程和系统安全运行等约束条件设计了可生存性评估模型,并采用混沌Lévy搜索萤火虫算法对评估模型进行高效求解。算例分析表明,模型有效量化了网络协同攻击下电力CPS的可生存性并提高大规模耦合系统的评估效率。(3)针对网络协同攻击下的安全风险传播速度快、波及范围广,难以通过免疫少量关键节点抑制风险爆发来提高CPS可生存性的问题,提出基于高脆性信息元胞保护的电力CPS目标免疫方法。首先引入元胞自动机理论将电力CPS节点进行元胞化定义,考虑耦合网络拓扑、功能属性和交互关系辨识了高脆性元胞,然后采取高脆性保护方法对信息元胞进行免疫,引入风险传播概率、元胞恢复概率和免疫概率设计目标免疫模型,最后通过粒子群优化算法对免疫模型求解,尽可能提高电力CPS遭受网络协同攻击的可生存性。算例分析表明,提出的高脆性目标免疫模型可提升电力CPS的可生存性,有效抑制不同种类网络协同攻击引起的安全风险。
【学位授予单位】：东北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP393.08;TM76
【图文】：

电力信息,融合系统,物理

1.1 课题研究背景与意义随着能源互联网和智能电网的迅速发展，电力系统逐步演化为信息与物理系统深度耦合的复杂多维异构的电力信息物理融合系统(Cyber Physical System, CPS)[1-3]。国家电网董事长寇伟在 2019 年工作报告中指出，在加强建设运营智能电网的同时，实现万物互联的泛在电力（能源）物联网，其核心在于信息系统和物理系统的深度融合，通过广泛应用大数据、云计算、物联网、移动互联、人工智能、区块链和边缘计算等先进的信息技术，为智能电网安全可靠运行和规划建设等提供有效支撑[4]。如图 1-1 所示，简要说明电力 CPS结构和功能：大量新型发电厂、分布式能源、电动汽车、储能系统和智能家电等接入电力系统构成复杂电网实现能源互联，计算分析中心和优化控制中心构成信息网络实现对复杂电网的数据采集和优化控制。相较于传统电网而言，电力 CPS 依托先进的 IT 技术、丰富的传感监控单元和安全可靠的信息系统实现电力系统的分布式计算、实时态势感知、智能信息监视和动态协作控制。从信息和物理系统有机融合的视角出发，为电力系统智能化和泛在物联化的研究提供新的思路和方法。

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理域的交替组合式网络攻击称为“网络协同攻击”[9]，如图 1-克兰电网大停电事故就是黑客针对信息网薄弱环节采取蓄意失效，攻击过程如图 1-3 所示，通过多元化组合式网络攻击手止运行和大范围停电事故。因此，如何量化分析网络协同攻并采取有效的免疫方法抑制风险大规模传播是亟待解决的问

序列,耦合模型,电力

制不同功能节点（如通信节点、路由节点），Γ 是 vci的邻居节点集合，ki和 kj分别为信联的个数求得。信息节点 vci的容量 Cci与(1)(0)cicciC = +ρL。域供电的电量，其中的每一条线路都有电能换受到传输能力的制约，根据功率流入、流出负荷为式（2-8）。ijiGjDijij(0)wwP(b)/P, ∈∈=（2-9）。(1)(0)pippiC = +ρL。节点负荷既考虑了物理网节点间的区别，Ep的元素序列）传输功率。

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