智能电网中面向错误数据注入攻击的移动目标防御研究
发布时间：2024-06-06 23:33
智能电网是现代社会最重要的基础设施之一。为实现对电力系统的广域感知和自动智能操作,智能电网引入了大量先进的信息通信技术。然而,随着智能电网的通信网络逐步与开放网络Internet的互连互通(如国家电网提出的“泛在电力物联网”的概念),潜在的网络攻击对智能电网的安全运行造成了很大威胁。在智能电网中,由传感设备和通信网络构成的电力监控系统可实现对系统运行状态的实时监测和控制,其中,状态估计是获取准确可靠的电网运行数据的基础。但是,由于状态估计依赖从现场侧上传给控制中心的测量值,在远程通信过程中,测量值可被潜伏在通信网络中的攻击者所篡改,导致状态估计结果出错,影响系统操作员对当前电网真实运行状态的判定,进而扰乱电网的实时调控。因此,亟需围绕智能电网状态估计的安全性问题展开研究。本文首先从攻击者角度分析智能电网状态估计所面临的威胁,进而设计主动防御策略—移动目标防御(Moving Target Defense,MTD)以增强状态估计的安全性。本文主要工作及贡献如下:·本文设计了零参数信息错误数据注入攻击(Zero-Parameter-Information False Data Injecti...
【文章页数】：212 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 智能电网安全
1.1.2 状态估计的重要性及其面临的安全威胁
1.1.3 状态估计安全性研究的问题和挑战
1.2 研究现状
1.2.1 针对状态估计的FDI攻击
1.2.2 针对FDI攻击的防御策略
1.2.3 移动目标防御方法
1.2.4 现有工作的不足
1.3 本文研究内容
1.3.1 研究思路
1.3.2 研究内容
2 智能电网的攻击和防御模型
2.1 智能电网结构及其面临的威胁
2.1.1 智能电网信息侧
2.1.2 智能电网物理侧
2.2 电网模型
2.2.1 拓扑模型
2.2.2 潮流模型
2.2.3 状态估计
2.3 错误数据注入攻击
2.3.1 针对AC状态估计的FDI攻击
2.3.2 针对DC状态估计的FDI攻击
2.4 移动目标防御
2.4.1 AC模型下的MTD
2.4.2 DC模型下的MTD
2.5 本章小结
3 零参数信息FDI攻击的设计与防御
3.1 背景简介
3.2 相关工作
3.2.1 全信息FDI攻击
3.2.2 部分信息FDI攻击
3.3 系统模型与FDI攻击
3.3.1 系统模型
3.3.2 全信息FDI攻击
3.3.3 部分信息FDI攻击
3.4 零参数信息FDI攻击ZFDIA
3.4.1 割线
3.4.2 攻击度为1的节点
3.4.3 攻击度为1的超级节点
3.4.4 攻击仅与割线相连的节点和超级节点
3.5 ZFDIA防御策略
3.5.1 消除割线威胁
3.5.2 输电线路参数扰动策略
3.6 仿真结果
3.6.1 以6-bus电力系统为例
3.6.2 IEEE标准的电力测试系统
3.6.3 AC状态估计对ZFDIA的检测
3.6.4 防御策略的性能评估
3.7 讨论
3.7.1 零注入功率节点
3.7.2 输电线路上电力流的大小限制
3.8 本章小结
4 移动目标防御的完备性分析和扰动参数优化
4.1 背景简介
4.2 威胁模型
4.2.1 符号含义
4.2.2 攻击者假设
4.3 问题描述
4.4 MTD的完备性和成本分析
4.4.1 MTD对隐蔽性攻击空间的影响
4.4.2 完备性分析
4.4.3 参数扰动比值对隐蔽性攻击空间维数的影响
4.4.4 MTD的扰动参数优化
4.5 仿真实验
4.5.1 MTD的有效性评估
4.5.2 参数扰动比值与隐蔽性攻击空间维数之间的关系
4.5.3 MTD扰动参数的优化评估
4.6 本章小结
5 移动目标防御的攻击检测性能优化
5.1 背景简介
5.2 系统模型
5.2.1 状态估计
5.2.2 威胁模型
5.3 MTD构造与FDI攻击检测之间的内在关系
5.3.1 充分条件
5.3.2 必要条件
5.4 优化D-FACTS设备的部署方案
5.4.1 优化问题建模
5.4.2 启发式求解算法
5.5 连续多个输电线路扰动方案的协同设计
5.5.1 协同设计方法
5.5.2 D-FACTS设备的优化部署
5.6 仿真结果
5.6.1 MTD在检测FDI攻击方面的性能评估
5.6.2 D-FACTS设备的优化部署
5.6.3 协同设计方法的性能评估
5.7 本章小结
6 最小成本移动目标防御的分析与设计
6.1 背景简介
6.2 系统模型和IFDI攻击
6.2.1 系统模型
6.2.2 IFDI攻击
6.3 k-secure MTD
6.3.1 保护节点
6.3.2 k-secure指标
6.3.3 联合矩阵秩指标的局限性
6.4 最小成本MTD
6.4.1 最小化设备成本
6.4.2 零操作成本
6.5 扩展到AC模型
6.5.1 AC模型下的k-secure MTD
6.5.2 AC模型下的最小成本MTD
6.6 仿真结果
6.6.1 IFDI攻击的影响
6.6.2 设备成本的评估
6.6.3 零操作成本MTD的设计
6.7 本章小结
7 移动目标防御的隐蔽性分析与设计
7.1 背景简介
7.2 系统模型
7.2.1 威胁模型
7.2.2 移动目标防御的可用性
7.3 问题描述
7.3.1 攻击者分类
7.3.2 相关工作的局限性
7.4 隐蔽性分析
7.4.1 输电线路分类
7.4.2 可用性与隐蔽性分析
7.4.3 部分知识攻击者下MTD的隐蔽性
7.4.4 全知识攻击者下MTD的隐蔽性
7.5 改进型隐蔽性MTD
7.6 仿真结果
7.6.1 可用性与隐蔽性的评估
7.6.2 改进型隐蔽性MTD的性能评估
7.7 本章小结
8 总结与展望
8.1 全文总结
8.2 研究展望
参考文献
攻读博士学位期间主要研究成果及参与的科研项目
本文编号：3990448
【文章页数】：212 页
【学位级别】：博士
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摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 智能电网安全
1.1.2 状态估计的重要性及其面临的安全威胁
1.1.3 状态估计安全性研究的问题和挑战
1.2 研究现状
1.2.1 针对状态估计的FDI攻击
1.2.2 针对FDI攻击的防御策略
1.2.3 移动目标防御方法
1.2.4 现有工作的不足
1.3 本文研究内容
1.3.1 研究思路
1.3.2 研究内容
2 智能电网的攻击和防御模型
2.1 智能电网结构及其面临的威胁
2.1.1 智能电网信息侧
2.1.2 智能电网物理侧
2.2 电网模型
2.2.1 拓扑模型
2.2.2 潮流模型
2.2.3 状态估计
2.3 错误数据注入攻击
2.3.1 针对AC状态估计的FDI攻击
2.3.2 针对DC状态估计的FDI攻击
2.4 移动目标防御
2.4.1 AC模型下的MTD
2.4.2 DC模型下的MTD
2.5 本章小结
3 零参数信息FDI攻击的设计与防御
3.1 背景简介
3.2 相关工作
3.2.1 全信息FDI攻击
3.2.2 部分信息FDI攻击
3.3 系统模型与FDI攻击
3.3.1 系统模型
3.3.2 全信息FDI攻击
3.3.3 部分信息FDI攻击
3.4 零参数信息FDI攻击ZFDIA
3.4.1 割线
3.4.2 攻击度为1的节点
3.4.3 攻击度为1的超级节点
3.4.4 攻击仅与割线相连的节点和超级节点
3.5 ZFDIA防御策略
3.5.1 消除割线威胁
3.5.2 输电线路参数扰动策略
3.6 仿真结果
3.6.1 以6-bus电力系统为例
3.6.2 IEEE标准的电力测试系统
3.6.3 AC状态估计对ZFDIA的检测
3.6.4 防御策略的性能评估
3.7 讨论
3.7.1 零注入功率节点
3.7.2 输电线路上电力流的大小限制
3.8 本章小结
4 移动目标防御的完备性分析和扰动参数优化
4.1 背景简介
4.2 威胁模型
4.2.1 符号含义
4.2.2 攻击者假设
4.3 问题描述
4.4 MTD的完备性和成本分析
4.4.1 MTD对隐蔽性攻击空间的影响
4.4.2 完备性分析
4.4.3 参数扰动比值对隐蔽性攻击空间维数的影响
4.4.4 MTD的扰动参数优化
4.5 仿真实验
4.5.1 MTD的有效性评估
4.5.2 参数扰动比值与隐蔽性攻击空间维数之间的关系
4.5.3 MTD扰动参数的优化评估
4.6 本章小结
5 移动目标防御的攻击检测性能优化
5.1 背景简介
5.2 系统模型
5.2.1 状态估计
5.2.2 威胁模型
5.3 MTD构造与FDI攻击检测之间的内在关系
5.3.1 充分条件
5.3.2 必要条件
5.4 优化D-FACTS设备的部署方案
5.4.1 优化问题建模
5.4.2 启发式求解算法
5.5 连续多个输电线路扰动方案的协同设计
5.5.1 协同设计方法
5.5.2 D-FACTS设备的优化部署
5.6 仿真结果
5.6.1 MTD在检测FDI攻击方面的性能评估
5.6.2 D-FACTS设备的优化部署
5.6.3 协同设计方法的性能评估
5.7 本章小结
6 最小成本移动目标防御的分析与设计
6.1 背景简介
6.2 系统模型和IFDI攻击
6.2.1 系统模型
6.2.2 IFDI攻击
6.3 k-secure MTD
6.3.1 保护节点
6.3.2 k-secure指标
6.3.3 联合矩阵秩指标的局限性
6.4 最小成本MTD
6.4.1 最小化设备成本
6.4.2 零操作成本
6.5 扩展到AC模型
6.5.1 AC模型下的k-secure MTD
6.5.2 AC模型下的最小成本MTD
6.6 仿真结果
6.6.1 IFDI攻击的影响
6.6.2 设备成本的评估
6.6.3 零操作成本MTD的设计
6.7 本章小结
7 移动目标防御的隐蔽性分析与设计
7.1 背景简介
7.2 系统模型
7.2.1 威胁模型
7.2.2 移动目标防御的可用性
7.3 问题描述
7.3.1 攻击者分类
7.3.2 相关工作的局限性
7.4 隐蔽性分析
7.4.1 输电线路分类
7.4.2 可用性与隐蔽性分析
7.4.3 部分知识攻击者下MTD的隐蔽性
7.4.4 全知识攻击者下MTD的隐蔽性
7.5 改进型隐蔽性MTD
7.6 仿真结果
7.6.1 可用性与隐蔽性的评估
7.6.2 改进型隐蔽性MTD的性能评估
7.7 本章小结
8 总结与展望
8.1 全文总结
8.2 研究展望
参考文献
攻读博士学位期间主要研究成果及参与的科研项目
本文编号：3990448
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