增设虚拟信息节点的电力信息物理系统防护及攻防博弈

发布时间：2020-10-14 05:28

　　 随着电力物理网络与电力信息网络的深入交互,电力信息物理系统(Cyber Physical Power System,CPPS)已逐步形成。CPPS中大量监视和控制设备的使用及信息的实时传输,能更精确地对电网的运行状态进行监视与控制。但也带来了新的问题,单一网络遭受攻击可能在CPPS的交互影响下引发大规模连锁故障,导致大停电事故的发生。因此,本文对提出电力物理网络重要节点识别方法,根据物理网重要节点耦合得到相应信息节点,建立信息网增设虚拟节点的主动安全防护策略,协同攻击下CPPS的攻防博弈分析角度进行研究。具体研究工作如下:为识别CPPS重要物理节点对应的信息节点,以针对性地增强其安全性,提出CPPS电力物理网络重要节点识别方法。综合考虑电力物理网络在度、介数和结构洞方面的结构特性,和基于电力网络等效阻抗的电能传输效率、电气介数、电气耦合连接特性,以泰勒熵系数和肯德尔系数为客观权重,以层次分析法的专家判断为主观依据,得到综合权重,结合改进TOPSIS算法对节点重要度进行评估。以IEEE-39系统为例,在拓扑上以最大连通子图为指标,电气特性以负荷损失比为指标分别进行抗毁性仿真,验证本章方法的准确性和有效性,为后续进行CPPS重要物理节点所耦合对应的信息节点增设虚拟节点进行安全防护打下基础。在电力物理网络重要节点评估的基础上,提出一种对物理重要节点相应的信息节点增设虚拟节点的CPPS主动安全防护方法。首先,将电力信息网络分为接入、骨干层和核心层,考虑调度中心具备后备电源的自治特性,基于电力网络与信息网络的对应关系采用“部分一对一”耦合方式,建立信息网络双星结构和网型网络两种相依网络模型。然后,建立CPPS网间节点交互影响下的连锁故障模型,针对不同虚拟节点防护方法,根据不同攻击方式(CPPS中信息网节点度排序、第二章电力物理网络重要节点耦合关系找到对应的信息节点)进行连锁故障仿真,对得到的停电事故序列进行幂律函数拟合,评估得出在恶意攻击下,最经济有效的虚拟节点防护方法是对物理网排序前十节点对应的信息节点、核心层、骨干层节点按照1:1增设虚拟节点。提出一种非合作博弈方式模拟协同攻击攻防博弈,并建立信息-物理协同攻击的CPPS攻防动态博弈模型。模型中采用最优减负荷方法,来衡量不同类型攻击对电力物理网络的影响。使用IEEE-14节点系统进行仿真分析,评估方法的有效性,并在不同的资源限制下推导出相应最优的防御资源分配策略,即纳什均衡策略。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM73
【部分图文】：

图 1.1 电力信息物理系统交互影响示意图近年来，大停电事故时有发生，研究人员通过对历年来电力事故的原因进行分析总结，发现：信息网络故障或失效在电力系统事故中扮演重要角色，如表1.1 所示。例如：2003 年意大利大停电，是由雷击引发的调度系统原始故障导致物理和信息网络的连锁故障[5]；2003 年北美一条高压电缆发生短路故障，由于SCADA 软件系统 bug 而导致控制室对物理网络运行情况失察，发电厂出于保护电机设备需要，应急系统启动关闭了发电机组，导致北美和加拿大南部 5000 万人受灾的大停电事故[6]；2004 年罗马大停电，由于通信机房进水失效，引发调度中心之间的通信失联，进而导致了停电事故[7]。2007 年由于减载程序被意外激活导致了美国南加州和亚利桑那州 140 万人受灾的大停电事故。2008 年中国南方发生冰灾事故，多省通信光缆中断，导致调度优化无法进行[8]。2011 年爆发的“Stuxnet”病毒通过攻击控制离心机的可编程控制器引发离心机故障，严重破坏伊朗的核工业基础设施[9]。2015 年 12 月 23 日，恶意软件攻击乌克兰某调度中心的计算机，蓄意下达断电指令，导致发电设备停机，引发乌克兰大范围停电[10]。

9图 1.2 内容结构图第三章，研究电力信息网络主动安全防护方法。首先在复杂网络理论的基础上，建立符合实际情况的电力信息物理系统拓扑模型，其中电力信息网络考虑双

点的正、负理想方案的距离，进而求节点的相对逼近度。步骤 6：计算电网各节点的相对逼近度iii iDFD D 与理想方案的相对逼近度的取值范围为[0,1]，逼近度越靠近；反之，逼近度越靠近 0 说明该节点越不重要。步骤 7：重要度节点排序各节点的相对逼近度大小，对电网的重要度节点排序，从而估结果。。例分析选用 IEEE-39 节点系统作为算例系统，来验证评估方法的有 3 所示，该系统内含 39 节点，其中 10 个发电节点，18 个点，11 个变压器节点，46 条线路，电压等级为 345kV。
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本文编号：2840252