基于改进渗流理论的信息物理融合电力系统连锁故障模型

基于改进渗流理论,提出了考虑物理层电网潮流分析与信息层延时的信息物理融合电力系统连锁故障模型。将连锁故障的动态发展描述为故障在信息层、物理层交替传播扩大的多阶段过程,在分析故障在物理层传播的阶段中考虑物理层电网潮流,在脆弱度指标中综合拓扑完整度、信息层延时增量及物理层实际运行指标。对信息层、物理层不同对应依靠策略及节点攻击策略的连锁故障建模仿真表明拓扑中心度对应依靠策略呈现较低的脆弱度;物理层分区设立分布式控制中心与集中式控制中心的结构相比,能提高连锁故障发展中信息层的运行实时性。同时,节点蓄意攻击相比于随机攻击能造成发展更迅速,影响范围更广的连锁故障。     

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。     

目标冲突下电力信息物理协同攻击分析

电力信息物理协同攻击(coordinated cyber physicalattack,CCPA)是智能电网面临的新型网络攻击之一,攻击者和调度中心目标分别为最大化和最小化攻击效果,两者目标相互冲突。以直流潮流模型为基础,首先建立基于虚假数据攻击的电力信息物理协同攻击数学表达式,用于表征量测单元中注入的虚假数据、攻击前后电力系统拓扑和电气参数之间的关系。然后,考虑攻击者的目标在于最大化攻击破坏效果,基于双层规划理论建立考虑攻击者和调度中心交互关系的电力信息物理协同攻击分析模型。最后,采用KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件和Fortuny-Amat-McCarl方法,将双层规划模型转化为单层混合整数线性规划模型。以IEEE14节点测试系统为例,仿真结果表明,电力信息物理协同攻击通过在量测单元中注入虚假数据重新分配母线负荷,并倾向于增加负荷需求较大的母线负荷,造成切负荷,最终影响电力系统的运行状态。与负荷重分配攻击和物理攻击相比,电力信息物理协同攻击不仅可以增加发电机出力成本和切负荷损失,而且可能导致更多线路过载。同时,量测单元在双层规划模型解中出现的次数可以表征该量测单元的脆弱程度,出现次数越多,则该节点越脆弱。     

基于动态攻防博弈的电力信息物理融合系统脆弱性评估

以电力信息物理融合系统受人为因素攻击为背景,应用博弈论的相关知识对现代电网在遭受人为主观攻击威胁下的电网脆弱性评估方法进行了研究和探讨。根据兰德公司的风险评估模型建立了电力信息物理融合系统基于攻防场景的脆弱性评估框架,并基于博弈论中用于描述动态攻防博弈的多层数学规划模型,提出一种电力物理网络和电力信息网络同时遭受人为攻击场景下的电网攻防动态博弈三层数学规划模型。针对所提出的模型,给出了相应的解算方法,并在求解过程中,应用一种最优的防御资源分配策略以有效求得电网元件上需分配的资源。最后,通过简单算例系统验证了本文所提模型与方法的有效性。     

考虑信息物理融合的电网脆弱社团评估方法

针对目前元件级的电力信息物理脆弱性评估应用于实际大规模电力信息物理网时存在计算复杂度高和脆弱性保护配置难的问题,充分考虑网络的介观局域特征和社团结构,提出了一种考虑信息物理融合的电网脆弱社团评估方法。以电力系统潮流为边权重,采用Fast Unfolding算法对电网进行社团划分,根据电网和通信网对应分层分区建设的现状和实际耦合关系划分通信网社团,IEEE标准算例的仿真结果证明所采用社团划分方法的优越性。在不同的社团内部耦合关系下采用不同的攻击策略攻击电网中各个社团,根据整个信息物理融合系统故障后的最大连通子集指标评估电网中的脆弱社团,符合我国电网和通信网分层分区建设的现状,有利于减少计算复杂度和脆弱性保护模块化配置的难度。华中500 kV电网信息物理系统的仿真结果证明了所提方法的可行性。     

考虑负荷虚假数据注入攻击的电力信息物理系统防御策略

为了更好地保障电网安全稳定运行,以电力信息物理高度融合为背景,结合博弈论思想,研究了电力信息物理系统攻防的具体过程,分析了一定防御资源下的最优防御方案及最小负荷期望损失。首先,以上层防御者制定最优防御方案降低电网脆弱性,中层攻击者制定最优防御策略最大化攻击效果,下层运行人员采取最优调度措施降低攻击损失为思路建立了一种三层优化模型。其次,基于遍历思想结合遗传算法和混合整数规划模型制定三层模型求解方案。最后基于算例分析,验证了该模型的有效性。     

考虑控制系统-发电机信息物理耦合的脆弱输电线路辨识

考虑控制系统和发电机之间的信息物理耦合关系,提出一种脆弱输电线路辨识方法.首先,分析物理电网系统与控制系统间连锁故障传播过程.然后,基于多阶段双层规划理论建立脆弱线路辨识模型,根据对偶理论将该模型转化为单层混合整数线性规划问题进行求解.最后,以IEEE可靠性测试系统为例进行仿真分析.仿真结果表明,攻击者倾向于攻击使得发电机容量和负荷分布不均匀的线路,增加控制系统-发电机耦合强度会增加整个系统的脆弱性,与地理-信息耦合相比,控制系统-发电机信息物理耦合会导致更大的负荷损失.     

电力信息物理融合系统的网络-物理协同攻击

随着智能电网的发展及智能设备不断引入电力信息物理融合系统(CPPS)中,CPPS面临一种新的攻击方式--网络-物理协同攻击(CCPAS)。这种攻击方式既隐蔽又可引发连锁故障,易造成大规模停电事故。首先,阐述CPPS遭受CCPAS的基本形式,在直流潮流模型下构建考虑状态估计约束的CCPAS模型。然后,探讨CCPAS的机理,以攻击者的角度分析规避状态估计监测后最大范围的攻击,分析CCPAS情景下CPPS的脆弱线路。最后,以IEEE 14、118节点系统为例,通过仿真计算验证模型的有效性、适用性,对比分析考虑状态估计约束后物理攻击的限制。     

考虑信息物理交互的电力–信息耦合网络脆弱性分析与改善策略研究

考虑信息物理交互研究电力–信息耦合网络脆弱性及其改善策略具有重要意义。在直流潮流模型下,建立考虑信息物理交互的电力–信息耦合网络故障模型,研究信息网元件失效对电力网连锁故障的影响,分析由此引发的电力–信息耦合网络脆弱性;为深入揭示耦合网络脆弱性,在度数和介数指标基础上,采用映射加权方式计及监控功能属性和信息物理耦合的影响,提出了关键度指标辨识对耦合网络脆弱性具有重要影响的信息网关键环节;为改善耦合网络脆弱性,从强化关键环节防护和降低网络对关键环节依赖性角度,在元件和网络层面分别提出信息网关键环节保护和高权重电力节点网间加边策略。节点和边攻击的仿真结果表明,耦合网络面对随机攻击呈现较高鲁棒性,面对蓄意攻击呈现较高脆弱性。高关键度信息元件是影响耦合网络脆弱性的信息网关键环节,不同场景中耦合网络在针对这些元件的攻击下均呈现高脆弱性。保护高关键度信息元件以及对高权重电力节点增加耦合边可有效改善耦合网络脆弱性。     

虚假数据注入攻击建模及攻击下脆弱线路的快速筛选

随着电网与通信网的高度融合,虚假数据注入攻击已经成为了目前电网的一种安全隐患。为了更好保障电网安全稳定运行,在信息物理高度融合的背景下,首先建立一种电力信息物理系统虚假数据注入攻击的双层攻击模型,其中上层模型表示攻击者的攻击策略,下层模型代表电网在该攻击下的响应,并利用卡罗需-库恩-塔克(Karush-Kuhn-Tucker,KKT)条件对该模型进行求解;其次,提出一种具有迭代思想的快速筛选法,可以对虚假数据注入攻击下的脆弱线路进行快速筛选;第三,提出一种多线路攻击策略,帮助电网运行人员对电网进行更深入评估;最后,通过在IEEE 39节点系统和IEEE 118节点系统上的仿真验证了攻击模型的合理性以及快速筛选法的可行性。     

电力通信耦合网络建模及其脆弱性分析

为了更好地揭示电力通信耦合网络的拓扑特性,首先,通过分析实际的电力网、电力通信网的元件配置规律及耦合规律,依电网拓扑建立了与实际电力信息物理融合系统结构特点相符合的电力通信耦合网络模型。然后,基于电力通信耦合网络的异质性,考虑攻击者获取信息的多寡,针对各类型元件构建了多种信息攻击方案。最后,结合实际的电力通信耦合网络各类元件失效规律,考虑各类元件间的相互作用关系及网间故障传播的不确定性,建立了电力通信耦合网络连锁故障模型。使用IEEE 39节点系统、IEEE 118节点系统和IEEE 300节点系统,建立相应的电力通信耦合网络模型并分析其网络特性。对IEEE 118节点系统构建的电力通信耦合网络进行脆弱性分析。实验结果表明,由电力节点、通信节点及耦合支路组成的耦合体是耦合网络极其关键的组成部分。攻击者获取的信息越多,信息攻击对耦合网络的影响就越大。     

支路与保护协同篡改的虚假拓扑攻击攻防博弈模型研究

虚假拓扑攻击作为一种特殊类型的虚假数据注入攻击,通过协同篡改支路量测数据与保护动作信息,影响控制中心对系统拓扑的实时感知从而干扰调度策略,对现代电力系统的安全经济运行造成了极大威胁。该文针对拓扑攻击开展深入研究,首先在分析虚假数据攻击作用机理的基础上,研究拓扑攻击的实施策略。此外,拓扑攻击者需协同篡改保护装置与断路器状态,因此考虑实际系统中的输电线路、变压器支路与母线保护配置,构建了针对实际系统保护配置的虚假拓扑攻击方案与模型。其次,建立了3层数学模型以反映拓扑攻击下防御者–攻击者–运行者三者间的动态博弈过程,并提出了基于交流状态估计的攻击向量快速转换方法。最后,采用IEEE 14节点算例描述博弈过程并分析不同情况下的系统关键支路。     

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。     

考虑极端场景的输电-通信网络协同鲁棒扩展规划方法

为了在满足经济性前提下,尽可能降低极端场景下电力和通信网络故障耦合引起的大面积停电风险,考虑双网结构融合和功能耦合特征,提出了信息物理协同双层(主层、子层)鲁棒扩展规划模型。首先,以投资经济性和极端场景下失负荷损失成本最小为目标,建立双网线路和通信业务路由协同优化的主层模型;其次,在子层模型中,计及线路结构耦合引起的共因失效模式,构建了电力/通信线路多重故障集,并考虑通信失效对电力系统应急调度的影响,基于max-min准则建立最恶劣极端场景最小失负荷损失成本计算模型;随后,采用列和约束生成算法实现两层模型解耦求解;最后,基于IEEE 14 节点信息物理系统进行仿真分析,结果表明,提出的协同规划模型能以经济合理的投资优化双网结构,降低通信系统故障级联影响,提高耦合系统面对极端场景的抵抗力。     

考虑极端场景的输电通信网络协同鲁棒扩展规划方法

为了在满足经济性前提下,尽可能降低极端场景下电力和通信网络故障耦合引起的大面积停电风险,考虑双网结构融合和功能耦合特征,提出了信息物理协同双层(主层、子层)鲁棒扩展规划模型。首先,以投资经济性和极端场景下失负荷损失成本最小为目标,建立双网线路和通信业务路由协同优化的主层模型;其次,在子层模型中,计及线路结构耦合引起的共因失效模式,构建了电力/通信线路多重故障集,并考虑通信失效对电力系统应急调度的影响,基于max-min准则建立最恶劣极端场景最小失负荷损失成本计算模型;随后,采用列和约束生成算法实现两层模型解耦求解;最后,基于IEEE 14 节点信息物理系统进行仿真分析,结果表明,提出的协同规划模型能以经济合理的投资优化双网结构,降低通信系统故障级联影响,提高耦合系统面对极端场景的抵抗力。     

考虑物理-信息虚拟连接的电力信息物理融合系统的脆弱性评估

不断发展的自动化与信息技术的广泛应用明显提高了现代电力系统的运行水平,电力信息系统与电力物理系统的融合也逐步广泛和深入,从而进化为电力信息物理融合系统(CPPS)。在CPPS中,信息设备的故障会影响物理系统的安全可靠运行,而外部对物理与信息元件的攻击则可能导致停电事故。在此背景下,为了分析物理元件与信息元件的交互影响,将CPPS抽象模拟为物理节点、物理-物理连接、信息节点、信息-信息连接与信息-物理连接5类元素,并在此基础上评估信息系统受损对物理系统运行的影响。在博弈论的框架下构建了双层数学规划模型分别对物理与信息环节进行了防御资源分配,用于量化存在假想攻击下系统中各环节的重要程度。以修改的IEEE 14节点系统为例进行了仿真计算,结果验证了所提方法的可行性与有效性。     

电力信息-物理相互依存网络脆弱性评估及加边保护策略

随着一次电网与信息系统深度融合,研究电力信息-物理系统的交互连锁故障机理与保护措施具有十分重要的理论价值与现实意义。基于相互依存网络理论,建立了电力信息-物理相互依存网络模型。由于相依网络的脆弱性同时受到依存边与网间拓扑互相似性的影响,文章首先基于复杂网络理论,对华中500k V电力网及其信息网的拓扑结构特性进行对比分析。其次,考虑网间节点的相互依存关系,定量评估了信息网与电力网的拓扑互相似性。通过对华中500 kV电力信息-物理相依网络在随机故障下的连通脆弱性进行评估,发现:虽然网间的相互依存提高了电力系统的脆弱性,但由于信息网与电力网的拓扑具有高度互相似性,这使得电力信息-物理相互依存网络避免了一阶相移。针对电力网与信息网的结构特点,研究了低度数节点加边策略及其分配策略对电力信息-物理相互依存网络的脆弱性的影响。仿真结果证明了低度数节点加边策略的有效性,且加边分配策略对改善电力信息-物理相互依存网络的脆弱性具有重要影响。     

多证据融合下电力信息物理系统风险评估研究

电力与信息的深度融合是能源互联网的发展趋势,一旦电力网或信息网发生风险与故障,电网运行的稳定性将受到极大影响。针对电力信息物理融合系统风险等级评估准确性较低的问题,提出了基于证据理论的风险评估方法。首先,通过识别电力信息物理融合系统的关键风险因素,从电力空间、信息空间和网架结构3个方面构建了电力信息物理融合系统风险指标体系。其次,借助证据融合理论实现了电力信息物理融合系统风险等级计算模型,并利用该模型评估分析了5个不同的电力信息物理融合系统,得出了各个电力信息物理融合系统不同的风险等级,验证了所提模型对评估电力信息物理融合系统风险等级的适用性。     

基于P、Q网分解的有向加权拓扑模型下的电网脆弱性分析

针对拓扑模型下的电网脆弱性分析问题,提出了基于P、Q网分解的电网有向加权拓扑模型。在分析电网物理与运行特性的基础上,对有功网络和无功网络进行分解建模,给出两种网络拓扑模型下线路方向选取与线路权重大小的计算方法,由此应用复杂网络理论对电网脆弱性进行分析。IEEE-14节点系统算例结果表明：在不同网络拓扑模型下,单元脆弱强度存在显著差异,有功与无功网分解建模更符合电网拓扑模型特征;与其他电网脆弱分析结果相比,有向加权拓扑模型对电网脆弱环节有较高辨识精度,验证了模型的有效性。     

基于社团重叠的电力通信相依网络建模及其抗毁性分析

为了更好地揭示电力通信网络系统特性,基于社团重叠理论与相依网络模型提出一种更符合实际的电力通信网络系统建模方法。分析了实际通信网的网架结构特点,利用点边图转换以及马尔科夫聚类算法对电力网进行社团划分,进而确定社团重叠节点。依据社团重叠节点和相依网络模型建立通信网模型,进而构建了电力通信相依网络系统层级拓扑结构与耦合关系。对IEEE标准算例搭建对应的电力通信网络,基于信息攻击建立电力通信网失效模型,并依据节点损失比例、负荷损失比例、网络相对效率指标进行抗毁性分析。结果表明随着攻击者攻击方式的改进,攻击对系统造成的破坏越大;网络规模的扩大,能够显著提高网络对随机攻击的耐受力;相对于传统建模方法,所建模型更能体现实际电力通信网的抗毁能力。