一种面向复合信息攻击的电力系统语义信息流构建方法

本发明涉及电力系统网络安全与信息通信建模，特别涉及一种面向复合信息攻击的电力系统语义信息流构建方法。

背景技术：

1、先进信息与通信技术的广泛应用，使得现代电力系统能够高效管理规模庞大且地理分布广泛的需求侧资源，例如太阳能发电、柔性负荷和电动汽车等。然而，信息物理系统的深度融合也不可避免地引入了多种网络脆弱性，对电力系统的安全稳定运行构成严重威胁。典型的网络安全事件表明，与单一形式的网络攻击相比，复合信息攻击如同时采用鱼叉式网络钓鱼、恶意软件、拒绝服务攻击以及操纵控制指令等多种手段，会给电网带来极高的运行风险，甚至导致大范围、长时间的停电事故。因此，亟需开展针对此类威胁的风险分析并制定相应的缓解策略。

2、目前，现有研究在应对电力系统网络攻击时，主要遵循一对一的建模与防御范式。具体而言，针对每一种特定的网络攻击，如虚假数据注入攻击、拒绝服务攻击或重放攻击，研究人员通常会单独建立针对性的数学模型，用于生成假设性攻击场景并评估其单一影响。例如，通过将状态信号呈现分段特征来刻画拒绝服务攻击，或者通过引入电厂动态模型中的时滞函数来刻画延迟攻击。尽管这种基于独立参数或事件触发的控制方法在应对单一类型攻击时表现出了较好的防御效果，能够有效刻画单种攻击的独有特征，但面对复杂环境已显现出明显的局限性。

3、随着需求侧资源的持续大规模接入，电力系统中的数据传输量显著增加，通信端点变得更加多样化并呈现出强地理分布特征。电力通信网络正从专用的私有基础设施，逐步演变为私有网络与公共网络相结合的新型混合架构。这一转变显著扩大了系统的风险暴露面，多向量的复合网络攻击很可能成为未来主要的威胁形式。在复合攻击下，可能的攻击组合数量呈指数级增长，其在信息物理网络中的传播路径往往具有极强的耦合性。在这种情况下，传统的一种攻击、一个单独模型的范式已完全难以适用，因为该范式默认攻击影响近似简单叠加，根本无法有效刻画不同子攻击之间的相互作用、遮蔽效应、放大抑制关系，以及对电力系统产生的非线性叠加影响，导致风险评估结果严重偏离真实工况。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种面向复合信息攻击的电力系统语义信息流构建方法解决了现有电力系统网络攻击建模方法多采用针对单一攻击独立建模的范式，在面对混合通信架构下的复合信息攻击时，无法刻画子攻击之间的耦合关系与非叠加失真效应，缺乏统一的计算口径的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种面向复合信息攻击的电力系统语义信息流构建方法，包括：

3、s1：获取电力系统源节点发送的初始状态信息、源节点至汇节点之间的语义通信路径以及针对电力系统的复合信息攻击的网络攻击特征，其中，语义通信路径由多条语义通信链路连接构成；

4、s2：根据复合信息攻击的网络攻击特征，确定各条语义通信链路对应的语义通信元件类型；

5、s3：基于初始状态信息以及各条语义通信链路对应的语义通信元件类型，分别进行计算，得到各条语义通信链路对应的信息年龄增量和信息语义误差增量；

6、s4：基于语义可计算准则，对语义通信路径上所有语义通信链路对应的信息年龄增量和信息语义误差增量分别进行路径累加处理，得到汇节点处的累积信息年龄和累积信息语义误差；

7、s5：基于汇节点处的累积信息年龄和累积信息语义误差，构建得到电力系统语义信息流，完成对电力系统语义信息流的构建。

8、进一步地，所述s2包括：

9、对网络攻击特征进行分析，得到复合信息攻击对通信链路造成的影响类型；

10、当影响类型为增加数据传输时间、中断状态更新中的任一项时，确定语义通信元件类型为信息年龄调制器；

11、当影响类型为篡改信息语义内容时，确定语义通信元件类型为信息语义误差调制器；

12、当影响类型同时包含时间延迟和语义内容篡改时，确定语义通信元件类型为混合调制器。

13、进一步地，所述s3包括：

14、将初始状态信息作为各条语义通信链路对应的链路输入状态信息；

15、当确定语义通信元件类型为信息年龄调制器时，基于链路输入状态信息的采样间隔，计算网络攻击特征中增加的数据传输时间引起的时间漂移，并基于时间漂移引起的参考时间偏移确定状态概率分布的变化，根据时间漂移和状态概率分布的变化，计算得到信息年龄调制器对应的信息年龄增量和信息年龄调制器对应的信息语义误差增量；

16、当确定语义通信元件类型为信息语义误差调制器时，利用网络攻击特征中的语义失真函数对链路输入状态信息进行篡改，获取接收端虚假数据的概率密度函数，基于链路输入状态信息的初始概率分布和接收端虚假数据的概率密度函数，计算得到信息语义误差调制器对应的信息语义误差增量，并确定信息语义误差调制器对应的信息年龄增量为零；

17、当确定语义通信元件类型为混合调制器时，确定网络攻击特征中时间漂移与语义失真的作用顺序，当先发生时间漂移后发生语义失真时，在发生偏移的参考时间下施加失真函数处理链路输入状态信息得到第一处理状态信息，当先发生语义失真后发生时间漂移时，在原参考时间下施加失真函数后叠加时间漂移处理链路输入状态信息得到第二处理状态信息，基于第一处理状态信息和第二处理状态信息中的任一项，计算得到混合调制器对应的信息年龄增量和混合调制器对应的信息语义误差增量。

18、进一步地，所述信息年龄调制器对应的信息年龄增量和信息年龄调制器对应的信息语义误差增量的表达式分别为：

19、；

20、；

21、其中，表示信息年龄调制器对应的信息年龄增量，表示信息年龄调制器对应的信息语义误差增量，表示增加的数据传输时间引起的所述时间漂移，表示链路输入状态信息的采样间隔，表示节点基于时间戳获取的最近接收到的消息生成时间，表示基于时间漂移跨度获取的大于零的整数参数，表示节点处的信息年龄，表示节点处的信息年龄，表示基于系统物理模型获取的链路输入状态信息在时刻的概率密度函数，表示对数函数，表示当前时刻，表示节点对应在发生时间偏移前的初始状态概率分布，表示节点对应在发生时间偏移后的状态概率分布。

22、进一步地，所述信息语义误差调制器对应的信息语义误差增量的表达式为：

23、；

24、其中，表示信息语义误差调制器对应的信息语义误差增量，表示链路输入状态信息的概率密度函数，表示节点处的信息年龄，表示在发生时间偏移前的初始概率分布，表示接收端虚假数据的概率密度函数，表示当前时刻；

25、所述接收端虚假数据的表达式为：

26、；

27、其中，表示节点基于通信接收手段获取的虚假数据状态，表示网络攻击特征中的所述语义失真函数，表示节点原本对应的未篡改状态信息，表示节点处的信息年龄。

28、进一步地，所述混合调制器对应的信息语义误差增量的表达式为：

29、当先发生时间漂移后发生语义失真时：

30、；

31、当先发生语义失真后发生时间漂移时：

32、；

33、其中，表示混合调制器对应的信息语义误差增量，表示链路输入状态信息的概率密度函数，表示初始概率分布，表示第一处理状态信息的概率密度函数，表示第二处理状态信息的概率密度函数；

34、所述第一处理状态信息和所述第二处理状态信息的表达式分别为：

35、；

36、；

37、其中，表示第一处理状态信息，表示第二处理状态信息，表示语义失真函数，表示发生偏移的参考时间下对应的状态信息，表示原参考时间下对应的状态信息，表示节点处的信息年龄，表示节点处的信息年龄，表示当前时刻。

38、进一步地，所述s4包括：

39、基于语义可计算准则，将各条语义通信链路的信息年龄增量和信息语义误差增量沿有向通信路径方向依次进行线性累加操作，得到路径累加结果；

40、对路径累加结果进行分析，得到反映源节点到汇节点传输路径上整体陈旧程度的累积信息年龄以及反映整体语义偏差的累积信息语义误差。

41、进一步地，所述累积信息年龄和累积信息语义误差的表达式分别为：

42、；

43、；

44、其中，表示所述累积信息年龄，，表示所述累积信息语义误差，表示基于路径拓扑信息获取的语义通信链路上节点的总数量界限，表示链路序号，表示单条语义通信链路的信息年龄增量，表示单条语义通信链路的信息语义误差增量，表示汇节点在时刻t的信息年龄，表示源节点在时刻t的信息年龄，表示汇节点在时刻t的累积信息语义误差，表示源节点在时刻t的初始信息语义误差。

45、进一步地，所述s5包括：

46、根据电力系统的通信网络拓扑，构建语义传递矩阵；

47、利用语义传递矩阵对多条语义通信路径的累积信息年龄和累积信息语义误差进行网络化聚合处理，得到全网耦合失真状态参数；

48、基于全网耦合失真状态参数，构建得到表征全网耦合失真状态的电力系统语义信息流，完成对电力系统语义信息流的构建。

49、进一步地，所述全网耦合失真状态参数的表达式为：

50、；

51、；

52、其中，表示由全网信息年龄增量构成的第一紧凑向量，表示由全网信息语义误差增量构成的第二紧凑向量，第一紧凑向量和第二紧凑向量共同构成所述全网耦合失真状态参数，表示语义传递矩阵，表示多条语义通信路径的累积信息年龄构成的向量形式，表示多条语义通信路径的累积信息语义误差构成的向量形式。

53、本发明的有益效果为：本发明一种面向复合信息攻击的电力系统语义信息流构建方法，通过基于状态信息以及各条语义通信链路对应的语义通信元件类型，分别进行计算，得到各条链路的信息年龄增量和信息语义误差增量，随后引入并基于语义可计算准则进行路径累加处理，明确了信息陈旧程度与内容篡改程度在通信路径上的演化规律。这打破了现有技术各模型计算逻辑独立的局面，保障了两类量化指标在全链路计算中的口径统一，扩展性强。

54、在获取网络攻击特征后，根据该特征确定各条语义通信链路对应的语义通信元件类型，从而改变了传统模型需要针对每种攻击组合重新搭建庞大方程体系的低效做法。通过这种机制，可以针对任意多向量的网络攻击进行灵活适配计算，大幅提升了对新型衍生网络攻击的兼容性。

55、最终基于汇节点处的累积信息年龄和累积信息语义误差，构建得到面向复合信息攻击的电力系统语义信息流。由于前置步骤中对各元件类型分别进行了增量计算并遵循了语义可计算准则的累加，该构建方法不再将攻击影响视为简单叠加，而是能够精准捕捉并复现复合攻击内部各子攻击间的相互作用与遮蔽效应，使得分析结果更加贴合真实电网遭受复合攻击时的实际失真工况。