一种信息物理协同负荷重分配攻击方法及系统与流程

1.本发明涉及电力系统安全评估技术领域，特别是涉及一种信息物理协同负荷重分配攻击方法及系统。


背景技术：

2.作为新型物理信息系统，现代电网网络日益面临着传统信息、物理威胁，以及信息
‑
物理协同攻击的威胁。2010年，“震网”病毒导致伊朗上千台离心机报废等事件、2015年乌克兰电网大停电事故，都说明了针对现代电网信息侧的攻击可直接转化为对物理系统的破坏，与物理侧系统的故障一样，需要引起高度重视。因此研究针对电力信息物理系统的新型攻击方式以实现对电力系统的脆弱性评估，预防电网严重事故的发生尤为重要。
3.现有技术中的经典负荷重分配攻击(load redistribution attacks,lra)方法属于一种新型的虚假数据注入攻击方法，其将虚假数据伪装为负荷正常波动，从而使调度中心在无法察觉的情况下，使用错误的输入数据进行调度，产生错误的调度结果，致使系统产生不必要的甩负荷、发电机出力的不合理分配，从而对系统造成经济性的损害。
4.需要注意的是，传统的lra攻击方法中发电机有功的重新分配仅仅能够使发电机出力发生有限的变化，在一个网架冗余度稍高、能够满足n
‑
1校核的系统中，发电机出力变化引起的有限潮流转移几乎不会引起线路过载，从而造成攻击效果不明显，导致无法对电力系统的安全性进行充分评估。
5.因此，本领域亟需一种信息物理协同负荷重分配攻击方法及系统，以进一步增加网络负载压力，增加线路过载的可能性，提升对电力系统的攻击效果，为电力运行部门进行电力信息物理系统脆弱性评估、预防电网严重事故的发生提供参考。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种信息物理协同负荷重分配攻击方法及系统，以进一步增加网络负载压力，增加线路过载的可能性，提升对电力系统的攻击效果，为电力运行部门进行电力信息物理系统脆弱性评估，预防电网严重事故的发生提供参考。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种信息物理协同负荷重分配攻击方法，包括：
9.确定攻击目标节点；
10.确定与所述攻击目标节点相连的物理攻击目标线路，并实施物理攻击；
11.对除物理攻击线路外的与所述攻击目标节点相连的其他一条线路实施改进的负荷重分配攻击，其中所述物理攻击线路为攻击者选定的实施物理攻击的与所述攻击目标节点相连的线路；
12.判断实施改进的负荷重分配攻击的与所述攻击目标节点相连的线路中是否存在未失效线路；
13.若存在所述未失效线路，则返回所述“对除物理攻击线路外的与所述攻击目标节
点相连的其他一条线路实施改进的负荷重分配攻击，其中所述物理攻击线路为攻击者选定的实施物理攻击的与所述攻击目标节点相连的线路”步骤；否则确定完成攻击目标。
14.可选的，所述攻击目标节点包括所述攻击目标节点和与所述攻击目标节点相邻的一至两个攻击目标节点。
15.可选的，所述物理攻击线路按照与所述攻击目标相连的攻击线路的负载由大到小的顺序进行选取。
16.可选的，所述物理攻击线路小于等于两条。
17.可选的，所述对除物理攻击线路外的与所述攻击目标节点相连的其他一条线路实施改进的负荷重分配攻击，其中所述物理攻击线路为攻击者选定的实施物理攻击的与所述攻击目标节点相连的线路，具体包括：
18.对目标线路逐条应用改进的负荷重分配攻击双层规划模型，计算每条所述目标线路过载所需的攻击资源量和虚假数据注入向量，其中所述目标线路为所述除物理攻击线路外的与所述攻击目标节点相连的其他一条线路；
19.根据所述攻击资源量和所述虚假数据注入向量实施虚假数据注入攻击，诱使所述目标线路触发过流保护失效。
20.可选的，所述改进的负荷重分配攻击双层规划模型包括上层模型和下层模型；其中所述上层模型为添加目标线路过载约束的lra攻击模型；所述下层模型为含虚假数据注入的经济调度模型。
21.可选的，所述上层模型表示为：
[0022][0023][0024][0025][0026][0027]
其中，load为电力系统中所有负荷节点集合；d为第d个负荷节点；为调度过程中在第d个负荷节点切除的负荷有功功率；表示为所述目标线路的功率真实值；α
obj
为攻击者设定的线路期望过载系数；p
l,obj,c
为所述目标线路的额定功率；obj为所述目标线路的编号；δd
d
为攻击过程中需要对第d个负荷节点注入的攻击量；τ为负荷变化比例的上限；d
d
为第d个负荷节点的原始负荷值；为线路真实潮流向量；sf
t
为在物理攻击后存在断线的电力系统拓扑的潮流灵敏度矩阵；d表示各负荷节点的初始负荷值的向量；为重新分配后的发电机有功功率向量；s
*
为负荷削减向量，s
*
是下层模型的决策变量。
[0028]
可选的，所述下层模型表示为：
[0029]
[0030][0031][0032][0033][0034][0035]
其中，为发电机有功的重新分配向量；s
*
为负荷削减向量；gen为电力系统中所有发电机节点集合；g为第g个发电机；c
g
为第g台发电机的发电费用系数；p
g,g
为第g个发电机的有功出力；load为电力系统中所有负荷节点集合；d为第d个负荷节点；cs
d
为第d个负节荷点切除损失系数；s
d
为第d个负荷节点的负荷削减量；δd
d
为攻击过程中需要对第d个负荷节点注入的攻击量；d
d
为第d个负荷节点的原始负荷值；为虚假潮流向量；sf
f
为描述电力系统受物理攻击前网络拓扑的潮流灵敏度矩阵；p
g
为为下层模型待求解的发电机有功出力向量；d表示各负荷节点的初始负荷值向量；δd为虚假数据注入的攻击向量；s为节点负荷削减向量；为第k条所述目标线路上的虚假潮流；p
l,k,c
为第k条所述目标线路的额定功率；k为第k条所述目标线路；为第g台发电机有功出力的上限；p
g,g
为第g台发电机有功出力的下限。
[0036]
一种信息物理协同负荷重分配攻击系统，包括：
[0037]
确定模块，用于确定攻击目标节点；
[0038]
物理攻击模块，用于确定与所述攻击目标节点相连的物理攻击目标线路，并实施物理攻击；
[0039]
信息攻击模块，用于对除物理攻击线路外的与所述攻击目标节点相连的其他一条线路实施改进的负荷重分配攻击，其中所述物理攻击线路为攻击者选定的实施物理攻击的与所述攻击目标节点相连的线路；
[0040]
判断模块，用于判断实施改进的负荷重分配攻击后的与所述攻击目标节点相连的线路中是否存在未失效线路；若存在所述未失效线路，则返回所述“对除物理攻击线路外的与所述攻击目标节点相连的其他一条线路实施改进的负荷重分配攻击，其中所述物理攻击线路为攻击者选定的实施物理攻击的与所述攻击目标节点相连的线路”步骤；否则确定完成攻击目标。
[0041]
可选的，所述信息攻击模块具体包括：
[0042]
计算单元，用于对目标线路逐条应用改进的负荷重分配攻击双层规划模型，计算每条所述目标线路过载所需的攻击资源量和虚假数据注入向量，其中所述目标线路为所述除物理攻击线路外的与所述攻击目标节点相连的其他一条线路；
[0043]
攻击单元，用于根据所述攻击资源量和所述虚假数据注入向量实施虚假数据注入攻击，诱使所述目标线路触发过流保护失效。
[0044]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0045]
本发明公开的一种信息物理协同负荷重分配攻击方法及系统，该方法兼具隐蔽性
及破坏性，通过一轮物理攻击破坏电网的实际网架拓扑结构，再进行多轮虚假数据注入攻击，掩盖系统因拓扑改变而造成的实际潮流改变的情况、误导调度中心进行错误调度，使目标节点相连线路逐一发生严重过载，触发过流保护而失效，进而使目标节点陷入完全失电风险。相比于传统lra攻击能够实现更好的攻击效果，为电力运行部门进行电力信息物理系统脆弱性评估，预防电网严重事故的发生提供参考，提升电力信息物理系统的安全性。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0047]
图1为本发明实施例1提供的一种信息物理协同负荷重分配攻击方法的流程图；
[0048]
图2为本发明实施例1提供的对特定攻击目标节点的攻击过程示意图；
[0049]
图3为本发明实施例2提供的一种信息物理协同负荷重分配攻击系统的结构图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
本发明的目的是提供一种信息物理协同负荷重分配攻击方法及系统，以进一步增加网络负载压力，增加线路过载的可能性，提升对电力系统的攻击效果，为电力运行部门进行电力信息物理系统脆弱性评估，预防电网严重事故的发生提供参考。
[0052]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0053]
实施例1：
[0054]
现有技术中的经典负荷重分配攻击(load redistribution attacks,lra)方法是一种新型的虚假数据注入攻击方法，其传统的攻击模型如下所示。上层模型表示攻击者总体的攻击目标，上层模型表示为：
[0055][0056][0057]
δp
l
＝
‑
sf
·
δd
ꢀꢀꢀ
#3
[0058][0059][0060]
[0061][0062]
其中，gen、load、line分别为系统中所有发电机节点集合、所有负荷节点集合、所有线路集合，对应单个发电机、负荷节点、单条线路分别用g、d、k表示；c
g
为第g台发电机的发电费用系数，为第g台发电机实际有功出力，cs
d
为第d个负荷点切除损失系数，为调度过程中在第d个负荷点切除的负荷有功功率；δd为虚假数据注入的攻击向量，也是上层模型的决策变量，δp
l
为因攻击向量δd引起的虚假的线路潮流变化向量，d表示各负荷节点初始负荷值向量；sf为直流潮流中描述节点注入功率与线路潮流的灵敏度矩阵；系数τ＝δd
d
/d
d
描述了负荷变化比例的上限，由负荷点d本身的负荷性质所决定。δ
d,d
、δ
pl,k
为对节点、线路的攻击标志，r为攻击者攻击资源总量。
[0063]
式(1)意为将系统运行费用和甩负荷损失之和最大化，即对系统造成的经济损失最大；式(2)表示各个节点注入功率之和为0，保证了攻击前后系统功率守恒；式(3)描述线路功率与节点注入功率变动的关系；式(4)是对攻击向量幅值的限制，负荷节点本身极少有过大的负荷变动；式(5)、(6)、(7)表示攻击资源的限制。
[0064]
下层模型为攻击者实施虚假数据注入后，调度中心进行安全约束经济调度，对虚假的负荷变化作出反应。下层模型表示为：
[0065][0066][0067]
p
l
＝sf
·
[p
g
‑
(d δd
‑
s)]#10
[0068][0069][0070][0071]
式中，p
l
为调度中心视角下线路功率向量，p
l,k,c
为第k条线路的额定功率，p
g,g
为第g台发电机有功出力上、下限。为重新分配后的发电机有功向量，s
*
为负荷削减向量，二者为下层模型的决策变量。
[0072]
式(8)为经济损失最小化的目标函数，式(9)是系统功率平衡方程，式(10)为潮流平衡方程，式(11)、(12)、(13)分别为线路功率、机组出力、负荷削减在安全运行范围内的约束。
[0073]
受式(2)、(4)的约束，虚假数据注入幅值不会很大，且注入后系统整体功率保持平衡，即lr攻击的虚假数据注入伪装为负荷的正常波动。仅从系统安全性的角度进行分析，经典lra模型注入虚假数据δd，引起安全约束经济调度，造成了发电机有功的重新分配和负荷削减s
*
，以此对实际潮流产生影响。需要注意的是，虚假数据注入δd并未改变实际负荷d，实际负荷最终的大小为d
‑
s
*
，即攻击
–
调度过程结束后，系统的总负荷总是小于等于攻击前负荷值d，这对于以线路过载为目的的安全性攻击而言是十分不利的。另一方面，也
仅仅使发电机出力发生有限的变化，在一个网架冗余度稍高，能够满足n
‑
1校核的系统中，发电机出力变化引起的有限潮流转移几乎不会引起线路过载，从而造成攻击效果不明显，导致无法对电力系统的安全性进行充分评估。
[0074]
并且本发明还发现信息物理协同攻击较纯信息攻击对电力系统产生更严重的后果，因此从信息物理协同攻击角度，对电力系统脆弱性评估更有研究价值。同时为了解决经典lra存在的问题，参阅图1和图2，本发明提供了一种信息物理协同负荷重分配攻击方法，包括：
[0075]
s1：确定攻击目标节点，与攻击目标节点相连的线路也随之确定；
[0076]
在攻击目标节点的选择上，将目标攻击节点拓展为原目标攻击节点和与其相邻接的一至两个节点，从而在攻击末轮过程中，与攻击目标相连的最后一条线路上的负载处于较大水平，以致触发线路过流保护。
[0077]
s2：对与所述攻击目标节点相连的线路实施物理攻击；根据目标攻击节点的情况确定物理攻击使线路失效的条数，根据所确定物理攻击线路条数，按所带负载从大到小的顺序选取线路进行攻击，可造成最大的负荷转移；为保持攻击隐蔽性，物理攻击线路通常不应多于为1至2条。
[0078]
需要说明的是，物理攻击均能保证线路失效。
[0079]
s3：对除物理攻击线路外的与所述攻击目标节点相连的其他一条线路实施改进的负荷重分配攻击，其中所述物理攻击线路为攻击者选定的实施物理攻击的与所述攻击目标节点相连的线路；
[0080]
s4：判断实施改进的负荷重分配攻击后的与所述攻击目标节点相连的线路中是否存在未失效线路；
[0081]
s5：若存在所述未失效线路，则返回所述“对除物理攻击线路外的与所述攻击目标节点相连的其他一条线路实施改进的负荷重分配攻击，其中所述物理攻击线路为攻击者选定的实施物理攻击的与所述攻击目标节点相连的线路”步骤，继续对剩余未失效线路实施攻击；否则确定完成攻击目标，攻击目标节点已失去全部电力供应。
[0082]
本发明提供的一种信息物理协同负荷重分配攻击方法能够令特定目标节点完全失电，其应用于为电力运行部门进行电力信息物理系统脆弱性评估，预防电网严重事故的发生提供参考。
[0083]
作为一种可选的实施方式，所述对除物理攻击线路外的与所述攻击目标节点相连的其他一条线路实施改进的负荷重分配攻击，其中所述物理攻击线路为攻击者选定的实施物理攻击的与所述攻击目标节点相连的线路，具体包括：
[0084]
对目标线路逐条应用改进的负荷重分配攻击双层规划模型，计算每条所述目标线路过载所需的攻击资源量和虚假数据注入向量，其中所述目标线路为所述除物理攻击线路外的与所述攻击目标节点相连的其他一条线路；
[0085]
根据所述攻击资源量和所述虚假数据注入向量实施虚假数据注入攻击，系统调度中心按预期结果进行调度，使所述目标线路触发过流保护，线路退出运行。
[0086]
在一种可选的方式中，所述改进的负荷重分配攻击双层规划模型包括上层模型和下层模型；其中所述上层模型为添加目标线路过载约束的lra攻击模型，表示为：
[0087][0088][0089][0090][0091][0092]
其中，load为电力系统中所有负荷节点集合；d为第d个负荷节点；为调度过程中在第d个负荷节点切除的负荷有功功率；表示为所述目标线路的功率真实值；α
obj
为攻击者设定的线路期望过载系数；p
l,obj,c
为所述目标线路的额定功率；obj为所述目标线路的编号；δd
d
为攻击过程中需要对第d个负荷节点注入的攻击量；τ为负荷变化比例的上限；d
d
为第d个负荷节点的原始负荷值；为线路真实潮流向量；sf
t
为在物理攻击后存在断线的电力系统拓扑的潮流灵敏度矩阵；d表示各负荷节点的初始负荷值的向量；为重新分配后的发电机有功功率向量；s
*
为负荷削减向量。
[0093]
式(14)为上层模型目标函数，最小化负荷削减总量s
*
。s
*
越大，系统负荷d
‑
s
*
越小，线路潮流越小，线路越不可能过载。故以破坏电网安全稳定运行为目的的信息物理协同负荷重分配攻击将尽可能保留系统原有负荷。式(15)为攻击者期望目标线路发生过载的约束。式(16)为保证功率平衡的约束，虚假数据注入前后，应使系统保证实际出力
‑
负荷平衡，不会导致出现系统因功率不平衡而出现电压、频率异常变化而使攻击被过早地检出。式(17)为攻击向量规模约束，lra攻击中，虚假数据注入伪装为负荷波动，负荷极少出现大幅突变，故每个负荷节点的虚假数据注入应限制在一定范围内。式(18)为系统真实潮流方程，真实系统中线路潮流与节点注入功率的关系。
[0094]
下层模型为含虚假数据注入的经济调度模型，下层模型表示为：
[0095][0096][0097][0098][0099][0100][0101]
其中，为重新分配后的发电机有功功率向量；s
*
为负荷削减向量；gen为电力系统中所有发电机节点集合；g为第g个发电机；c
g
为第g台发电机的发电费用系数；p
g,g
为第g个发电机的有功出力；load为电力系统中所有负荷节点集合；d为第d个负荷节点；cs
d
为第d
个负节荷点切除损失系数；s
d
为第d个负荷节点的负荷削减量；δd
d
为攻击过程中需要对第d个负荷节点注入的攻击量；d
d
为第d个负荷节点的原始负荷值；为虚假潮流向量；sf
f
为描述电力系统受物理攻击前网络拓扑的潮流灵敏度矩阵；p
g
为为下层模型待求解的发电机有功出力向量；d表示各负荷节点的初始负荷向量；δd为虚假数据注入的攻击向量；s为节点负荷削减向量；为第k条所述目标线路上的虚假潮流；p
l,k,c
为第k条所述目标线路的额定功率；k为第k条所述目标线路；为第g台发电机有功出力的上限；p
g,g
为第g台发电机有功出力的下限。
[0102]
需要注意的是调度中心计算所用的负荷功率d
f
＝d δd及系统拓扑sf
f
均不是系统真实参数，故错误的调度计算结果应用于真实系统，会对系统造成极大危害。
[0103]
本发明解决了经典lra攻击存在的仅能使发电机出力变化、造成负荷削减，而导致对系统稳定运行状态的影响十分有限，无法全面可靠地评估电力系统脆弱性的问题。通过最小化负荷削减总量s
*
来尽可能减少负荷削减，使系统保留尽可能多的负载，使网架负荷水平维持在较高水平上，增加了攻击成功的可能性；增加了使目标线路过载的约束，使模型能够令特定攻击目标发生过载；
[0104]
3)结合物理攻击破坏系统实际网络拓扑结构，使系统被迫处于n
‑
1运行状态，进一步增加网络负载压力，增加了线路过载的可能性。本发明提供的一种信息物理协同负荷重分配攻击方法及系统，相比于传统lra攻击能够实现更好地攻击效果，为电力运行部门进行电力信息物理系统脆弱性评估，预防电网严重事故的发生提供参考，提升电力信息物理系统的安全性。
[0105]
实施例2：
[0106]
参阅图3，本发明还提供了一种信息物理协同负荷重分配攻击系统，包括：
[0107]
确定模块m1，用于确定攻击目标节点；
[0108]
物理攻击模块m2，用于确定与所述攻击目标节点相连的物理攻击目标线路，并实施物理攻击；
[0109]
信息攻击模块m3，用于对除物理攻击线路外的与所述攻击目标节点相连的其他一条线路实施改进的负荷重分配攻击，其中所述物理攻击线路为攻击者选定的实施物理攻击的与所述攻击目标节点相连的线路；
[0110]
判断模块m4，用于判断实施改进的负荷重分配攻击后的与所述攻击目标节点相连的线路中是否存在未失效线路；若存在所述未失效线路，则返回所述“对除物理攻击线路外的与所述攻击目标节点相连的其他一条线路实施改进的负荷重分配攻击，其中所述物理攻击线路为攻击者选定的实施物理攻击的与所述攻击目标节点相连的线路”步骤；否则确定完成攻击目标，攻击目标节点已失去全部电力供应。
[0111]
作为一种可选的实施方式，信息攻击模块m3还包括：
[0112]
计算单元，用于对目标线路逐条应用改进的负荷重分配攻击双层规划模型，计算每条所述目标线路过载所需的攻击资源量和虚假数据注入向量，其中所述目标线路为所述除物理攻击线路外的与所述攻击目标节点相连的其他一条线路；
[0113]
攻击单元，用于根据所述攻击资源量和所述虚假数据注入向量实施虚假数据注入攻击，使所述目标线路触发过流保护进而失效。
[0114]
本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0115]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。