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东南大学蔡星蒲、王琦等:电力系统网络攻击信息物理双层协同紧急控制方法

电力系统网络攻击信息物理双层协同紧急控制方法

蔡星浦1,王 琦1,黄建业2,李周1

(1.东南大学电气工程学院;2.国网福建省电力有限公司电力科学研究院)


本文发表在《全球能源互联网》2020年第6期,欢迎点击品读本文受国家重点研发计划(基础研究类2017YFB0903000)及国家电网公司科技项目(电网信息物理系统分析与控制的基础理论与方法(配套项目))资助。

摘要

电力信息物理系统的信息业务、通信网络和物理实体逐渐深度融合,一方面使得电力侧的感知和控制更加准确高效,另一方面也引入了潜在的网络攻击风险。本文在电力CPS关联矩阵通用建模方法的基础上,定量分析攻击在信息和物理双侧的影响,提出了信息物理协同的紧急控制方法双层自适应调整方法。

研究成果

1

基于关联矩阵的电力CPS通用化建模方法定量分析网络攻击对电力系统的影响,并提出可拓展的策略判断函数分析既定策略的可行性。

2

提出一种包含信息物理双层优化的策略调整方法,上层物理侧优化考虑攻击对物理控制目标的影响,下层信息侧优化考虑攻击对信息侧控制路径的影响,实现紧急状态下电力CPS应对网络攻击威胁的快速策略调整。

主要内容

目前电力系统应对工程故障主要采取事前预设故障、制定策略、实时故障诊断和策略匹配的安全措施,保证系统的安全可靠运行。在紧急状态下的控制措施方面,当前的预想故障及相应的策略集合还是依赖传统的三道防线。值得注意的是,提前制定的紧急控制策略执行需要相关通信路径、设备均正常可靠运行的支持才能实现预想效果。对于自然因素(天气、偶发事故)导致的常见故障,通信环境通常不会受到影响,二次执行设备的可靠性也可以保证。但在网络攻击环境下,由于人为参与的特殊性,攻击者为了扩大攻击影响,往往有意选择与电力系统后续防御措施关联的线路、设备配合攻击,由于CPS系统信息物理紧密耦合的特性,应综合考虑攻击在信息和物理双侧的影响,在常规措施的基础上延伸。

本文首先基于关联特性矩阵对电力CPS进行耦合建模,描述各层之间的拓扑关联关系和逻辑关联关系,如图1所示。通过对应矩阵元素的改变,可以实现局部网络攻击对系统整体功能的影响分析。

图1 电力CPS关联建模

本文所提的信息物理协同双层自适应替代控制策略如图2所示,在网络攻击发生后对受到攻击影响的元素和突发事件对电力CPS的影响进行修正,形成攻击后新的CPS模型;基于新的模型,本文提出策略判断函数通过模型混成计算分析既定切负荷策略的可用性

图2 基于关联矩阵的信息物理自适应控制架构

对于上层物理侧策略调整,以电力系统安全稳定控制优化切负荷过程为例,优化切负荷策略需要考虑受攻击导致指令无法到达的设备节点、受攻击导致功能受到破坏的控制设备、自然故障下已经脱网导致无法调用的控制设备以及因攻击导致设备处于不可观区域而不可信、不可控的设备和受攻击影响无法正常使用的发电机等因素。对于下层信息侧通信路径调整,指令的下发过程需要考虑受攻击导致不可用的通信链路和通信节点。

物理侧上层策略调整:

信息侧下层策略调整:


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本文引文信息

蔡星浦,王琦,黄建业,等. 电力系统网络攻击信息物理双层协同紧急控制方法[J]. 全球能源互联网,2020,3(6):560-568.


CAI Xingpu, WANG Qi, HUANG Jianye, et al. Double-layered cyber-physical cooperative emergency control-strategy-adjustment method to prevent power-system cyber attacks[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(6): 560-568(in Chinese).

研究团队

东南大学电力系统自动化研究所主要从事电力系统稳定运行与控制、电力电子化电力系统、直流输电技术、电网信息物理系统等领域的研究工作。近三年来主持了国家自然科学基金项目8项,参与了国家重点研发计划项目4项,负责国家电网有限公司及省级电网公司项目20余项。共计发表SCI检索论文50余篇,申请和授权国家发明专利60余项。

作者简介

蔡星浦


2018级硕士研究生


主要研究方向为电力信息物理系统

E-mail:

caixingpu@seu.edu.cn

王琦


工学博士,副教授,硕士研究生导师


主要研究方向为电力信息物理系统仿真与安全分析,电力系统稳定分析与控制等

E-mail:

wangqi@seu.edu.cn

编辑:张鹏

审核:白恺

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