CN105515017B - 计及信息安全约束的广域测量系统pmu优化配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计及信息安全约束的广域测量系统PMU优化配置方法，本发明通过对广域测量系统WAMS中PMU设备的合理优化配置，在保证系统可观性的前提下，使其在面对信息攻击时，可以将状态估计的计算结果偏差限定在设定的阈值之内。本方法在考虑系统安全性时，针对攻击者会考虑电力系统网络脆弱节点或攻击危害影响最大节点来实施信息篡改攻击的可能，保证了系统即使面对最极端的信息篡改攻击选点，也可以保证使其状态估计偏差控制在预设的可以接受的范围内。该方法能在保证系统可观性的前提下，降低系统在受到此类恶意信息篡改攻击时状态估计的偏移，使其控制在预设的可以接受的范围内，达到维护电力信息物理系统安全性的目的。

Description

计及信息安全约束的广域测量系统PMU优化配置方法
技术领域
本发明涉及智能电网、广域测量系统，尤其涉及一种计及信息安全约束的广域测量系统PMU优化配置方法。
背景技术
随着用电规模的增加与新能源发电的接入，信息技术正被广泛应用于传统电力系统，形成一个庞大的复杂的新系统，即电力信息物理系统ECPS(Electrical CyberPhysical System)。其在为传统电力行业带来诸多便利的同时，也带来了许多潜在的安全隐患。其中，广域测量系统WAMS(Wide Area Measurement System)是基于同步相量测量技术和现代通信技术，对地域广阔的电力系统运行状态进行监测、分析，为电力系统实时运行和控制服务的系统，其核心测量单元是PMU(Phasor Measurement Unit)。状态估计是WAMS的主要应用之一，其计算结果的精确性与准确性是电力系系统安全的重要保障。然而，由于基于PMU的状态估计非常依赖通讯网络来保证其时效性与精度，信息攻击会降低系统状态估计的精度，甚至使得系统不完全可观。如此不精确的状态估计可以直接使得网络行为误操作(如纠正控制、快速决策)，从而导致电力系统故障甚至中断。有目的性的攻击者甚至可以寻找最脆弱的测量数据节点，使得攻击产生的危害影响最大。因此，通过PMU配置的方式，降低系统在受到此类恶意信息篡改攻击时状态估计的偏移，使其控制在预设的可以接受的范围内，达到维护电力信息物理系统安全性的目的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种计及信息安全约束的广域测量系统PMU优化配置方法。
本发明通过对广域测量系统WAMS中PMU设备的合理优化配置，在保证系统可观性的前提下，使其在面对信息攻击(数据篡改攻击)时，可以将状态估计的计算结果偏差限定在设定的阈值之内。
其创新性和技术贡献主要体现在以下几个方面：(1)在满足电力系统状态估计可观性的前提条件下，考虑信息安全因素合理配置PMU布局，从而降低信息攻击带来的计算结果偏移的影响；(2)本方法在考虑系统安全性时，针对攻击者会考虑电力系统网络脆弱节点或攻击危害影响最大节点来实施信息篡改攻击的可能，从而通过方法的设计保证了系统即使面对最极端的信息篡改攻击选点，也可以保证使其状态估计偏差控制在预设的可以接受的范围内；(3)该方法同时可以应用于工程中安全性指标的选择，建立PMU配置结果与安全性指标的对应关系，从而使得可以根据实际情况同时考虑安全因素来实施PMU合理布置。通过MATLAB仿真平台的机遇线性最小二乘状态估计场景的模型搭建与仿真，验证了该方法能在保证系统可观性的前提下，降低系统在受到此类恶意信息篡改攻击时状态估计的偏移，使其控制在预设的可以接受的范围内，达到维护电力信息物理系统安全性的目的。
本发明所采用的技术方案如下：
步骤(1)获取电网模型的导纳矩阵Y，节点数N；
步骤(2)采用已有的考虑系统可观性的PMU优化配置方法，得到满足系统可观的PMU初始配置，从而初始化PMU安装向量P0，得到PMU安装个数n，并设定不同的目标安全系数ki；
步骤(3)根据PMU安装向量P0获取测量向量M0与相关矩阵H0，并设定加权矩阵W；
步骤(4)根据线性最小二乘状态估计方法，计算得到不受攻击条件下状态估计的结果向量X0
X0＝[(H0 T)*WH0]-1(H0 T)*WM0 (1)；
步骤(5)用信息篡改攻击遍历PMU获取的测量向量M0中的数据元素，篡改量为t，分别重新计算状态估计结果X，并与X0比较求得偏移量E。取偏移量最大的结果作为基准E0
步骤(6)PMU安装个数n增1。设置控制变量i，并令i为1，令Emin max为大值；
步骤(7)得到新的PMU安装向量P＝P0，并令P第i个非零元素为1；
步骤(8)根据新的PMU安装向量P获取测量向量M与相关矩阵H；
步骤(9)用信息篡改攻击遍历PMU获取的测量向量M中的数据元素，
分别重新计算状态估计结果X，并与X0比较求得偏移量E。取偏移量最大的结果记作Emax
X＝[(HT)*WH]-1(HT)*WM (3)
步骤(10)若Emax＜Eminmax，则令Eminmax＝Emax；否则直接进行下一步骤；
步骤(11)若i＜N-n，则令i增1，并返回执行步骤7；否则直接进行下一步骤；
步骤(12)令P0＝P；
步骤(13)若Eminmax＞E0×k，且n＜N，则返回执行步骤6；若Eminmax＞E0×k，而n＝N，则无解；若Eminmax≤E0×k，则得到目标配置方案的配置向量P1＝P。
本发明有益效果是：通过PMU配置的方式，降低系统在受到此类恶意信息篡改攻击时状态估计的偏移，使其控制在预设的可以接受的范围内，达到维护电力信息物理系统安全性。从具体表现在，(1)在满足电力系统状态估计可观性的前提条件下，考虑信息安全因素合理配置PMU布局，从而降低信息攻击带来的计算结果偏移的影响；(2)本方法在考虑系统安全性时，针对攻击者会考虑电力系统网络脆弱节点或攻击危害影响最大节点来实施信息篡改攻击的可能，从而通过方法的设计保证了系统即使面对最极端的信息篡改攻击选点，也可以保证使其状态估计偏差控制在预设的可以接受的范围内；(3)该方法同时可以应用于工程中安全性指标的选择，建立PMU配置结果与安全性指标的对应关系，从而使得可以根据实际情况同时考虑安全因素来实施PMU合理布置。需要说明的是，(1)传统的电网采用基于RTU的SCADA系统完成对底层数据的采集与传输并完成状态估计，然而其有采集频率低，以及系统建设早安全漏洞多等缺点；可以预见，未来基于PMU的WAMS会逐渐取代前者的这一功效，因为其不但可以保持秒级的采集数据频率，更能采集相角等信息，并且精度高速度快。(2)尽管，目前电网的信息网络相对公网更加独立；然而攻击者可以直接挟持PMU从而篡改PMU采集得到的数据，这种方式极难通过防御机制直接侦察；同样，攻击者可以通过改变端与端之间的信道使得数据失真；另外，针对带有时间标签的数据，可以通过修改其时间标签使其失效。
附图说明
图1基于PMU的WAMS网络示意图；
图2IEEE14节点系统模型图；
图3考虑安全性的PMU配置方法流程图；
图4PMU配置结果与状态估计偏移指标对应关系图；
图5PMU配置结果与安全性指标的对应关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详述：
由图1可以看到，在广域测量系统中。区域中的PMU将采集到的带有时间标记的数据汇总至PDC(Phasor Data Concentrator)；而PDC收集完成信息后进一步将信息汇总至更高一级的sPDC(the super Phasor Data Concentrator)。整个过程中既可以通过有线网络传输数据信息，也可以通过无线网络传输信息。而数据的时间标记由GPS同步。以IEEE14节点电力网络为例，图2为IEEE14节点系统模型图。其中为了保证系统的可观性，初始布置的PMU分别位于节点2，节点6，节点8与节点9。根据图3给出的考虑安全性的PMU配置方法流程，可以如下实施该方法。
步骤(1)获取电网模型的导纳矩阵Y，节点数N为14
步骤(2)采用已有的考虑系统可观性的PMU优化配置方法(比如0-1整数规划法)，得到满足系统可观的PMU初始配置，从而初始化PMU安装向量P0，得到PMU安装个数n，目标安全系数ki。
由于初始PMU布置位置分别为节点2，节点6，节点8与节点9；因此得P0＝[0 1 0 00 1 0 1 1 0 0 0 0 0]；节点数n＝4；安全系数不妨设为k1＝2/3；k2＝1/2；k3＝1/3
步骤(3)根据PMU安装向量P0获取测量向量M0与相关矩阵H0，并设定加权矩阵W为单位矩阵。
步骤(4)根据线性最小二乘状态估计方法，计算得到不受攻击条件下状态估计的结果向量X0
X0＝[(H0 T)*WH0]-1(H0 T)*WM0 (1)
步骤(5)用信息篡改攻击遍历PMU获取的测量向量M0中的数据元素，分别重新计算状态估计结果X，并与X0比较求得偏移量E。取偏移量最大的结果作为基准E0
步骤(6)PMU安装个数n增1。设置控制变量i，并令i为1，令Emin max为10000000
步骤(7)得到新的PMU安装向量P＝P0，并令P第i个非零元素为1
步骤(8)根据新的PMU安装向量P获取测量向量M与相关矩阵H
步骤(9)用信息篡改攻击遍历PMU获取的测量向量M中的数据元素，篡改量t＝10％；分别重新计算状态估计结果X，并与X0比较求得偏移量E。取偏移量最大的结果记作Emax
X＝[(HT)*WH]-1(HT)*WM (3)
步骤(10)若Emax＜Emin max，则令Eminmax＝Emax；否则直接进行下一步骤
步骤(11)若i＜N-n，则令i增1，并返回执行步骤7；否则直接进行下一步骤
步骤(12)令P0＝P
步骤(13)若Eminmax＞E0×k，且n＜N，则返回执行步骤6；若Eminmax＞E0×k，而n＝N，则无解；若Eminmax≤E0×k，则得到目标配置方案的配置向量P1＝P
因此可得，为了达到安全性指标的要求，PMU配置结果如表1所示。当安全系数为2/3时，需要配置PMU的节点分别为：节点2，节点6，节点5，节点9与节点12；当安全系数为1/2时，需要配置PMU的节点分别为：节点2，节点6，节点5，节点9与节点12，节点4，节点14；当安全系数为1/3时，需要配置PMU的节点分别为：节点2，节点6，节点5，节点9与节点12，节点4，节点14，节点10，节点7，节点5，节点11。
表I IEEE14节点系统考虑安全性PMU配置结果
考虑到安全系数可能根据实际需求所改变，给出IEEE14节点系统模型在该方法下，状态估计偏移指标与安全性指标随配置PMU个数增加的变化曲线，分别如图4与图5所示。

Claims (2)

1.计及信息安全约束的广域测量系统PMU优化配置方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤(1)获取电网模型的导纳矩阵Y和节点数N；
步骤(2)采用已有的考虑系统可观性的PMU优化配置方法，得到满足系统可观的PMU初始配置，从而初始化PMU安装向量P0，得到PMU安装个数n，并设定不同的目标安全系数ki；
步骤(3)根据PMU安装向量P0获取测量向量M0与相关矩阵H0，并设定加权矩阵W；
步骤(4)计算得到不受攻击条件下状态估计的结果向量X0；
步骤(5)用信息篡改攻击遍历PMU获取的测量向量M0中的数据元素，篡改量为t，分别重新计算状态估计结果X，并与X0比较求得偏移量E；取偏移量最大的结果作为基准E0
<mrow> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </msubsup> <mrow> <mo>|</mo> <mfrac> <mrow> <mi>X</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>X</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>X</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>|</mo> </mrow> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow> ；
步骤(6)PMU安装个数n增1；设置控制变量i，并令i为1，令Eminmax为大值；
步骤(7)得到新的PMU安装向量P＝P0，并令P第i个非零元素为1；
步骤(8)根据新的PMU安装向量P获取测量向量M与相关矩阵H；
步骤(9)用信息篡改攻击遍历PMU获取的测量向量M中的数据元素，分别重新计算状态估计结果X，并与X0比较求得偏移量E；取偏移量最大的结果记作Emax
X＝[(HT)*WH]-1(HT)*WM
<mrow> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </msubsup> <mrow> <mo>|</mo> <mfrac> <mrow> <mi>X</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>X</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>X</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>|</mo> </mrow> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow> ；
步骤(10)若Emax＜Eminmax，则令Eminmax＝Emax；否则直接进行下一步骤；步骤(11)若i＜N-n，则令i增1，并返回执行步骤7；否则直接进行下一步骤；
步骤(12)令P0＝P；
步骤(13)若Eminmax＞E0×ki，且n＜N，则返回执行步骤6；若Eminmax＞E0×ki，而n＝N，则无解；若Eminmax≤E0×ki，则得到目标配置方案的配置向量P1＝P。
2.根据权利要求1所述的计及信息安全约束的广域测量系统PMU优化配置方法，其特征在于：计算得到不受攻击条件下状态估计的结果向量X0为根据线性最小二乘状态估计方法；
X0＝[(H0 T)*WH0]-1(H0 T)*WM0。
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