CN107360133A - 一种面向电网信息物理系统的网络攻击仿真方法及系统 - Google Patents

一种面向电网信息物理系统的网络攻击仿真方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种面向电网信息物理系统的网络攻击仿真方法及系统，方法包括：电力系统仿真器根据预先设定的电力系统事件列表进行仿真，并通过信息系统仿真器将仿真结果发送至网络攻击仿真器；在网络攻击仿真器中建立仿真攻击事件，并通过信息系统仿真器将仿真攻击事件发送至电力系统仿真器；电力系统仿真器根据仿真攻击事件更新电力系统事件列表，并根据电力系统事件列表进行仿真；本发明提供的技术方案，在搭建的电网信息物理系统环境下，加入网络攻击模拟平台，针对不同的电力网络特征和信息网络特征，按照不同的安全等级防护要求，设定对应的攻击规模和强度，观察验证网络攻击对电网信息物理系统的影响以及在系统失稳情况下保护措施的作用。

Description

一种面向电网信息物理系统的网络攻击仿真方法及系统
技术领域
本发明涉及电力系统网络攻击领域，具体涉及一种面向电网信息物理系统的网络攻击仿真方法及系统。
背景技术
针对电力系统的网络攻击具有隐蔽性强、潜伏期长、攻击代价小的特点，虽然它不能直接破坏电力一次设备,但可以通过削弱甚至完全破坏二次系统的正常功能，达到类似于物理攻击的效果，对系统稳定、经济运行、社会安定产生严重影响。电力正常运行时，二次设备故障会造成量测丢失或错误,影响调度人员对电力一次系统的准确感知；一次系统发生故障时，若由于继电保护装置、数据采集与监控(SCADA)能量管理系统(EMS)/广域测量系统(WAMS)等二次系统的通信网络发生故障或受到恶意攻击，出现信息中断、延迟、篡改等情况时，极可能导致控制中心下达错误指令、决策单元误动作或退出运行等电力一次系统的故障，从而引发一次系统的振荡和大范围停电事故。因此，建立面向电网信息物理系统的网络攻击仿真平台，可以复现网络攻击对电力系统的攻击行为及影响，为电力安全稳定控制与防护提供辅助决策作用。
作为网络攻击的攻击目标和载体，电力系统和信息通信系统的精确仿真和交互影响是研究网络攻击作用方式的关键。电力流与信息流通过计算、通信、控制等过程融合交互，从而形成了开放互联、稳定自洽的复杂多维系统，即电网信息物理系统(CPS)。由于电力层与通信层表现出不同的运行特征，电力元件与信息元件深度互联，相互制约，相互影响，呈现出多重时域空间的复杂性，因此缺乏统一的实际建模方法。由于两者的建模差别，目前没有单个仿真软件能够同时描述电力与通信模型的特性。
发明内容
本发明提供一种面向电网信息物理系统的网络攻击仿真方法及系统，其目的是在搭建的电网信息物理系统环境下，加入网络攻击模拟平台，针对不同的电力网络特征和信息网络特征，按照不同的安全等级防护要求，设定对应的攻击规模和强度，观察验证网络攻击对电网信息物理系统的影响以及在系统失稳情况下保护措施的作用。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种面向电网信息物理系统的网络攻击仿真方法，其改进之处在于，包括：
电力系统仿真器根据预先设定的电力系统事件列表进行仿真，并通过信息系统仿真器将仿真结果发送至网络攻击仿真器；
在网络攻击仿真器中建立仿真攻击事件，并通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器；
所述电力系统仿真器根据所述仿真攻击事件更新电力系统事件列表，并根据所述电力系统事件列表进行仿真。
优选的，所述通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器，包括：
当到达所述仿真攻击事件对应的时间序列中的攻击时刻时，所述网络攻击仿真器通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器。
优选的，所述电力系统仿真器根据所述仿真攻击事件更新电力系统事件列表，包括：
所述电力系统仿真器接收所述仿真攻击事件后停止仿真，根据所述仿真攻击事件的行为描述和时间序列更新所述电力系统事件列表。
进一步的，所述仿真攻击事件的行为描述包括：攻击方式、攻击目标和攻击路径。
进一步的，所述仿真攻击事件的时间序列包括：随机时间序列和固定时间序列，其中，当所述时间序列为随机时间序列时，其对应的攻击方式为根据随机时间序列向电力系统注入无关数据，以造成通信网络拥堵瘫痪，当所述时间序列为固定时间序列时，其对应的攻击方式为根据预先设定的固定时间向电力系统发送虚假数据或虚假控制指令。
优选的，所述仿真结果包括：发电机有功无功出力、节点的线路的电压、线路的电流和功率。
优选的，所述电力系统仿真器、信息系统仿真器和网络攻击仿真器之间采用TCP/IP协议建立通信连接。
一种面向电网信息物理系统的网络攻击仿真系统，其改进之处在于，所述系统包括：
电力系统仿真器、信息系统仿真器和网络攻击仿真器；
所述网络攻击仿真器，用于建立仿真攻击事件，并通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器；
所述电力系统仿真器包括仿真模块、更新模块和发送模块，其中，所述仿真模块，用于根据预先设定的电力系统事件列表进行仿真，所述发送模块，用于通过信息系统仿真器将仿真结果发送至网络攻击仿真器，所述更新模块，用于根据所述仿真攻击事件更新电力系统事件列表，并根据所述电力系统事件列表进行仿真。
优选的，所述网络攻击仿真器包括：
判定模块，用于判断是否到达所述仿真攻击事件对应的时间序列中的攻击时刻，若是，则驱动所述网络攻击仿真器通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器，若否，则保持接收所述仿真结果。
优选的，所述电力系统仿真器还包括停止模块，用于当接收所述仿真攻击事件时，停止仿真。
本发明的有益效果：
本发明提供的技术方案，提出一种通用、易于再现的实时分布式仿真平台方案，利用电力系统仿真器仿真模拟电力系统运行状态，信息系统仿真器作为通信系统仿真工具，能够快速精确的模拟系统动态交互行为。在此基础上，利用网络攻击仿真器，对电网信息物理系统进行攻击过程构建及攻击过程还原评估，在搭建的电网信息物理系统环境下，加入网络攻击模拟平台，针对不同的电力网络特征和信息网络特征，按照不同的安全等级防护要求，设定对应的攻击规模和强度，观察验证网络攻击对电网信息物理系统的影响以及在系统失稳情况下保护措施的作用。进一步的，本发明在实时的电力通信仿真中融入了离散的攻击过程，以高效的时间同步方法兼容实时与非实时仿真的优势，有效验证不同方式的网络攻击对电网信息物理系统的影响。
附图说明
图1是本发明一种面向电网信息物理系统的网络攻击仿真方法的流程图；
图2是本发明实施例中仿真平台的时间同步策略原理图；
图3是本发明实施例中仿真平台结构图；
图4是本发明实施例中电力结构；
图5是本发明实施例中负荷随着攻击过程变化图示意图；
图6是本发明实施例中仿真结果示意图；
图7是本发明一种面向电网信息物理系统的网络攻击仿真系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种面向电网信息物理系统的网络攻击仿真方法，在搭建的电网信息物理系统环境下，加入网络攻击模拟平台，针对不同的电力网络特征和信息网络特征，按照不同的安全等级防护要求，设定对应的攻击规模和强度，观察验证网络攻击对电网信息物理系统的影响以及在系统失稳情况下保护措施的作用，如图1所示，包括：
101.电力系统仿真器根据预先设定的电力系统事件列表进行仿真，并通过信息系统仿真器将仿真结果发送至网络攻击仿真器；
102.在网络攻击仿真器中建立仿真攻击事件，并通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器；
103.所述电力系统仿真器根据所述仿真攻击事件更新电力系统事件列表，并根据所述电力系统事件列表进行仿真。
具体的，所述通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器，包括：
当到达所述仿真攻击事件对应的时间序列中的攻击时刻时，所述网络攻击仿真器通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器。
所述电力系统仿真器根据所述仿真攻击事件更新电力系统事件列表，包括：
所述电力系统仿真器接收所述仿真攻击事件后停止仿真，根据所述仿真攻击事件的行为描述和时间序列更新所述电力系统事件列表。
例如，如图2所示，本发明实施例提供的仿真平台的事件同步策略，电力系统仿真器与信息系统仿真器之间实时同步，网络攻击仿真器与前两者非实时同步。开始仿真时电力系统与信息系统之间实时交互，更新状态。假设初始攻击事件在t1时刻发生，此时平台的总体状态为(t1,s1)；网络攻击仿真器通过通信网络获取电力状态信息，假设通信网络的传输延时为Δt，则当电力特征传送到网络攻击仿真器时总体状态为(t1+Δt,s1)；此时电力系统与信息系统暂停仿真，网络攻击仿真器对电力系统进行漏洞解析，该步骤为异步处理，不占用系统整体仿真时间，根据预定的攻击策略发送攻击信号a1，此时平台总体状态为(t1+Δt,s1,a1)；系统恢复仿真进程，同样在经历了Δt的通信延时后攻击信号刚到达电力系统仿真器，此时平台总体状态为(t1+2Δt,s1,a1)；攻击行为对电力系统产生影响，使其更迭到新的状态s2，平台进入(t2,s2)，从而完成一次完整的闭环攻击步骤。
其中，所述仿真攻击事件的行为描述包括：攻击方式、攻击目标和攻击路径。
所述仿真攻击事件的时间序列包括：随机时间序列和固定时间序列，其中，当所述时间序列为随机时间序列时，其对应的攻击方式为根据随机时间序列向电力系统注入无关数据，以造成通信网络拥堵瘫痪，当所述时间序列为固定时间序列时，其对应的攻击方式为根据预先设定的固定时间向电力系统发送虚假数据或虚假控制指令。
所述仿真结果包括：发电机有功无功出力、节点的线路的电压、线路的电流和功率。
所述电力系统仿真器、信息系统仿真器和网络攻击仿真器之间采用TCP/IP协议建立通信连接。
进一步的，本发明实施例中，如图3所示，OPAL-RT作为电力物理系统实时仿真器，安装OPNET的计算机作为信息系统仿真器，安装Java的计算机作为网络攻击模拟仿真器，接口连接单元采用OPNET内置的SITL模块和若干外接网卡，通过TCP/IP网络协议实现各仿真器之间的连接。该平台可以完成考虑信息通信最多900电力节点的高精度电磁暂态仿真以及多达240000电力节点的广域电力系统监控仿真，并且可以实现包括虚假数据、通信中断和指令伪造等多种攻击方式在内的网络攻击过程模拟。
再例如，本发明提供的实施例中，采用OPAL-RT作为电力物理系统实时仿真器，安装OPNET的计算机作为信息系统仿真器，安装Java的计算机作为网络攻击模拟仿真器，接口连接单元采用OPNET内置的SITL模块和若干外接网卡，通过TCP/IP网络协议实现各仿真器之间的连接，仿真步骤如下：
步骤1：OPAL-RT、OPNET和Java同时开始运行；
步骤2：通过OPAL-RT对用户预先建立的电力系统模型进行实时仿真，得到系统的初始状态(t1，s1)，同时根据用户预先设定的信息上传策略向OPNET上传带时标的状态信息，如节点电压信息、线路功率信息等；
步骤3：OPNET对用户预先建立的信息通信网络进行仿真，确定电力系统状态信息数据传输路径、拓扑结构、数据安全等级等信息；向网络攻击模拟仿真器上传经过仿真后的状态信息数据后，OPAL-RT与OPNET暂停运行，此时系统状态(t1+Δt,s1)；
步骤4：网络攻击模拟仿真器接收到状态信息数据后，根据电网信息物理系统的框架结构、数据特征设计相应的攻击方案，得到攻击指令a1，并向OPNET下发攻击指令数据，此时系统状态(t1+Δt,s1,a1)；
步骤5：OPNET通过仿真确定攻击指令数据的攻击目标，攻击路径及攻击方式等信息；向OPAL-RT下发经过仿真后的攻击指令数据,此时系统状态(t1+2Δt,s1,a1)；
步骤6：OPAL-RT受到攻击后，更新电力系统模型，此时系统状态(t2,s2)，判断攻击时间是否达到要求，如果是，则停止仿真，否则返回步骤2。
图4为本发明实施例电力结构图。节点5处受到伪造指令网络攻击导致投入负荷，按照图5所示变化，导致节点5电压发生波动。系统保护措施针对不同电压信息下发控制指令，当电压低于0.95标幺值时，投入节点5电容器，以提升系统电压。
采用本发明仿真平台和方法对该例进行仿真，效果如图6。可以看到在7s时，系统受到网络攻击后，伪造的控制指令导致异常增负荷，对系统电压造成了不利影响；当电压低于0.95时，系统保护设施下发保护策略，电容器投入，提升了节点5的电压。
一种面向电网信息物理系统的网络攻击仿真系统，如图7所示，所述系统包括：
电力系统仿真器、信息系统仿真器和网络攻击仿真器；
所述网络攻击仿真器，用于建立仿真攻击事件，并通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器；
所述电力系统仿真器包括仿真模块、更新模块和发送模块，其中，所述仿真模块，用于根据预先设定的电力系统事件列表进行仿真，所述发送模块，用于通过信息系统仿真器将仿真结果发送至网络攻击仿真器，所述更新模块，用于根据所述仿真攻击事件更新电力系统事件列表，并根据所述电力系统事件列表进行仿真。
具体的，所述网络攻击仿真器包括：
判定模块，用于判断是否到达所述仿真攻击事件对应的时间序列中的攻击时刻，若是，则驱动所述网络攻击仿真器通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器，若否，则保持接收所述仿真结果。
所述电力系统仿真器还包括停止模块，用于当接收所述仿真攻击事件时，停止仿真。
其中，所述仿真攻击事件的行为描述包括：攻击方式、攻击目标和攻击路径。
所述仿真攻击事件的时间序列包括：随机时间序列和固定时间序列，其中，当所述时间序列为随机时间序列时，其对应的攻击方式为根据随机时间序列向电力系统注入无关数据，以造成通信网络拥堵瘫痪，当所述时间序列为固定时间序列时，其对应的攻击方式为根据预先设定的固定时间向电力系统发送虚假数据或虚假控制指令。
所述仿真结果包括：发电机有功无功出力、节点的线路的电压、线路的电流和功率。
所述电力系统仿真器、信息系统仿真器和网络攻击仿真器之间采用TCP/IP协议建立通信连接。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向电网信息物理系统的网络攻击仿真方法，其特征在于，所述方法包括：
电力系统仿真器根据预先设定的电力系统事件列表进行仿真，并通过信息系统仿真器将仿真结果发送至网络攻击仿真器；
网络攻击仿真器建立仿真攻击事件，并通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器；
所述电力系统仿真器根据所述仿真攻击事件更新电力系统事件列表，并根据所述电力系统事件列表进行仿真。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器，包括：
当到达所述仿真攻击事件对应的时间序列中的攻击时刻时，所述网络攻击仿真器通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电力系统仿真器根据所述仿真攻击事件更新电力系统事件列表，包括：
所述电力系统仿真器接收所述仿真攻击事件后停止仿真，根据所述仿真攻击事件的行为描述和时间序列更新所述电力系统事件列表。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述仿真攻击事件的行为描述包括：攻击方式、攻击目标和攻击路径。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述仿真攻击事件的时间序列包括：随机时间序列和固定时间序列，其中，当所述时间序列为随机时间序列时，其对应的攻击方式为根据随机时间序列向电力系统注入无关数据，以造成通信网络拥堵瘫痪，当所述时间序列为固定时间序列时，其对应的攻击方式为根据预先设定的固定时间向电力系统发送虚假数据或虚假控制指令。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿真结果包括：发电机有功无功出力、节点的线路的电压、线路的电流和功率。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电力系统仿真器、信息系统仿真器和网络攻击仿真器之间采用TCP/IP协议建立通信连接。
8.一种面向电网信息物理系统的网络攻击仿真系统，其特征在于，所述系统包括：
电力系统仿真器、信息系统仿真器和网络攻击仿真器；
所述网络攻击仿真器，用于建立仿真攻击事件，并通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器；
所述电力系统仿真器包括仿真模块、更新模块和发送模块，其中，所述仿真模块，用于根据预先设定的电力系统事件列表进行仿真，所述发送模块，用于通过信息系统仿真器将仿真结果发送至网络攻击仿真器，所述更新模块，用于根据所述仿真攻击事件更新电力系统事件列表，并根据所述电力系统事件列表进行仿真。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述网络攻击仿真器包括：
判定模块，用于判断是否到达所述仿真攻击事件对应的时间序列中的攻击时刻，若是，则驱动所述网络攻击仿真器通过信息系统仿真器将所述仿真攻击事件发送至电力系统仿真器，若否，则保持接收所述仿真结果。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述电力系统仿真器还包括停止模块，用于当接收所述仿真攻击事件时，停止仿真。
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