CN116319020A - 一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法 - Google Patents

一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法 Download PDF

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CN116319020A CN202310292270.3A CN202310292270A CN116319020A CN 116319020 A CN116319020 A CN 116319020A CN 202310292270 A CN202310292270 A CN 202310292270A CN 116319020 A CN116319020 A CN 116319020A
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Abstract

本发明涉及一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法，包括：建立包含虚假数据注入攻击模型和拒绝服务攻击模型的网络攻击模型；结合网络攻击模型，构建多区域互联电力系统模型；根据多区域互联电力系统模型，结合数据补偿策略和容积卡尔曼滤波算法，对拒绝服务攻击和虚假数据注入攻击进行检测，并基于检测结果控制相应区域的工作状态，从而防御拒绝服务攻击和虚假数据注入攻击。与现有技术相比，本发明能够同时针对虚假数据注入攻击和拒绝服务攻击进行准确检测与可靠防御，有效提升混合攻击下多区域互联电力系统的安全控制效果。

Description

一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法
技术领域
本发明涉及互联电力系统控制技术领域，尤其是涉及一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法。
背景技术
随着电网技术的不断发展，区域性的电力系统互联已经实现，其优势在于能够整合不同区域间的资源优势、有效缓解负载和能源之间分布不平衡的问题。在互联电力系统中，某个区域的负荷变化或异常，会引起整个电力系统的频率和区域间联络线交换功率的失配，实现电网安全稳定运行的关键在于负荷频率控制。通常，负荷频率控制系统的网络攻击主要为虚假数据注入攻击(False Data Injection Attack，FDIA)和拒绝服务攻击(Denial of Service，DoS)，其中，虚假数据注入攻击通过篡改负荷频率控制系统接收的频率和功率，使负荷频率控制系统超调引发频率波动，甚至使频率越界；拒绝服务攻击则通过阻塞传输节点或阻塞传输信道，使信息的可用性遭到破坏，从而导致部分信息丢失，破环系统的稳定性。
目前，针对负荷频率控制系统中的网络攻击，已有一些不同的检测和控制方法。其中，负荷频率控制系统中虚假数据注入攻击的检测方法主要有基于区域控制误差监测、预测的方法和基于负荷频率控制系统状态观测两种；在针对拒绝服务攻击的对策研究方面，则主要有两种思路，第一种思路为预测丢包数据从而缓解攻击影响，第二种思路为建立考虑拒绝服务攻击的鲁棒控制策略。
然而以上研究仅考虑了虚假数据注入攻击或拒绝服务攻击，在实际系统中，负荷频率控制系统中的网络攻击可能发生在各种控制区域或传输通道中，恶意攻击者可以同时发动多种不同的攻击；与此同时，当遭受虚假数据注入攻击时，电力系统不仅需要检测虚假数据注入攻击，更要保证在不停机的情况下持续安全生产电能。随着电网互联程度的增加，电力系统的规模日益庞大，通过电力系统的频率可以判断电力系统是否稳定运行，网络攻击可能导致多区域互联电力系统频率的剧烈振荡。为保证在不停机的情况下持续安全生产电能，有必要对混合攻击下多区域互联电力系统的安全控制进行研究。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法，能够同时针对虚假数据注入攻击和拒绝服务攻击进行准确检测与可靠防御。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法，包括以下步骤：
S1、建立包含虚假数据注入攻击模型和拒绝服务攻击模型的网络攻击模型；
S2、结合步骤S1建立的网络攻击模型，构建多区域互联电力系统模型；
S3、根据多区域互联电力系统模型，结合数据补偿策略和容积卡尔曼滤波算法，对拒绝服务攻击和虚假数据注入攻击进行检测，并基于检测结果控制相应区域的工作状态，从而防御拒绝服务攻击和虚假数据注入攻击。
进一步地，所述步骤S1中虚假数据注入攻击模型具体为：
Figure BDA0004141983250000021
其中，zk为量测数据，xk为状态数据，C为输出矩阵，rank(a,b)为随机值，a为随机函数的下界，b为随机函数的上界，τ为攻击者活跃的瞬间，vk为量测噪声。
进一步地，所述步骤S1中拒绝服务攻击模型具体为：
Figure BDA0004141983250000022
其中，zk为量测数据，xk为状态数据，C为输出矩阵，τ为攻击者活跃的瞬间，vk为量测噪声。
进一步地，所述步骤S2中多区域互联电力系统模型具体为：
Figure BDA0004141983250000031
Figure BDA0004141983250000032
Figure BDA0004141983250000033
Figure BDA0004141983250000034
Figure BDA0004141983250000035
其中，Δfi(t)为频率偏差，ΔPgi(t)为涡轮输出功率，ΔXgi(t)为调速器阀门位置偏差，ΔPtie-i(t)为联络线的功率交换，ACEi(t)为区域控制偏差，Hi为惯性系数，Di为频率灵敏度负载系数，TTi为涡轮时间常数，Ri为调速系数，TGi为调速器的时间常数，Bi为频率偏差因子，
Figure BDA0004141983250000036
Tij为区域i和区域j联络线同步系数；
通过化简，得到系统的状态方程为：
Figure BDA0004141983250000037
z(t)＝Cx(t)+υ
Figure BDA0004141983250000038
Figure BDA0004141983250000039
Figure BDA00041419832500000310
B＝diag{B1,B2,...,BN}
Figure BDA00041419832500000311
C＝diag{C1,...,CN}
Ci＝[1 0 0 1 0]T
其中，ω是过程噪声，υ是量测噪声，x(t)＝[x1(t)x2(t)x3(t)…xn(t)]T是系统状态，xi(t)＝[Δfi ΔPgi ΔXgi ΔPtie-i ACEi]T，u＝[u1,u2]T为系统输入，z(t)＝[z1(t)z2(t)z3(t)...zn(t)]T为系统量测，zi＝[Δfi(t),ΔPtie-i(t)]T，A为系统状态矩阵，B为系统输入矩阵，C为系统输出矩阵。
进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31、检测拒绝服务攻击，若检测出量测数据受到拒绝服务攻击，则执行步骤S32，否则执行步骤S33；
S32、采用数据补偿策略，对量测数据进行补偿，从而防御拒绝服务攻击，之后执行步骤S33；
S33、基于容积卡尔曼滤波算法对系统进行状态估计，再基于估计残差检测是否发生虚假数据注入攻击，若检测出发生虚假数据注入攻击，则执行步骤S35，否则执行步骤S34；
S34、采用当前量测数据计算出区域控制偏差，并以此控制相应区域的工作状态，之后更新迭代次数，返回步骤S31；
S35、采用三次指数平滑法，得到区域控制误差预测值，对虚假数据注入攻击下计算的区域控制偏差进行更新，并以此控制相应区域的工作状态，之后判断是否达到预设的时间阈值，若判断为是，则结束当前流程，否则更新迭代次数，返回步骤S31。
进一步地，所述步骤S31的具体过程为：
为表示zk,zk-1,…,zk-d+1,zk-d的传输状态，定义行矩阵λk，其均服从伯努利分布特性，满足：
Pr(λk(i)＝0)＝ρ
Pr(λk(i)＝1)＝1-ρ
var(λk(i))＝ρ(1-ρ)
则k时刻zk传输成功与否用
Figure BDA0004141983250000041
表示为：
Figure BDA0004141983250000042
其中，Pr(·)为概率计算，ρ为概率值，var(·)为方差计算，λk(i)为λk中第i个元素，用于表示zk-i+1的传输状态，i∈[1,d+1]，当λk(i)＝0时，即表示量测数据受到拒绝服务攻击、执行步骤S33；当λk(i)＝1时，即表示量测数据未遭受拒绝服务攻击、执行步骤S32。
进一步地，所述步骤S32的具体过程为：
为补偿拒绝服务攻击下丢失的数据包，用k时刻之前最新接收到的数据包补偿拒绝服务攻击下丢失的数据包，通过定义补偿矩阵，当k时刻发生拒绝服务攻击时，补偿后的量测数据为：
Figure BDA0004141983250000051
其中，Mk∈R1×(d+1)为补偿矩阵。
进一步地，所述步骤S33具体包括以下步骤：
S331、基于容积卡尔曼滤波算法对系统进行状态估计后，得到k时刻的量测量残差ek；
S332、基于量测量误差ek，进一步计算出误差向量gk；
S333、将误差向量gk与预设阈值进行比较，若误差向量gk大于或等于预设阈值，则判断发生虚假数据注入攻击、执行步骤S35，否则执行步骤S34。
进一步地，所述步骤S331中量测量残差具体为：
ek＝zk-zk|k-1
所述步骤S332中误差向量具体为：
Figure BDA0004141983250000052
其中，cov为ek的协方差矩阵。
进一步地，所述步骤S333中预设阈值具体选定为大于在没有攻击情况下的残差的最大范数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明以混合攻击下多区域互联电力系统的安全控制为目标，首先建立包含虚假数据注入攻击和拒绝服务攻击模型的网络攻击模型，再构建多区域互联电力系统的数学模型，其次，结合数据补偿策略和容积卡尔曼滤波算法，实现对拒绝服务攻击和虚假数据注入攻击的检测及防御。由此能够同时针对虚假数据注入攻击和拒绝服务攻击进行准确检测与可靠防御，有效提升混合攻击下多区域互联电力系统的安全控制效果。
二、本发明通过设计数据补偿策略实现拒绝服务攻击的防御，有效地克服了拒绝服务攻击带来的不良影响；采用容积卡尔曼滤波对系统进行状态估计，基于估计残差实现虚假数据注入攻击的检测，进一步采用三次指数平滑预测值更新由不良数据进行计算的区域控制误差，从而实现虚假数据注入攻击的防御。不仅实现了混合攻击的检测，同时能够进行可靠防御，确保系统能够在不停机的情况下持续安全生产电能。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为实施例的应用过程示意图；
图3为实施例中多区域电力系统第i个区域的负荷频率控制框图；
图4为存在潜在网络攻击的负荷频率控制系统框图；
图5为实施例中混合攻击检测及防御流程示意图；
图6为实施例中拒绝服务攻击时序图；
图7为实施例中拒绝服务攻击的防御效果示意图；
图8为实施例中虚假数据注入攻击前后Δf1(t)对比图；
图9为实施例中虚假数据注入攻击的检测示意图；
图10为实施例中虚假数据注入攻击的防御效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法，包括以下步骤：
S1、建立包含虚假数据注入攻击模型和拒绝服务攻击模型的网络攻击模型；
S2、结合步骤S1建立的网络攻击模型，构建多区域互联电力系统模型；
S3、根据多区域互联电力系统模型，结合数据补偿策略和容积卡尔曼滤波算法，对拒绝服务攻击和虚假数据注入攻击进行检测，并基于检测结果控制相应区域的工作状态，从而防御拒绝服务攻击和虚假数据注入攻击。
本实施例应用上述技术方案，如图2所示，主要内容有：
I、构建多区域互联电力系统负荷频率控制模型
本实施例中，多区域互联电力系统第i区域的负荷频率控制框图如图3所示。该系统的数学模型为：
Figure BDA0004141983250000071
Figure BDA0004141983250000072
Figure BDA0004141983250000073
Figure BDA0004141983250000074
Figure BDA0004141983250000075
式中，Δfi(t)为频率偏差，ΔPgi(t)为涡轮输出功率，ΔXgi(t)为调速器阀门位置偏差，ΔPtie-i(t)为联络线的功率交换，ACEi(t)为区域控制偏差，Hi为惯性系数，Di为频率灵敏度负载系数，TTi为涡轮时间常数，Ri为调速系数，TGi为调速器的时间常数，Bi为频率偏差因子，
Figure BDA0004141983250000076
Tij为区域i和区域j联络线同步系数。对上式进行化简，得到系统的状态方程为：
Figure BDA0004141983250000077
z(t)＝Cx(t)+υ
其中ω是过程噪声，υ是量测噪声，x(t)＝[x1(t) x2(t) x3(t) … xn(t)]T是系统状态，其中xi(t)＝[Δfi ΔPgi ΔXgi ΔPtie-i ACEi]T，u＝[u1,u2]T为系统输入，z(t)＝[z1(t)z2(t)z3(t)…zn(t)]T为系统量测，其中zi＝[Δfi(t),ΔPtie-i(t)]T，系统参数如下：
Figure BDA0004141983250000078
Figure BDA0004141983250000079
Figure BDA0004141983250000081
B＝diag{B1,B2,…,BN}
Figure BDA0004141983250000082
C＝diag{C1,...,CN}
Ci＝[1 0 0 1 0]T
其中，A为系统状态矩阵，B为系统输入矩阵，C为系统输出矩阵。
II、网络攻击模型
遭受网络攻击的负荷频率控制系统的系统框图如图4所示，由图4可见攻击者会对频率传感器和联络线功率传感器实施虚假数据注入攻击，攻击者还会对频率量测和联络线功率量测的传输信道实施拒绝服务攻击。
2.1虚假数据注入攻击模型
考虑虚假数据注入攻击模型为随机攻击，随机攻击将随机值rank(a,b)添加到量测量zk中，使得
Figure BDA0004141983250000083
其中a是随机函数的下界，b是随机函数的上界，τ是攻击者活跃的瞬间，vk为量测噪声。
2.2拒绝服务攻击模型
拒绝服务攻击在一定时间内为了使系统的通信受到干扰，其会阻塞传输信道或阻塞传输节点，造成量测数据zk丢包，满足下式：
Figure BDA0004141983250000084
III、网络攻击的检测与防御
混合攻击下基于容积卡尔曼滤波的多区域互联电力系统的控制流程如图5所示。
3.1检测拒绝服务攻击
为表示zk,zk-1,…,zk-d+1,zk-d的传输状态，定义行矩阵λk，其均服从伯努利分布特性，满足：
Pr(λk(i)＝0)＝ρ
Pr(λk(i)＝1)＝1-ρ
var(λk(i))＝ρ(1-ρ)
Pr(·)表示概率计算，var(·)表示方差计算，λk(i)为λk第i个元素，其表示zk-i+1的传输状态，i∈[1,d+1]，λk(i)＝0时表示量测数据受到DoS攻击，λk(i)＝1时表示量测数据未遭受DoS攻击。
k时刻zk传输成功与否用
Figure BDA0004141983250000091
表示为
Figure BDA0004141983250000092
3.2防御拒绝服务攻击
为补偿拒绝服务攻击下丢失的数据包，用k时刻之前最新接收到的数据包补偿拒绝服务攻击下丢失的数据包。定义补偿矩阵Mk∈R1×(d+1)，当k时刻发生拒绝服务攻击时，补偿后的量测数据为
Figure BDA0004141983250000093
3.3检测虚假数据注入攻击
利用容积卡尔曼滤波滤波算法对系统进行状态估计，然后基于估计残差实现虚假数据注入攻击的检测。基于容积卡尔曼滤波算法对系统进行状态估计后，k时刻的量测量残差ek为
ek＝zk-zk|k-1
为了检测虚假数据注入攻击，定义误差向量gk为
Figure BDA0004141983250000094
其中，cov为ek的协方差矩阵。
检测器将gk与预定义的阈值进行比较，该阈值被选择为大于在没有攻击的情况下的残差的最大范数。
3.4防御虚假数据注入攻击
采用三次指数平滑法对区域控制误差进行预测，当检测到量测量中存在虚假数据注入攻击时，采用三次指数平滑预测值更新由不良数据进行计算的区域控制误差，可减弱虚假数据注入攻击对电力系统功率平衡和频率稳定的影响。
IV、以检测与防御混合攻击为目标，确定出多区域互联电力系统的安全控制策略。
本实施例中，设量测数据丢失的概率为0.06，相对应的数据包丢失时序图如图6所示，其中“0”表示数据包丢失、“1”表示数据包传输正常。由图7可以看出在发生拒绝服务攻击时，本技术方案提出的拒绝服务攻击防御方法能够有效抑制DoS攻击对联络线功率的影响。
当在区域1频率偏差上注入随机的虚假数据注入攻击，由图8可以看出所加的虚假数据注入攻击会对区域1的频率稳定造成影响。由图9可以看出本技术方案所提出的检测方法能够有效检测出所加的虚假数据注入攻击。当检测到虚假数据注入攻击时，采用三次指数平滑法预测的区域控制误差更新由不良数据计算得到的区域控制误差，从图10验证了本技术方案所提的虚假数据注入攻击防御方法的有效性。
综上所述，本技术方案针对多区域互联电力系统安全控制问题，充分考虑了混合攻击的检测与防御，能够对虚假数据注入攻击和拒绝服务攻击进行准确检测与可靠防御。

Claims (10)

1.一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立包含虚假数据注入攻击模型和拒绝服务攻击模型的网络攻击模型；
S2、结合步骤S1建立的网络攻击模型，构建多区域互联电力系统模型；
S3、根据多区域互联电力系统模型，结合数据补偿策略和容积卡尔曼滤波算法，对拒绝服务攻击和虚假数据注入攻击进行检测，并基于检测结果控制相应区域的工作状态，从而防御拒绝服务攻击和虚假数据注入攻击。
2.根据权利要求1所述的一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法，其特征在于，所述步骤S1中虚假数据注入攻击模型具体为：
Figure FDA0004141983240000011
其中，zk为量测数据，xk为状态数据，C为输出矩阵，rank(a,b)为随机值，a为随机函数的下界，b为随机函数的上界，τ为攻击者活跃的瞬间，vk为量测噪声。
3.根据权利要求2所述的一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法，其特征在于，所述步骤S1中拒绝服务攻击模型具体为：
Figure FDA0004141983240000012
其中，zk为量测数据，xk为状态数据，C为输出矩阵，τ为攻击者活跃的瞬间，vk为量测噪声。
4.根据权利要求3所述的一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法，其特征在于，所述步骤S2中多区域互联电力系统模型具体为：
Figure FDA0004141983240000013
Figure FDA0004141983240000014
Figure FDA0004141983240000015
Figure FDA0004141983240000016
Figure FDA0004141983240000017
其中，Δfi(t)为频率偏差，ΔPgi(t)为涡轮输出功率，ΔXgi(t)为调速器阀门位置偏差，ΔPtie-i(t)为联络线的功率交换，ACEi(t)为区域控制偏差，Hi为惯性系数，Di为频率灵敏度负载系数，TTi为涡轮时间常数，Ri为调速系数，TGi为调速器的时间常数，Bi为频率偏差因子，
Figure FDA0004141983240000021
Tij为区域i和区域j联络线同步系数；
通过化简，得到系统的状态方程为：
Figure FDA0004141983240000022
z(t)＝Cx(t)+υ
Figure FDA0004141983240000023
Figure FDA0004141983240000024
Figure FDA0004141983240000025
B＝diag{B1,B2,...,BN}
Figure FDA0004141983240000026
C＝diag{C1,...,CN}
Ci＝[1 0 0 1 0]T
其中，ω是过程噪声，υ是量测噪声，x(t)＝[x1(t) x2(t) x3(t)…xn(t)]T是系统状态，xi(t)＝[Δfi ΔPgi ΔXgi ΔPtie-i ACEi]T，u＝[u1,u2]T为系统输入，z(t)＝[z1(t)z2(t)z3(t)…zn(t)]T为系统量测，zi＝[Δfi(t),ΔPtie-i(t)]T，A为系统状态矩阵，B为系统输入矩阵，C为系统输出矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31、检测拒绝服务攻击，若检测出量测数据受到拒绝服务攻击，则执行步骤S32，否则执行步骤S33；
S32、采用数据补偿策略，对量测数据进行补偿，从而防御拒绝服务攻击，之后执行步骤S33；
S33、基于容积卡尔曼滤波算法对系统进行状态估计，再基于估计残差检测是否发生虚假数据注入攻击，若检测出发生虚假数据注入攻击，则执行步骤S35，否则执行步骤S34；
S34、采用当前量测数据计算出区域控制偏差，并以此控制相应区域的工作状态，之后更新迭代次数，返回步骤S31；
S35、采用三次指数平滑法，得到区域控制误差预测值，对虚假数据注入攻击下计算的区域控制偏差进行更新，并以此控制相应区域的工作状态，之后判断是否达到预设的时间阈值，若判断为是，则结束当前流程，否则更新迭代次数，返回步骤S31。
6.根据权利要求5所述的一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法，其特征在于，所述步骤S31的具体过程为：
为表示zk,zk-1,…,zk-d+1,zk-d的传输状态，定义行矩阵λk，其均服从伯努利分布特性，满足：
Pr(λk(i)＝0)＝ρ
Pr(λk(i)＝1)＝1-ρ
var(λk(i))＝ρ(1-ρ)
则k时刻zk传输成功与否用
Figure FDA0004141983240000031
表示为：
Figure FDA0004141983240000032
其中，Pr(·)为概率计算，ρ为概率值，var(·)为方差计算，λk(i)为λk中第i个元素，用于表示zk-i+1的传输状态，i∈[1,d+1]，当λk(i)＝0时，即表示量测数据受到拒绝服务攻击、执行步骤S33；当λk(i)＝1时，即表示量测数据未遭受拒绝服务攻击、执行步骤S32。
7.根据权利要求6所述的一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法，其特征在于，所述步骤S32的具体过程为：
为补偿拒绝服务攻击下丢失的数据包，用k时刻之前最新接收到的数据包补偿拒绝服务攻击下丢失的数据包，通过定义补偿矩阵，当k时刻发生拒绝服务攻击时，补偿后的量测数据为：
Figure FDA0004141983240000041
其中，Mk∈R1×(d+1)为补偿矩阵。
8.根据权利要求5所述的一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法，其特征在于，所述步骤S33具体包括以下步骤：
S331、基于容积卡尔曼滤波算法对系统进行状态估计后，得到k时刻的量测量残差ek；
S332、基于量测量误差ek，进一步计算出误差向量gk；
S333、将误差向量gk与预设阈值进行比较，若误差向量gk大于或等于预设阈值，则判断发生虚假数据注入攻击、执行步骤S35，否则执行步骤S34。
9.根据权利要求8所述的一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法，其特征在于，所述步骤S331中量测量残差具体为：
ek＝zk-zk|k-1
所述步骤S332中误差向量具体为：
Figure FDA0004141983240000042
其中，cov为ek的协方差矩阵。
10.根据权利要求8所述的一种混合攻击下多区域互联电力系统安全控制方法，其特征在于，所述步骤S333中预设阈值具体选定为大于在没有攻击情况下的残差的最大范数。
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