计及攻击损益的跨空间连锁故障选择排序方法EI北大核心CSCD

为了揭示电网信息物理系统(power grid cyber-physical systems,PGCPS)中由信息攻击引发跨空间连锁故障的演化过程及爆发可能性,从攻击者视角提出了一种基于攻击损益原则的跨空间连锁故障选择排序方法。首先,分析攻击者在此类故障演化过程中的推动作用,构建故障演化过程的有向攻击图,将此类故障抽象为攻击路径;进而,综合考虑攻击代价与攻击收益等因素,提出各攻击路径的攻击损益值计算方法,并探讨不同条件下攻击者对各攻击路径的倾向性选择排序,以推断不同跨空间连锁故障爆发的可能性;最后,在基于CEPRI-36节点的PGCPS仿真环境中,模拟攻击者对各类跨空间连锁故障的倾向性选择并予以仿真验证。     

考虑攻击损益的电网CPS场站级跨空间连锁故障早期预警方法

为了准确检测由网络攻击引发的各种跨空间连锁故障,提出了一种考虑攻击损益的场站级跨空间连锁故障早期预警方法。首先,根据跨空间连锁故障演化机理讨论了故障早期预警的工作原理,建立故障早期预警的数学模型;进而,提出误用检测与异常检测融合的场站级跨空间连锁故障检测方法;最后,在基于CEPRI-36节点的电网信息物理系统仿真环境中,模拟网络攻击引发的跨空间连锁故障并利用所提方法给予早期预警,验证了所提方法的有效性。     

网络攻击下基于贝叶斯图论的配电系统安全分析

随着信息通信技术的发展,信息网络与物理系统深度融合,使配电网信息物理融合系统(cyber physical system,CPS)面临网络攻击的运行安全风险增加。文章分析了网络虚假数据攻击下配电网CPS运行安全性,并提出了基于贝叶斯攻击信息传递图论的融合建模与动态安全风险综合评估方法。通过分析信息设备漏洞的不同利用模式,构建了与设备漏洞关联的潜在数据攻击图以及信息-物理系统间的交互作用模型。结合贝叶斯概率量化理论与攻击证据点动态更新了信息传递后验概率,并在此基础上提出了动态安全风险综合评估指标与框架,定量分析了攻击对于信息网络以及配电网CPS系统运行安全的影响。最后基于改进的IEEE 33节点配电CPS系统的算例仿真验证了所提安全风险评估方法的有效性。     

基于攻击预测的电力CPS安全风险评估

为准确评估当前电力信息物理系统（cyber physical system，CPS）的风险状态，针对信息、电力紧密耦合的特点，提出一种基于攻击预测的电力CPS风险评估方法。利用已检测到的攻击告警信息，基于隐马尔科夫模型（hidden Markov model，HMM）识别出可能的攻击场景，推测攻击者的攻击意图，分析其未来的攻击目标和概率。攻击预测结果表征着系统当前的攻击威胁状况，将其作为输入，结合传统的单域（信息域或物理域）风险评估方法计算单域风险，再基于电力CPS复杂网络模型评估跨域风险，融合二者的结果得到最终的风险值。基于智能配电网IEEE 33节点的仿真平台，对攻击预测方法以及安全风险评估方法进行了验证，证明了基于攻击预测的风险评估方法的可行性和合理性。     

配电网信息物理故障的耦合度计算方法

配电网信息物理系统(CPSDN)中信息系统和物理系统深度耦合,使得信息和物理故障可以相互耦合对配电网的运行造成影响。文中提出一种配电网信息物理故障的耦合度计算方法,从故障危害的角度评估信息与物理系统间的耦合程度。首先,在分析信息物理协同攻击(CCPA)对CPSDN影响的基础上,综合考虑攻击造成的故障危害及节点的防护水平,给出故障概率的计算方法。然后,通过节点耦合度(CDBN)对异构系统节点间故障的相关程度进行计算,并基于CDBN来计算节点与系统间耦合度(CDBNS)、系统间耦合度(CDBS)。最后,以一个包含3条馈线的配电系统作为算例,验证了所提计算方法的合理性和有效性。     

基于变权FAHP的配电CPS风险评估方法

为了更好地分析和评估配电信息物理融合系统发生故障时所造成的风险,提出一种基于变权模糊层次分析法FAHP(fuzzy analytic hierarchy process)的配电信息物理融合系统风险量化评估方法。首先,考虑网络安全分区及安全漏洞对设备功能的影响,提出配电信息物理融合系统风险指标量化方法;然后,利用模糊层次分析法以确定不同指标相对权重并利用变权重公式对相对权重进行修正;再基于改进攻击图理论建立配电网信息物理融合系统风险传播模型,实现跨空间故障传播的配电网信息物理融合系统风险评估;最后,基于IEC61850标准构造配电子站模型进行仿真。仿真结果验证所提方法的正确性和有效性。     

基于元胞自动机的电力信息物理系统连锁故障仿真分析

基于复杂型元胞自动机原理,对电力信息物理系统(CPS)连锁故障特征进行初步分析,将电力物理元件与信息网络元件元胞化,分别建立物理元胞自动机模型和信息元胞自动机模型。在不考虑复杂链路流量平衡约束条件以及信息元胞具体故障事故的情况下,采用元胞的安全漏洞利用难度系数、风险传递概率、跨空间故障传播概率等建立电力CPS连锁故障模型。通过搭建30节点电网所对应的信息网链路拓扑,采用一对一耦合关系对该CPS模型进行仿真,最终输出相应时刻电力系统的故障规模以及可视化的故障分布。最后对比分析在不同初始故障、故障持续时间、CPS耦合强度、信息元胞自愈系数的场景下的故障概率、故障规模以及故障扩散速率,以此对电力CPS的故障预防、诊断提供可行性建议。     

针对网络攻击的配电网信息物理系统风险量化评估

现代物理电力系统的可靠和安全运行依赖于相关的信息系统,针对信息系统的网络攻击会导致严重的物理后果。为此,提出一种配电网信息物理系统网络攻击跨信息物理空间传递的风险量化评估方法。针对配电子站,根据IEC 61850标准建立三层信息模型,以断路器和分段开关为攻击目标,分析可能的攻击路径构造攻击图,提出基于相对熵(Kullback-Leibler(KL)距离)并结合逼近理想解排序法(TOPSIS)建立的KL-TOPSIS体系对信息系统脆弱性因子进行量化,结合马尔可夫链和深度优先算法综合计算攻击目标的攻击概率,并建立物理设备遭受网络攻击造成的物理后果指标,分别计算攻击各个断路器和分段开关的物理后果。结合物理后果和攻击概率,得到不同配电终端和配电子站的风险值。最后,以改进的配电网算例验证了所提风险评估模型的有效性。     

基于主动割集的电力信息物理系统饱和防御方法

近年来多起境外大停电事故表明对电力信息物理系统(cyber-physical system,CPS)的协同攻击可导致电网故障的加剧和迅速扩散,甚至系统崩溃。本文针对系统故障短时无法消除且有快速扩散趋势的紧急情况,采用饱和防御思想,提出一种基于主动割集的电力信息物理系统饱和防御新方法。算法协同考虑赛博(cyber)子域和物理子域的系统结构、资源和运行方式,采用改进赋权GN分裂法搜索信息割面可行域,进而通过机组同调约束、功率平衡约束以及最小有功潮流冲击计算,优选分区方案可行解。从而在保证信息网络通信性能最小化损失和物理系统稳定约束的同时,寻找到统一的信息割面与物理割面,实现性能损失代价最小的主动撕裂威胁子区,阻止攻击破坏扩大,维护系统安全主区的稳定运行。最后以改进IEEE39节点信息物理系统为仿真算例,验证了所提方法在不同攻击强度下具有明显的攻击阻断能力和系统失负荷概率低的优势。     

复杂网络理论在电力CPS连锁故障研究中的应用综述

历次大停电事故表明,电网中单一元件故障是导致电力信息物理系统(cyber physical system,CPS)连锁故障的主要原因。因此,探寻电力系统信息网与电力网的交互机理,建立电力CPS耦合网络模型、研究电力CPS连锁故障传播及演化过程,对保障电力系统安全和稳定运行具有重要的理论现实意义。文章首先从电力CPS建模、仿真、蓄意攻击及安全分析方法 4个方面梳理了电力CPS研究现状;然后从影响电力CPS连锁故障建模分析的4个方面,重点综述了复杂网络理论在电力CPS连锁故障研究中的应用,并分析了已有研究成果的优点和不足;最后,结合电力系统发展需求,指出了相关研究课题及研究方向。     

交直流电力信息物理系统连锁故障演化模型及风险评估

为了更准确地对交直流电力信息物理系统(CPPS)连锁故障进行仿真,提出考虑多时间尺度和控制措施时间特性的交直流CPPS连锁故障演化模型.首先,建立3种时间尺度过程下的模型,短时间尺度过程考虑直流换相失败引起的直流闭锁、暂态稳定判断及控制、交流线路严重过载、信息传输;长时间尺度过程考虑一般过载及其控制、重载线路跳闸;极长...     

考虑可观测性的电力信息物理系统级联故障分析方法

传统的电力信息物理系统故障分析往往仅考虑了网络间的故障波动,而很少考虑故障波动对系统观测能力的影响。系统观测能力对电网调度方案的制定特别重要,尤其是发生级联故障时,系统可观测性的降低会给调度系统带来巨大困难,从而加剧故障损失。提出了一种计及系统可观测性的电力信息物理系统分析方法,并研究了在不同网络互相似耦合强度下的网络抗毁性。首先,搭建了一对一耦合方式电力—通信网络模型作为电力信息物理系统的物理基础,给出了系统可观测性评估指标,量化了在级联事故过程中导致电网失去全网可观性时的故障规模;其次,通过分析量化网网耦合互相似性,提出了电力信息物理系统互相似度评估指标;然后,借鉴电网级联事故模型,建立了适用于电力信息物理系统的级联事故逻辑分析流程;最后,通过IEEE 118节点仿真分析发现,发生级联故障时,电网会在级联故障结束之前失去全网可观性;耦合网络间的互相似性越高,整体网络在发生级联故障时的电网可观测性抗毁能力越强。     

电力信息物理系统韧性的概念与提升策略研究进展

信息系统和物理系统耦合形成的信息物理系统,使电力系统具有更强的可控可观性,与此同时,信息系统与物理系统的故障将造成更严重的电力安全事故。如何结合通信因素分析信息系统与物理系统的互相作用,是提升电力信息物理系统韧性的关键问题。首先,设计了电力信息物理系统的框架,定义了电力信息物理系统韧性概念的特点并分析韧性的意义。其次,基于信息流动路径的传输原理介绍通信技术的特点和发展趋势,并根据信息网络特点分析不同极端事件对韧性的影响。再次,归纳了电力信息物理系统联合仿真方法。然后,总结了各层次网络韧性提升策略的研究进展,探讨了卫星通信、无人机通信等应急通信技术的可行性。最后,阐述电力信息物理系统韧性研究未来面临的挑战。     

基于状态依存矩阵的电力信息物理系统风险传播分析

在电力信息物理系统中,风险可以从信息层向电力层传播,针对电力信息物理系统的风险传播研究尤为必要.考虑电力信息物理系统的风险传播路径,文中提出跨系统故障状态传播的最优化模型,计算得到电力信息物理系统风险传播的五阶段风险状态依存矩阵.同时,考虑电力信息物理系统各网络风险传播周期差异、物理和业务逻辑连接差异,对风险状态依存矩阵进行修正.针对电力信息物理系统外来因素和内部因素,量化分析风险管控能力和隐性故障对风险传播的影响.最后,通过仿真分析了不同风险来源、不同风险管控能力和存在隐性故障的情景下,风险传播和风险高敏感性节点的变化情况.     

考虑网络攻击因素的电网信息物理系统业务可靠性分析

电网信息物理系统(grid cyber physical system,GCPS)的主要特征是信息空间和电力空间的深度融合与交互影响。针对智能电网广域实时保护控制业务,首先研究了信息业务对物理系统可靠性影响的表征方式,建立信息设备关联的业务可靠性模型。在此基础上,引入设备可靠性因子,提出考虑攻击因素的信息设备可靠性评估指标,并给出了结合层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)和贝叶斯网络的业务可靠性量化评估方法。通过算例研究,确定了考虑攻击因素的情况下系统的薄弱环节,并分析不同冗余程度的信息系统对业务可靠性的影响,并且与已有方法进行对比,验证了所提方法的可行性和合理性。     

基于电力信息物理系统实时仿真平台的网络安全仿真

随着信息流和能量流耦合程度的不断加深,现代电力系统已逐渐发展成为信息系统和物理系统深度耦合的电力信息物理系统。传统的只对物理系统进行仿真运算的方法已无法保证其仿真分析的准确性。文章从仿真分析的角度,在对比分析现有仿真方法的基础上,进行仿真工具和配合模式上的改进,并进一步加入中间人环节,搭建了一种新的考虑网络攻击的电力信息物理系统（cyber physical power system,CPPS）实时联合仿真平台。最后,基于该平台,以负荷控制业务为例,研究了网络攻击对电力物理系统的影响,深入分析CPPS中信息系统与物理系统的深层次耦合关系,仿真验证了所提平台的有效性和实时性。     

考虑信息失效影响的配电网信息物理系统安全性评估方法

由自然故障或网络攻击导致的信息失效事件会影响配电网的故障处理过程,导致配电网停电区域的扩大与停电时间的延长。为量化评估信息失效故障给配电网信息物理系统（cyber physical system, CPS）安全性造成的影响,首先建立配电网CPS安全性评估框架,明确安全性评估的内容和流程。其次,以最小化失负荷功率为目标函数构造配电网故障恢复数学模型,得到故障下的最优开关动作策略。随后考虑故障定位、隔离、恢复过程中出现的信息失效故障,分析其对故障处理业务的影响,计算信息物理组合故障下的安全性评价指标,最终得到对配电网CPS安全性影响最大的关键组合故障集与关键的电力及信息设备。基于某地62节点配电网算例的仿真结果,验证了所提方法的有效性和合理性。     

基于Petri网的配电网信息物理系统可靠性评估

该文提出一种基于广义随机Petri网(generalized stochasticPetrinets, GSPN)的配电网信息物理系统(cyber-physicalsystem,CPS)可靠性评估模型。首先,考虑配电网CPS的动态控制关系,基于GSPN的基本原理,构建配电网CPS的Petri网模型;之后,分析了信息攻击及信息元件自身故障对于配电网CPS运行可靠性的影响,并构建了系统元件的状态模型;然后,结合最大流理论,判断故障后各阶段的令牌数,并计算相应的可靠性指标。基于Petri网的评估方法,可以直观地刻画系统拓扑结构及元件状态变化,并通过动态方程推理故障后果,避免了故障后果分析的遍历过程,提升了评估效率。最后,以IEEE-RBTSBUS6配电系统为例开展仿真测试,验证了所提模型的有效性。     

提升电力信息物理系统韧性的通信网鲁棒优化方法

依赖于先进信息技术的现代电力系统是典型的信息物理系统。电力信息物理系统不仅在业务层面存在能量流与信息流的耦合,在网架拓扑层面,物理电网和电力通信网因采用光纤复合架空地线等也存在高度的耦合特性,因此存在着故障跨空间传播的风险。为提高电力信息物理系统的韧性,基于建立的信息流及通信网模型,文中定义了一种考虑信息-物理耦合的信息流关联负荷度指标及通信网关联负荷度指标,并提出了一种面向极端场景下电力信息物理系统韧性的通信网鲁棒优化方法。该优化方法可用于电力通信网中与负荷相关的传输网层面关键业务,将重要的信息分配到更可靠的链路上,实现极端场景下电力信息物理系统韧性的提升。基于中国广东电网的实际算例系统验证了所提方法的有效性,该方法已初步应用于广东电网原型系统。     

基于改进渗流理论的信息物理融合电力系统连锁故障模型

基于改进渗流理论,提出了考虑物理层电网潮流分析与信息层延时的信息物理融合电力系统连锁故障模型。将连锁故障的动态发展描述为故障在信息层、物理层交替传播扩大的多阶段过程,在分析故障在物理层传播的阶段中考虑物理层电网潮流,在脆弱度指标中综合拓扑完整度、信息层延时增量及物理层实际运行指标。对信息层、物理层不同对应依靠策略及节点攻击策略的连锁故障建模仿真表明拓扑中心度对应依靠策略呈现较低的脆弱度;物理层分区设立分布式控制中心与集中式控制中心的结构相比,能提高连锁故障发展中信息层的运行实时性。同时,节点蓄意攻击相比于随机攻击能造成发展更迅速,影响范围更广的连锁故障。