一種用於電力系統的信息物理協同攻擊方法、介質及裝置
2024-04-12 15:46:05 1
1.本發明涉及電力系統可靠性評估技術領域，尤其涉及一種用於電力系統的信息物理協同攻擊方法、介質及裝置。
背景技術：
2.隨著智能電網和計算機等信息資源的連接越來越多，電力系統和物聯網的大規模建設和發展，風電、太陽能等分布式發電系統大量接入、微電網興起和計算機、通信技術在電力系統中大規模應用，在發輸電組合系統可靠性評估中考慮信息物理協同攻擊有很強的現實意義。
3.目前的發輸電組合系統可靠性評估中往往不考慮信息物理協同攻擊因素的影響，傳統的研究方法所計算的電力系統失負荷量低於考慮信息物理協同攻擊下的電力系統失負荷量，因此理論和實際之間存在巨大差異。
4.因此，在可靠性評估技術的現有基礎上，如何建立信息物理協同攻擊優化模型並基於該模型計算電力系統失負荷量等相關可靠性指標，是目前本領域技術人員亟待解決的技術問題。
技術實現要素：
5.本發明實施例提供一種用於電力系統的信息物理協同攻擊方法、介質及裝置，以解決現有技術對電力系統進行可靠性評估時未考慮信息物理協同攻擊因素的影響導致計算的電力系統失負荷量誤差較大的問題。
6.第一方面，提供一種用於電力系統的信息物理協同攻擊方法，包括：
7.建立用於電力系統的信息物理系統攻擊的雙層優化模型，其中，所述雙層優化模型包括：基於攻擊者角度的上層信息物理協同攻擊優化模型和基於運行人員角度的下層運行優化調度模型；
8.求解所述雙層優化模型，確定是否對所述電力系統的線路和發電機組展開物理攻擊。
9.第二方面，提供一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質上存儲有電腦程式指令；所述電腦程式指令被處理器執行時實現如上述第一方面實施例所述的用於電力系統的信息物理協同攻擊方法。
10.第三方面，提供一種用於電力系統的信息物理協同攻擊系統，包括：如上述第二方面實施例所述的計算機可讀存儲介質。
11.這樣，本發明實施例，基於信息物理協同攻擊模型提出了雙層優化模型，可以很好地描述信息物理協同攻擊的有效性，並降低電力系統的可靠性指標。
附圖說明
12.為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對本發明實施例的描述中所
需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
13.圖1是本發明實施例的用於電力系統的信息物理協同攻擊方法的流程圖；
14.圖2是信息物理系統示意圖；
15.圖3是協同攻擊示意圖；
16.圖4是協同攻擊下形成孤島的示意圖；
17.圖5是孤島示意圖；
18.圖6是rts-79測試系統拓撲圖；
19.圖7是物理攻擊資源對攻擊效果的影響示意圖；
20.圖8是攻擊閾值對攻擊效果的影響示意圖。
具體實施方式
21.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲取的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
22.本發明實施例公開了一種用於電力系統的信息物理協同攻擊方法。如圖1所示，本發明實施例的方法包括如下的步驟：
23.步驟s101：建立用於電力系統的信息物理系統攻擊的雙層優化模型。
24.信息物理系統的示意圖如圖2所示，系統攻擊的示意圖如圖3所示。
25.具體的，該雙層優化模型包括：基於攻擊者角度的上層信息物理協同攻擊優化模型和基於運行人員角度的下層運行優化調度模型。
26.一、基於攻擊者角度的上層信息物理協同攻擊優化模型
27.基於攻擊者角度，在給定攻擊資源的約束下，優化篩選最嚴重的信息-物理協同攻擊場景，以攻擊實施後系統削負荷量最大為目標函數，即上層信息物理協同攻擊優化模型的目標函數為：
[0028][0029]
其中，sd表示電力系統的負荷節點d的負荷削減量，ωd表示電力系統的負荷節點的集合。
[0030]
具體的，上層信息物理協同攻擊優化模型的約束條件包括：
[0031]
(1)考慮信息攻擊後系統的有功平衡，採用等式約束用於限制所有被修改的負荷測量值的改變量之和為0。
[0032]
即
[0033]
其中，δld表示負荷重分配lr攻擊後負荷節點d的負荷測量值的改變量，且δld為連續變量。
[0034]
(2)根據不良數據檢測機制用於限制受信息攻擊的負荷節點的負荷測量值改變量
不越限。
[0035]
即-τ
·
ld≤δld≤τ
·
ld，d∈ωd。
[0036]
其中，τ表示負荷測量值的改變量相對於負荷測量值的比值上限，ld表示負荷節點d的負荷測量值。
[0037]
(3)設置物理資源攻擊消耗量的上限，確保攻擊消耗總資源不越限。
[0038]
即
[0039]
其中，v
l-l
和v
g-g
分別表示電力系統的輸電線路l和發電機組g是否被選擇為物理攻擊對象的二進位變量，0表示被攻擊，1表示不被攻擊；r
l-l
和r
g-g
分別表示攻擊電力系統的輸電線路l和發電機組g消耗的物理攻擊資源，r
max
表示物理攻擊資源上限，ω
l
表示電力系統的輸電線路的集合，ωg表示電力系統的發電機組的集合。
[0040]
(4)線路攻擊和信息攻擊配合的協同攻擊模式一方面會使得系統輸電容量充裕度變差，另一方面通過錯誤數據誘導運行人員做出不科學的決策。在該攻擊方式中，存在著使系統產生孤島的攻擊場景，如圖4所示。孤島的出現極易使得協同攻擊方式中設計的虛假數據被運行人員發現，會導致信息攻擊失敗，從而使信息攻擊效果不理想。針對上述目標函數和相關約束無法解決孤島問題，通過「單一商品潮流法」用於判斷系統是否存在孤島。
[0041]「單一商品潮流法」假設將一個電力系統分成ns個子系統網絡。如圖5所示，系統在遭受物理攻擊後形成了兩個孤島系統，將子系統網絡s中的一個根節點rs(例如，節點1和節點12)作為具有無限發電容量的發電機組節點，子系統網絡s中的其餘節點作為具有單位負荷1的負荷節點。
[0042]
每個子系統網絡都有一個根節點，它具有無限的發電容量，實際出力只要大於0，可給定任意正數。
[0043]
即
[0044]
其中，表示子系統網絡s的根節點rs的實際出力。
[0045]
(5)每個子系統網絡除了根節點以外均為負荷節點，它們的負荷為單位容量且發電容量為0。
[0046]
即lb＝1，pb＝0，b∈ω
s-b
，b≠rs。
[0047]
其中，lb表示子系統網絡s中的節點b的單位容量，pb表示子系統網絡s中的節點b的發電容量，ω
s-b
表示子系統網絡s的節點集合。
[0048]
(6)根據功率平衡約束該孤島系統必滿足基爾霍夫電流(kcl)定律。
[0049]
即
[0050]
其中，f
l
表示輸電線路l的sc潮流，ω
s-l
表示子系統網絡s的輸電線路的集合，s(l)表示輸電線路l的起始節點編號。
[0051]
(7)與沒有孤島的電力系統模型相比，不同的地方在於，整個系統有且僅有一個子系統網絡，即系統本身。在遭受擾動使得線路斷開的情況下，可通過下面的方程組判斷系統是否產生孤島。
[0052]
即-(n
b-1)
·yl
≤f
l
≤(n
b-1)
·yl
，l∈ω
l
；
[0053][0054]
其中，y
l
表示輸電線路l是否斷開的二進位變量，0表示斷開，1表示不斷開；nb表示電力系統的節點數；a(b,l)表示節點-線路關聯矩陣a的第b行第l列元素，應當理解的是，b相當於節點編號，l相當於輸電線路編號。
[0055]
因此，上述約束為節點功率平衡約束，根節點注入功率為n
b-1，其餘負荷節點注入功率為-1，只要系統滿足此約束便可證明系統在斷開線路後不會產生孤島。
[0056]
二、基於運行人員角度的下層運行優化調度模型
[0057]
攻擊人員和運行人員之間存在交互影響，只通過單層優化模型並不能準確描述該行為。上層攻擊確定後，下層模型中系統運行人員會基於信息系統測量得到的負荷數據和拓撲數據進行機組調度和負荷削減，因此從運行人員角度建立下層運行優化調度模型。
[0058]
具體的，基於運行人員角度，以通過運行優化將遭受攻擊後的系統削負荷量最小化為目標函數，即下層運行優化調度模型的目標函數為：
[0059][0060]
具體的，下層運行優化調度模型的約束條件包括：
[0061]
(1)根據線路的潮流約束，其中被物理攻擊的線路停運，線路有功潮流為0。
[0062]
即
[0063]
其中，和分別表示運行人員分析所測量的虛假負荷數據後確定的輸電線路l的有功潮流、輸電線路l的起始節點s(l)的相角和輸電線路l的終止節點e(l)的相角的虛假值，b
l
表示輸電線路l的電納。
[0064]
(2)根據節點功率平衡約束，將其運行人員檢測到的負荷節點d的負荷修改為ld+δld，則有如下的約束：
[0065][0066]
其中，k(b,d)表示節點-負荷關聯矩陣k的第b行第d列的元素，應當理解的是，b相當於節點編號，d相當於負荷節點編號，pg表示發電機組g的實際出力，表示與節點b相連的發電機組的集合。
[0067]
(3)根據傳統的運行優化模型，限制根節點的相角、輸電線路的有功潮流、機組的出力、負荷節點的削負荷量和節點的相角，即根節點的相角、輸電線路的有功潮流、機組的出力、負荷節點的削負荷量和節點的相角的約束具體分別如下式所示：
[0068]
①
[0069]
其中，表示運行人員分析所測量的虛假負荷數據後確定的根節點rs的相角的虛假值。
[0070]
②
[0071]
其中，f
lmax
表示輸電線路l的有功潮流的上限。
[0072]
③
[0073]
其中，表示發電機組g的出力上限。
[0074]
④
0≤sd≤ld+δld，d∈ωd。
[0075]
⑤
[0076]
其中，表示節點b的相角下限，表示節點b的相角上限，表示運行人員分析所測量的虛假負荷數據後確定的節點b的相角的虛假值，ωb表示電力系統的節點集合。
[0077]
步驟s102：求解雙層優化模型，確定是否對電力系統的線路和發電機組展開物理攻擊。
[0078]
由於上述的信息物理系統攻擊的雙層優化模型是一個雙層模型，通過karush-kuhn-tucker(kkt)條件將其轉化為單層優化問題求解。
[0079]
具體的，該步驟包括如下的過程：
[0080]
步驟一、通過kkt(karush-kuhn-tucker)條件將雙層優化模型轉化為單層優化模型。
[0081]
具體的轉化過程為：
[0082]
(1)將優化問題採用通用形式描述，具體如下：
[0083][0084]
subjectto ax＝a:λ；
[0085]
bx≤b:μ；
[0086]
其中，x表示決策變量向量，a和b表示參數對應的向量。a和b分別表示等式約束和不等式約束的關聯矩陣。λ和μ分別表示等式約束和不等式約束的拉格朗日算子向量。
[0087]
(2)將拉格朗日函數l(x,a,b)按照下述形式描述：
[0088]
l(x,a,b)＝f(x,a,b)+λ
t
(ax-a)+μ
t
(bx-b)。
[0089]
(3)根據一階最優條件、互補鬆弛條件、對偶可行性條件和原始可行性條件建立kkt條件，具體如下：
[0090][0091]
diag(μ)(bx-b)＝0；
[0092]
μ≥0；
[0093]
ax＝a；
[0094]
bx≤b。
[0095]
上式中，diag(μ)表示利用向量μ的元素構造對角線元素的對角矩陣。
[0096]
若bx≤b中一不等式約束為該不等式約束的拉格朗日算子為和μ，則互補鬆弛條件採用下式描述：
[0097]
[0098]
其線性化方法採用下式描述：
[0099][0100]
其中，m為預設正數，其是一個很大的正數，和γ為二進位變量。
[0101]
對於一個二進位變量a和連續變量b，a
·
b可通過下列約束進行線性化處理：
[0102][0103]
基於以上kkt條件可將雙層優化條件轉化為單層優化條件進行求解。
[0104]
(4)根據kkt條件添加對應的互補鬆弛條件約束並進行線性化處理。
[0105][0106][0107]
0≤sd≤ld+δld，d∈ωd。
[0108][0109]
將上述約束條件添加對應的互補鬆弛條件約束，並使用前述的線性化處理方式進行線性化處理，得到下述方程：
[0110][0111][0112][0113][0114]
其中，表示發電機組g的出力下限。λ
1,l
、λ
2,b
、λ
4,l
、λ
5,g
、λ
6,d
、λ
7,b
均表示拉格朗日算子。
[0115]
最終，可得到單層優化模型的目標函數為上層信息物理協同攻擊優化模型，即：
[0116]
最終，可到單層優化模型的約束條件包括：
[0117]
(1)
[0118]
(2)-τ
·
ld≤δld≤τ
·
ld，d∈ωd。
[0119]
(3)
[0120]
(4)-(n
b-1)
·yl
≤f
l
≤(n
b-1)
·yl
，l∈ω
l
；
[0121][0122]
(5)
[0123]
其中，l表示下層運行優化調度模型的拉格朗日等式。
[0124]
(6)
[0125]
其中，γ(b,g)表示節點-機組關聯矩陣的第b行第g列的元素。應當理解的是，b相當於節點編號，g相當於發電機組編號。
[0126]
(7)
[0127]
(8)
[0128]
(9)λ
4,l
,λ
5,g
,λ
6,d
,λ
7,b
≥0。
[0129]
(10)
[0130]
(11)
[0131]
(12)
[0132]
(13)
[0133]
步驟二、求解單層優化模型。
[0134]
該求解可在現有的商業求解器中進行。
[0135]
因此，通過上述的方法，求解的目標函數是使協同攻擊導致的系統削負荷量最大，決策變量為是否對線路和機組展開物理攻擊(通過二進位變量v
l-l
和v
g-g
描述)以及lr攻擊的負荷測量值的改變量(通過連續變量δld描述)，以便對電力系統進行優化調度。
[0136]
本發明實施例還公開了一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質上存儲有電腦程式指令；所述電腦程式指令被處理器執行時實現如上述實施例所述的用於電力系統的信息物理協同攻擊方法。
[0137]
本發明實施例還公開了一種用於電力系統的信息物理協同攻擊裝置，包括：如上述實施例所述的計算機可讀存儲介質。
[0138]
下面以一具體應用例對本發明實施例的技術方案作進一步說明。
[0139]
使用改進的rts-79節點系統進行計算分析，系統拓撲如圖6所示。為了使攻擊效果更明顯且易於觀察，使線路容量降為原先的70％。為了驗證本發明實施例提出的信息物理協同攻擊的優化效果，分別對表1所示的九種攻擊場景進行了分析。
[0140]
1)對比場景1-6可以發現，單個lr攻擊或單線路攻擊造成的負荷損失遠小於兩者組成的協同攻擊方式。同樣，單個lr攻擊或單個單元攻擊造成的負荷損失也小於兩者組成的協同攻擊方式。因為原系統滿足n-1甚至n-2的準則，所以單一的物理攻擊通常不會對系統造成很大的危害。然而，本發明實施例提出的協同攻擊方法會通過lr攻擊誤導運行人員，使其獲得虛假的負荷數據，從而做出不科學的優化調度計劃。大部分負荷只能由單一的線路和發電機供電，而其餘線路和發電機的可用容量沒有得到有效利用，因此協同攻擊會造成較大的負荷損失。
[0141]
2)場景4導致的系統負荷降低高於場景8，場景5導致的系統負荷降低遠高於場景9，可以看出，協同優化的攻擊策略優於兩個單獨優化組合確定的攻擊策略，證明了協同優化求解最優攻擊策略的必要性。
[0142]
3)場景6和場景7中的負荷損耗相同，其原因為：對於改進的ieee rts-79系統，線路攻擊比單位攻擊負荷損失更嚴重。對於場景7協同攻擊中的物理攻擊策略，在考慮到線路和單位都可以攻擊且r
max
＝1的情況下，會選擇攻擊單線。
[0143]
表1攻擊場景和結果
[0144][0145][0146]
如圖7和8所示，物理攻擊資源和lr攻擊閾值對攻擊效果有所影響，具體如下：
[0147]
(1)當τ不變時，隨著物理攻擊資源的增加，被攻擊的線路和單位數量會增加，協同
攻擊導致失敗的嚴重程度會越來越大。
[0148]
(2)當r
max
不變時，隨著τ的增大，測量值的範圍會增大，系統運行人員被誤導的可能性和程度也會增大。因此，攻擊造成的負荷減少量也有增加的趨勢。
[0149]
綜上，本發明實施例，基於信息物理協同攻擊模型提出了雙層優化模型，並計算電力系統在不同攻擊場景下的失負荷量，可以很好地描述信息物理協同攻擊的有效性，並降低電力系統的可靠性指標。
[0150]
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以權利要求的保護範圍為準。