一种网络攻击下电网频率扰动的抑制策略及防御方法

本发明属于电力系统网络安全领域，具体涉及一种网络攻击下电网频率扰动的抑制策略及防御方法。

背景技术：

1、电力业务的扩展以及对信息处理要求的提高，加深了电网物理侧与信息侧的耦合程度，使电力系统发展成为规模庞大、结构复杂的电力信息物理系统(cyber-physicalpower systems，cpps)。这一方面提高了系统的信息处理效率，另一方面也使网络攻击问题愈发严峻。随着cpps的发展成熟，针对cpps的网络攻击的种类越来越多，相较于物理攻击，网络攻击隐蔽性高，更易实施，影响更大。

2、在众多种类网络攻击中，对关键电气设备(如断路器或保护继电器等)进行虚假数据注入或是拒绝服务式攻击等是一类主流的网络攻击手段。此类攻击会导致电气设备非正常动作，相关线路故障切出，进而引起系统频率异常，造成频率变化率(rate of change offrequency，rocof)大幅提高。一旦rocof越过其限定值后，就会导致机组脱网，从而形成连锁故障，造成大面积停电。

3、在抵抗网络攻击引起的电网频率扰动方面，现有技术存在一定问题；高比例新能源接入的新型电力系统并不具备与传统电力系统同样的惯量支撑能力，现有技术主要集中在加固电气设备以减少负荷损失，缺乏综合考虑加固电气设备和调度发电机组以构建在负荷损失最少时提高系统惯量水平的防御策略，以防止rocof越限，应对网络攻击造成的危害和损失，提高新型电力系统的稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的上述不足，提供了一种网络攻击下电网频率扰动的抑制策略及防御方法；该方法综合考虑加固关键电气设施和最优发电调度，实现在最坏情况下最小化负荷损失，提高系统惯量水平，双管齐下抵御网络攻击引起的系统频率剧烈变化，防止rocof越限，更好的保证系统稳定运行。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下，提供了网络攻击下电网频率扰动的抑制策略及防御方法，所述的方法为：

3、网络攻防模型由上中下三层结构构成，分别是上层防御者、中层攻击者及下层操作者，设置对应变量表示网络攻击时上层防御者最佳防御策略、中层攻击者最佳攻击策略、下层操作者可修改系统运行变量即系统受攻击后的负荷损失及运行机组的发电量。

4、所述的上层防御者首先在不超出防御资源限制的情况下，制定有效的防御策略，保护系统中最为关键的电气设备，最小化系统甩负荷；

5、所述的经济-惯量策略可生成最优发电调度，上层防御者采用该策略实现提高系统的惯量水平的同时尽可能减少系统发电成本，最小化系统频率变化率(rate of changeof frequency，rocof)，即min rocof；

6、所述的中层攻击者攻击系统中最为关键的电气设备，最大化rocof，即max rocof，以对系统造成最严重的破坏；

7、所述的下层操作者在网络攻击发生后，通过修改系统运行变量，最小化rocof；

8、所述的三层模型通过结合强对偶定理和benders分解法求解，确定需要加固的电气设备和最优发电调度即最佳防御策略、被攻击的电气设备即最佳攻击策略及修改的运行变量的大小得到最小rocof值；

9、优选地，所述的网络攻击为虚假数据注入或拒绝服务式攻击，通过控制断路器跳闸，切断关键输电线路，实现在有限的攻击资源下造成最严重的后果即产生最大的负荷损失进一步最大化rocof。

10、优选地，所述的防御措施为对断路器进行加固以应对可能的攻击，减少负荷损失进一步最小化rocof，一般认为加固后的元件可以完全抵御恶意攻击。

11、所述的上层防御者的目标是最小化rocof，即min rocof，通过控制防御变量为dl找出最易被攻击的断路器进行保护，dl表示第l条输电线路的防御状况即线路l上断路器的加固情况，如果dl等于1，则线路l受到保护，攻击者无法切断它；相反，如果dl等于0，线路l容易受到潜在攻击；

12、优选地，上层防御资源受下式限制：

13、

14、

15、式中，d表示最大防御资源值，l表示所有线路l的合集。

16、所述中层攻击者的目标是最大化rocof，即max rocof，通过控制攻击变量为al找出能切断关键输电线路的断路器进行攻击，al表示第l条输电线路的受攻击状况即线路l上断路器的被攻击情况，如果al等于0，线路l受到攻击；否则，线路l安全；

17、优选地，中层攻击资源受下式限制：

18、

19、

20、式中，a表示最大攻击资源值。

21、所述的网络攻击若要成功实施，需要满足dl和al同时为0，实现线路l上断路器跳闸，其上潮流为0，dl和al的其他取值集合均视为攻击无效。

22、所述的下层操作者的目标是最小化rocof，为了避免形成连锁故障，操作者有选择地切除负荷，调整机组出力，保证功率平衡；

23、线路l的潮流方程、节点n的功率平衡方程及机组出力受到下式限制：

24、

25、

26、

27、

28、

29、

30、

31、

32、

33、

34、其中，plf为流经线路l上的潮流，xl为线路l的电抗，δo(l)为线路l的起点相角，δd(l)为线路l的终点相角，分别表示同步机组g、风机w、光伏v的发电量，表示节点n损失负荷量，为节点n处的负荷大小，分别表示同步机组g、风机w、光伏v的最大发电量，表示节点n处的负荷值，表示线路l的潮流容量，分别表示同步机组g、风机w、光伏v的攻击前的发电量，分别表示同步机组g、风机w、光伏v的爬坡上限能力，分别表示同步机组g、风机w、光伏v的爬坡下限能力，g、w、v、n分别表示发电机组g、w、v和节点n的集合，gn、wn、vn分别表示与节点n相连的发电机组g、w、v的集合。

35、优选地，所述的上层防御者基于负荷损失结果，通过二元变量分别控制同步机组g、风机w、光伏v启停，其中，分别表示同步机组g、风机w、光伏v的启停变量，当为1时表示同步机组g投入运行，否则相反，风机w，光伏v控制方法与同步机组g类似；上层防御者采用经济-惯量策略根据发电机组的惯量大小和发电成本选择合适的发电机组实现最大化系统惯量水平，同时最小化系统发电成本，实现最优发电调度；

36、系统惯量、机组启停、最小惯量需求、经济-惯量策略如下式所示：

37、

38、

39、hsys,min≤hsys≤hsys,max                                       (17)

40、

41、

42、其中，hsys表示系统惯量，分别表示同步机组g、风机w、光伏v惯量时间常数，分别表示同步机组g、风机w、光伏v启停变量，hsys,max为所有同步机组的转动惯量与可再生能源机组提供的最大虚拟惯量之和，hsys,min为运行的同步机组的转动惯量与可再生能源机组的虚拟惯量之和，为网络攻击后产生的最大负荷损失，βlim为在稳定运行前提下可承受的rocof的上限，该值可根据分布式电源保护整定值和常规机组耐受能力给定，fn表示系统的额定频率，σ和δ为具有相同偏好的权重因子，ag、bg、cg为同步机组g发电成本系数，分别表示风机w、光伏v维护运行及弃风弃光成本。

43、优选地，所述的三层模型目标函数为最小化rocof，利用强对偶定理将三层模型中下两层合并为单层模型，利用benders分解法求解合并后的双层模型，求解成功后可确定最佳防御策略，即需要加固的断路器和系统最优惯量水平；最佳攻击策略，即攻击能造成最大破坏的断路器；修改的运行变量的大小，即最坏情况下的最小负荷损失值和需要修改的发电机发电量的值；

44、所述的三层模型的目标函数、rocof的表达式为：

45、

46、

47、其中，θ表示上层防御者的防御行为集合，d为变量dl的集合，表示所有线路l的加固情况；λ表示中层攻击者的攻击行为集合，a为变量al的集合，表示所有线路l的攻击情况；ω表示下层操作者的行为集合，ω表示下层操作者的行为，δpd为总甩负荷量；

48、上层约束如权利要求4和8所示，中层约束如权利要求5所示，下层约束如权利要求7所示。

49、若最终的防御结果显示rocof仍然越限，可为可再生能源机组增配虚拟惯量，以提高系统稳定性；

50、优选地，所述的可再生能源机组增配虚拟惯量措施为：增储或面向虚拟惯量升级改造措施，通过指定惯量增配系数，根据实际情况确定每个风机所需的增配惯量，以使网络攻击后系统rocof不越过其极限值；

51、风机可上调的虚拟惯量上限，增配惯量大小，增配后系统的惯量水平如下式所示：

52、

53、hsup＝δh＝ξhsys                                                  (23)

54、hsys1＝hsys+hsup＝(1+ξ)hsys                                          (24)

55、式中，δh表示风电机组增配的虚拟惯量，表示风电机组可上调的虚拟惯量上限。hsup系统增配惯量值，ξ表示惯量增配系数，hsys1表示增配后系统的惯量值。

56、本发明提供了一种网络攻击下电网频率扰动的抑制策略及防御方法，构建防御者-攻击者-操作者三层模型，生成电网遭受网络攻击时的最优协同攻防策略，加固关键电气设备，得到在最坏情况下的最小负荷损失结果，上层防御者中采用经济-惯量策略，生成最优发电调度方法，实现提高系统惯量水平同时降低系统发电成本；结合强对偶定理和benders分解法求解提出的三层模型；本发明综合加固关键电气设施和最优发电调度双管齐下最小化rocof，有效抑制了网络攻击时电网的频率变化，增强了电网的稳定性。