考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测方法

本发明涉及电网安全运行领域，具体而言，涉及考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测方法。

背景技术：

1、随着电力系统从传统的运营模式向智能化方向转变，大量的智能化设备被广泛应用于电力系统的各个环节，从发电、输电到配电和用电，实现了电力流、信息流和业务流的深度融合，形成了通信网络和电力系统一体化的电力信息物理系统(cyber-physicalpower systems,cpps)，这些智能化设备的大量运用显著提高了电网的运行效率和管理效能但同时也带来了新的安全挑战，如2015年乌克兰大停电中多个变电自动化系统遭受到协同网络攻击并失控、2019年的委内瑞拉大停电中水电站的计算机系统也有遭受网络攻击的痕迹等。这些大停电事故无不说明在信息物理高度耦合的当下，电力系统的每一个故障或遭受的攻击都可能引发连锁反应，造成严重的停电损失。同时电力工业作为国民经济的命脉，一旦遭受到有预谋的蓄意攻击，将造成无法估计的损失。因此研究考虑信息物理耦合作用的协同攻击策略具有重要意义，研究结果对辨识和保护电力信息物理系统中关键部位有重要的指导意义。

2、目前，在蓄意攻击的背景下对电力系统的建模并未充分考虑工程实际中信息物理层面的多重耦合属性，需建立相应的耦合模型以提升防御策略的精确性和有效性。与此同时，cpps的协同攻击手段建模过于简化，缺乏对复杂环境中各种攻击手段相互影响的准确模拟，如针对信息侧的ddos攻击鲜有人考虑。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测技术，意在通过全面考虑电力网与信息网间的复杂耦合关系，构建一个包含信息流、能量流及多重耦合特性的电力信息物理系统模型，并基于攻击方视角，提出一种双层攻防博弈模型，为电网防御者提供重要的参考。

2、为了实现上述技术目的，本申请提供了考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测方法，包括以下步骤：

3、基于电力信息物理系统的结构和功能的双重耦合特性，利用断路器跳闸攻击、物理攻击和ddos攻击，对电网遭受蓄意攻击的影响效果进行量化分析，构建协同攻击双层优化模型，用于以负荷削减量最小为目标，制定发电机出力以及切负荷方案；

4、基于协同攻击双层优化模型，对电力信息物理系统的协同攻击进行预测。

5、优选地，响应于获取电力信息物理系统的结构和功能的双重耦合特性，基于复杂网络理论，利用图gp＝(np,lp)建立电力网模型，其中np为电力节点的集合，表示电网中具有不同功能的电力母线或节点，lp为电力线路的集合，表示电网中的输电线路或变压器支路；

6、利用图gc＝(nc,lc)建立信息网模型，nc为信息节点的集合，表示安装在电力节点处的监测、控制及通信设备，lc为通信链路的集合，用来传输信息节点之间信息流；

7、基于电力网模型和信息网模型，构建结构耦合模型和功能耦合模型，获取结构和功能的双重耦合特性。

8、优选地，在构建电力网模型的过程中，电力网模型表示：

9、

10、其中：pished为节点i的切负荷量；pig为节点i的发电机出力；δpig为节点i的发电机出力调整量；pid为节点i的负荷量；plf为线路l的潮流；θi为节点i的相角；xl为线路l的电抗；plfmax表示线路l的容量上限；pigmax表示节点i的发电机装机容量；分别为节点i最大最小相角。

11、优选地，在构建信息网模型的过程中，信息网模型表示为：

12、brc·tf＝ts-to

13、式中，tf为一个列向量，表示通信链路上的信息流量；ts表示源节点所发出的信息量；to表示目标节点接收的信息量。

14、优选地，在构建结构耦合模型的过程中，结构耦合模型表示为：

15、lp＝gp-c·lc

16、其中：lp表示输电线路列向量；lc为通信链路列向量；gp-c为一个|lp|×|lc|的输电线路和通信链路关联矩阵，表示它们之间的结构耦合关系。

17、优选地，在构建功能耦合模型的过程中，根据电力节点对信息的供能关系以及信息节点对电力节点的控制关系，构建功能耦合模型。

18、优选地，在构建协同攻击双层优化模型的过程中，通过协同攻击双层优化模型的上层模型以负荷损失最大为目标生成攻击策略；通过协同攻击双层优化模型的下层模型模拟防御策略；生成双层攻防博弈架构，用于以负荷削减量最小为目标制定发电机出力以及切负荷方案。

19、优选地，在构建上层模型的过程中，上层模型表示为：

20、

21、式中，γ为节点i的重要度系数。

22、优选地，在构建下层模型的过程中，下层防御者目标函数是在上层攻击者作用的基础上，调度发电机的出力使系统的切负荷最小，下层模型表示为：

23、

24、优选地，在制定发电机出力以及切负荷方案的过程中，利用kkt条件将双层规划问题转化为一个单层混合整数规划问题，并使用求解器通过设定对应的攻击参数，以双层攻防博弈模型的下层进行打击后果计算，得出每种场景每种攻击资源下的协同攻击效果和平均失负荷量。

25、本方案还公开了考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测系统，用于实现上述电力信息物理系统协同攻击预测方法，包括：

26、模型构建模块，用于基于电力信息物理系统的结构和功能的双重耦合特性，利用断路器跳闸攻击、物理攻击和ddos攻击，对电网遭受蓄意攻击的影响效果进行量化分析，构建协同攻击双层优化模型，用于以负荷削减量最小为目标，制定发电机出力以及切负荷方案；

27、预测模块，基于协同攻击双层优化模型，对电力信息物理系统的协同攻击进行预测。

28、本发明公开了以下技术效果：

29、本发明充分考虑了工程实际中信息物理层面的多重耦合属性，通过建立相应的耦合模型以提升防御策略的精确性和有效性。与此同时，本发明提出的cpps协同攻击手段建模相较于其他攻击手段，考虑了信息侧的ddos攻击，并准确模拟了复杂环境中各种攻击手段相互影响，对辨识和保护电力信息物理系统中关键部位有重要的指导意义。

技术特征：

1.考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测方法，其特征在于：

5.根据权利要求4所述考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测方法，其特征在于：

6.根据权利要求5所述考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测方法，其特征在于：

7.根据权利要求6所述考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测方法，其特征在于：

8.根据权利要求7所述考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测方法，其特征在于：

9.根据权利要求8所述考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测方法，其特征在于：

10.根据权利要求9所述考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测方法，其特征在于：

技术总结本发明公开了考虑多重耦合关系的电力信息物理系统协同攻击预测方法，属于电网安全运行领域，包括以下步骤：基于电力信息物理系统的结构和功能的双重耦合特性，利用断路器跳闸攻击、物理攻击和DDoS攻击，对电网遭受蓄意攻击的影响效果进行量化分析，构建协同攻击双层优化模型，用于以负荷削减量最小为目标，制定发电机出力以及切负荷方案；基于协同攻击双层优化模型，对电力信息物理系统的协同攻击效果进行预测。本发明提出的预测方法对辨识和保护电力信息物理系统中关键部位有重要的指导意义性。技术研发人员：刘春明,赵宇龙,付晴玉,王颖,吴俞含,李心雨受保护的技术使用者：华北电力大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2