阅读说明：本技术 一种考虑网络攻击的电力系统预想故障集生成方法和装置 (Power system expected fault set generation method and device considering network attack ) 是由 倪明 童和钦 李满礼 赵丽莉 张迎星 王�琦 蔡星浦 于 2020-03-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种考虑网络攻击的电力系统预想故障集生成方法和装置,根据设定的网络攻击类型和攻击线路数量确定网络攻击线路的成功率,通过对某个或某些线路进行网络攻击成功的状态和攻击成功后电力系统中其他线路处于正常或断线状态的排列组合构建电力系统攻击成功状态空间；对于配电网,遍历电力系统攻击成功状态空间,对于输电网,对电力系统攻击成功状态空间先部分遍历再抽样遍历,分别计算网络攻击成功线路断线导致电力系统损失的负荷量,基于攻击类型、攻击成功的线路和攻击成功线路断线导致电力系统损失的非零负荷量确定考虑网络攻击的预想故障集。本发明得到考虑网络攻击的电力系统预想故障集,对现有三道防线中的预想故障集进行补充。(The invention discloses a method and a device for generating an expected fault set of a power system considering network attack, wherein the success rate of network attack lines is determined according to the set network attack type and the attack line number, and a power system attack success state space is constructed by the successful network attack state of a certain line or some lines and the arrangement and combination of the normal or disconnection state of other lines in the power system after the successful attack; for a power distribution network, traversing the power system attack success state space, for a power transmission network, traversing the power system attack success state space partially and then sampling, respectively calculating the load quantity of the power system loss caused by the network attack success line disconnection, and determining an expected fault set considering the network attack based on the attack type, the line successful in the attack and the non-zero load quantity of the power system loss caused by the attack success line disconnection. The invention obtains the expected failure set of the power system considering the network attack and supplements the expected failure set in the existing three defense lines.)

一种考虑网络攻击的电力系统预想故障集生成方法和装置

技术领域

本发明涉及电力系统网络安全技术领域，具体涉及一种考虑网络攻击的电力系统预想故障集生成方法和装置。

背景技术

电力系统作为现代社会最重要的基础设施之一，逐渐与通信系统融合，成为典型的信息物理系统(Cyber Physical System，CPS)。一方面，信息物理的深度耦合使得电网变得更加智能化；另一方面，它也带来了潜在的网络攻击风险。常规的电力系统预想故障集只考虑了自然因素引起的故障，未考虑网络攻击引起的电力系统故障。可能会导致故障发生时，调度员无法匹配到合适的预想故障，进而影响后续的控制效果。因此，考虑网络攻击的可能性，生成有针对性的预想故障集是十分有必要的。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种考虑网络攻击的电力系统预想故障集生成方法和装置，解决了目前电力系统预想故障未考虑网络攻击的问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种考虑网络攻击的电力系统预想故障集生成方法，包括：

根据设定的网络攻击类型和攻击线路数量确定网络攻击线路的成功率，通过对某个或某些线路进行网络攻击成功的状态和攻击成功后电力系统中其他线路处于正常或断线状态的排列组合构建电力系统攻击成功状态空间；

对于配电网，遍历电力系统攻击成功状态空间，分别计算网络攻击成功线路断线导致电力系统损失的负荷量，基于攻击类型、攻击成功的线路和攻击成功线路断线导致电力系统损失的非零负荷量确定考虑网络攻击的预想故障集；

对于输电网，对电力系统攻击成功状态空间先部分遍历再抽样遍历，分别计算网络攻击成功线路断线导致电力系统损失的负荷量，基于攻击类型、攻击成功的线路和攻击成功线路断线导致电力系统损失的非零负荷量确定考虑网络攻击的预想故障集。

进一步的，所述网络攻击成功线路断线导致电力系统损失的负荷量采用基于直流潮流模型的最优负荷削减计算方法，计算方法优化目标为：

电网受网络攻击导致拓扑改变时损失的负荷最少：

minf＝∑_t∈TL_t

式中：f代表电力系统负荷减载量之和；T代表电力系统节点集合；t代表节点序号；L_t代表节点t的负荷减载值；

约束条件包括：

式中：W代表电力系统线路集合；l代表线路序号；F_l代表线路l上的潮流；Z_l代表线路l的状态，正常连接还是断开；x_l代表线路l的阻抗，H_t代表节点t关联矩阵，δ_t代表节点t相角矩阵；

∑_m∈MB_mG_m-∑_l∈WH_tF_l＝Q_t-L_t t∈T

式中：M代表系统发电机集合，m代表发电机序号，B_m代表发电机的状态,正常运行或者故障不运行，G_m代表发电机m的发电功率，Q_t代表节点t上所带负载；

-F_l ^max≤F_l≤F_l ^max l∈W

式中，F_l ^max代表线路l的传输极限，G_m ^min和G_m ^max分别代表发电机m的最大和最小出力。

进一步的，对于输电网，对电力系统攻击成功状态空间先部分遍历再抽样遍历，方法包括：

分别对电力系统攻击成功状态空间各个排列组合的线路状态的概率相乘，获得状态空间中各种状态的出现概率，对出现概率的大小进行排序；

根据设定的需要遍历的状态数量，按照排序结果从前往后遍历线路状态；

根据设定的需要抽样的状态数量，对剩余的线路状态进行随机抽样。

进一步的，所述抽样方法采用蒙特卡洛方法。

进一步的，所述网络攻击类型包括针对电力系统量测的虚假数据注入攻击、针对电力系统指令的重放攻击、针对电力系统保护装置的阈值修改攻击。

一种考虑网络攻击的电力系统预想故障集生成装置，包括：

电力系统攻击成功状态空间构建模块，用于根据设定的网络攻击类型和攻击线路数量确定网络攻击线路的成功率，通过对某个或某些线路进行网络攻击成功的状态和攻击成功后电力系统中其他线路处于正常或断线状态的排列组合构建电力系统攻击成功状态空间；

考虑网络攻击的预想故障集生成模块，用于对于配电网，遍历电力系统攻击成功状态空间，分别计算网络攻击成功线路断线导致电力系统损失的负荷量，基于攻击类型、攻击成功的线路和攻击成功线路断线导致电力系统损失的非零负荷量确定考虑网络攻击的预想故障集；

对于输电网，对电力系统攻击成功状态空间先部分遍历再抽样遍历，分别计算网络攻击成功线路断线导致电力系统损失的负荷量，基于攻击类型、攻击成功的线路和攻击成功线路断线导致电力系统损失的非零负荷量确定考虑网络攻击的预想故障集。

进一步的，所述网络攻击成功线路断线导致电力系统损失的负荷量采用基于直流潮流模型的最优负荷削减计算方法，计算方法优化目标为：

minf＝∑_t∈TL_t

式中：f代表电力系统负荷减载量之和；T代表电力系统节点集合；t代表节点序号；L_t代表节点t的负荷减载值；

约束条件包括：

式中：W代表电力系统线路集合；l代表线路序号；F_l代表线路l上的潮流；Z_l代表线路l的状态，正常连接还是断开；x_l代表线路l的阻抗，H_t代表节点t关联矩阵，δ_t代表节点t相角矩阵；

∑_m∈MB_mG_m-∑_l∈WH_tF_l＝Q_t-L_t t∈T

式中：M代表系统发电机集合，m代表发电机序号，B_m代表发电机的状态,正常运行或者故障不运行，G_m代表发电机m的发电功率，Q_t代表节点t上所带负载；

-F_l ^max≤F_l≤F_l ^max l∈W

式中，F_l ^max代表线路l的传输极限，G_m ^min和G_m ^max分别代表发电机m的最大和最小出力。

进一步的，对于输电网，对电力系统攻击成功状态空间先部分遍历再抽样遍历，方法包括：

分别对电力系统攻击成功状态空间各个排列组合的线路状态的概率相乘，获得状态空间中各种状态的出现概率，对出现概率的大小进行排序；

根据设定的需要遍历的状态数量，按照排序结果从前往后遍历线路状态；

根据设定的需要抽样的状态数量，对剩余的线路状态进行随机抽样。

进一步的，所述抽样方法采用蒙特卡洛方法。

进一步的，所述网络攻击类型包括针对电力系统量测的虚假数据注入攻击、针对电力系统指令的重放攻击、针对电力系统保护装置的阈值修改攻击。。

本发明所达到的有益效果：本发明根据攻击类型和攻击线路数量计算线路攻击成功概率，进而得到电力系统网络攻击成功状态空间，遍历状态空间，分别计算失负荷量，得到考虑网络攻击的电力系统预想故障集，对现有三道防线中的预想故障集进行补充，可以为调度员匹配到合适的预想故障，进而提高后续的控制效果。

附图说明

图1是本发明

具体实施方式

中的一种预想故障集生成方法流程图；

图2是本发明具体实施方式中的两机四节点系统图；

图3是本发明具体实施方式中的IEEE57线路系统图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，一种考虑网络攻击的电力系统预想故障集自生成方法，包括如下步骤：

步骤1，根据设定的网络攻击类型和攻击线路数量确定攻击线路的成功率，通过对某个或某些线路进行网络攻击成功的状态和攻击成功后电力系统中其他线路处于正常或断线状态的排列组合构建电力系统攻击成功状态空间；

网络攻击类型包括针对电力系统量测的虚假数据注入攻击、针对电力系统指令的重放攻击、针对电力系统保护装置的阈值修改攻击等。

以一个三条线路的系统为例，选取跳闸指令重放攻击(属于电力系统指令的重放攻击)。

对线路进行网络攻击成功的状态对应网络攻击线路成功概率，攻击成功后电力系统中其他线路处于正常或断线状态对应线路固有的正常或断线概率；

网络攻击线路成功概率通过选取网络攻击概率建模方式获得；网络攻击概率建模方式可采用网络攻击Petri网模型进行建模，获得网络攻击成功的概率，为现有技术。

例如，针对步骤一的三线路系统，假设根据Petri网建模得到的网络攻击成功概率分别为(0.2,0.18,0.23)，设定网络攻击的规模为一条线路，三条线路的正常可用概率为(0.98,0.97,0.99)。值得注意的是，网络攻击的规模为一条线路不代表网络攻击时，只有一条线路断线。有可能一条线路因为受到网络攻击断线的同时，另一条线路恰好处于不可用状态，此种情况出现的概率较小，但不是不可能。此时，电力系统攻击成功状态空间包括攻击某条线路成功的状态以及其他两条线路各自处于正常/断线状态的排列组合，共有12种。

步骤2，对于配电网，遍历电力系统攻击成功状态空间，分别计算网络攻击成功线路断线导致电力系统损失的负荷量，基于攻击类型、攻击成功的线路和攻击成功线路断线导致电力系统损失的非零负荷量确定考虑网络攻击的预想故障集；

对于输电网，对电力系统状态空间先部分遍历再抽样遍历，分别计算网络攻击成功线路断线导致电力系统损失的负荷量，基于攻击类型、攻击成功的线路和攻击成功线路断线导致电力系统损失的非零负荷量确定考虑网络攻击的预想故障集。

采用基于直流潮流模型的最优负荷削减计算方法，获得网络攻击造成线路断线后系统损失的负荷量，作为网络攻击的后果。

基于直流潮流模型的最优负荷削减计算方法优化目标为，电网受网络攻击导致拓扑改变时损失的负荷最少：

minf＝∑_t∈TL_t

式中：f代表电力系统负荷减载量之和；T代表电力系统节点集合；t代表节点序号；L_t代表节点t的负荷减载值；

约束条件包括：

采用直流潮流模型，线路功率受到两端节点相角约束，因此线路潮流应满足下式约束：

式中：W代表电力系统线路集合；l代表线路序号；F_l代表线路l上的潮流；Z_l代表线路l的状态，正常连接还是断开；x_l代表线路l的阻抗，H_t代表节点t关联矩阵，δ_t代表节点t相角矩阵。

系统中流入各个节点的功率和节点的负荷应满足基本的平衡约束：

∑_m∈MB_mG_m-∑_l∈WH_tF_l＝Q_t-L_t t∈T

式中：M代表系统发电机集合，m代表发电机序号，B_m代表发电机的状态,正常运行或者故障不运行，G_m代表发电机m的发电功率，Q_t代表节点t上所带负载。

线路上流过的功率和发电机的出力应处于各自的承受范围内：

-F_l ^max≤F_l≤F_l ^max l∈W

式中，F_l ^max代表线路l的传输极限，G_m ^min和G_m ^max分别代表发电机m的最大和最小出力；

对于输电网，对电力系统攻击成功状态空间先部分遍历再抽样遍历，具体包括：

1)分别对电力系统状态空间各个排列组合的线路状态的概率相乘，获得状态空间中各种状态的出现概率，采用快速排序法对出现概率的大小进行排序；例如一种排列组合为(攻击线路1成功线路1断线，线路2可用，线路3可用)，状态出现概率为0.2*0.97*0.99＝0.19206；

2)根据设定的需要遍历的状态数量，从前往后遍历；

假如该系统有100条线路，则得到的状态空间非常庞大，最优负荷削减算法的计算时间较长，因此遍历时间成本高。但是计算概率的乘积，排序的速度很快，因此可以先对状态的概率大小进行排序，然后分别计算需要遍历的前50个电力系统损失的负荷量。

3)根据设定的需要抽样的状态数量，采用蒙特卡洛方法对剩余的状态空间进行随机抽样；

接续上述的例子，在剩下的数千种排列组合中，例如设定抽样50个状态进行计算，则应用蒙特卡洛方法进行抽样50次，获得50个状态，分别计算失负荷量。实施例2：

如图2所示，在小规模的两机四节点(属于配电网)电力系统上实施，采用本发明实施例1中的方法。

1)选择考虑的网络攻击类型为跳闸指令攻击和DoS攻击。举例根据Petri网建模得到的网络攻击成功概率分别为(0.2,0.18,0.23)和(0.13,0.17,0.25)，设定网络攻击的规模为一条线路，三条线路的正常可用概率为(0.98,0.97,0.99)。此时，电力系统的状态空间包括攻击某条线路成功状态以及其他两条线路各自处于正常/断线状态的排列组合，共有12种。

对于配电网采取遍历的方式，分别计算攻击成功线路断线导致电力系统损失的负荷量，将攻击类型、攻击成功的线路和非零负荷量加入考虑网络攻击的预想故障集，将所有失负荷量不为0的结果列出如表1所示：

表1两机四节点系统考虑网络攻击的预想故障集

实施例3：

如图3所示，在大规模的IEEE标准57线路系统上实施，由Matlab编程，选择考虑的网络攻击类型为DoS攻击和虚假数据注入攻击。举例根据Petri网建模得到的网络攻击成功概率为57维的行向量，设定网络攻击的规模为两条线路以内，57线路的正常可用概率为57维的行向量。此时，电力系统的状态空间包括攻击某条或某两条线路成功状态以及其他线路各自处于正常/断线状态的排列组合。分别根据状态的概率相乘，获得状态空间中各种状态出现的概率，根据概率的大小排序。该系统属于输电网级别，因此采取部分遍历和抽样结合的方式，遍历前50种状态，抽样剩余的50种状态，所有失负荷量不为0的结果按照攻击类型如表2和表3所示：

常规预想故障集N-1和N-2(指电力的任意一条线路或任意两条线路故障，通常电力系统在建设和运行时，要求N-1和N-2情况下电力系统不发生减载，仍然能安全稳定运行，越大的系统越是不发生减载)发生减载的情况较少。

表2 IEEE 57线路考虑网络攻击的预想故障子集A

表3 IEEE 57线路考虑网络攻击的预想故障子集B

综上所述，本发明根据攻击类型和攻击线路数量计算线路攻击成功概率，进而得到电力系统网络攻击成功状态空间，遍历状态空间，分别计算失负荷量，得到考虑网络攻击的电力系统预想故障集，可以为调度员匹配到合适的预想故障，进而提高后续的控制效果。

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行XXX方法。

一种计算设备，包括，一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行XXX方法的指令。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。