[發明專利]一種基于三層模型的電網信息物理安全風險檢測方法

有效

• 申請號: 202010167745.2
• 申請日: 2020-03-11
• 公開（公告）號: CN111404915B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 車亮;劉絢
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H04L29/06
• 分類號: H04L29/06;G06Q50/06
• 代理公司: 長沙新裕知識產權代理有限公司 43210
• 代理人: 劉熙

1.一種基于三層模型的電網信息物理安全風險檢測方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1，輸入數據，具體輸入包括：FDIA情況下需執行檢測的電力系統的物理參數和運行數據案例，以及惡意數據程度因子ρ，所述輸入數據為常數，所述FDIA為惡意數據注入攻擊；

步驟S2，數據建模：模擬的惡意數據通過線性約束建模；電力系統調度中心收到的系統運行數據被FDIA注入惡意數據而被篡改，成為錯誤數據，為已知數據，而系統運行的真實數據，即攻擊之前的數據，則為未知數據；基于上述兩種對應數據的關系，根據調度中心收到的上述錯誤數據，對其所對應的電力系統運行真實數據通過線性約束進行建模：

表示未知的系統運行真實數據的預期集合；

(1)式針對FDIA常見的目標數據類型也即電力系統負荷節點的電力負荷數據向量：D為系統調度中心收到的包含惡意數據的負荷數據向量；d為未知的真實負荷數據向量；ρ為站在防御性檢測角度所使用的惡意數據程度因子；T表示矩陣的轉置的含義；

步驟S3，執行風險檢測，檢測功能通過具有檢測-攻擊-計算結構的三層優化模型實現，其中(2.1)-(2.8)為模型的上層即檢測層、(2.9)-(2.10)為模型的中層即攻擊層、(2.11)-(2.13)為模型的下層即計算層，模型如下：

subject to

-r⁰≤f≤r⁰ (2.3)

r≥r⁰ (2.4)

1^TP＝1^TD (2.5)

P_min≤P≤P_max (2.6)

f＝SF(KP·P-KD·D) (2.7)

subject to

subject to

該模型的檢測機理為：通過攻擊層構建在步驟S1-S2所述FDIA的最壞情形下的惡意負荷數據攻擊，具體以未知的真實負荷數據向量d體現；通過檢測層模擬相對應的緩解措施即糾正性調度，具體以機組糾正性調度向量P體現；通過計算層評定上述攻擊和緩解措施下的電網運行安全風險，具體以電網潮流過載程度攻擊下潮流水平向量r體現；

各公式和各符號的具體作用詳述如下：上層(2.1)最小化安全越限指標以求解在當前系統遭遇最壞攻擊情形時運行員利用緩解措施也即機組糾正性調度向量P所能達到的最小的網絡安全越限，權重因子ω＞0，V是V_l構成的向量，V_l表示線路l的過載的標幺值，V^max表示所有線路的最大過載的標幺值，由(2.2)定量獲得，其中(2.2)中的r_l為向量r中的元素，為向量分r⁰中的元素；檢測對象為當前系統，因此系統安全通過在(2.3)中將電網物理潮流向量f限制在其當前電網線路容量向量r⁰中而得以體現，而(2.4)中的攻擊下潮流水平向量r則大于或等于r⁰，對于r補充說明如下：根據(2.1)至(2.4)，若線路l過載則V_l＞0，否則V_l＝0；而r被傳遞到下層以檢測進一步的安全越限；接著，憑借在(2.8)中將松弛變量向量驅使至0，r的值即可體現出在最壞攻擊情形下的真實潮流的越限程度，并被用于在(2.2)中計算V_l，(2.5)-(2.7)用于模擬實施緩解措施，也即求解機組糾正性調度向量P，(2.5)-(2.7)三式依次代表系統功率平衡約束、發電機功率上下限約束和潮流方程，其中KP為節點-機組耦合矩陣，KD為節點-負荷耦合矩陣；P_max和P_min為發電機組出力上下限向量；(2.8)將從中下層傳遞而來的松弛變量利用很小的線路潮流過載容忍度ε驅使至0，以使r能代表真實潮流越限，接著，中層最大化(2.9)即代表真實潮流越限的正數松弛變量之和，以在(2.10)的預期惡意數據集合之上構建最壞攻擊情形即求解最優的其中ρ為前述的惡意數據程度因子；下層根據上中層傳遞的變量r，P和d，系統通過約束(2.12)基于潮流極限乘子η利用潮流越限的松弛變量s，求解系統在正常狀態下的真實潮流，系統通過約束(2.13)基于潮流極限乘子η^c利用潮流越限的松弛變量v_l，求解系統在N-1線路故障狀態下的真實潮流，并通過(2.11)最小化松弛變量之和，從而利用松弛向量的值定量獲取真實潮流的越限數值；同時，松弛變量將在中層中被最大化以建立最壞情形攻擊，并被傳遞至(2.8)以供安全檢測；其中，η^c≥η；在(2.13)中，U_l(KP·P-KD·d)所示的向量表示線路l∈K在單一線路故障后的潮流，集合K為考慮了單一線路故障對其影響的重要線路集合，U_l為對于線路l∈K的在單一線路故障發生之后的潮流轉移因子矩陣，SF為系統正常狀態下的潮流轉移因子矩陣；

所述三層優化模型的迭代求解算法，其包含以下步驟：

步驟S3-1，初始化，割集設為空集；

步驟S3-2，將此割集內所有割添加為原三層優化模型的上層問題的約束，求解增加約束后的新的上層問題，其為一個單層優化問題，其求解結果即其最優解給出了本次迭代中各變量的值；

步驟S3-3，將步驟S3-2的最優解中的變量的值P和r作為常數，將中下層所示的雙層優化問題，基于卡羅需-庫恩-塔克條件，轉為單層問題求解，根據其最優解生成新的Benders割如下：

其中，λ和為模型中系統正常狀態安全約束(2.12)所對應的拉格朗日乘子向量，μ_l和均為模型中系統單一線路故障狀態安全約束(2.13)所對應的拉格朗日乘子向量；

步驟S3-4，判斷終止條件如下：約束(3)所示的不等式關系是否滿足；若滿足，則終止；否則，將其(3)添加入割集，返回步驟S3-2繼續迭代；

步驟S4，輸出風險評估結果，其中攻擊下潮流水平向量r一方面篩查出系統敏感元件，即在FDIA之下安全越限程度最高的輸電元件，另一方面定量給出了攻擊下的潮流越限程度，其體現電網在遭遇攻擊時實施緩解措施之后仍然無法被平抑的風險水平。

2.根據權利要求1所述的一種基于三層模型的電網信息物理安全風險檢測方法，其特征在于，所述模型具體考慮的FDIA是誘發潮流越限而導致的電力系統運行安全風險，對該風險的評估結果由步驟S3模型的最優解定量給出，其中攻擊下潮流水平向量r將顯示發生風險的線路以及這些線路的潮流超過當前電網線路極限的程度；所述模型的攻擊層具體考慮的攻擊類型是以負荷數據為目標的惡意數據注入攻擊，其模擬攻擊時的惡意數據范圍由該攻擊層中的惡意數據程度因子ρ確定。