【摘要】：伴隨智能電網(wǎng)的日益發(fā)展和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設的提出,電力系統(tǒng)逐步演化為信息與物理系統(tǒng)深度協(xié)作耦合的電力信息物理融合系統(tǒng)(Cyber Physical System,CPS),電力物理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行也愈加依賴于信息系統(tǒng)的安全保障。耦合系統(tǒng)的信息流與能量流交互日益頻繁,在提升電網(wǎng)感知、計算、通信和控制能力的同時,亦增加了電力CPS網(wǎng)絡安全風險,網(wǎng)絡協(xié)同攻擊會導致雙網(wǎng)級聯(lián)失效而降低電力CPS可生存性。如何量化分析網(wǎng)絡協(xié)同攻擊對耦合電力CPS的影響并有效抑制安全風險傳播是亟待解決的問題。因此,建立電力CPS的耦合一體化模型、量化評估網(wǎng)絡協(xié)同攻擊下的可生存性并提出針對脆性環(huán)節(jié)的免疫方法具有現(xiàn)實意義。本文對電力信息物理網(wǎng)絡協(xié)同攻擊免疫機制進行研究,主要研究工作如下:(1)針對電力CPS節(jié)點具有異質(zhì)性和耦合性,難以通過無權(quán)網(wǎng)絡模型表征信息-能量流交互的問題,構(gòu)建了加權(quán)電力信息物理網(wǎng)絡模型。在拓撲結(jié)構(gòu)和耦合關系的分析基礎上,融入信息網(wǎng)負荷優(yōu)化和物理網(wǎng)潮流分布特性,定義了信息網(wǎng)度函數(shù)和物理網(wǎng)電氣介數(shù)作為網(wǎng)內(nèi)連接邊權(quán)重,通過加權(quán)關聯(lián)矩陣和節(jié)點初始負荷及容量,實現(xiàn)耦合電力CPS網(wǎng)絡的形式化表征,為可生存性評估和免疫方法提供支撐。(2)針對電力CPS規(guī)模不斷擴大且現(xiàn)有級聯(lián)失效模型忽略信息流和潮流轉(zhuǎn)移特性,使得可生存性難以快速有效評估的問題,設計了網(wǎng)絡協(xié)同攻擊下的電力CPS可生存性量化評估模型。計及級聯(lián)失效的負荷優(yōu)化重配過程,將節(jié)點負荷及容量概念引入電力CPS,從耦合系統(tǒng)級聯(lián)失效的結(jié)構(gòu)連通性變化和風險傳播范圍兩個維度出發(fā),基于節(jié)點負荷容量限制、信息流擇優(yōu)分配策略、潮流優(yōu)化方程和系統(tǒng)安全運行等約束條件設計了可生存性評估模型,并采用混沌Lévy搜索螢火蟲算法對評估模型進行高效求解。算例分析表明,模型有效量化了網(wǎng)絡協(xié)同攻擊下電力CPS的可生存性并提高大規(guī)模耦合系統(tǒng)的評估效率。(3)針對網(wǎng)絡協(xié)同攻擊下的安全風險傳播速度快、波及范圍廣,難以通過免疫少量關鍵節(jié)點抑制風險爆發(fā)來提高CPS可生存性的問題,提出基于高脆性信息元胞保護的電力CPS目標免疫方法。首先引入元胞自動機理論將電力CPS節(jié)點進行元胞化定義,考慮耦合網(wǎng)絡拓撲、功能屬性和交互關系辨識了高脆性元胞,然后采取高脆性保護方法對信息元胞進行免疫,引入風險傳播概率、元胞恢復概率和免疫概率設計目標免疫模型,最后通過粒子群優(yōu)化算法對免疫模型求解,盡可能提高電力CPS遭受網(wǎng)絡協(xié)同攻擊的可生存性。算例分析表明,提出的高脆性目標免疫模型可提升電力CPS的可生存性,有效抑制不同種類網(wǎng)絡協(xié)同攻擊引起的安全風險。
【學位授予單位】：東北電力大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP393.08;TM76
【圖文】：

1.1 課題研究背景與意義隨著能源互聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)逐步演化為信息與物理系統(tǒng)深度耦合的復雜多維異構(gòu)的電力信息物理融合系統(tǒng)(Cyber Physical System, CPS)[1-3]。國家電網(wǎng)董事長寇偉在 2019 年工作報告中指出，在加強建設運營智能電網(wǎng)的同時，實現(xiàn)萬物互聯(lián)的泛在電力（能源）物聯(lián)網(wǎng)，其核心在于信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的深度融合，通過廣泛應用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能、區(qū)塊鏈和邊緣計算等先進的信息技術(shù)，為智能電網(wǎng)安全可靠運行和規(guī)劃建設等提供有效支撐[4]。如圖 1-1 所示，簡要說明電力 CPS結(jié)構(gòu)和功能：大量新型發(fā)電廠、分布式能源、電動汽車、儲能系統(tǒng)和智能家電等接入電力系統(tǒng)構(gòu)成復雜電網(wǎng)實現(xiàn)能源互聯(lián)，計算分析中心和優(yōu)化控制中心構(gòu)成信息網(wǎng)絡實現(xiàn)對復雜電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和優(yōu)化控制。相較于傳統(tǒng)電網(wǎng)而言，電力 CPS 依托先進的 IT 技術(shù)、豐富的傳感監(jiān)控單元和安全可靠的信息系統(tǒng)實現(xiàn)電力系統(tǒng)的分布式計算、實時態(tài)勢感知、智能信息監(jiān)視和動態(tài)協(xié)作控制。從信息和物理系統(tǒng)有機融合的視角出發(fā)，為電力系統(tǒng)智能化和泛在物聯(lián)化的研究提供新的思路和方法。

理域的交替組合式網(wǎng)絡攻擊稱為“網(wǎng)絡協(xié)同攻擊”[9]，如圖 1-克蘭電網(wǎng)大停電事故就是黑客針對信息網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)采取蓄意失效，攻擊過程如圖 1-3 所示，通過多元化組合式網(wǎng)絡攻擊手止運行和大范圍停電事故。因此，如何量化分析網(wǎng)絡協(xié)同攻并采取有效的免疫方法抑制風險大規(guī)模傳播是亟待解決的問

制不同功能節(jié)點（如通信節(jié)點、路由節(jié)點），Γ 是 vci的鄰居節(jié)點集合，ki和 kj分別為信聯(lián)的個數(shù)求得。信息節(jié)點 vci的容量 Cci與(1)(0)cicciC = +ρL。域供電的電量，其中的每一條線路都有電能換受到傳輸能力的制約，根據(jù)功率流入、流出負荷為式（2-8）。ijiGjDijij(0)wwP(b)/P, ∈∈=（2-9）。(1)(0)pippiC = +ρL。節(jié)點負荷既考慮了物理網(wǎng)節(jié)點間的區(qū)別，Ep的元素序列）傳輸功率。

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