在连续协同攻击下,针对电力传输信息物理系统的可靠性改进的多阶段鲁棒优化:一种基于极端攻击场景搜索辅助的框架

时间:2026年2月2日
来源:Reliability Engineering & System Safety

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针对电力传输物理- cyber系统(PTCPS)中序列协同攻击,提出多阶段鲁棒优化框架,引入虚拟故障流量模型和极端场景搜索加速计算,通过欧氏距离选择优化效率,在IEEE RTS-96系统中计算时间减少近49%。

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作者:李创志、臧天磊、周步香
四川大学电气工程学院,中国成都,610064

摘要

随着越来越多的信息组件被部署,电力传输信息物理系统(PTCPS)变得更容易受到信息物理攻击(CPAs)的威胁。攻击者通常针对通信网络中的关键设备,破坏其运行,这类攻击越来越表现出顺序性和协调性的特征。为了解决这个问题,我们开发了一个多阶段鲁棒优化框架,该框架为PTCPS在顺序协调CPAs下的恢复提供了明确的持续时间。该框架包括一个加固组件的防御者、一个策划协调行动的攻击者,以及一个执行电力重新分配和系统恢复的操作者。保护继电器入侵与故意的传输线路中断被共同建模,虚拟故障流表示捕捉了故障在线路、继电器和母线之间的传播。一个关键组成部分是极端攻击场景搜索,它通过基于故障传播的无目标优化来识别关键场景。发现的场景和约束被嵌入到主问题中,使得列生成和约束生成算法的收敛速度更快,从而提高了多阶段鲁棒优化的整体效率。在标准IEEE RTS-96系统上的案例研究表明,极端场景搜索框架可以将总体计算时间减少大约44.8%。此外,添加欧几里得距离选择可以将计算时间进一步减少大约49.0%,同时确保在协调CPAs下的稳定收敛。

引言

作为电网的支柱,传输网络对于电力输送至关重要。一方面,许多终端设备被配置用来监控和感知电网的状态。部署远程终端单元(RTUs)和逆相量测量单元(PMUs)可以提高系统的可见性和态势感知能力。另一方面,智能系统(如监控控制和数据采集(SCADA)[1]容易受到极端天气[2]或故意攻击的威胁,这些攻击会严重损害运营可靠性和服务连续性。例如,伊朗核设施的SCADA系统曾受到Stuxnet的攻击,造成了严重破坏[3]。2015年,对乌克兰SCADA系统的网络攻击导致六小时的大停电,影响了约73 MWh的负荷削减,影响了225,000名客户[4],这揭示了电力运营中的重大可靠性风险。隐蔽的信息物理攻击(CPA)加剧了电力传输信息物理系统(PTCPS)在安全保护和电力供应能力方面面临的挑战,从而降低了电力供应的可靠性。
最近,针对PTCPS的CPA进行了大量研究,主要集中在最优攻击和防御策略上。这些对抗性攻击主要包括物理攻击[5]、拒绝服务攻击[6]、负荷重新分配攻击(LRA)[[7],[8],[9]]、虚假数据注入攻击[10]和拓扑攻击[11]。参考文献[5]考虑了PTCPS的相互依赖性,分析了物理攻击的影响,并优化了传输线的防御策略。在[10]中为PTCPS和电动汽车停车场提出了一个两阶段鲁棒模型,以应对虚假数据注入攻击。考虑到通信网络和传输线的运行状态,[12]中提出的鲁棒方法共同优化了容量管理和防御资源的布置,以减少物理攻击的影响。
与早期仅关注单时刻负荷削减效应[8]的研究不同,最近的研究如[[13],[14],[15],[16],[17]]将注意力转向了更复杂的攻击策略。这些攻击者和防御者的目标扩展到了恢复阶段系统多个时间段的能源供应损失。通常,攻击者可能会发起短路攻击来破坏线路运行。为了扩大停电规模,攻击者会秘密破坏保护继电器通信系统[4,14]。此外,参考文献[15]优化了防御资源,以应对涉及继电器误操作和保护入侵的网络攻击。在[16]中,评估了防御资源和系统参数,以应对导致基于错误频率的继电器操作的攻击。在[17]中,提出了一个使用氢能支持的电动汽车停车场的电网双级韧性优化方案,以减轻物理灾难和网络风险,提高可靠性,降低成本,并显著增强系统韧性。最近的研究加深了对PTCPS的网络层和物理层之间相互依赖性的理解,从而在协调CPAs下实现了更可靠的系统运行。在参考文献[18]中,提出了一个多阶段韧性框架,用于随时间对关键组件进行排序,并指导动态策略以增强基础设施的可靠性和韧性。参考文献[19]研究了PTCPS的混合级联效应,并提出了加固和恢复策略,以提高恢复可靠性。参考文献[20]分析了PTCPS的相互依赖性,并在恢复阶段优化了电力供应,旨在在地震场景下提高可靠性。参考文献[21]考虑了与多系统的耦合接口,并增强了系统对故意攻击的可靠性,其中包含了修复和恢复阶段。尽管这些方法有效减少了系统范围内的负荷损失,但它们仅考虑单时刻攻击的做法与攻击者灵活的攻击行为不一致。
除了被动考虑操作者的恢复策略外,攻击者[11],[22],[23],[24],[25]故意采用的顺序攻击[22]可以在扩大电力供应故障区域方面更有效。在[3]中为防御者开发了基于检测措施的安全分析,以对抗动态LRA。在[24]中,针对顺序攻击,最佳化了船舶电力系统的韧性。在[22,26,27]中设计的动态攻击旨在破坏频率调节过程。此外,在[28]中分析了传输网络在故障传播[28]甚至级联故障[29]下的脆弱性。在[30]中,构建了针对电网网络安全的电动汽车数据连续LRA篡改。
对于预防和缓解策略,评估了发电机容量分配[12]、灵活资源配置[31]、实时检测[3]、动态线路评级[7]、移动目标防御[32]和PMU布置[33]。对于信息物理安全问题,采用了基于启发式的方法[33,34]和强化学习[9,25]等技术来获得最优策略。从多阶段鲁棒优化(MSRO)的角度来看,经常使用列生成和约束生成(C&CG)[7,12,14,15]和Benders分解[35]来解决PTCPS的MSRO问题。最近,研究人员[24],[36],[37],[38],[39]制定了改进的鲁棒优化框架。在[39]中,提出了一种近似方法来降低MSRO模型的计算复杂性。其他研究工作[17,40]专注于分布式鲁棒优化,以平衡高风险与低概率情况和经济系统运行。
尽管现有文献中概述了上述贡献,但如表1所示,仍有一些研究空白尚未得到充分解决。这些空白总结如下:
  • 1)
    传统的信息物理攻击忽略了保护继电器对CPAs的可靠性。尽管文献[14,15]考虑了保护继电器攻击,但它们没有评估顺序CPAs的影响,这可能导致缓解策略有限。
  • 2)
    之前的研究专注于MSRO解决方案,采用主问题-子问题迭代来枚举极端攻击场景[41]。然而,它们缺乏对这些场景的快速搜索机制。这种低效率可能导致不必要的计算开销和资源分配不及时。
鉴于上述挑战,本文构建了一个多阶段鲁棒优化框架,考虑了恢复持续时间,以对抗顺序协调CPAs。提出了一个极端攻击场景搜索辅助的C&CG,以准确解决防御资源分配问题。与现有研究不同,本文的新颖之处在于:
  • 1)
    与单时刻攻击相比,构建了顺序信息物理攻击行为。提出的顺序CPAs在多个时间步骤发起,以损坏传输线路,同时破坏相关保护继电器的可靠性。防御者加强传输线路并保持通信系统的完整性,以防御此类顺序协调攻击。
  • 2)
    基于虚拟商品流的故障传播机制被构建,以帮助PTCPS识别极端攻击场景并指导MSRO模型的迭代过程。此外,恢复持续时间被纳入MSRO框架中,以评估PTCPS中的未服务能量。
  • 3)
    引入了欧几里得距离选择(EDS)来筛选极端攻击场景档案。因此,开发了一个极端攻击场景搜索辅助的C&CG(ASCCG-EDS)来加速MSRO解决方案。它根据防御者和攻击者之间的互动识别极端攻击场景,并采用EDS进行档案筛选。
  • 部分摘录

    最优MSRO框架

    在这个模型中,我们假设攻击者可以完全访问系统的拓扑信息和相关运行参数。攻击者可以根据防御方案、预测负荷和预测的可再生能源输出战略性地发起信息物理攻击。如图1所示,智能设备(如保护继电器)的运行状态通过RTUs收集并通过光纤通信通道[14]传输到SCADA。

    为MSRO设计ASCCG-EDS

    MSRO问题被分解为两个相互依赖的子问题,如图2所示。主问题(MP)根据子问题(SP)的补救变量和约束来解决。子问题旨在识别最坏情况场景,包括原始约束和对偶变量约束。此外,与传统的C&CG过程不同,引入了极端攻击场景识别和欧几里得距离选择来辅助MSRO。

    案例研究

    在模拟测试中,实施了IEEE RTS-96系统来评估ASCCG-EDS在最优MSRO中的性能。该系统由11台发电机组成,总容量约为3000 MW,其中4台发电机有爬坡率约束,其余为可再生能源。系统包括17个负荷节点和38条传输线路,每条传输线路的两侧都配置了保护继电器。我们定义了两种攻击时间模式:单时刻攻击

    结论

    总之,这项工作包括以下关键贡献:
  • (1)
    与忽略恢复过程的传统信息物理攻击模型不同,提出的顺序CPAs框架明确包含了操作者的恢复阶段。开发的多阶段鲁棒优化模型优化了防御资源分配,并明确模拟了在协调顺序攻击下传输线路和保护继电器的可靠性。
  • (2)
    基于
  • CRediT作者贡献声明

    李创志:撰写——原始草稿、形式分析、概念化。臧天磊:撰写——审阅与编辑、监督。周步香:资源、项目管理。

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