專利名稱：一種電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于智能電網(wǎng)與信息安全領(lǐng)域，尤其涉及一種電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法。
背景技術(shù)：
智能電網(wǎng)涵蓋了發(fā)電、傳輸網(wǎng)絡(luò)和地域性配電網(wǎng)絡(luò)，并最終將電能輸送給用戶。為了確保系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)顯得十分必要。電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)通過收集測(cè)量器測(cè)量的數(shù)值和分析系統(tǒng)模型來估計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在交互錯(cuò)誤數(shù)據(jù)檢測(cè)中存在許多方法與技術(shù)，但這些方法無法有效的抵抗惡意數(shù)據(jù)注入的攻擊。目前已存在針對(duì)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)的新型的假數(shù)據(jù)注入攻擊，通過篡改測(cè)量器的測(cè)量值進(jìn)行入侵，這種攻擊方式可以給電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)引入任意的錯(cuò)誤，從而對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成巨大的 影響。因此研究這種假數(shù)據(jù)注入攻擊的機(jī)理，并提出有效的檢測(cè)與防御方法是非常必要的。在電網(wǎng)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的錯(cuò)誤檢測(cè)方法都采用剩余和的方式，當(dāng)前的假數(shù)據(jù)注入攻擊，通過入侵測(cè)量器終端或者傳輸網(wǎng)絡(luò)來截獲和修改測(cè)量值，從而產(chǎn)生虛假數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以繞過系統(tǒng)的檢測(cè)，實(shí)施有效的隱藏的假數(shù)據(jù)注入攻擊。通過分析攻擊中需要的最少測(cè)量值等條件，可以采用保護(hù)一組測(cè)量值來防范這種攻擊，但是目前還沒有一種有效的方法來防御這種攻擊。保護(hù)集方法可以抵抗假數(shù)據(jù)注入攻擊，在智能電網(wǎng)中，可以通過選擇較少部分測(cè)量值予以保護(hù)和認(rèn)證，從而使系統(tǒng)不受入侵，這種方式簡(jiǎn)單且直接，但是保護(hù)集方法會(huì)由網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而導(dǎo)致其安全性降低，也就是當(dāng)系統(tǒng)的配置發(fā)生變化時(shí)，保護(hù)集方法并不能完全的保護(hù)系統(tǒng)不受假數(shù)據(jù)注入攻擊。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述背景技術(shù)中提到抵抗假數(shù)據(jù)注入攻擊的方法在實(shí)施和有效性上的不足，本發(fā)明提出了一種有效的采用擴(kuò)展保護(hù)集的防御方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法，其特征是所述方法包括以下步驟步驟I :構(gòu)建電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型和虛假數(shù)據(jù)攻擊模型；步驟2 :求得系統(tǒng)配置矩陣，進(jìn)而得到電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型中狀態(tài)量的解；步驟3 :在步驟I和步驟2的基礎(chǔ)上，構(gòu)建系統(tǒng)的安全集；步驟4 :當(dāng)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，更新安全集。所述電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型為z = h (x) + ε其中z是m維測(cè)量值向量；h( ·)是系統(tǒng)的非線性估計(jì)函數(shù)；
X是系統(tǒng)的η維狀態(tài)值向量；ε是η維系統(tǒng)誤差向量。所述虛假數(shù)據(jù)攻擊模型為I |za-h(Xbad) Il 彡 τ其中Za為攻擊注入錯(cuò)誤后的測(cè)量值向量；Xbad根據(jù)錯(cuò)誤的測(cè)量值而估計(jì)得到的系統(tǒng)狀態(tài)值向量；
τ為系統(tǒng)決定測(cè)量是否正確的一個(gè)閾值。所述電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型中狀態(tài)量的解的計(jì)算公式為\ = (H R iH) 1H7R Γ其中i為電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型中狀態(tài)量的解；R為誤差對(duì)角陣。所述步驟3包括以下步驟步驟3. I :利用系統(tǒng)配置矩陣計(jì)算安全集中元素個(gè)數(shù)的上限值和下限值，步驟3. 2 :將系統(tǒng)中的未訪問的測(cè)量值劃分到未遍歷測(cè)量值集合，已訪問的測(cè)量值劃分到已遍歷測(cè)量值集合中，依據(jù)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型中狀態(tài)量的解的轉(zhuǎn)換矩陣和虛假數(shù)據(jù)攻擊模型，從未遍歷測(cè)量值集合中選擇一個(gè)測(cè)量值進(jìn)行訪問，將該測(cè)量值加入到已遍歷測(cè)量值集合中去，找出狀態(tài)量變化最大的元素并計(jì)算與該元素對(duì)應(yīng)的測(cè)量值；步驟3. 3 :根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的物理位置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，從測(cè)量值對(duì)應(yīng)的量測(cè)器的歷史故障次數(shù)，是否采用加密和安全的傳輸協(xié)議來判斷該測(cè)量值是否安全；若不安全，則執(zhí)行步驟3. 4，否則返回步驟3.2 ;步驟3. 4:判斷當(dāng)前安全集中元素個(gè)數(shù)是否超過安全集中元素個(gè)數(shù)的上限值，若超過安全集中元素個(gè)數(shù)的上限值，則執(zhí)行步驟3. 7，否則執(zhí)行步驟3. 5 ；步驟3. 5 :將所述測(cè)量值加入安全集內(nèi)；步驟3. 6 :判斷安全集元素個(gè)數(shù)是否大于安全集中元素個(gè)數(shù)的下限值，若是，則執(zhí)行步驟3. 7，否則返回步驟3. 2;步驟3. 7 :根據(jù)步驟I中的攻擊模型，判斷能否在安全集下生成攻擊向量，若不能則結(jié)束步驟，否則增加安全集元素個(gè)數(shù)的下限值，執(zhí)行步驟3. 6。所述安全集元素個(gè)數(shù)的下限值的計(jì)算公式為
▽K1 = min(min H c ,/ )
' cOs. Lu c = 0,Ci = I其中klow為安全集元素個(gè)數(shù)的下限值；Hs為系統(tǒng)配置矩陣H中除去可被修改狀態(tài)變量對(duì)應(yīng)列所剩余的矩陣；c為虛假攻擊給狀態(tài)變量引入的η維的錯(cuò)誤向量；η為狀態(tài)變量的個(gè)數(shù)；
Ci為c中的第i個(gè)元素。所述安全集元素個(gè)數(shù)的上限值的計(jì)算公式為Kppcr 二 min(.min||H. .|o ,k,J其中kupper為安全集元素個(gè)數(shù)的上限值；Hii為系統(tǒng)配置矩陣的第i列；Hlu為系統(tǒng)配置矩陣的第i列中的第k行元素；kfact為實(shí)際情況中安全集能保護(hù)的最大測(cè)量值個(gè)數(shù)。 所述步驟4包括以下步驟步驟4. I :搜索電力系統(tǒng)中主干路的狀態(tài)變量對(duì)應(yīng)的測(cè)量值，并將其加入擴(kuò)展保護(hù)集中；步驟4. 2 :選擇測(cè)量值數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)比較變化在設(shè)定比例以上的且不在安全集中對(duì)應(yīng)的測(cè)量值；步驟4. 3 :將步驟4. 2得到的測(cè)量值加入擴(kuò)展保護(hù)集中；步驟4. 4:判斷是否遍歷所有的測(cè)量值，若是，則得到擴(kuò)展保護(hù)集，輸出結(jié)果，否則返回步驟4. 2 ；步驟4. 5 :判斷電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化，若結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，且使得步驟3得到安全集中的對(duì)應(yīng)元素發(fā)生了變化，則從步驟4. 4得到擴(kuò)展保護(hù)集中選擇結(jié)構(gòu)變化后未變化的測(cè)量值加入到安全集中，將安全集中電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變后發(fā)生變化的測(cè)量值移除。本發(fā)明針對(duì)目前尚沒有有效防御電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)假數(shù)據(jù)注入攻擊的方法，提出以保護(hù)集為基礎(chǔ)，并通過設(shè)立擴(kuò)展保護(hù)集的假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)也能防御假數(shù)據(jù)注入攻擊，保證了電力系統(tǒng)的安全。


圖I是保護(hù)集方法流程圖；圖2是IEEE 4總線系統(tǒng)測(cè)試圖；圖3是基本安全集的選擇流程圖；圖4是擴(kuò)展保護(hù)集的選擇流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。本發(fā)明提出一種針對(duì)電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法，采用擴(kuò)展保護(hù)集方法，使得系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的同時(shí)，仍然可以有效的防御假數(shù)據(jù)注入攻擊。下面結(jié)合附圖，以修改的IEEE4節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，對(duì)本發(fā)明的擴(kuò)展保護(hù)集方法實(shí)施作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。圖I是本發(fā)明提供的一種假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法流程圖。在圖I中本發(fā)明提供的方法包括如下步驟；步驟I :從電力系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)與電學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，得到電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型與假數(shù)據(jù)攻擊模型；a.從電力系統(tǒng)中電學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，得到電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型為z = h (x) + ε其中z是m維測(cè)量值向量；h ( ·)是系統(tǒng)的非線性估計(jì)函數(shù)；·X是系統(tǒng)的η維狀態(tài)值向量；ε是η維系統(tǒng)誤差向量，服從N (O, R)正態(tài)分布，R為di.ag{(^,…,^ )對(duì)角陣方差。b.依據(jù)上一步驟得到的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型，對(duì)測(cè)量值采用加權(quán)最小二乘(weighted least square, WLS)方法來估計(jì)狀態(tài)量可表示為
I τminJ(x) =—r(\) R r(x)
XcmI其中J( ·)是狀態(tài)估計(jì)特征函數(shù)，用于求解使其函數(shù)值最小時(shí)的系統(tǒng)的狀態(tài)量X ；r(x)是模型的剩余和向量,其值為z-h(X)；R 是,…，)對(duì)角陣。c.在電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法中，普遍采用剩余和的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè).最近發(fā)現(xiàn)虛假數(shù)據(jù)攻擊可以繞開這種方法的檢測(cè)，其虛假數(shù)據(jù)攻擊模型為I |za-h(xbad) Il 彡 τ其中Za為攻擊注入錯(cuò)誤后的測(cè)量值向量；Xbad為根據(jù)錯(cuò)誤的測(cè)量值而估計(jì)得到的系統(tǒng)狀態(tài)值向量；τ為系統(tǒng)決定測(cè)量是否正確的一個(gè)閾值。圖2是ΙΕΕΕ4總線系統(tǒng)測(cè)試圖，整個(gè)系統(tǒng)包含4條總線，其中包括測(cè)量值Zl、ζ2、z3、Z4和總線相角狀態(tài)變量δ2、δ3、34，總線的電壓值￥1、￥2、％、￥4。則有總線i(i =1,2, 3,4)到總線j(j = 1,2, 3,4)的電流可以表示為
VVPy =Sini -C))
J X..1
U其中Pij為總線i到總線j的電流；Xij為總線i到總線j的阻抗；并假定系統(tǒng)是沒有能量損失的，使得系統(tǒng)的模型變得簡(jiǎn)化。步驟2 :依據(jù)在電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，獲得電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的系統(tǒng)配置矩陣以及狀態(tài)估計(jì)中狀態(tài)量的解；
步驟2. I :確定電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，得到其系統(tǒng)配置矩陣；對(duì)于4總線測(cè)試系統(tǒng)為例，獲得Z1, Z2的配置參數(shù)通過以下公式計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法，其特征是所述方法包括以下步驟 步驟I:構(gòu)建電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型和虛假數(shù)據(jù)攻擊模型； 步驟2 :求得系統(tǒng)配置矩陣，進(jìn)而得到電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型中狀態(tài)量的解； 步驟3 :在步驟I和步驟2的基礎(chǔ)上，構(gòu)建系統(tǒng)的安全集； 步驟4 :當(dāng)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，更新安全集。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法，其特征是所述電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型為 z = h (X) + e 其中 z是m維測(cè)量值向量； h(-)是系統(tǒng)的非線性估計(jì)函數(shù)； X是系統(tǒng)的n維狀態(tài)值向量； ￡是n維系統(tǒng)誤差向量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法，其特征是所述虛假數(shù)據(jù)攻擊模型為 I za_h (xbad) Il ( T 其中 Za為攻擊注入錯(cuò)誤后的測(cè)量值向量； Xbad為根據(jù)錯(cuò)誤的測(cè)量值而估計(jì)得到的系統(tǒng)狀態(tài)值向量； T為系統(tǒng)決定測(cè)量是否正確的一個(gè)閾值。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法，其特征是所述電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型中狀態(tài)量的解的計(jì)算公式為 i = (H R H) 1H R r 其中 X為電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型中狀態(tài)量的解； R為誤差對(duì)角陣。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法，其特征是所述步驟3包括以下步驟 步驟3. I :利用系統(tǒng)配置矩陣計(jì)算安全集中元素個(gè)數(shù)的上限值和下限值， 步驟3. 2 :將系統(tǒng)中的未訪問的測(cè)量值劃分到未遍歷測(cè)量值集合，已訪問的測(cè)量值劃分到已遍歷測(cè)量值集合中，依據(jù)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型中狀態(tài)量的解的轉(zhuǎn)換矩陣和虛假數(shù)據(jù)攻擊模型，從未遍歷測(cè)量值集合中選擇一個(gè)測(cè)量值進(jìn)行訪問，將該測(cè)量值加入到已遍歷測(cè)量值集合中去，找出狀態(tài)量變化最大的元素并計(jì)算與該元素對(duì)應(yīng)的測(cè)量值； 步驟3. 3 :根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的物理位置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，從測(cè)量值對(duì)應(yīng)的量測(cè)器的歷史故障次數(shù)，是否采用加密和安全的傳輸協(xié)議來判斷該測(cè)量值是否安全；若不安全，則執(zhí)行步驟.3. 4，否則返回步驟3.2 ; 步驟3. 4 :判斷當(dāng)前安全集中元素個(gè)數(shù)是否超過安全集中元素個(gè)數(shù)的上限值，若超過安全集中元素個(gè)數(shù)的上限值，則執(zhí)行步驟3. 7，否則執(zhí)行步驟3. 5 ； 步驟3. 5 :將所述測(cè)量值加入安全集內(nèi)； 步驟3. 6 :判斷安全集元素個(gè)數(shù)是否大于安全集中元素個(gè)數(shù)的下限值，若是，則執(zhí)行步驟3. 7，否則返回步驟3.2 ; 步驟3. 7 :根據(jù)步驟I中的攻擊模型，判斷能否在安全集下生成攻擊向量，若不能則結(jié)束步驟，否則增加安全集元素個(gè)數(shù)的下限值，執(zhí)行步驟3. 6。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法，其特征是所述安全集元素個(gè)數(shù)的下限值的計(jì)算公式為
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法，其特征是所述安全集元素個(gè)數(shù)的上限值的計(jì)算公式為
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法，其特征是所述步驟4包括以下步驟 步驟4. I :搜索電力系統(tǒng)中主干路的狀態(tài)變量對(duì)應(yīng)的測(cè)量值，并將其加入擴(kuò)展保護(hù)集中； 步驟4. 2 :選擇測(cè)量值數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)比較變化在設(shè)定比例以上的且不在安全集中對(duì)應(yīng)的測(cè)量值； 步驟4. 3 :將步驟4. 2得到的測(cè)量值加入擴(kuò)展保護(hù)集中； 步驟4. 4 :判斷是否遍歷所有的測(cè)量值，若是，則得到擴(kuò)展保護(hù)集，輸出結(jié)果，否則返回步驟4. 2 ； 步驟4. 5 :判斷電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化，若結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，且使得步驟3得到安全集中的對(duì)應(yīng)元素發(fā)生了變化，則從步驟4. 4得到擴(kuò)展保護(hù)集中選擇結(jié)構(gòu)變化后未變化的測(cè)量值加入到安全集中，將安全集中電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變后發(fā)生變化的測(cè)量值移除。
全文摘要
本發(fā)明公開了智能電網(wǎng)與信息安全領(lǐng)域中的一種電力狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)假數(shù)據(jù)注入攻擊的防御方法。本發(fā)明首先構(gòu)建電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型和虛假數(shù)據(jù)攻擊模型；然后求得系統(tǒng)配置矩陣，進(jìn)而得到電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型中狀態(tài)量的解；進(jìn)而構(gòu)建系統(tǒng)的安全集；當(dāng)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，更新安全集。本發(fā)明以保護(hù)集為基礎(chǔ)，并通過設(shè)立擴(kuò)展保護(hù)集，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)也能防御假數(shù)據(jù)注入攻擊，從而保證了電力系統(tǒng)的安全。
文檔編號(hào)H02J3/00GK102761122SQ20121023627
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者李元誠(chéng), 李文智, 王以良 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)