Stochastic Planning of Generation and Transmission Expansion for Power System Against Coordinated Attacks

Jian FU; Bo HU; Kaigui XIE; Tao NIU; Chunyan LI; Leibao WANG

doi:10.7500/AEPS20200507001

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Stochastic Planning of Generation and Transmission Expansion for Power System Against Coordinated Attacks

Cyber Energy Systems | 更新时间：2025-06-16

- Stochastic Planning of Generation and Transmission Expansion for Power System Against Coordinated Attacks
- Automation of Electric Power Systems Vol. 45, Issue 2, Pages: 21-29(2021)
- 作者机构：
  
  输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学），重庆市 400044
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China
- DOI：10.7500/AEPS20200507001
  CLC：
- Received：07 May 2020，
  
  Revised：2020-08-15，
  
  Published Online：11 November 2020，
  
  Published：25 January 2021
- 稿件说明：
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伏坚,胡博,谢开贵等.应对协同攻击的电力系统发输电拓展随机规划[J].电力系统自动化,2021,45(2):21-29.

FU Jian,HU Bo,XIE Kaigui,et al.Stochastic Planning of Generation and Transmission Expansion for Power System Against Coordinated Attacks[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(2):21-29.
伏坚,胡博,谢开贵等.应对协同攻击的电力系统发输电拓展随机规划[J].电力系统自动化,2021,45(2):21-29. DOI： 10.7500/AEPS20200507001.

FU Jian,HU Bo,XIE Kaigui,et al.Stochastic Planning of Generation and Transmission Expansion for Power System Against Coordinated Attacks[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(2):21-29. DOI： 10.7500/AEPS20200507001.

摘要

随着能源互联网和智能电网的大力发展，中国电力系统已经发展成为一个复杂的信息物理系统，其遭受各种恶意攻击的风险大幅增加。为了保证电力系统的安全可靠运行，对各类恶意攻击进行建模并提出针对性的防御措施具有重要的现实意义。文中针对信息物理协同攻击提出了一个防御性随机规划模型，模型以攻击导致的削负荷期望量最小为目标函数，考虑多种协同攻击方案的影响，通过优化新增机组和线路达到防御攻击的目的。在建模过程中，首先在攻击人员的角度建立了协同攻击模型，并提出了协同攻击场景生成方法。然后，基于所生成的协同攻击场景提出了应对攻击的电力系统随机规划模型，并考虑了遭受攻击后运行人员以及规划人员视角下规划系统的运行情况。最后，基于改进IEEE RTS-79系统进行了算例分析，验证了所提模型的正确性和有效性。

Abstract

With the development of Energy Internet and smart grid

the power system in China has developed into a complex cyber-physical system

and the risk of various malicious attacks increases greatly. In order to ensure safe and reliable operation of the power system

it is of great practical significance to model all kinds of malicious attacks and propose corresponding defense measures. In this paper

a defensive stochastic planning model is proposed according to coordinated cyber-physical attacks. The objective function of the model is to minimize the expected load shedding caused by attacks. The purpose of defense attacks is achieved by optimizing candidate generators and lines considering the impact of various coordinated attack schemes. First

the coordinated attack model is established from the perspective of attackers in modelling

and the method of generating coordinated attack scenarios is proposed. Then

based on the generated coordinated attack scenarios

a stochastic planning model of the power system is proposed to defend the attacks

and the operation situations of the planning system from perspectives of operators and planners are both considered after the attack. Finally

case studies on a modified IEEE RTS-79 system are performed to show the correctness and effectiveness of the proposed model.

关键词

Keywords

references

汤奕，陈倩，李梦雅，等 . 电力信息物理融合系统环境中的网络攻击研究综述［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 17 ）： 59 - 69 .

TANG Yi ， CHEN Qian ， LI Mengya ， et al . Overview on cyber-attacks against cyber physical power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 17 ）： 59 - 69 .

童晓阳，王晓茹 . 乌克兰停电事件引起的网络攻击与电网信息安全防范思考［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 7 ）： 144 - 148 .

TONG Xiaoyang ， WANG Xiaoru . Inference and countermeasure presupposition of network attack in incident on Ukrainian power grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 7 ）： 144 - 148 .

龚郗安 . 关于委内瑞拉大停电事故的情况分析和关键基础设施的安全防护建议［J］. 信息技术与网络安全， 2019 ， 38 （ 4 ）： 1 - 2 .

GONG Xi’an . Analysis of Venezuela’s blackouts and suggestions on network security of critical infrastructure ［J］. Information Technology and Network Security ， 2019 ， 38 （ 4 ）： 1 - 2 .

王琦，邰伟，汤奕，等 . 面向电力信息物理系统的虚假数据注入攻击研究综述［J］. 自动化学报， 2019 ， 45 （ 1 ）： 72 - 83 .

WANG Qi ， TAI Wei ， TANG Yi ， et al . A review of the false data injection attack against the cyber physical power system ［J］. Acta Automatica Sinica ， 2019 ， 45 （ 1 ）： 72 - 83 .

韦晓广，高仕斌，李多，等 . 基于连锁故障网络图和不同攻击方式的输电线路脆弱性分析［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 2 ）： 465 - 474 .

WEI Xiaoguang ， GAO Shibin ， LI Duo ， et al . Cascading fault graph for the analysis of transmission network vulnerability under different attacks ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 2 ）： 465 - 474 .

ARROYO J M . Bilevel programming applied to power system vulnerability analysis under multiple contingencies ［J］. IET Generation ， Transmission & Distribution ， 2010 ， 4 （ 2 ）： 178 - 190 .

SAYYADIPOUR S ， YOUSEFI G R ， LATIFY M A . Mid-term vulnerability analysis of power systems under intentional attacks ［J］. IET Generation ， Transmission & Distribution ， 2016 ， 10 （ 15 ）： 3745 - 3755 .

DENG R ， XIAO G ， LU R . Defending against false data injection attacks on power system state estimation ［J］. IEEE Transactions on Industrial Informatics ， 2015 ， 13 （ 1 ）： 198 - 207 .

DENG R ， XIAO G ， LU R ， et al . False data injection on state estimation in power systems—attacks， impacts， and defense： a survey ［J］. IEEE Transactions on Industrial Informatics ， 2016 ， 13 （ 2 ）： 411 - 423 .

LIANG G ， ZHAO J ， LUO F ， et al . A review of false data injection attacks against modern power systems ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2016 ， 8 （ 4 ）： 1630 - 1638 .

曹茂森，王蕾报，胡博，等 . 考虑电-气耦合系统连锁故障的多阶段信息物理协同攻击策略［J］. 电力自动化设备， 2019 ， 39 （ 8 ）： 128 - 136 .

CAO Maosen ， WANG Leibao ， HU Bo ， et al . Coordinated cyber-physical multi-stage attack strategy considering cascading failure of integrated electricity-natural gas system ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2019 ， 39 （ 8 ）： 128 - 136 .

YUAN Y ， LI Z ， REN K . Modeling load redistribution attacks in power systems ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2011 ， 2 （ 2 ）： 382 - 390 .

LIU X ， LI Z . Local load redistribution attacks in power systems with incomplete network information ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2014 ， 5 （ 4 ）： 1665 - 1676 .

XIANG Y ， DING Z ， ZHANG Y ， et al . Power system reliability evaluation considering load redistribution attacks ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2016 ， 8 （ 2 ）： 889 - 901 .

CHE L ， LIU X ， SHUAI Z ， et al . Cyber cascades screening considering the impacts of false data injection attacks ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2018 ， 33 （ 6 ）： 6545 - 6556 .

CHE L ， LIU X ， LI Z ， et al . False data injection attacks induced sequential outages in power systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2018 ， 34 （ 2 ）： 1513 - 1523 .

LI Z ， SHAHIDEHPOUR M ， ALABDULWAHAB A ， et al . Bilevel model for analyzing coordinated cyber-physical attacks on power systems ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2015 ， 7 （ 5 ）： 2260 - 2272 .

阮振，吕林，刘友波，等 . 考虑负荷数据虚假注入的电力信息物理系统协同攻击模型［J］. 电力自动化设备， 2019 ， 39 （ 2 ）： 181 - 187 .

RUAN Zhen ， LÜ Lin ， LIU Youbo ， et al . Coordinated attack model of cyber-physical power system considering false load data injection ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2019 ， 39 （ 2 ）： 181 - 187 .

XIANG Y ， WANG L ， LIU N . Coordinated attacks on electric power systems in a cyber-physical environment ［J］. Electric Power Systems Research ， 2017 ， 149 ： 156 - 168 .

WU X ， CONEJO A J . An efficient tri-level optimization model for electric grid defense planning ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2016 ， 32 （ 4 ）： 2984 - 2994 .

DAVARIKIA H ， BARATI M . A tri-level programming model for attack-resilient control of power grids ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2018 ， 6 （ 5 ）： 918 - 929 .

YAO Y ， EDMUNDS T ， PAPAGEORGIOU D ， et al . Tri-level optimization in power network defense ［J］. IEEE Transactions on Systems ， Man and Cybernetics ， 2007 ， 37 （ 4 ）： 712 - 718 .

FANG Y ， SANSAVINI G . Optimizing power system investments and resilience against attacks ［J］. Reliability Engineering & System Safety ， 2017 ， 159 ： 161 - 173 .

YUAN Y ， LI Z ， REN K . Quantitative analysis of load redistribution attacks in power systems ［J］. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems ， 2012 ， 23 （ 9 ）： 1731 - 1738 .

NEMATI H ， LATIFY M A ， YOUSEFI G R . Coordinated generation and transmission expansion planning for a power system under physical deliberate attacks ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2018 ， 96 ： 208 - 221 .

王琦，李梦雅，汤奕，等 . 电力信息物理系统网络攻击与防御研究综述：（一）建模与评估［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 1 ）： 1 - 13 .

WANG Qi ， LI Mengya ， TANG Yi ， et al . A review on research of cyber-attacks and defense in cyber-physical power systems： Part one modelling and evaluation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 1 ）： 1 - 13 .

ROMERO N ， XU N ， NOZICK L K ， et al . Investment planning for electric power systems under terrorist threat ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2011 ， 27 （ 1 ）： 108 - 116 .

YUAN W ， ZHAO L ， ZENG B . Optimal power grid protection through a defender-attacker-defender model ［J］. Reliability Engineering & System Safety ， 2014 ， 121 ： 83 - 89 .

ALGUACIL N ， DELGADILLO A ， ARROYO J M . A tri-level programming approach for electric grid defense planning ［J］. Computers & Operations Research ， 2014 ， 41 ： 282 - 290 .

赵俊华，梁高琪，文福拴，等 . 乌克兰事件的启示：防范针对电网的虚假数据注入攻击［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 7 ）： 149 - 151 .

ZHAO Junhua ， LIANG Gaoqi ， WEN Fushuan ， et al . Lessons learnt from Ukrainian blackout： protecting power grids against false data injection attacks ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 7 ）： 149 - 151 .

BI S ， ZHANG Y J . Graphical methods for defense against false-data injection attacks on power system state estimation ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2014 ， 5 （ 3 ）： 1216 - 1227 .

KHANDEKAR R ， RAO S ， VAZIRANI U . Graph partitioning using single commodity flows ［J］. Journal of the ACM （JACM）， 2009 ， 56 （ 4 ）： 385 - 390 .

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