电力信息物理系统需求操控攻击策略及防护分析

YAN Kang; LU Yidan; BAI Xiaoqing; LI Bin

doi:10.7500/AEPS20240116004

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

电力信息物理系统需求操控攻击策略及防护分析

Basic Research | 更新时间：2025-06-16

- 电力信息物理系统需求操控攻击策略及防护分析
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 8, Pages: 178-188(2025)
- 作者机构：
  
  1.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 100084
  2.广西电网有限责任公司电力科学研究院，广西壮族自治区南宁市 530023
  3.湖南大学电气与信息学院，湖南省长沙市 410082
  4.广西电力系统最优化与节能技术重点实验室（广西大学），广西壮族自治区南宁市 530004
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  State-funded Postdoctoral Researcher Program(GZC20240788);National Natural Science Foundation of China(51967001)
- DOI：10.7500/AEPS20240116004
  CLC：
- Received：16 January 2024，
  
  Revised：2024-12-16，
  
  Published Online：20 January 2025，
  
  Published：25 April 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
严康,陆艺丹,白晓清等.电力信息物理系统需求操控攻击策略及防护分析[J].电力系统自动化,2025,49(8):178-188.

YAN Kang,LU Yidan,BAI Xiaoqing,et al.Manipulation of Demand Attack Strategy and Analysis of Its Defence for Cyber-Physical Power System[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(8):178-188.
严康,陆艺丹,白晓清等.电力信息物理系统需求操控攻击策略及防护分析[J].电力系统自动化,2025,49(8):178-188. DOI： 10.7500/AEPS20240116004.

YAN Kang,LU Yidan,BAI Xiaoqing,et al.Manipulation of Demand Attack Strategy and Analysis of Its Defence for Cyber-Physical Power System[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(8):178-188. DOI： 10.7500/AEPS20240116004.

摘要

随着大规模配电网用户侧电力异构物联设备（简称配电网用户侧物联设备）接入电力系统，互联网中用户负荷控制业务的主导地位愈加明显。由此，电力系统存在一条跨越信息物理空间的攻击路径——需求操控攻击，致使电力系统面临一种新型的网络安全威胁。在此背景下，研究需求操控攻击策略对于电力系统抵御该类网络攻击具有重要的指导意义。首先，文中阐述了黑客如何利用配电网用户侧物联设备实施需求操控攻击以及其特点，并基于负荷特征和电力设备运行特征制定电力系统中异常负荷规模约束。然后，以低攻击代价诱导传输线路故障为目的探讨需求操控攻击策略，分析了在该类需求操控攻击情景下传输线路的脆弱性。最后，通过多场景下的多个IEEE标准系统仿真验证了需求操控攻击可以低代价地影响电力系统运行安全。

Abstract

With large-scale distribution network user-side heterogeneous power Internet of Things (IoT) devices (referred to as distribution network user-side IoT devices

UPIDs) integrated into power systems

the dominance of load control service for users on the Internet is becoming increasingly obvious. Thus

there is a attack path across cyber-physical domain in power systems—manipulation of demand (MAD) attacks

which causes the power system to face a new type of cybersecurity threat. In this background

the research on MAD attack strategy has important guiding significance for power systems to resist such type of cyber attack. Firstly

this paper describes how hackers use distribution network UPIDs to carry out MAD attacks and their characteristics

and further gives constraints of abnormal loads in the power system based on the operation characteristics of loads and power devices. Then

the MAD attack strategy for inducing transmission line fault under the low-cost condition is proposed

pointing out the vulnerability of transmission lines in power systems under this type of MAD attack scenario. Finally

multiple IEEE standard system simulations under multiple scenarios verify that MAD attacks can affect power system operation security at a low cost.

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 .

郭庆来，辛蜀骏，王剑辉，等 . 由乌克兰停电事件看信息能源系统综合安全评估［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 5 ）： 145 - 147 .

GUO Qinglai ， XIN Shujun ， WANG Jianhui ， et al . Comprehensive security assessment for a cyber physical energy system： a lesson from Ukraine’s blackout ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 5 ）： 145 - 147 .

安天研究院，广东省电力系统网络安全企业重点实验室 . 委内瑞拉大规模停电事件的初步分析与思考启示［J］. 信息安全与通信保密， 2019 ， 17 （ 5 ）： 28 - 39 .

ANTIY Institute ， CSGITSEC . Preliminary analysis and reflections on Venezuela’s power outage ［J］. Information Security and Communications Privacy ， 2019 ， 17 （ 5 ）： 28 - 39 .

WU Y D ， WEI Z ， WENG J ， et al . Resonance attacks on load frequency control of smart grids ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 9 （ 5 ）： 4490 - 4502 .

TAN R ， NGUYEN H H ， FOO E Y S ， et al . Modeling and mitigating impact of false data injection attacks on automatic generation control ［J］. IEEE Transactions on Information Forensics and Security ， 2017 ， 12 （ 7 ）： 1609 - 1624 .

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

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 .

严康，陆艺丹，于宗超，等 . 配电网用户侧异构电力物联设备安全研究综述及展望［J］. 电力自动化设备， 2023 ， 43 （ 3 ）： 146 - 158 .

YAN Kang ， LU Yidan ， YU Zongchao ， et al . Review and prospect of research on security of user-side heterogeneous power IoT devices in distribution network ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2023 ， 43 （ 3 ）： 146 - 158 .

SOLTAN S ， MITTAL P ， POOR H V P . BlackIoT： IoT botnet of high wattage devices can disrupt the power grid ［EB/OL］. ［ 2024-01-16 ］. https：//www.usenix.org/conference/usenixsecurity18/presentation/soltan https://www.usenix.org/conference/usenixsecurity18/presentation/soltan .

吴亦贝，李俊娥，陈汹，等 . 大规模可控负荷被恶意控制场景下配电网风险分析［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 10 ）： 30 - 37 .

WU Yibei ， LI Jun’e ， CHEN Xiong ， et al . Risk analysis of distribution network with large-scale controllable loads with attacks ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 10 ）： 30 - 37 .

DVORKIN Y ， GARG S . IoT-enabled distributed cyber-attacks on transmission and distribution grids ［C］// 2017 North American Power Symposium （NAPS）， September 17-19 ， 2017 ， Morgantown， USA .

AMINI S ， PASQUALETTI F ， MOHSENIAN-RAD H . Dynamic load altering attacks against power system stability： attack models and protection schemes ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 9 （ 4 ）： 2862 - 2872 .

DABROWSKI A ， ULLRICH J ， WEIPPL E R . Grid shock： coordinated load-changing attacks on power grids： the non-smart power grid is vulnerable to cyber attacks as well ［C］// Proceedings of the 33rd Annual Computer Security Applications Conference ， December 4-8 ， 2017 ， Orlando， USA .

张子扬，张宁，杜尔顺，等 . 双高电力系统频率安全问题评述及其应对措施［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 1 ）： 1 - 25 .

ZHANG Ziyang ， ZHANG Ning ， DU Ershun ， et al . Review and countermeasures on frequency security issues of power systems with high shares of renewables and power electronics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 1 ）： 1 - 25 .

MALIK N S ， COLLINS R . The cyberattack that crippled gas 803 pipelines is now hitting another industry ［EB/OL］. ［ 2024-01-16 ］. https：//www.bloomberg.com/news/articles/2018-04-80504/cyberattack-bleedsinto-utility-space-as-duke-sees-billing-delay https://www.bloomberg.com/news/articles/2018-04-80504/cyberattack-bleedsinto-utility-space-as-duke-sees-billing-delay .

严康，陆艺丹，覃芳璐，等 . 配电网用户侧异构电力物联设备网络风险量化评估［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 11 ）： 64 - 76 .

YAN Kang ， LU Yidan ， QIN Fanglu ， et al . Network security risk assessment of UPIDs in the distribution system ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 11 ）： 64 - 76 .

伍志韬，杜伟，刘蕾蕾，等 . 恶意攻击下的电力耦合网络风险传播模型研究［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 6 ）： 2045 - 2052 .

WU Zhitao ， DU Wei ， LIU Leilei ， et al . Risk propagation model of power coupled networks under malicious attack ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 6 ）： 2045 - 2052 .

GeoIP products of MaxMind ［EB/OL］. ［ 2024-01-16 ］. http：//dev.maxmind.com/geoip http://dev.maxmind.com/geoip .

Wiggle： wireless network mapping ［EB/OL］. ［ 2024-01-16 ］. https：//wigle.net https://wigle.net .

CHE L ， LIU X ， LI Z Y . Screening hidden N-k line contingencies in smart grids using a multi-stage model ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 10 （ 2 ）： 1280 - 1289 .

SHEKARI T ， CÁRDENAS A ， BEYAH R . MaDIoT 2.0： modern high-wattage IoT botnet attacks and defenses ［C］// Proceedings of the 31st USENIX Security Symposium ， August 10-12 ， 2022 ， Boston， USA ： 3539 - 3556 .

HUANG B ， CARDENAS A A ， BALDICK R ， et al . Not everything is dark and gloomy ［C］// Proceedings of the 28th USENIX Conference on Security Symposium ， August 14-16 ， 2019 ， Santa Clara， USA ： 1115 - 1132 .

Cloud giants likely to beef up bandwidth to fight IoT botnets ［EB/OL］. ［ 2024-01-16 ］. http：//www.iotworldtoday.com/2016/11/01/cloud-giants-likely-beef-bandwidth-fight-iotbotnets http://www.iotworldtoday.com/2016/11/01/cloud-giants-likely-beef-bandwidth-fight-iotbotnets .

ADEPU S ， KANDASAMY N K ， MATHUR A . EPIC： an electric power testbed for research and training in cyber physical systems security ［EB/OL］. ［ 2024-01-16 ］. https：//link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-12786-2_3 https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-12786-2_3 .

国家能源局 . 电力二次系统安全管理若干规定［EB/OL］.［ 2024-01-16 ］. http：//zfxxgk.nea.gov.cn/2022-10/17/c_1310677191.htm http://zfxxgk.nea.gov.cn/2022-10/17/c_1310677191.htm .

National Energy Administration . Several provisions on the safety management of electric power secondary system ［EB/OL］. ［ 2024-01-16 ］. http：//zfxxgk.nea.gov.cn/2022-10/17/c_1310677191.htm http://zfxxgk.nea.gov.cn/2022-10/17/c_1310677191.htm .

武昕，梁凯鑫，焦点，等 . 面向清洁能源跟踪的空调分组协同方法［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 11 ）： 68 - 77 .

WU Xin ， LIANG Kaixin ， JIAO Dian ， et al . Collaborative method of air conditioner grouping for clean energy tracking ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 11 ）： 68 - 77 .

李滨，黎智能，陈碧云 . 电力市场中配电网的空调群调控策略［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 15 ）： 124 - 131 .

LI Bin ， LI Zhineng ， CHEN Biyun . Air conditioning group dispatch control strategy of distribution network in electricity market ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 15 ）： 124 - 131 .

郝文斌，李银奇，张毓格，等 . 基于需求侧响应的家庭电热水器优化调度［J］. 电力系统保护与控制， 2019 ， 47 （ 2 ）： 95 - 100 .

HAO Wenbin ， LI Yinqi ， ZHANG Yuge ， et al . Household electric water heater load scheduling based on demand response ［J］. Power System Protection and Control ， 2019 ， 47 （ 2 ）： 95 - 100 .

CARRERAS B A ， LYNCH V E ， DOBSON I ， et al . Critical points and transitions in an electric power transmission model for cascading failure blackouts ［J］. Chaos ， 2002 ， 12 （ 4 ）： 985 - 994 .

蒲天骄，刘克文，陈乃仕，等 . 基于主动配电网的城市能源互联网体系架构及其关键技术［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 14 ）： 3511 - 3521 .

PU Tianjiao ， LIU Kewen ， CHEN Naishi ， et al . Design of ADN based urban energy Internet architecture and its technological issues ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 14 ）： 3511 - 3521 .

蔡晔，刘放，曹一家，等 . 电力信息物理系统低代价多阶段高危攻击策略研究［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 20 ）： 1 - 8 .

CAI Ye ， LIU Fang ， CAO Yijia ， et al . Research on low-cost multi-stage high-risk attack strategy for power cyber-physical system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 20 ）： 1 - 8 .

2023年智能家电发展趋势预测：政策刺激行业消费，市场规模不断增［EB/OL］.［ 2024-01-16 ］. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1774451393313987498&wfr=spider&for=pc https://baijiahao.baidu.com/s?id=1774451393313987498&wfr=spider&for=pc .

Trend forecast of smart home appliances in 2023 ： policies to stimulate industry consumption， increasing market size ［EB/OL］. ［ 2024-01-16 ］. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1774451393313987498&wfr=spider&for=pc https://baijiahao.baidu.com/s?id=1774451393313987498&wfr=spider&for=pc .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Review on Key Technologies for Distribution Network State Estimation Under Cyber-Physical Multiple Attacks

Distribution Network Restoration Decision Considering Risk of State Estimation Error in Restoration Process

Planning Method for Cyber-Physical Distribution System Considering Spatial-Temporal Flexibility Resource Collaboration

Related Author

YAN Kang

LU Yidan

BAI Xiaoqing

LI Bin

WU Zaijun

XU Dongliang

XU Junjun

WEI Shuheng

Related Institution

Department of Electrical Engineering Tsinghua University

Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Company Limited

College of Electrical and Information Engineering, Hunan University

Guangxi Key Laboratory of Power System Optimization and Energy Technology (Guangxi University)

School of Electrical Engineering, Southeast University

⁰