电力信息物理系统低代价多阶段高危攻击策略研究

蔡晔; 刘放; 曹一家; 陈洋; 刘颖

doi:10.7500/AEPS20210318002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

电力信息物理系统低代价多阶段高危攻击策略研究

信息能源系统 | 更新时间：2025-06-16

- 电力信息物理系统低代价多阶段高危攻击策略研究
- Research on Low-cost Multi-stage High-risk Attack Strategy for Power Cyber-Physical System
- 电力系统自动化 2021年45卷第20期页码：1-8
- 作者机构：
  
  湖南省2011清洁能源与智能电网协同创新中心（长沙理工大学），湖南省长沙市 410114
- 作者简介：
  
  蔡晔(1988—)，女，通信作者，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：电力系统运行与控制、电力市场。E-mail：caiye1988427@126.com
  刘放(1998—)，男，硕士研究生，主要研究方向：电力信息物理系统。E-mail：1543902190@qq.com
  曹一家(1969—)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：电力系统安全与控制、大电网智能优化调度。E-mail：yjcao@csust.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金联合基金资助项目(U1966207);湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ5573);国家自然科学基金资助项目(51807010)
- DOI：10.7500/AEPS20210318002
  中图分类号：
- 收稿日期：2021-03-18，
  
  修回日期：2021-06-07，
  
  网络出版日期：2021-08-23，
  
  纸质出版日期：2021-10-25
- 稿件说明：
移动端阅览
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.
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. DOI： 10.7500/AEPS20210318002.

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. DOI： 10.7500/AEPS20210318002.

摘要

信息物理层间的深度融合是智能电网的重要特征。利用跨域关系实施的攻击会给电网稳定运行带来新的风险，考虑攻击代价因素研究高危攻击策略对于提升电网抵御攻击的能力具有重要意义。首先，基于电力信息物理层间耦合关系，综合结构特性与运行特性定义了一种线路攻击代价指标，以辨识电网中防护措施薄弱而容易遭受攻击的低攻击代价线路。然后，对低攻击代价线路进行多阶段攻击以诱发大停电事故，分析信息物理交互作用下多阶段攻击的危害放大机理。最后，以IEEE 118节点系统和某省电网系统为例进行仿真分析。仿真结果表明：针对低攻击代价线路实施多阶段攻击可造成大停电事故，且攻击代价明显较低；信息节点故障概率的增加使得攻击策略有效性提高，信息网在预防大停电事故中发挥着重要作用。

Abstract

The deep integration of the cyber layer and the physical layer is an important feature of a smart grid. Attacks carried out using cross-domain relationships bring new risks to the stable operation of the power grid. It is of great significance to study the high-risk attack strategy for improving the ability of power grids to resist attacks considering the attack cost factors. Firstly

based on the coupling relationship between cyber layer and physical layer

an index of line attack cost is defined by combining the structure characteristics and operation characteristics

so as to identify the low-attack-cost lines with weak protection measures in the power grid

which are vulnerable to attacks. Then

the multi-stage attacks on low-attack-cost lines are carried out to induce blackouts

and the damage amplification mechanism of the multi-stage attack under the interaction of cyber and physical systems is analyzed. Finally

an IEEE 118-bus system and a provincial power system are taken as examples for simulation analysis. Simulation results show that multi-stage attacks on low-attack-cost lines can cause blackouts

and the attack cost is obviously lower; the increase of failure probability of information nodes will improve the effectiveness of the attack strategy

and information network plays an important role in preventing blackouts.

关键词

Keywords

references

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 .

PULTAROVA T . News briefing： cyber security—Ukraine grid hack is wake-up call for network operators ［J］. Engineering & Technology ， 2016 ， 11 （ 1 ）： 12 - 13 .

李中伟，佟为明，金显吉 . 智能电网信息安全防御体系与信息安全测试系统构建乌克兰和以色列国家电网遭受网络攻击事件的思考与启示［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 8 ）： 147 - 151 .

LI Zhongwei ， TONG Weiming ， JIN Xianji . Construction of cyber security defense hierarchy and cyber security testing system of smart grid： thinking and enlightenment for network attack events to national power grid of Ukraine and Israel ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 8 ）： 147 - 151 .

SALMERON J ， WOOD K ， BALDICK R . Analysis of electric grid security under terrorist threat ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2004 ， 19 （ 2 ）： 905 - 912 .

薛禹胜，谢云云，文福拴，等 . 关于电力系统相继故障研究的评述［J］. 电力系统自动化， 2013 ， 37 （ 19 ）： 1 - 9 .

XUE Yusheng ， XIE Yunyun ， WEN Fushuan ， et al . A review on cascading failures in power systems ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2013 ， 37 （ 19 ）： 1 - 9 .

XIN S ， GUO Q ， SUN H ， et al . Cyber-physical modeling and cyber-contingency assessment of hierarchical control systems ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2015 ， 6 （ 5 ）： 2375 - 2385 .

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 .

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 .

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

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

LIU X ， BAO Z ， LU D ， et al . Modeling of local false data injection attacks with reduced network information ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2015 ， 6 （ 4 ）： 1686 - 1696 .

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 .

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 .

LI Z ， SHAHIDEHPOUR M ， ALABDULWAHAB A ， et al . Analyzing locally coordinated cyber-physical attacks for undetectable line outages ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2018 ， 9 （ 1 ）： 35 - 47 .

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 .

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 .

冀星沛，王波，董朝阳，等 . 电力信息-物理相互依存网络脆弱性评估及加边保护策略［J］. 电网技术， 2016 ， 40 （ 6 ）： 1867 - 1873 .

JI Xingpei ， WANG Bo ， DONG Zhaoyang ， et al . Vulnerability evaluation and link addition protection strategy research of electrical cyber-physical interdependent networks ［J］. Power System Technology ， 2016 ， 40 （ 6 ）： 1867 - 1873 .

张殷，肖先勇，陈晶，等 . 信息网受损对电网过载主导型连锁故障的影响［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 13 ）： 14 - 21 .

ZHANG Yin ， XIAO Xianyong ， CHEN Jing ， et al . Impact of information network damage on overload-based cascading failures of power grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 13 ）： 14 - 21 .

阳育德，蓝水岚，覃智君，等 . 电力信息物理融合系统的网络-物理协同攻击［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 2 ）： 97 - 103 .

YANG Yude ， LAN Shuilan ， QIN Zhijun ， et al . Coordinated cyber-physical attacks of cyber-physical power system ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 2 ）： 97 - 103 .

秦汉，刘东 . 配电网信息物理故障的耦合度计算方法［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 3 ）： 76 - 82 .

QIN Han ， LIU Dong . Calculation method of coupling degree of distribution network information physical fault ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 3 ）： 76 - 82 .

HOLME P ， KIM B J ， YOON C N ， et al . Attack vulnerability of complex networks ［J］. Physical Review E ， 2002 ， 65 （ 5 ）： 056109 .

张至美，黄少伟，梅生伟，等 . 基于合作博弈的电网支路脆弱性评估方法［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 6 ）： 9 - 16 .

ZHANG Zhimei ， HUANG Shaowei ， MEI Shengwei ， et al . Branch vulnerability assessment method based on cooperative game ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 6 ）： 9 - 16 .

李田，苏盛，杨洪明，等 . 电力信息物理系统的攻击行为与安全防护［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 22 ）： 162 - 167 .

LI Tian ， SU Sheng ， YANG Hongming ， et al . Attacks and cyber security defense in cyber-physical power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 22 ）： 162 - 167 .

王先培，田猛，董政呈，等 . 通信光缆故障对电力网连锁故障的影响［J］. 电力系统自动化， 2015 ， 39 （ 13 ）： 58 - 62 .

WANG Xianpei ， TIAN Meng ， DONG Zhengcheng ， et al . Impact of failure of communication optical cable on cascading failures of power grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2015 ， 39 （ 13 ）： 58 - 62 .

HUANG G ， WANG J ， CHEN C ， et al . Cyber-constrained optimal power flow model for smart grid resilience enhancement ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 5 ）： 5547 - 5555 .

GUO J ， HAN Y ， GUO C ， et al . Modeling and vulnerability analysis of cyber-physical power systems considering network topology and power flow properties ［J］. Energies ， 2017 ， 10 （ 1 ）： 87 .

薛禹胜，倪明，余文杰，等 . 计及通信信息安全预警与决策支持的停电防御系统［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 17 ）： 3 - 12 .

XUE Yusheng ， NI Ming ， YU Wenjie ， et al . Power grid blackout defense system including communication/information security early warning and decision support ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 17 ）： 3 - 12 .

曹一家，张宇栋，包哲静 . 电力系统和通信网络交互影响下的连锁故障分析［J］. 电力自动化设备， 2013 ， 33 （ 1 ）： 7 - 11 .

CAO Yijia ， ZHANG Yudong ， BAO Zhejing . Analysis of cascading failures under interactions between power grid and communication network ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2013 ， 33 （ 1 ）： 7 - 11 .

University of Illinois . IEEE 118-bus system ［EB/OL］. ［ 2019-05-10 ］. http：//icseg.iti.illinois.edu/ieee-118-bus-system http://icseg.iti.illinois.edu/ieee-118-bus-system .

蔡晔 . 智能电网多网交互作用的机理分析及应用研究［D］. 长沙：湖南大学， 2016 .

CAI Ye . Mechanism analysis and application research on multi-grid interaction of smart grid ［D］. Changsha ： Hunan University ， 2016 .

BARABASI A L ， ALBERT R . Emergence of scaling in random networks ［J］. Science ， 1999 ， 286 （ 5439 ）： 509 - 512 .

李勇，刘俊勇，刘晓宇，等 . 基于广义支路能量时空分布熵测度的线路脆弱度评估［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 34 ）： 187 - 196 .

LI Yong ， LIU Junyong ， LIU Xiaoyu ， et al . Assessment of vulnerable lines in power grid based on entropy of generalized branch energy ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 34 ）： 187 - 196 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

计及恢复过程状态估计误差风险的配电网恢复决策

服务大型粮食基地生产保供的农场配电网优化调度策略

计及时空灵活性资源协同的配电信息物理系统规划方法