【技术实现步骤摘要】
一种考虑区域LR连锁攻击的电网防御资源规划方法
[0001]本专利技术公开了一种考虑区域LR连锁攻击的电网防御资源规划方法，属于电力系统规划领域；
技术介绍
[0002]随着智能电网和能源互联网的快速发展，电力系统一次、二次设备与计算机终端通过信息网络紧密互联，逐渐演变为物理网络和信息网络深度融合的电力信息物理系统。一方面，信息网络在提高电力系统规划效率，提升自动化水平的同时，其本身存在诸多安全隐患。另一方面，由于新能源的大力发展和能源清洁转型的快速推进使得电网规模不断扩大，电网网架结构脆弱性提升，运行稳定性下降。信息物理网络的高度耦合使得电力信息系统和电力物理系统的脆弱性相互影响，双方的故障将会通过互联传输波及对方网络，产生连锁故障传播，对电力系统安全和可靠运行构成极大威胁。
[0003]负荷重分配(Load Redistribution,LR)攻击是一种恶意的，以欺骗作为手段的网络攻击形式。按照攻击目标达成的阶段，LR攻击可分为第一阶段即时攻击和第二阶段延时攻击。即时攻击通过篡改线路和负荷数据诱导调度员给出错误的调度方案，削减系统负荷；延时攻击在即时攻击的基础上，设计注入的线路潮流数据，使得错误的调度方案实施后部分线路的真实潮流过载，导致更多线路连锁停运，迫使调度员在第二时间被迫切除更多负荷，对系统造成更严重的危害。为方便起见，本专利技术将考虑线路过载连锁停运的延时攻击模式称为LR连锁攻击。
[0004]在关于LR攻击的安全防御的研究中，现有文献主要从关键量测数据选择
[1,2]，量测装置...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种考虑区域LR连锁攻击的电网防御资源规划方法，其特征在于，包括：步骤1：参数初始化，确定系统网络拓扑参数、发电机和线路的电气参数、负荷参数、不同攻击区域、防御资源上限值；步骤2：基于扩展防御
‑
攻击
‑
调度模型框架，构建抵御区域LR连锁攻击的电网防御资源配置模型，分别为区域LR连锁攻击的防御方模型、区域LR连锁攻击方模型和区域LR连锁攻击的调度防御模型；步骤3：基于卡罗需
‑
库恩
‑
塔克(Karush
‑
Kuhn
‑
Tucke,KKT)条件和对偶理论构建区域LR连锁攻击的攻击方子问题；步骤4：基于线性化方法和量化优化理论构建区域LR连锁攻击的防御方子问题；步骤5：应用多级优化方法得出防御资源的最优规划方案，抵御区域LR连锁攻击的防御方模型的目标函数为：式中，x表示线路防御向量，N为系统节点集合，LC
2,n
表示攻击导致目标线路过载跳闸后的系统第n节点的负荷削减量；抵御区域LR连锁攻击的电网防御资源配置模型的相应约束条件为：防御线路总数目不得超过防御资源上限值式中，x
l
为线路l的防御状态，x
l
＝0表示线路l未被防御，x
l
＝1表示线路l处于防御状态，DB表示防御资源上限值，区域LR连锁攻击的攻击方模型的目标函数为：式中，
△
A为连续变量，表示负荷攻击向量；
△
B为连续变量，表示线路潮流攻击向量；y表示强迫停运线路向量，LC
1,n
表示区域LR攻击诱导调度人员做出错误调度后，第n节点的负荷削减量；区域LR连锁攻击的调度防御模型分为第一阶段调度防御模型和第二阶段调度防御模型，第一阶段调度防御模型的目标函数为：式中，PG1表示第一阶段调度防御模型中发电机出力向量，PF1表示第一阶段调度防御模型中线路潮流向量，LC1表示第一阶段调度防御模型中考虑区域LR攻击的系统负荷削减向量。第二阶段调度防御模型的目标函数为：式中，PG2表示第二阶段调度防御模型系统发电机出力向量，PF2表示第二阶段调度防御模型系统潮流向量，LC2表示第二阶段调度防御模型系统负荷削减向量；
区域LR连锁攻击的攻击方子问题目标函数为：式中，脚标t表示第t级优化问题中的对应变量。2.根据权利要求1所述的一种考虑区域LR连锁攻击的电网防御资源规划方法，其特征在于，区域LR连锁攻击方模型相应约束条件为：1)线路停运变量0/1约束式中，y
l
表示线路l的运行状态，y
l
＝1表示线路l处于正常运行状态，y
l
＝0表示线路l被迫停运；表示第i个攻击区域Λ
i
的线路集合；2)区域LR攻击隐蔽性约束为了保证区域LR攻击的隐蔽性，需要确保负荷攻击向量
△
A元素合为0，即系统的总负荷需求保持不变；其中，表示第i个攻击区域Λ
i
的节点集合；I
A
表示攻击区域总数；3)负荷攻击修改量上下限约束式中，
△
A
n
表示第n节点的负荷攻击修改量，τ表示系统负荷变化预警值，负荷攻击修改量只能在一定范围内变化才能避免被基于变化量的防御机制检测出异常；4)潮流攻击向量、负荷攻击向量的基尔霍夫第一定律约束式中，表示第i个攻击区域Λ
i
的线路潮流攻击向量，表示第i个攻击区域Λ
i
的系统转移矩阵；表示第i个攻击区域Λ
i
的节点
‑
负荷关联矩阵；表示第i个攻击区域Λ
i
的负荷攻击向量；5)潮流攻击向量，负荷攻击向量的基尔霍夫第二定律约束式中，表示第i个攻击区域Λ
i
的节点相角向量；6)区域LR攻击边界节点相角约束式中，
△
θ
n
和
△
θ
m
分别表示第n节点，第m节点的相角变化量，表示第i个攻击区域L
i
的边界节点集合；7)区域LR攻击造成的线路意外过载逻辑约束式中，表示调度方根据虚假数据做出错误调度规划后线路l的潮流，*表示变量的值已知；
△
B
l
表示线路l的潮流变化量，F
lC
表示线路l的潮流上限；攻击者注入系统的虚假负荷
数据不仅要满足区域LR攻击隐蔽性约束，还需要满足攻击区域内的基尔霍夫第一、第二定律，从而不可避免地造成系统潮流变化，一定程度上能够引起线路过载停运；由于攻击方注入了虚假负荷数据，第一阶段调度方接受到的节点负荷需求为D
C
+
△
A，而线路l的真实潮流中并不含虚假数据量
△
A，所以线路量测装置上实际接收的潮流数据PF1′
为：式中，M
SF
表示系统转移矩阵，M
KG
表示系统节点
‑
发电机关联矩阵，M
KD
表示系统节点
‑
负荷关联矩阵，D
C
表示系统负荷功率向量；8)区域LR攻击线路防御状态约束为了模拟针对性的线路防御对区域LR攻击的限制，要求攻击规划模型中，攻击方无法再次停运已被保护的线路；9)非攻击区域节点负荷改变量应为0式中，Ω表示非攻击区域节点集合，
△
A
Ω
表示非攻击区域节点负荷改变量。3.根据权利要求1所述的一种考虑区域LR连锁攻击的电网防御资源规划方法，其特征在于，所述第一阶段调度防御模型相应的约束条件为：1)系统功率平衡等式约束式中，PG
1,g
表示第一阶段调度防御模型中发电机g的有功出力变量，G表示系统发电机集合；D
C
表示第n节点的负荷功率；2)第一阶段调度防御模型系统潮流平衡等式约束PF1＝M
SF
·
M
KG
·
PG1‑
M
SF
·
M
KD
·
(D
C
+
△
A
‑
LC1),(β
′
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)3)第一阶段调度防御模型线路潮流不等式约束式中，PF
1,l
表示第一阶段调度规划后的线路l的潮流变量；4)第一阶段调度防御模型发电机出力约束式中，表示发电机g的出力上限；5)第一阶段调度防御模型负荷削减量约束4.根据权利要求1所述的一种考虑区域LR连锁攻击的电网防御资源规划方法，其特征在于，所述第二阶段调度防御模型相应的约束条件为：
1)第二阶段调度防御模型线路潮流等式约束式中，PF
2,l
表示第二阶段调度防御模型线路l的潮流变量，B
MVA
表示系统的功率基值，X
l
为线路l的电抗，θ
O(l)
表示线路l潮流始端节点O(l)相角变量，θ
D(l)
表示线路l潮流末端节点D(l)相角变量；线路l的运行状态由线路l的防御状态变量x
l
和攻击变量y
l
共同决定，仅有0、1两种状态；当且仅当y
l
＝0,x
l
＝0，即线路l过载跳闸且防御方没有事先对线路l进行防御，线路l退出运行；其余情况下，线路l均处于正常运行状态；2)第二阶段调度防御模型系统功率平衡约束式中，M
KL
表示节点
‑
线路关联矩阵；3)第二层调度防御模型发电机出力约束式中，PG
2,g
表示第二层调度防御模型发电机g出力变量；4)第二阶段调度防御模型线路潮流不等式约束式中，PF
2,l
表示第二层调度防御模型线路l的潮流变量；5)第二阶段调度防御模型负荷削减量约束6)系统节点相角约束5.根据权利要求1所述的一种考虑区域LR连锁攻击的电网防御资源规划方法，其特征在于，所述区域LR连锁攻击的攻击方子问题，通过将攻击模型与两阶段调度模型结合，将max
‑
min
‑
min三层优化问题转换为混合整数单层线性优化问题，一方面，由于第一阶段调度模型中的式(17)
‑
(21)均为线性约束条件，采用KKT条件替换该问题，同时需要利用Fortuny
‑
Amat
‑
McCarl(FAM)方法线性化KKT条件中的松弛互补条件，得到第一阶段调度模型的等价线性约束条件，另一方面，若将第二阶段调度模型中的决策变量x
l
,y
l
固定后，优化问题(5)、(22)
‑
(27)为线性凸优化问题，采用对偶理论将该问题替换为其对应的对偶问题，区域LR连锁攻击的攻击方子问题约束条件为：1)区域LR攻击向量约束条件1)区域LR攻击向量约束条件1)区域LR攻击向量约束条件1)区域LR攻击向量约束条件1)区域LR攻击向量约束条件
式中，i＝1,2,...,I
A
。在第t个攻击方优化问题中，每个攻击区域中的负荷攻击量与线路潮流攻击量均要满足能够使区域LR攻击成功发动的必要条件；2)区域LR连锁攻击约束条件2)区域LR连锁攻击约束条件2)区域LR连锁攻击约束条件2)区域LR连锁攻击约束条件2)区域LR连锁攻击约束条件2)区域LR连锁攻击约束条件2)区域LR连锁攻击约束条件式中，C0为足够大的正实数，ε0为足够小的正实数，因式(13)为逻辑约束条件，基于Big
‑
M方法，将式(13)写成如式(34)
‑
(39)等效线性约束条件，式(40)为式(15)在量化攻击方规划问题中的等价约束条件，表示攻击方无法破坏在前t
‑
1级优化问题中已被选择保护的线路；3)第一阶段调度防御模型的KKT约束条件调度部分PF
1,t
＝M
SF
·
M
KL
·
PG
1,t
‑
M
SF
·
M
KD
·
(D
C
+
△
A
t
‑
LC
1,t
)
ꢀꢀꢀꢀ
(42)(42)(42)4)拉格朗日等式约束的极值必要条件(M
SF
·
M
KL
)
T
·
β
′‑
χ
″
g
+χ
′
g
＝η
′ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(46)(M
SF
·
M
KD
)
T
·
β
′‑
ψ
″
n
+ψ
′
n
＝η
′‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(47)
‑
β
′
l
‑
δ
″...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈凡，王瑞驰，陈刘明，万修，吴凌霄，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：
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