CN108510162B - 一种有源配电网安全效能评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有源配电网安全效能评估方法,首先获取有源配电网网络各节点间平均响应速率和防火墙过滤概率分布;其次根据有源配电网模型计算***可靠度函数;接着通过有源配电网监控设备获取电力节点有功总负荷及其受到攻击后的失负荷量;然后得到有源配电网稳定因子参数;最后将物理信息融合***网络侧的可靠度函数与电力侧的失负荷稳定因子结合,形成可以评估整个有源配电网安全效能的综合指标。本发明所提方法提供了电力物理融合***中扰动及恶意攻击对有源配电网的影响评估方法,考虑到了融合***中网络侧因素对电力侧的影响。本发明可广泛应用于有源配电网***的安全效能分析。
Description
技术领域
本发明涉及有源配电网技术领域,特别是一种有源配电网安全效能评估方法。
背景技术
信息物理融合***CPS(Cyber-Physical Systems)是随着信息技术的不断发展,使多元信息网络和传统物理***深度融合而形成的一种新的复杂***。具体来说,CPS是一种融合了计算机技术、大规模通信网络技术、大规模传感器网络技术、***控制技术和传统物理***的新的融合***。在大型互联***中,CPS应该能够进行实时监测、分析、仿真和控制,使整个***具备灵活性、高效性和高可靠性。CPS***对于国民经济和社会发展具有的重大意义,我国对CPS的研究很重视,已经有众多专家学者开展CPS领域的研究工作。
智能电网信息物理融合***是CPS渗透到智能电网基础设施和高级应用的各个方面的重要体现。在针对智能电网CPS的研究中,不仅仅要关注物理***的运行安全性(例如小扰动稳定、电压稳定、暂态稳定等问题),也要关注信息网络***的安全性。在研究运行安全性时,既要考虑随机的***故障和人员误操作,也要考虑恶意的人为攻击和破坏。人为攻击包括一般的物理攻击(破坏物理设备,如线路、变压器等电力***设备)和信息网络攻击(利用黑客技术来破坏通信网络和信息设备)。此外,需要特别注意是,信息网络侧的失灵也可能造成电力物理***侧的巨大损失,导致电力***的整体或部分失控,进而无法满足用户用电需求。
智能电网CPS整合了整个电网全面而详细的信息,其通过大量的传感量测单元和复杂的通信网络来实时获取这些信息。这种借助关系也使得智能电网CPS高度依赖于信息网络,从而网络安全在整个电力***运行中显得非常重要。智能电网CPS中,二次设备故障会影响调度人员对电力一次***的准确感知;而一次***发生故障时,若由于数据采集与监控(SCADA)等二次***的通信传输受到恶意攻击而发生故障,出现信息延迟或中断等情况时,会引起电力设备误动作,严重时直接退出运行,造成整个电力***振荡。典型的网络攻击案例就是乌克兰大停电事故,恶意代码攻击变电站监控***,引起发电设备故障,使乌克兰大范围停电。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种有源配电网安全效能评估方法,在有源配电网中,考虑到网络攻击对配电***通信网络和电力负荷两方面的影响,实现对有源配电网的安全效能分析。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
根据本发明提出的一种基于电力信息物理融合***的有源配电网安全效能评估方法,基于有界随机Petri网理论,首先建立有源配电网网络通信模型,由此得到有源配电网***的状态可达标识图,结合可靠度函数计算方法得出通信网络可靠度指标;其次根据有源配电网***失稳后的失负荷量计算得到该***稳定因子指标;而后结合可靠度指标和稳定因子指标,得出整个有源配电网***安全效能综合评价指标。
作为本发明所述的一种基于电力信息物理融合***的有源配电网安全效能评估方法进一步优化方案,具体步骤如下:
步骤1:根据网络传输状况获取网络各节点间平均响应速率,并从防火墙日志得到数据包过滤的初始概率分布;
步骤2:基于有界随机Petri网理论建立有源配电网网络通信模型,通过对通信网络的拓扑研究得出有源配电网***状态可达标识图,结合步骤1得到的网络各节点间的平均响应速率和从防火墙日志得到的数据包过滤初始概率分布计算出通信网络可靠度指标;
步骤3:获取有源配电网***的总负荷及变电站遭受攻击后有源配电网***的失负荷量;
步骤4:确定当前网络节点失负荷后配电网***安全稳定运行的临界状态值,而后得到衡量该节点失负荷量对整个有源配电网***安全稳定运行影响的数值指标,该指标即为有源配电网***失稳后的稳定因子指标;
步骤5:将电力物理信息融合***中的通信网络可靠度指标与有源配电网***失稳后的稳定因子指标结合,形成用来评估整个有源配电网***的安全效能综合评价指标。
作为本发明所述的一种基于电力信息物理融合***的有源配电网安全效能评估方法进一步优化方案,步骤3中通过电力***监控设备获取网络各节点有功总负荷及其扰动后的失负荷量。
作为本发明所述的一种基于电力信息物理融合***的有源配电网安全效能评估方法进一步优化方案,步骤4所述的稳定因子指标是由有功负荷和有源配电网***负荷水平L一起确定的,负荷水平表示当前变电站失负荷后配电网***安全稳定运行的临界状态值。
作为本发明所述的一种基于电力信息物理融合***的有源配电网安全效能评估方法进一步优化方案,步骤2中可靠度指标由下式决定:
其中,设状态s为目标节点,n为动态行为总步数,设λi、λj分别为第i步和第j步动态行为的成功概率,(Rk,λk,s)为沿着输入节点k到目标节点s这条路径所对应的可靠度函数,集合in(s)为s的所有输入节点集合,e为自然底数;λk,s是指从输入节点k到目标节点s的有向连接路径所对应的动态行为的成功概率;Rk为输入节点k对应的可靠度函数,RS为某网络攻击入侵节点q后的通信网络可靠度指标。
作为本发明所述的一种基于电力信息物理融合***的有源配电网安全效能评估方法进一步优化方案,步骤4中稳定因子指标γ的计算方法如下:
其中,PTotal是有源配电网***的总负荷,负荷水平L表示当前变电站失负荷后配电网***安全稳定运行的临界状态值,PLOL为变电站遭受攻击后有源配电网***的失负荷量。
作为本发明所述的一种基于电力信息物理融合***的有源配电网安全效能评估方法进一步优化方案,步骤5中整个有源配电网***的安全效能综合评价指标Vs如下:
VS=min(V(p))
V(p)=RS×γp
其中,攻击场景p的安全性指标V(p),Rs和γp分别是某网络攻击入侵节点q后的通信网络可靠度指标和有源配电网***失稳后的稳定因子指标。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
(1)本发明所述的变电站通信网络模型,考虑了通信网络中普遍存在的防火墙装置,并对其进行了合理建模,用统计学概率得到其事件过滤概率;
(2)本发明所述的有源配电网通信模型,涵盖有源配电网中变电站层网络、配电网网络和集中控制中心网络;
(3)本发明所提的一种有源配电网安全效能评估方法,综合考虑了电网运行中攻击对通信网络和电力***两方面的影响,具有较高的合理性和可行性。
附图说明
图1是实施方式流程图。
图2是有源配电网中变电站通信网络拓扑图。
图3是站控中心通信网络PN图。
图4是根据LSPN模型得出的***状态可达标识图。
图5是IEEE14节点标准电力拓扑图。
图6是攻击场景网络连接图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明提出了一种基于电力信息物理融合***的有源配电网安全效能评估方法。在有源配电网***受到攻击的条件下,综合考虑其对***通信网络和有源配电网两方面的影响,得出评估有源配电网***安全性的综合指标,具有重大的发展前景和应用意义。
如图1,本发明提出的一种有源配电网安全效能评估方法的具体实施步骤如下:
步骤1:用ping命令计算网络各节点间平均响应速率,并根据防火墙日志计算得出防火墙渗透概率λm。防火墙渗透概率λm可由下式得到:
其中Mm表示满足对应规则要求而通过防火墙的频率,N0是防火墙规则的总记录数。
步骤2:基于有界随机Petri网理论建立有源配电网通信网络模型,首先对单个网络节点即变电站层网络进行建模,其次将各节点模型级联形成有源配电网通信网络模型。通过对通信网络的拓扑研究得出***状态可达图,结合步骤1得到的网络节点间的平均响应速率和从防火墙日志得到的数据包过滤初始概率分布计算出通信网络可靠度指标。
如图2、3所示,基于有界随机Petri网理论构建由防火墙保护模型和变电站网络模型组成的通信网络模型。图中攻击状态从P1开始,首先经过由t1,t2,t3,t4四条过滤规则组成的防火墙,若顺利通过防火墙,之后则利用隔离区DMZ的主机漏洞对其发起攻击,攻击DMZ成功后继续侵入变电站局域网,通过不同路径完成对数据服务器的入侵。
如图4所示,通过状态变迁可获得13个可达状态。
其中,设状态s为目标节点,n为动态行为总步数,设λi、λj分别为第i步和第j步动态行为的成功概率,(Rk,λk,s)为沿着输入节点k到目标节点s这条路径所对应的可靠度函数,集合in(s)为s的所有输入节点集合,e为自然底数;λk,s是指从输入节点k到目标节点s的有向连接路径所对应的动态行为的成功概率;Rk为输入节点k对应的可靠度函数,RS为某网络攻击入侵节点q后的通信网络可靠度指标。
步骤3:通过电力***监控设备获取有源配电网***的总负荷PTotal及变电站遭受攻击后有源配电网***的失负荷量PLOL。
步骤4:确定当前网络节点失负荷后配电网***安全稳定运行的临界状态值,而后得到衡量该节点失负荷对整个配电网***安全稳定运行的影响的稳定因子指标。其计算方法为:
其中,PTotal是有源配电网***的总负荷,PLOL为变电站遭受攻击后有源配电网***的失负荷量。负荷水平L表示当前变电站失负荷后配电网***安全稳定运行的临界状态值,其计算方法是:切除某待评估的变电站;从L=1起,对***进行潮流计算,若潮流收敛则继续增加L的值,一直增大到某L值下***潮流发散,取此时的L值作为此变电站对应的负荷水平。
步骤5:将电力物理信息融合***中的通信网络可靠度指标与有源配电网***失稳后的稳定因子指标结合,形成用来评估整个有源配电网***的安全效能综合评价指标。
在某一确定的攻击场景p下,安全性指标V(p)计算公式为:
V(p)=RS×γp
其中,Rs和γp分别是某网络攻击入侵节点q后的通信网络可靠度指标和有源配电网***失稳后的稳定因子指标。
为了给***安全效能评估留有一定安全裕度,整个有源配电网***的安全效能综合评价指标Vs则需取所有场景中最低的安全性评估值,即:
VS=min(V(p))
下面结合具体算例仿真进行计算,将图5中的IEEE14节点***当作整个有源配电网***,图中每个节点均为配电***中的一个变电站,因此***中共存在14个变电站。将各个变电站的网络攻击过程设为以下两种攻击场景:1)由变电站级网络发起的针对集中控制中心网络***的单独攻击尝试;2)由变电站网络发起经由配电网网络的针对集中控制中心网络***的单独攻击尝试。
此攻击场景的网络连接示意图如图6,配电网***中任意两个节点间均有防火墙隔离,变电站直接或通过配电网间接与集中控制中心连接。配电网与变电站之间有防火墙2隔离,变电站和配电网网络中均配有一道防火墙和DMZ隔离区主机。
表1三种攻击场景中动态行为发生概率及其可靠度指标
假定每一电力节点的通信网络都被视为变电站通信网络。对IEEE14***节点进行负荷水平计算,对应的稳定因子指标结果如表2所示。
表2变电站影响因子指标评估
由以上数据可以看到,变电站失效后的影响最大的是负荷节点3,4,9号,它们对应于***中出线较多、负荷较大的变电站节点。与此相反的是6号变电站,虽然其失效也会造成变电站11、12断电,但对整个***的稳定运行影响不大,这是由其节点本身的配置决定的。
依据本发明介绍的***安全效能指标计算方法,可得到IEEE14节点***中各负荷节点在不同攻击场景下的安全性指标,如表3所示。
表3 IEEE14节点***中各负荷节点在不同攻击场景下的安全性指标
综合有源配电网安全效能评估方法,得出两种攻击场景下***的安全效能指标分别为3.5682和4.2153。
本发明所提方法考虑到了电力信息物理融合***中通信网络因素对有源配电网***的影响,将物理信息融合***通信网络的可靠度指标与有源配电网***失稳后的稳定因子指标结合,形成了可以评估整个有源配电网安全效能的综合指标。本发明可广泛应用于有源配电网***的安全效能分析,通过直观的数值指标更利于观察分析电力***运行,直接明了地表现出了不同攻击场景下***的安全程度,具有重大的发展前景和应用意义。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于电力信息物理融合***的有源配电网安全效能评估方法,其特征在于,基于有界随机Petri网理论,首先建立有源配电网网络通信模型,由此得到有源配电网***的状态可达标识图,结合可靠度函数计算方法得出通信网络可靠度指标;其次根据有源配电网***失稳后的失负荷量计算得到该***稳定因子指标;而后结合可靠度指标和稳定因子指标,得出整个有源配电网***安全效能综合评价指标;具体步骤如下:
步骤1:根据网络传输状况获取网络各节点间平均响应速率,并从防火墙日志得到数据包过滤的初始概率分布;
步骤2:基于有界随机Petri网理论建立有源配电网网络通信模型,通过对通信网络的拓扑研究得出有源配电网***状态可达标识图,结合步骤1得到的网络各节点间的平均响应速率和从防火墙日志得到的数据包过滤初始概率分布计算出通信网络可靠度指标;
步骤3:获取有源配电网***的总负荷及变电站遭受攻击后有源配电网***的失负荷量;
步骤4:确定当前网络节点失负荷后配电网***安全稳定运行的临界状态值,而后得到衡量该节点失负荷量对整个有源配电网***安全稳定运行影响的数值指标,该指标即为有源配电网***失稳后的稳定因子指标;
步骤5:将电力物理信息融合***中的通信网络可靠度指标与有源配电网***失稳后的稳定因子指标结合,形成用来评估整个有源配电网***的安全效能综合评价指标;
步骤2中可靠度指标由下式决定:
其中,设状态s为目标节点,n为动态行为总步数,设λi、λj分别为第i步和第j步动态行为的成功概率,(Rk,λk,s)为沿着输入节点k到目标节点s这条路径所对应的可靠度函数,集合in(s)为s的所有输入节点集合,e为自然底数;λk,s是指从输入节点k到目标节点s的有向连接路径所对应的动态行为的成功概率;Rk为输入节点k对应的可靠度函数,RS为某网络攻击入侵节点q后的通信网络可靠度指标。
2.根据权利要求1所述的一种基于电力信息物理融合***的有源配电网安全效能评估方法,其特征在于,步骤3中通过电力***监控设备获取网络各节点有功总负荷及其扰动后的失负荷量。
3.根据权利要求1所述的一种基于电力信息物理融合***的有源配电网安全效能评估方法,其特征在于,步骤4所述的稳定因子指标是由有功负荷和有源配电网***负荷水平L一起确定的,负荷水平表示当前变电站失负荷后配电网***安全稳定运行的临界状态值。
5.根据权利要求1所述的一种基于电力信息物理融合***的有源配电网安全效能评估方法,其特征在于,步骤5中整个有源配电网***的安全效能综合评价指标Vs如下:
VS=min(V(p))
V(p)=RS×γp
其中,攻击场景p的安全性指标V(p),Rs和γp分别是某网络攻击入侵节点q后的通信网络可靠度指标和有源配电网***失稳后的稳定因子指标。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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