一种考虑变电站拓扑的信息物理攻击的故障分析方法

技术领域

本发明涉及一种考虑变电站拓扑的信息物理攻击的故障分析方法，属于电力系统安全技术领域。

背景技术

在电力系统安全领域，由于现代电力系统对通信和自动控制系统的依赖程度更高，信息物理协同攻击将比传统恶意攻击对可靠供电造成更严重的后果。信息物理协同攻击类型众多，影响复杂，如何解析化描述不同信息物理协同攻击下电力系统受故障影响情况，刻画协同攻击演化过程与电力系统响应过程的相互作用，仍是有待解决的问题。因此，一种考虑变电站拓扑的信息物理攻击的故障分析方法有待提出。

现有技术在研究电力系统故障时，往往认为继电保护是绝对可靠的。在信息物理融合背景下，对针对继电保护的网络攻击考虑不足，对此类协同攻击形式导致的连锁故障缺乏分析方法。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种考虑变电站拓扑的信息物理攻击的故障分析方法，所述分析方法利用电力系统的断路器开关动作模型描述网络攻击对继电保护装置的影响，并采用基于多商品流的故障影响传播模型分析实际电力系统故障传播过程。根据协同攻击位置，考虑电力系统实际运行方式与变电站内部接线情况，求解断路器开关动作模型与故障影响传播模型得到电力系统故障情况并评估系统综合损失。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种考虑变电站拓扑的信息物理攻击的故障分析方法，所述的方法为：

S1、根据信息物理协同攻击中多类攻击的攻击原理与影响机理，设立对应变量以表示协同攻击对象选取情况与电力系统受影响情况；

S2、根据电力系统故障响应过程中的故障跳闸隔离逻辑，考虑网络攻击对继电保护装置的影响，建立网络攻击下电力系统的断路器开关动作模型；

S3、参考实际电力系统故障传播过程，采用多商品流模型建立故障影响的传播模型；

S4、根据协同攻击位置，考虑电力系统实际运行方式与变电站内部接线情况，求解断路器开关动作模型与故障影响传播模型得到电力系统故障情况。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步的，步骤S1中，信息物理协同攻击包括三种攻击形式：

以输电线路为目标的物理攻击将导致线路发生短路故障；

以继电保护装置为目标的拒动网络攻击通过修改继电器设置来阻止断路器跳闸，从而扩大故障影响；

以继电保护装置为目标的误动网络攻击控制继电器向相应的断路器发送跳闸信号，切断关键的潮流传输路径。

进一步的，在物理攻击与拒动网络攻击配合下，大量受故障影响的元件即退出运行；因此，对于每个系统元件，用二元变量表示协同攻击对象选取情况与电力系统受影响情况；

攻击变量包括：

电力系统受影响情况变量包括：

进一步的，步骤S2中，当继电保护装置受到网络攻击影响时，相应断路器的通断状态视网络攻击类型而定；对于未受攻击的继电保护装置，相应断路器的通断状态由两端节点的故障状态决定，相关约束如下：

式中，

式（1）-（6）描述了信息物理协同攻击下断路器的通断逻辑，式（1）-（2）表明若断路器ij两侧的任一节点受故障影响（

进一步的，步骤S3中，当线路遭受物理攻击时，线路两端的继电保护装置将控制相应断路器跳闸隔离故障；若继电保护由于拒动网络攻击而失效，故障将进一步传播，导致更多的系统元件受故障影响而退出运行。

进一步的，故障传播模型约束如下：

式中，

式（7）表示相连元件的故障情况一致，即通过闭合断路器（

本发明的有益效果是：

本发明针对信息物理攻击的故障演化建模问题进行研究，分析电力系统故障响应过程中继电保护的故障跳闸隔离逻辑与网络攻击的交互影响关系，考虑实际故障传递过程，建立了断路器开关动作模型与故障影响传播模型，可以准确反映信息物理协同攻击下电力系统的故障传播过程。

本发明公开了一种考虑变电站拓扑的信息物理攻击的故障分析方法，在给定协同攻击方案下，该方法能够解析化地表明实际电力系统各元件受故障影响情况，准确评估电力系统在继电保护故障情况下受协同攻击的影响程度。

附图说明

图1为包含变电站拓扑的IEEE RTS 24节点系统的接线图；

图2为协同攻击后电力系统故障情况图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式做详细说明。本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。所使用的术语只为描述具体实施方式，不为限制本发明。

一种考虑变电站拓扑的信息物理攻击的故障分析方法，所述的方法为：

S1、根据信息物理协同攻击中多类攻击的攻击原理与影响机理，设立对应变量以表示协同攻击对象选取情况与电力系统受影响情况；

信息物理协同攻击包括三种攻击形式：

以输电线路为目标的物理攻击将导致线路发生短路故障；

以继电保护装置为目标的拒动网络攻击通过修改继电器设置来阻止断路器跳闸，从而扩大故障影响；

以继电保护装置为目标的误动网络攻击控制继电器向相应的断路器发送跳闸信号，切断关键的潮流传输路径。

进一步的，在物理攻击与拒动网络攻击配合下，大量受故障影响的元件即退出运行；因此，对于每个系统元件，用二元变量表示协同攻击对象选取情况与电力系统受影响情况；

攻击变量包括：

电力系统受影响情况变量包括：

S2、根据电力系统故障响应过程中的故障跳闸隔离逻辑，考虑网络攻击对继电保护装置的影响，建立网络攻击下电力系统的断路器开关动作模型；

当继电保护装置受到网络攻击影响时，相应断路器的通断状态视网络攻击类型而定；对于未受攻击的继电保护装置，相应断路器的通断状态由两端节点的故障状态决定，相关约束如下：

式中，

式（1）-（6）描述了信息物理协同攻击下断路器的通断逻辑，式（1）-（2）表明若断路器ij两侧的任一节点受故障影响（

S3、参考实际电力系统故障传播过程，采用多商品流模型建立故障影响的传播模型；

当线路遭受物理攻击时，线路两端的继电保护装置将控制相应断路器跳闸隔离故障；若继电保护由于拒动网络攻击而失效，故障将进一步传播，导致更多的系统元件受故障影响而退出运行。

进一步的，故障传播模型约束如下：

式中，

式（7）表示相连元件的故障情况一致，即通过闭合断路器（

S4、根据协同攻击位置，考虑电力系统实际运行方式与变电站内部接线情况，求解断路器开关动作模型与故障影响传播模型得到电力系统故障情况。

本实施例中结合图1和图2说明本发明所述分析方法的工作原理：

步骤1：以包含变电站拓扑的IEEE RTS 24节点系统为测试算例，验证本发明所述分析方法的有效性。该系统的接线图如图1所示。该系统中有147个节点与38条输电线路，为这些节点与线路设立对应变量。给定协同攻击方案，线路69-142与线路103-104遭受物理攻击，断路器141-142，141-140，69-70，122-123对应继电保护装置遭受拒动网络攻击，断路器41-42，41-43对应继电保护装置遭受误动网络攻击。

步骤2、根据电力系统故障响应过程中的故障跳闸隔离逻辑，考虑网络攻击对继电保护装置的影响，建立网络攻击下电力系统的断路器开关动作模型。

步骤3、参考实际电力系统故障传播过程，采用多商品流模型建立故障影响的传播模型。

步骤4、根据协同攻击位置，考虑电力系统实际运行方式，求解断路器开关动作模型与故障影响传播模型得到电力系统故障情况，如图2所示。受故障影响区域如红色虚线圈所示。此外，负荷节点40，78，104与发电节点37-39，143-145断开与主网正常运行部分的连接，这些节点或完全退出运行或仅仅维持小部分功能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合穷举，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以所附权利要求为准。