网络攻击下电力系统连锁故障仿真分析及处理.pdf
《网络攻击下电力系统连锁故障仿真分析及处理.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《网络攻击下电力系统连锁故障仿真分析及处理.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第3 1卷第2 期2023年6 月广州航海学院学报JOURNAL OF GUANGZHOU MARITIME UNIVERSITYVol.31No.2Jun.2023网络攻击下电力系统连锁故障仿真分析及处理李沁雪,钟伟伦,曾岳烽,李瑞(1.广州航海学院船舶与海洋工程学院,广东广州510 7 2 5;2.上海电力大学电气工程学院,上海2 0 0 0 9 0)摘要:针对网络攻击下的电力系统防护和降损,对系统连锁故障进行仿真分析及应急处理:从攻击者的角度,采用合理的指标对电力系统进行线路分析,对关键线路发动攻击,并模拟网络攻击下连锁故障特征;从防御者的角度,采用图论方法对故障过程中形成的孤岛进行判别
2、,在此基础上计算负荷中断量,对系统进行有效的应急处理.实验结果表明:电力系统中关键线路在遭受网络攻击后,将引发严重连锁故障;即使电力系统发生含发电机的小区域解列,主系统也可采用科学有序的中断负荷方式恢复电力系统的正常运行,及时降低网络攻击后连锁故障带来的负面影响.关键词:电力系统;网络攻击;连锁故障;应急处理中图分类号:TM743近年来,对电力系统进行网络攻击的事件接连发生,如乌克兰电网遭受BlackEnergy恶意软件攻击1、以色列电网网络攻击事件2 等.因此,研究攻击者对电力系统的攻击方式、行为特征和攻击下导致的连锁故障特征及应急处理方法,对电力系统的安全防御具有重要意义.从攻击者的角度来
3、看,对关键线路进行攻击,可以使电网的被破坏程度最大化.目前,研究者利用电气介数3 、复杂网络介数4、潮流熵5、非线性因果关系度6 等指标,对电力系统的关键线路进行分析和判断.从防御者的角度,有必要对网络攻击下的电力系统连锁故障进行有效处理,及时止损.针对电力系统连锁故障的研究主要有两种思路:一是以潮流计算、稳定分析等复杂系统理论为核心的模型,包括CASCADE模型、分支过程模型、ORNL-PSERC-Alaska模型7 、最优潮流模型 、隐性故障((Hidden failure,HF)模型9 等;二是对电力系统抽象建模,并运用复杂网络基础理论对其特点加以剖析,进而阐明拓扑结构特征和连锁故障演化
4、的关联,如相隔中心性模型、无标度(Scale-free)网络模型、小世界(Small-world)网络收稿日期:2 0 2 3-0 1-18基金项目:国家自然科学基金项目(6 2 0 0 6 0 52);广州市科技计划资助项目(2 0 2 10 2 0 2 0 6 6 3)第一作者简介:李沁雪(19 8 3 一),女,博士,副教授,硕导,主要从事网络化控制系统的信息安全研究文献标志码:A文章编号:10 0 9-8 52 6(2 0 2 3)0 2-0 0 0 1-0 6模型等10 .关于连锁故障的应急处理,NAKARMIU等 利用交互作用图中的社区结构信息,通过切除少量低负荷节点,降低高聚类区
5、域中系统的负荷波动,防止故障扩展;何晓峰等7 基于节点重要度的容量优化配置模型,牺牲相对不重要节点而保护相对重要的节点以控制连锁故障的发展;周步祥等12 针对负荷重分配攻击,建立电气耦合系统下攻击的损失评估模型,通过新定义的节点综合脆弱性评价指标,对节点脆弱性的分布与变化进行分析,并给出了系统综合保护策略,抑制连锁故障.本文利用电气介数和网络效能等指标对电力系统关键线路进行分析,得出在网络攻击下的连锁故障特征.在此基础上,调整发电机出力,并采用紧急甩负荷为应急处理手段,以最大限度保障电力系统稳定运行,降低连锁故障对电力系统的负面影响.1电力系统关键线路评估指标本文以IEEE39节点电力系统为例
6、,从攻击者2的角度,通过电气介数与网络效能判断线路的重要性,从而发动更为有效的网络攻击.1.1线路电气介数假设电网有N+1个节点,最后一个节点为参考节点,则线路L的直流潮流为(1)式中:P,X,、0,分别是节点i与节点j的节点间有功功率流、线路电抗、电压相角差.则线路L的潮流分量为Pl=Pi-Pi,Le D式中:D为系统线路集合,Pi、Pi 分别为节点i和节点j的注入有功功率.定义线路L的电气介数为C.(L)=ZZ/WcWpI PiIiEGjEE式中:Pi为在“发电一负荷”节点对(i,j)间注人单位功率时,在线路L上的功率分量;Wc,为发电机节点i的有功权重,取发电机的实际出力或额定容量;WD
7、j为负荷节点i的有功权重,取负荷的有功功率;G、E分别为发电机集合和负荷集合.1.2网络效能定义网络效能A为1A=N.NeieGjeE式中:min(Pci,Pp;)为“发电一负荷 节点对(i,j)的有功功率最小值,表示(i,j)间允许传输的最大电能.若IZ,I为“发电一负荷”节点对(i,j)间的等值阻抗,,表示电网阻抗矩阵的i行j列的值,则有IZ,;I=I z +2j-2z;l引入等值阻抗表示功率沿任意线路传输,这使得网络效能更加切合实际电力系统.另外,网络效能与电网的传输能力成正比关系.2攻击下的连锁故障特征历次连锁故障引发大停电事故的最主要模式是系统元件切除后,系统其它元件因为潮流的重新分
8、布而相继过载被切除,以此循环,故障快速扩散达到无法控制的地步.本节主要对攻击下故障产生的主要类型、各类故障的共性特征、连锁故障发展到后期对系统产生的影响进行说明,得出网络攻击下的连锁故障特征.广州航海学院学报2.1过载主导型在故障初期阶段,系统的结构没有遭到巨大破坏,能保持稳定运行.随着故障扩散,大量线路断开,系统传输能力持续下降,直到临界事件发生,故障扩散将由缓慢转为快速且难以控制.最为常见的现象是无规则切机中断负荷以及电压失稳崩溃.2.2#共性特征除具有过载主导型连锁故障的特征外,连锁故障特征还受气候因素、二次设备因素、线路相继过(2)载因素、调度控制以及系统解列因素等影响2.3系系统解列
9、连锁故障发展到中后期,其运行方式和状态已与计划营运方式发生较大偏离,非自适应预置解列(3)点难以符合当前系统状态.解列后各子网通常伴随着频率、电压、功角失稳的问题.2.4攻击下的连锁故障随着电力系统线路被攻击者操纵数量的增多,线路断开的数量对电力系统网络的结构会产生较大影响,网络效能也会大幅下降.通常,电气介数高的线路多数是承担大功率的线路,如果攻击者对此类线路进行连续攻击,那么对系统会产生非常大的影响.另外,在攻击初期,如果电力系统发生解列,min(Pci,Pp,)(4)(5)第3 1卷会导致网络效能明显下降.3基于负荷中断的连锁故障应急处理电力系统发生网络攻击下的连锁故障后,防御者需尽快遏
10、制故障的进一步扩散.本文采用图论方法对故障过程中形成的孤岛进行判别,在此基础上计算负荷中断量,对系统进行紧急甩负荷处理,以最大限度保障系统稳定运行,降低攻击后连锁故障对系统的负面影响.3.1负荷中断分析负荷中断分析步骤如下:1)从初始故障组中选取一组线路断开;2)判断是否有孤岛产生,若有,则对孤岛进行处理(见3.2 节),若没有,则进行下一步;3)对系统进行最优潮流计算,判断最优潮流是否收敛,负荷中断量为0,如果不收敛,则计算使最优潮流收敛所需的负荷中断量.负荷中断分析流程如图1所示.第2 期在故障组随机选取一组线路断开孤岛判别Y孤岛处理最优潮流计算最优潮流收敛计算最优潮流收敛所在需的负荷中断
11、量负荷中断量图1负荷中断分析流程3.2孤岛判别与处理用点代替发电机和负荷,边代表线路,将电力系统简化为一个无向图.3.2.1区域性孤岛判别利用图论知识,通过电力系统邻接矩阵判断连通域的个数和连通域中的集合点,完成对孤岛的判别.3.2.2孤岛处理电力系统中每个区域电网至少有一个发电机节点作为平衡节点,该节点是系统的有功功率平衡和计算电压相位的参考点.如果缺少平衡节点,在计算的过程中会导致无法得到唯一解.根据负荷节点、发电机节点、平衡节点的关系可将孤岛分成3 种类型,以下将给出孤岛的3 种类型及其处理方法:1)3种节点都包含在孤岛内,对孤岛不做处理;2)孤岛内不含平衡节点,将出力最大的发电机作为平
12、衡节点;3)孤岛仅含有负荷节点或者仅含发电机节点,增设第4类节点,并将孤岛内所有节点类型更改为第4类节点,第4类节点不参与潮流计算.4仿真实验与验证为了验证本文所述方法的有效性,对IEEE39节点电力系统故障进行仿真分析,得出攻击下的仿真故障组,并对其进行基于负荷中断的应急处理等.李沁雪,等:网络攻击下电力系统连锁故障仿真分析及处理锁故障特征分析将IEEE39节点电力系统简化为一个无向图,如图2 所示.图2 中圆形、五角星、三角形、正方形分别表示节点、负荷节点、发电机节点、与负荷节点相N连的发电机节点.其中3 1号节点为平衡节点.由图2可知,线路2-3 0、6-3 1、10-3 2、19-2
13、0、19-3 3、20-34、2 2-3 5、2 3-3 6、2 5-3 7、2 9-3 8 都是各发电机对外传输的唯一通道,一旦断开会对系统产生重大影响,系统也会对其进行重点保护,攻击难度较大.因此,在辩识过程中不考虑以上线路,只分析计算剩余线路的电气介数,该指标排序前十的线路(递减)如表1所示.负荷中断量为0节点负荷节点发电机节点与负荷节点相连的发电机节点1431图2 IEEE39节点电力系统无向图表1电气介数排序线路排名16-17115-16214-15316-1942-25517-2762-3726-27817-1893-1810首先,攻击者通过以上关键线路分析,有计划地对系统连续发动
14、10 次攻击,并计算每次攻击后系统的网络效能.攻击方式为:1)攻击方式1:随机选取10 条线路,逐次断开;2)攻击方式2:按电气介数由大到小连续断开.记录每次攻击后的网络效能情况,如图3 所示.34.1电力系统关键线路识别和攻击下的连7353623222116151718303934?2019332537384从图3 可知,对于第1种攻击,随机连续断开10 条线路,在攻击次数少时,网络效能的降低幅度不大;但是,随攻击次数增多,线路断开的数量会对系统网络的结构产生较大影响,网络效能下降的幅度增加.而对于攻击方式2,按电气介数由大到小连续断开.在攻击初期,第2 次与第4次系统都发生解列,使得网络效
15、能明显下降.在后续的过程中,系统解列成3 个区域性孤岛、4个节点性孤岛,最后网络效能迅速下降到3 0%左右.通过以上分析可得,电气介数高的线路,多数是承担大功率的线路,如果对电气介数高的线路进行连续攻击,对系统会产生非常大的影响。1000908070603020100012345678910断开线路数量图3不同攻击方式下的网络效能其次,对线路进行N-1故障仿真,通过仿真故障统计系统中负载偏高甚至过载的关键线路,得到N-2故障组,如表2 所示.从表2 得出,虽然各线路的电气介数不高,但是断开都会使系统内部其他线路超过潮流极限.若不及时降低过载线路的有功功率,过载线路将会被切除,从而引起线路连锁过
16、负荷.表2 N-2 故障组组别线路126-27、2 -3217-18,2-3325-26、2 -3413-14,2-3513-14,6-1161-2,2-376-11,4-1481-39,2-3 910-11,10-134.2孤岛判别1)若将线路16-15、16-19、2 2-2 1、8 -7、16-广州航海学院学报17、2 2-2 3 6-7 断开,可得到无向图,如图4所示,2 116242 3V36272 84038e一攻击方式1-攻击方式2组别线路1010-13,6-111121-22,2-31221-22,23-24134-14,2-3144-14,6-11157-8,6-11167-
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 网络 攻击 电力系统 连锁 故障 仿真 分析 处理
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。