考慮信息物理融合的電網信息風險模糊綜合評估

栗安琪 李存斌

摘 要：隨著電網中物理信息融合不斷深入，信息層面的風險對物理層面安全的影響越來越大。考慮信息物理融合對電網的影響，從信息層面對電網風險進行分析，建立考慮信息物理融的電網信息風險評估指標體系。模型采用層次分析法確定指標權重，并引入三角模糊數減少評價專家主觀上的不確定性和認識的模糊性，再結合模糊綜合評判模型進行風險評估。最后通過算例說明了這種基于三角模糊數的模糊綜合評判模型的可行性和有效性。

關鍵詞：物理信息融合；模糊綜合評判；三角模糊數；風險評估

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.32.097

0 引言

美國國家基金委員會2006 年首先提出信息物理融合系統（cyber physical system ，CPS）的概念。隨著通訊技術、自動化技術、控制技術、傳感測量技術的不斷發展和引入，電網逐漸從原有單一的物理系統發展成為信息物理融合系統。將CPS引入電力系統，為實現電網智能化的發展提供了新的思路和途徑。實現信息在電力系統內的雙向流動和有效利用，可以提高對電力系統的感知和控制能力，提升電網信息感知、集成、共享和協同能力。但隨著智能電網和能源互聯網的發展，這種物理系統對信息系統耦合的依賴性逐漸加深，信息節點在電網調度運行中逐漸發揮重要作用，信息系統失效或受到攻擊對電網所產生的影響也愈發顯著，增加了電力系統的不確定性和復雜性，給信息物理融合電力系統帶來了新的安全挑戰。例如，2003 年美國加拿大大停電的一個重要原因是因信息系統失效而未能及時察覺并遏制連鎖故障，2015年烏克蘭電力系統遭到黑客惡意攻擊變電站，導致持續數小時的大型停電事故。再比如，2019年3月委內瑞拉水電站遭受網絡攻擊導致大停電。

與物理層面相比，信息層面的攻擊更為容易和隱蔽，造成連鎖故障的可能性也更大。因此，電力物理信息融合系統中物理和信息空間之間的風險交互將是研究的重點。文獻[2]考慮信息系統失效與遭受的攻擊可能造成物理系統的能量損失，從能量損失角度對信息設備重要度的量化評估。文獻[7]從信息空間風險傳遞，以及物理層與信息層交互兩個方面分析了能源互聯網風險傳遞研究現狀。文獻[8]考慮信息通信技術的深度融合給電力系統運行帶來了不安全風險，提出了一種考慮信息系統可靠性的電網風險評估方法。文獻[9]闡述了信息安全風險在電力CPS中跨空間傳播的基本形式，并結合元胞自動機的理論建立了傳播模型。文獻[10]梳理了電力CPS研究現狀，并從影響電力CPS連鎖故障建模分析的四個方面闡述了復雜網絡理論在電力CPS連鎖故障研究中的應用。文獻[11]從發、輸、配、用四個環節梳理了網絡攻擊在電力信息物理系統中的典型場景，并做出總結與展望。

本文從信息層面出發，從自身和傳遞過程綜合考慮風險因素，建立考慮信息物理融合的電網信息層面風險評估指標體系，基于層次分析和模糊綜合評價對一個電力CPS進行風險評估。

1 風險評估指標體系

對信息安全風險造成重大電力事故的案例進行分析，并結合原有傳統信息系統安全風險的研究，從客觀和主觀兩大類進行分析，得出以下考慮信息物理融合的電網信息層面風險評估指標體系如表1所示。

2 評估模型

2.1 三角模糊數

在很多情況下，用以度量評價對象的各種評價指標都具有一定的模糊性，如“好”、“較好”、“較差”、“差”等，將這種模糊不確定的語言變量轉化為確定的數值時，采用一個確定數的方法的準確度會降低，更常用的方法是不確定數，常見的不確定數有區間數、三角模糊數、梯形模糊數。目前最常用的是三角模糊數，其特征函數符合人的思維模式和指標的變化規律。

設a和c分別為模糊數的下限和上限，b為可能性最大的值，那么模糊數用（a，b，c）表示，其隸屬函數為：

μx=xb-a-ab-a，x∈（a，b）xb-c-cb-c，x∈（a，b）0，其他

為表示方便，本文中采用“-”、“*”、“+”作為上標分別表示下限、最可能值和上限，即模糊數w=w-，w*，w+。

2.2 基于模糊綜合評價法的風險評價模型

集成層次分析法與模糊綜合評判法，將評價指標體系分成地接遞階層次結構，運用層次分析法確定各指標權重，然后分層次進行模糊綜合評判，最后綜合得出總的評價結果。并且，引入三角模糊數代替原有唯一的評價值，削弱了專家擬定參數的主觀影響。

在應用改進模型進行信息風險評估前，需依據項目的風險評估指標體系，由相關專家對各個風險因素進行評價并確定因素權重，從而得到相應各級的模糊關系矩陣和權重向量。模型的具體步驟如下：

3 算例分析

選取某電網信息物理融合系統作為評價對象，確定其信息層面的風險指標體系和因素集U如表1所示，可知，n=4。確定所采用的評語集為V={極低風險，較低風險，中等風險，較高風險，極高風險}。請5位專家根據1～9標度法給出各因素集相對重要程度，下面以二級指標信息系統自身安全脆弱性的三個子指標為例說明計算過程。

在此，只列出一位專家的權重評價結果

4 結束語

本文在一般電網信息風險分析的基礎上，綜合考慮物理信息融合產生的傳遞過程的風險，并據此構建了考慮信息物理融合的電網信息層面風險評估指標體系。在此基礎上，運行層次分析法對所建立的指標體系計算權重，并引入三角模糊數代替原有數值，避免了一致性檢驗的繁瑣步驟，也減弱了專家主觀意見的影響；再結合模糊綜合評價模型建立了信息風險評價模型。最后由具體算例給出求解過程，也表明該模型具有一定的應用價值。

參考文獻

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