電力信息物理系統建模和信息攻擊機制分析

鄧 勇，彭敏放，劉靖雯

（湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082）

電力信息物理系統CPPS（cyber power physical system）是典型的多層異構復雜系統[1]，其以態勢感知和信息交互為基礎，將信息業務、通信網絡和物理環境緊密聯系，利用先進的信息通信和計算控制技術保證電力系統的安全、穩定、經濟運行[2]。智能電網和能源互聯網的大力發展導致電網的復雜程度倍增，信息攻擊也愈發嚴重，電網運行的安全可靠性越來越依賴于信息網。因此，深入研究電網運行的物理過程、信息網信息傳遞和處理過程三者之間的耦合機理，建立以信息交互為關鍵點的CPPS模型十分重要。

目前關于CPPS建模方法的研究，國內外學者提出了豐富的體系架構。文獻[3-5]提出了基于不同軟件的信息-物理聯合仿真平臺方案，但這些研究將信息、物理隔離分析、統一仿真，與實際深度耦合的CPPS存在較大差距。文獻[6-7]基于復雜網絡和相依網絡，將CPPS系統抽象為點和邊的集合，以耦合邊聯系雙層網絡；文獻[8]在此基礎上，發現采用“介數-度數”的耦合策略能明顯降低大規模故障發生的概率；文獻[9]進一步將信息網細化成核心層、骨干層和接入層，基于社團分區和相依網絡理論實現電力通信耦合網絡建模；文獻[10]根據相似性理論，將CPPS撕裂為電力網、信息網和耦合網，綜合考慮邊的權重和方向，提出了一種電力信息相依網絡統一模型。以上研究以復雜網絡和相依網絡為理論基礎，側重研究CPPS系統的網架結構特性，對電力網和信息網間的信息交互考慮似顯缺乏。文獻[11-12]將CPPS中的狀態量和信息傳輸處理環節分別抽象為“節點”和“支路”，建立了CPPS有向拓撲網絡；文獻[13]綜合利用圖論、矩陣論等原理，考慮網間信息流動，提出一種信息流CPPS模型和相關計算方法；文獻[14]以信息網實現無功電壓調節為例，搭建了數據閉環流動的CPPS模型。以上文獻側重在對信息流的描述，對系統拓撲結構描述稍顯欠缺。文獻[15]建立脆弱性鄰接矩陣模型，用來定量評估系統脆弱性；文獻[16-17]將CPPS抽象為物理層、耦合層、信息層，采用關聯矩陣定性描述層內和層間交互關系，進行矩陣化建模；文獻[18-19]提出考慮通信傳輸過程的電力信息物理系統三層模型框架，建立層內和層間的接口關聯矩陣，實現系統脆弱性分析。以上基于關聯矩陣建模對信息網設備考慮較簡單，且大量的矩陣數據存儲龐大，混成計算也較為復雜。另外，針對信息攻擊的研究在近幾年也層出不窮，文獻[1]與文獻[20]總結了CPPS領域中信息攻擊的定義、分類方式以及典型攻擊方式的建模方法，但目前關于信息攻擊的研究大都關注攻擊本身的作用機理，對攻擊內容如何通過信息交互實現大范圍傳播研究較少。

本文從信息物理融合角度出發，將CPPS劃分為電力層、信息層和耦合層三層架構，以信息流交互為關鍵視角，綜合考慮層間關聯關系和層內設備特性，建立以電力層狀態量為“信源”和“信宿”的閉環一體化CPPS模型。同時簡要分析了具體信息攻擊內容在模型中的傳播機制。最后用IEEE 9節點和30節點系統定量推演信息的雙向流動對電網運行狀態的影響，驗證了該模型的合理性。

1 CPPS模型框架

CPPS是一個由電力網和信息網深度耦合的多層異構復合網絡[19]。安裝在電網側的傳感器設備實時采集電力信息并上傳至信息網的控制中心，控制中心依據業務類別對接收數據進行分析處理形成決策指令，再通過執行器實現電網動態調整。信息在CPPS中的閉環雙向流動為電網的安全穩定運行提供了保證。

CPPS三層體系架構如圖1所示，分為電力層、信息層和耦合層。電力層即實際的電力網，由發電機、線路、斷路器、負荷等電力一次設備構成，各設備通過電網側電氣連接緊密耦合。信息層由電力二次設備和相應的信息鏈路構成，對電網進行測量、監控、保護和調節。按照二次設備的功能，又可將信息層分為感知執行層、數據通信層和分析決策層三個層級：其中感知執行層由安裝在電力一次設備上的遠程終端單元RTU（remote terminal unit）組成，RTU內置傳感器和執行器，負責電網信息的采集和控制指令的執行；數據通信層由分布在RTU和控制中心間的信息鏈路組成，每條信息鏈路均可以實現上傳、下達功能；分析決策層即信息網的控制中心，包含數據預處理單元和信息決策單元，負責電網的安全、優質、經濟運行等工作，涉及狀態估計、分析決策、優化運行以及其他管理業務。耦合層是一個虛構的層面，用來描述電力網和信息網的網間交互關系。

圖1 CPPS模型體系架構Fig.1 Framework for CPPS model

細化CPPS中信息流交互過程，得到CPPS信息流示意圖，如圖2所示。其中，RTU設備內置多個傳感器，可同時采集電力設備多個狀態量，狀態量經過A/D模塊轉換為數字量發送。信息上行鏈路各設備對傳輸的數據進行篩選，將重要數據繼續上傳，冗余數據流入數據池（接地支路），以便后續分析。數據上傳過程中面臨噪聲干擾、設備失效、惡意數據攻擊等風險，因此常常設置數據預處理單元對數據辨識處理，包括狀態估計、壞數據檢測等；處理后的數據傳入信息決策單元，優化分析形成決策指令，再由信息下行鏈路傳送至不同執行器，對電網運行參數進行調節。

圖2 CPPS信息流示意Fig.2 Schematic of information flow in CPPS

基于如上所述的CPPS三層框架，考慮信息流上傳、下達具體過程，信息層由RTU設備、上行/下行信息鏈路和控制中心三部分組成，通過采集執行、篩選傳輸、分析決策三個過程，實現對電網的測量、監視、保護和控制；電力層以典型的電力一次設備組成，設備間通過電氣關系緊密聯系；耦合層利用RTU設備的信息采集和決策執行過程將電力層和信息層緊密耦合。

2 CPPS模型

CPPS的本質是搭建一個信息網和物理網之間通過信息流動實現態勢感知、分析決策、精準執行的閉環一體化模型[21]。基于CPPS三層架構，以電力層設備狀態量為“信源”和“信宿”，計及信息傳輸和處理環節，對CPPS系統進行分層建模。將電力層狀態量統一整合為狀態矩陣，狀態量間通過潮流計算實現動態演化；信息層對數據進行傳輸和處理的環節抽象為信息支路，信息支路以輸入-輸出映射關系實現具體功能；將耦合層信息采集和執行過程抽象為耦合支路，耦合支路連接狀態構成了耦合矩陣。

2.1 電力層建模

電力信息是判斷電網處于正常或故障狀態的關鍵指標，也是信息網實現監控、保護功能的重要依據。定義A∈Rn×n為電力網狀態矩陣，儲存電力節點和輸電線路的狀態量，即

式中：n為電力節點數；Aii為節點i的狀態量，用多元數據組[PiiQiiViiθiiTii]表示，分別描述節點 i功率信息(PiiQii)、電壓信息(Viiθii)和拓撲信息(Tii)，其中Tii∈{0 ,1}，Tii=1表示節點i與電網連接，反之表示節點i解列脫網；同理，Aij=[PijQijIijθijTij] 為線路i-j的狀態量，分別描述線路i-j潮流信息、電流信息和拓撲信息，同理Tij∈{0 ,1}，Tij=1表示線路i-j連通，反之表示線路i-j斷開。

2.2 耦合層建模

耦合支路用來描述電力節點或輸電線路和信息層RTU單元的連接關系。若電力節點或輸電線路上安裝了RTU單元，則表示存在一條耦合支路實現物理層與信息層的數據交互。定義W∈Rn×n為耦合支路矩陣。

式中：Wij∈{0 ,1}，對角元素Wii=1表示節點i存在耦合支路（安裝了RTU單元），反之表示節點i不存在耦合支路；非對角元素Wij同理，表示線路i-j是否存在耦合支路。

2.3 信息層建模

信息層通過布置大量信息設備和鏈路保證電網正常運轉。如前所述，信息上傳和下達存在不同結構，因此將信息在信息層的流動分為三個過程分別建模，即信息上傳過程、控制中心處理過程、信息下達過程。分析之前，定義矩陣混成算子“?”滿足如下運算規則：

式中，Y、Z為任意m×n階矩陣，Yij和Zij可為多元數據組或實數，則Yij×Zij存在以下三種情況。

（1）Yij和 Zij均為實數時，Yij×Zij=yijzij

（2）Yij和Zij均為多元數據組時，

2.4 CPPS一體化模型

3 信息攻擊風險傳播機制

CPPS中信息網控制中心各單元間采用高安全性、高可靠性、高帶寬的光纜或無線通信[23]，攻擊難度較大；信息網中下層的傳輸鏈路和RTU設備，分布范圍廣、通信協議中缺乏加密等數據隱秘性安全機制設計，常常成為信息攻擊的對象。

信息攻擊是一種針對控制中心數據預處理單元，誤導預處理結果，從而影響控制中心決策的高級可持續攻擊形式。因此，當前信息攻擊主要是針對信息上傳過程，即攻擊傳感器和上行信息鏈路。攻擊方式有拒絕服務DOS（denial of service）攻擊和惡性數據注入攻擊FDIA（false data injection attack），結合本文建立的模型分析信息攻擊下風險傳播機制。

3.1 DOS攻擊模型

DOS攻擊是一類讓服務器（控制器）無法提供服務的惡意攻擊行為，一般采取惡意手段占用通信資源，導致信息鏈路無法實現正常交互。定義符號變量?，且滿足：

針對K時刻狀態量x不可得，一般利用K-1時刻收到的數據進行分析，即DOS攻擊下數據預處理函數Gpre存在如下計算規則：

3.2 FDIA攻擊模型

FDIA攻擊指以惡意手段篡改電力信息設備的量測數據，造成調控系統對當前系統狀態形成錯誤的認知，進而影響分析判斷的攻擊方式。定義矩陣混成算子“⊕”滿足如下計算規則：

4 算例分析

設控制中心處理優化調度業務，以IEEE 9節點和IEEE 30節點系統為例，分析通信正常和惡意信息攻擊兩種情況下，CPPS模型建立和態勢感知、分析決策的過程，以此驗證模型的合理性和通用性。

控制中心基于直流潮流計算，采用以考慮線路重合閘的最小切負荷量為目標的優化函數，控制中心消除故障后進行故障線路重合閘操作，以減小故障損失。目標函數和約束條件可參照文獻[24]，這里不再敘述。

4.1 模型推演分析

IEEE 9節點系統接線圖如圖3所示，系統參數見matpower的case9.m文件。為簡化分析，設線路閾值容量為初始潮流值的2.5倍。

圖3 IEEE 9節點示意Fig.3 Schematic of IEEE 9-bus system

根據上文所述，系統正常運行時拓撲信息T和耦合矩陣W如下表示，電力網其他狀態量由潮流計算可得，限于篇幅不再羅列。

假設系統穩定運行后，K時刻線路L7-8因永久性故障而開斷，潮流轉移導致線路L4-6和L8-9越限，相應斷路器開關跳開。

4.1.1 通信正常

（1）K+1時刻：RTU采集上傳線路開斷和過載信息。

（2）K+2時刻：控制中心依據接收數據進行優化決策。發電機1增發75.873 MW，發電機2減載133.075 MW，發電機3增發17.127 MW，節點8切負荷40.075 MW。功率調整后，消除了支路過載故障，下達L4-6和L8-9重合閘信號。對應決策單元輸出信息矩陣為

（3）K+3時刻：決策指令經由信息下達過程下達至執行器，對電力網執行對應操作，系統達到新的穩態，失負荷40.075 MW。

4.1.2 信息網遭受攻擊

（1）K+1時刻：RTU采集上傳線路開斷和過載信息。

兩種攻擊方式下，數據預處理單元輸出均為穩定狀態下電力網采集信息，即：即①、②兩種攻擊指令均將線路潮流信息篡改為穩定運行狀態下的潮流信息。

（2）K+2時刻：信息決策單元僅收到線路L7-8的開斷信息，判斷系統發用電功率平衡，不進行功率調整，僅下達線路L7-8合閘指令，即

（3）K+3時刻：電網執行線路L7-8合閘指令，永久性故障導致合閘失敗。此時線路L4-6和L8-9也處于斷開狀態，電網解列成2個子區域。負荷節點8脫網，系統失負荷量100 MW。

4.2 脆弱線路識別

為進一步驗證模型在中大規模系統脆弱性分析的適用性，以IEEE 30節點系統為例，搭建CPPS模型。系統的接線和線路編號如圖4所示，假設發電機容量為初始值的1.1倍，線路容量為初始值的1.4倍。線路脆弱性結果如圖5所示。

圖4 IEEE 30節點系統示意Fig.4 Schematic of IEEE 30-bus system

圖5 IEEE 30節點系統脆弱線路辨識結果Fig.5 Identification result of fragile lines in IEEE 30-bus system

可以看出IEEE 30節點系統存在較多輸電斷面，41條線路中斷開34條線路會引起連鎖過載。信息傳輸鏈路受攻擊時的切負荷量基本與線路初始潮流成正相關，即潮流重的線路更脆弱。線路L1～L10與發電機1、2電氣耦合程度高，一旦發生斷路容易造成發電機節點1、2解列（發電機2節點為最大容量發電機節點），造成大量負荷削減。通信正常能顯著減小線路斷路帶來的損失，保持正常的物理-信息交互是維持電網安全穩定運行的保障。上述分析結果與實際相符，從而驗證了模型的合理性。

5 結語

研究一種框架清晰、適用面廣的CPPS模型是推動智能電網和能源互聯網發展的前提條件。本文將CPPS劃分為電力層、信息層和耦合層三層網架結構，從信息交互角度出發，建立以電力層狀態量為信源和信宿的閉環一體化模型。同時簡要分析了DOS攻擊和FDIA攻擊在此模型下的傳播機制。以控制中心優化調度為例，充分考慮電網運行過程、信息傳遞和處理過程三者之間的交互機制，所得結果驗證了本文模型的合理性和適用性。需要說明的是，本文對信息傳遞過程中延時、誤碼、中斷等故障以及控制中心分級調節尚未考慮，對控制中心預處理函數僅給出功能性定義，將在后續的研究中進一步完善。