智能电网中新型能源管理系统的信息完整性攻击及安全策略研究

Advanced Energy Management System (Advanced EMS), as a key component of smart grid, it is a critical issue to make it operating efficiently, safely and stably. Information Integrity Attack (IIA), as an emerging Cyber-attack, is able to initiate serious damages on grid operation by tampering false information in Advanced EMS. In order to figure out the pattern of IIA and establish the countermeasures, this project firstly investigate the attack model against Advanced EMS, according to the research on inner information flow which reflects the operation state of power grid, and external information flow which reflects the interaction between grid and consumers. Then, we propose the defense strategies which are comprised of three parts: optimal configuration of PMU from the information source, false information detection during information transferring and robust security control algorithm from system level. Finally, we verify the effectiveness of the attack models and safety strategies by numerical analysis and hardware in loop simulation. In summary, the research of this project provides a practicable theory and technical approach to deal with the information integrity issues in Advanced EMS.

新型能源管理系统(Advanced Energy Management System，新型EMS)作为智能电网创新能源管理体系中的关键组成部分，其高效、安全和稳定运行至关重要。信息完整性攻击作为一种新型Cyber攻击，通过篡改新型EMS中的信息流给电网运行带来严重危害。为明确新型EMS中信息完整性攻击方式并研究相应的安全策略，本项目首先在研究新型EMS中反映电网运行状态内部信息流、反映电网与用户交互外部信息流的机理模型基础上，从攻击者角度构建针对其信息完整性攻击模型；其次，构建从信息源头的PMU优化配置、信息传输路径中的虚假信息检测以及系统层面鲁棒安全控制算法的三位一体安全策略，以抵御上述信息完整性攻击；最后，通过数值及半实物仿真，验证所构建模型及安全策略的有效性。本项目的研究为解决智能电网视角下新型能源管理系统中的信息完整性安全问题，提供了一套切实可行的理论方法和技术实现途径。

新型能源管理系统(Advanced Energy Management System，新型EMS)作为智能电网创新能源管理体系中的关键组成部分，其高效、安全和稳定运行至关重要。信息完整性攻击作为一种典型的Cyber攻击形式，突破传统数据检测算法的藩篱，从而引导系统做出错误的决策响应，对新型EMS产生严重危害。然而，现有的信息完整性攻击威胁的研究，还不足以明确信息完整性攻击的本质和全部危害，也没有系统的防范策略。为此，本项目以解决新型EMS的信息完整性攻击检测与安全防御为聚焦点，在研究新型EMS中反映电网运行状态内部信息流以及与用户交互外部信息流的基础上，从攻击者的角度分别构建了内部信息流和外部信息流的完整性攻击模型并量化了攻击所造成的危害；其次，分别从设备层、信息层和系统层构建了PMU优化配置、传输路径的虚假信息检测以及新型EMS多层次的信息完整性威胁应对策略，实现了三位一体的安全控制策略；最后，通过数值及半实物仿真，验证了所构建模型及安全策略的有效性。项目的研究揭示了新型EMS面临的信息完整性攻击机理，量化了其带来的危害，提供了高效准确的信息完整性攻击检测方案，奠定了新型EMS的安全控制策略基础。.项目取得的重要进展如下：（1）研究了智能电网内部和外部信息流的机理模型，理清了内部信息流中的状态估计、最优潮流等相关控制算法，明确了外部信息流中用户侧含电动车等储放设备的孤岛型微网和并网型微网中的信息交互与传播方式；（2）研究了智能电网中信息完整性攻击的危害分析、检测策略与解决方案；（3）研究了最优潮流信息完整性攻击的模型，给出寻找信息完整性攻击目标线路和最优攻击临界向量的计算方法；（4）研究了一种改进的最小代价信息完整性攻击模型以及基于PMU优化配置的信息完整性攻击防御策略。.依据相关成果共发表学术论文25篇（其中，SCI期刊论文15篇；EI论文10篇）；申请发明专利5项，授权3项；培养博士研究生5名，毕业4名；培养硕士研究生4名，毕业3名；培养的博士生安豆获陕西省优秀博士学位论文奖，并入选国家博士后创新人才支持计划；获陕西省自然科学二等奖1项，陕西高等学校科学技术奖一等奖1项。