智能电网中面向信息-物理安全的虚假信息注入防护方法研究

False data injection attacks made the control center to make wrong decisions by tampering with the grid state estimation value, resulting in physical grid mistakes, even catastrophic results. Therefore, the study of false data injection protection has important significance for building secure, stable operation of the electric power system. This project aims to analysis the impact of false data injection attacks on the security of Electric Cyber-Physical System,the protection model will be built from the three aspects of prevention, detection, fault tolerance. Research the protection of false data injection attacks, put forward the prevention strategy which is based on Phasor Measurement Unit(PMU),design the optimal placement algorithm of PMU, to achieve the best coverage of the system, realize the effective defense against injection attacks; Research the detection algorithm of false data injection attacks,analysis the attack principle of the attack to electric power system state estimation,design the distributed attack detection algorithm. Divide the system into several sub networks,the attack model is mapped to the Jacobian matrix zero space,to deduce the attack vector. Taking into account the subnet Jacobian matrix may be singular,we can take the method of observable island by supplement to achieve attack comprehensive detection. Research the fault tolerance mechanism of false data injection attacks, analysis the impact of the attack on the control system, design of the fault tolerance mechanism which is based on the Byzantine model.Realize algorithms proposed in this project, and verifiy them in electric power system.

虚假信息注入攻击可通过篡改电网状态估计值，使控制中心作出错误决策，导致物理电网故障，甚至造成灾难性后果。因此，研究虚假信息注入防护，对构建安全、稳定运行的智能电网具有重要的意义。本项目拟分析虚假信息注入攻击对智能电网信息-物理系统安全的影响，从预防、检测、容错三个方面构建防护模型。研究虚假信息注入攻击预防问题，提出基于向量测量单元(PMU)的预防策略，设计PMU最优放置算法，达到对系统的最佳覆盖，实现对注入攻击的有效防御；研究虚假信息注入攻击检测算法，分析该攻击对电力系统状态估计的攻击原理，设计分布式攻击检测算法，对系统划分子网，将攻击模型映射到雅克比矩阵零空间，推导出攻击向量，考虑到子网雅克比矩阵可能存在奇异情况，辅以可观测岛方法，实现攻击全面检测；研究虚假信息注入攻击容错机制，分析该攻击对控制系统的影响，设计基于拜占庭模型的容错机制；实现本项目所提出的算法，并在电力系统中加以验证。

智能电网环境下，信息网络和物理电网系统紧密融合、相互影响，是典型的信息物理系统(Cyber-Physical System, CPS)。电力CPS是二元异构复合网络，信息空间的攻击行为可能会导致物理空间实体电网的安全问题。虚假信息注入攻击即是这样一种攻击方式，通过篡改电网状态估计值，使控制中心作出错误决策，导致物理电网故障，甚至造成灾难性后果。因此，虚假信息注入攻击对电力信息物理系统的安全形成了严峻挑战，研究其防护方法，是智能电网信息物理系统安全中重要的研究课题，对构建安全、稳定运行的电力系统具有重要的意义。本项目深入分析虚假信息注入攻击对智能电网信息-物理系统安全的影响，从预防、检测、容错三个方面构建防护模型。针对智能电网信息-物理系统中信息空间与物理空间的耦合关系，分析信息注入攻击对智能电网物理属性造成的影响，重点研究了对静态无功补偿器CSSVC和节点电压稳定性索引NVSI这两个属性的影响，创新性的构建基于多维物理属性的攻击检测模型及算法，以IEEE 14节点、IEEE 39节点、IEEE 118节点为仿真场景，验证了该方法最高可以达到97%的检测率；研究虚假信息注入攻击预防问题，提出基于向量测量单元(PMU)的预防策略，设计PMU最优放置算法，达到对系统的最佳覆盖，实现对注入攻击的有效防御；研究虚假信息注入攻击检测算法，分析该攻击对电力系统状态估计的攻击原理，设计分布式攻击检测算法，对系统划分子网，将攻击模型映射到雅克比矩阵零空间，推导出攻击向量，考虑到子网雅克比矩阵可能存在奇异情况，辅以可观测岛方法，实现攻击全面检测；研究虚假信息注入攻击容错机制，分析该攻击对控制系统的影响，设计基于拜占庭模型的容错机制。研究成果包括论文18篇，其中SCI检索论文7篇，EI检索论文9篇；已受理发明专利5项，已授权发明专利1项，已授权实用新型专利2项；已授权软件著作权1项；出版译著1部。基于本项目成果，项目组与中国电力科学研究院自动化所开展深入合作，就智能变电站监控系统中数据完整性攻击防护开展验证、实践工作。