计及信息安全约束的广域测量系统PMU优化配置方法

摘要

本发明公开了一种计及信息安全约束的广域测量系统PMU优化配置方法，本发明通过对广域测量系统WAMS中PMU设备的合理优化配置，在保证系统可观性的前提下，使其在面对信息攻击时，可以将状态估计的计算结果偏差限定在设定的阈值之内。本方法在考虑系统安全性时，针对攻击者会考虑电力系统网络脆弱节点或攻击危害影响最大节点来实施信息篡改攻击的可能，保证了系统即使面对最极端的信息篡改攻击选点，也可以保证使其状态估计偏差控制在预设的可以接受的范围内。该方法能在保证系统可观性的前提下，降低系统在受到此类恶意信息篡改攻击时状态估计的偏移，使其控制在预设的可以接受的范围内，达到维护电力信息物理系统安全性的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及智能电网、广域测量系统，尤其涉及一种计及信息安全约束的广域测 量系统PMU优化配置方法。

背景技术

随着用电规模的增加与新能源发电的接入，信息技术正被广泛应用于传统电力系 统，形成一个庞大的复杂的新系统，即电力信息物理系统ECPS(ElectricalCyber PhysicalSystem)。其在为传统电力行业带来诸多便利的同时，也带来了许多潜在的安全 隐患。其中，广域测量系统WAMS(WideAreaMeasurementSystem)是基于同步相量测量技 术和现代通信技术，对地域广阔的电力系统运行状态进行监测、分析，为电力系统实时运行 和控制服务的系统，其核心测量单元是PMU(PhasorMeasurementUnit)。状态估计是WAMS 的主要应用之一，其计算结果的精确性与准确性是电力系系统安全的重要保障。然而，由于 基于PMU的状态估计非常依赖通讯网络来保证其时效性与精度，信息攻击会降低系统状态 估计的精度，甚至使得系统不完全可观。如此不精确的状态估计可以直接使得网络行为误 操作(如纠正控制、快速决策)，从而导致电力系统故障甚至中断。有目的性的攻击者甚至可 以寻找最脆弱的测量数据节点，使得攻击产生的危害影响最大。因此，通过PMU配置的方式， 降低系统在受到此类恶意信息篡改攻击时状态估计的偏移，使其控制在预设的可以接受的 范围内，达到维护电力信息物理系统安全性的目的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种计及信息安全约束的广域测量 系统PMU优化配置方法。

本发明通过对广域测量系统WAMS中PMU设备的合理优化配置，在保证系统可观性 的前提下，使其在面对信息攻击(数据篡改攻击)时，可以将状态估计的计算结果偏差限定 在设定的阈值之内。

其创新性和技术贡献主要体现在以下几个方面：(1)在满足电力系统状态估计可 观性的前提条件下，考虑信息安全因素合理配置PMU布局，从而降低信息攻击带来的计算结 果偏移的影响；(2)本方法在考虑系统安全性时，针对攻击者会考虑电力系统网络脆弱节点 或攻击危害影响最大节点来实施信息篡改攻击的可能，从而通过方法的设计保证了系统即 使面对最极端的信息篡改攻击选点，也可以保证使其状态估计偏差控制在预设的可以接受 的范围内；(3)该方法同时可以应用于工程中安全性指标的选择，建立PMU配置结果与安全 性指标的对应关系，从而使得可以根据实际情况同时考虑安全因素来实施PMU合理布置。通 过MATLAB仿真平台的机遇线性最小二乘状态估计场景的模型搭建与仿真，验证了该方法能 在保证系统可观性的前提下，降低系统在受到此类恶意信息篡改攻击时状态估计的偏移， 使其控制在预设的可以接受的范围内，达到维护电力信息物理系统安全性的目的。

本发明所采用的技术方案如下：

步骤(1)获取电网模型的导纳矩阵Y，节点数N；

步骤(2)采用已有的考虑系统可观性的PMU优化配置方法，得到满足系统可观的 PMU初始配置，从而初始化PMU安装向量P₀，得到PMU安装个数n，并设定不同的目标安全系数 k_i；

步骤(3)根据PMU安装向量P₀获取测量向量M₀与相关矩阵H₀，并设定加权矩阵W；

步骤(4)根据线性最小二乘状态估计方法，计算得到不受攻击条件下状态估计的 结果向量X₀

X₀＝[(H₀^T)^*WH₀]^-1(H₀^T)^*WM₀(1)；

步骤(5)用信息篡改攻击遍历PMU获取的测量向量M₀中的数据元素，篡改量为t，分 别重新计算状态估计结果X，并与X₀比较求得偏移量E。取偏移量最大的结果作为基准E₀

$E=\frac{{\Sigma }_{i=1}^N\left|\frac{X\left(i\right)-X_0\left(i\right)}{X\left(i\right)}\right|}{N}---\left(2\right);$

步骤(6)PMU安装个数n增1。设置控制变量i，并令i为1，令E_minmax为大值；

步骤(7)得到新的PMU安装向量P＝P₀，并令P第i个非零元素为1；

步骤(8)根据新的PMU安装向量P获取测量向量M与相关矩阵H；

步骤(9)用信息篡改攻击遍历PMU获取的测量向量M中的数据元素，

分别重新计算状态估计结果X，并与X₀比较求得偏移量E。取偏移量最大的结果记 作E_max

X＝[(H^T)^*WH]^-1(H^T)^*WM(3)

$E=\frac{{\Sigma }_{i=1}^N\left|\frac{X\left(i\right)-X_0\left(i\right)}{X\left(i\right)}\right|}{N}---\left(4\right);$

步骤(10)若E_max＜E_minmax，则令E_minmax＝E_max；否则直接进行下一步骤；

步骤(11)若i＜N-n，则令i增1，并返回执行步骤7；否则直接进行下一步骤；

步骤(12)令P₀＝P；

步骤(13)若E_minmax＞E₀×k，且n＜N，则返回执行步骤6；若E_minmax＞E₀×k，而n＝N，则 无解；若E_minmax≤E₀×k，则得到目标配置方案的配置向量P₁＝P。

本发明有益效果是：通过PMU配置的方式，降低系统在受到此类恶意信息篡改攻击 时状态估计的偏移，使其控制在预设的可以接受的范围内，达到维护电力信息物理系统安 全性。从具体表现在，(1)在满足电力系统状态估计可观性的前提条件下，考虑信息安全因 素合理配置PMU布局，从而降低信息攻击带来的计算结果偏移的影响；(2)本方法在考虑系 统安全性时，针对攻击者会考虑电力系统网络脆弱节点或攻击危害影响最大节点来实施信 息篡改攻击的可能，从而通过方法的设计保证了系统即使面对最极端的信息篡改攻击选 点，也可以保证使其状态估计偏差控制在预设的可以接受的范围内；(3)该方法同时可以应 用于工程中安全性指标的选择，建立PMU配置结果与安全性指标的对应关系，从而使得可以 根据实际情况同时考虑安全因素来实施PMU合理布置。需要说明的是，(1)传统的电网采用 基于RTU的SCADA系统完成对底层数据的采集与传输并完成状态估计，然而其有采集频率 低，以及系统建设早安全漏洞多等缺点；可以预见，未来基于PMU的WAMS会逐渐取代前者的 这一功效，因为其不但可以保持秒级的采集数据频率，更能采集相角等信息，并且精度高速 度快。(2)尽管，目前电网的信息网络相对公网更加独立；然而攻击者可以直接挟持PMU从而 篡改PMU采集得到的数据，这种方式极难通过防御机制直接侦察；同样，攻击者可以通过改 变端与端之间的信道使得数据失真；另外，针对带有时间标签的数据，可以通过修改其时间 标签使其失效。

附图说明

图1基于PMU的WAMS网络示意图；

图2IEEE14节点系统模型图；

图3考虑安全性的PMU配置方法流程图；

图4PMU配置结果与状态估计偏移指标对应关系图；

图5PMU配置结果与安全性指标的对应关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

由图1可以看到，在广域测量系统中。区域中的PMU将采集到的带有时间标记的数 据汇总至PDC(PhasorDataConcentrator)；而PDC收集完成信息后进一步将信息汇总至更 高一级的sPDC(thesuperPhasorDataConcentrator)。整个过程中既可以通过有线网络 传输数据信息，也可以通过无线网络传输信息。而数据的时间标记由GPS同步。以IEEE14节 点电力网络为例，图2为IEEE14节点系统模型图。其中为了保证系统的可观性，初始布置的 PMU分别位于节点2，节点6，节点8与节点9。根据图3给出的考虑安全性的PMU配置方法流程， 可以如下实施该方法。

步骤(1)获取电网模型的导纳矩阵Y，节点数N为14

步骤(2)采用已有的考虑系统可观性的PMU优化配置方法(比如0-1整数规划法)， 得到满足系统可观的PMU初始配置，从而初始化PMU安装向量P₀，得到PMU安装个数n，目标安 全系数k_i。

由于初始PMU布置位置分别为节点2，节点6，节点8与节点9；因此得P₀＝[0100 0101100000]；节点数n＝4；安全系数不妨设为k₁＝2/3；k₂＝1/2；k₃＝1/3

步骤(3)根据PMU安装向量P₀获取测量向量M₀与相关矩阵H₀，并设定加权矩阵W为单 位矩阵。

步骤(4)根据线性最小二乘状态估计方法，计算得到不受攻击条件下状态估计的 结果向量X₀

X₀＝[(H₀^T)^*WH₀]^-1(H₀^T)^*WM₀(1)

步骤(5)用信息篡改攻击遍历PMU获取的测量向量M₀中的数据元素，分别重新计算 状态估计结果X，并与X₀比较求得偏移量E。取偏移量最大的结果作为基准E₀

$E=\frac{{\Sigma }_{i=1}^N\left|\frac{X\left(i\right)-X_0\left(i\right)}{X\left(i\right)}\right|}{N}---\left(2\right)$

步骤(6)PMU安装个数n增1。设置控制变量i，并令i为1，令E_minmax为10000000

步骤(7)得到新的PMU安装向量P＝P₀，并令P第i个非零元素为1

步骤(8)根据新的PMU安装向量P获取测量向量M与相关矩阵H

步骤(9)用信息篡改攻击遍历PMU获取的测量向量M中的数据元素，篡改量t＝ 10％；分别重新计算状态估计结果X，并与X₀比较求得偏移量E。取偏移量最大的结果记作 E_max

X＝[(H^T)^*WH]^-1(H^T)^*WM(3)

$E=\frac{{\Sigma }_{i=1}^N\left|\frac{X\left(i\right)-X_0\left(i\right)}{X\left(i\right)}\right|}{N}---\left(4\right)$

步骤(10)若E_max＜E_minmax，则令E_minmax＝E_max；否则直接进行下一步骤

步骤(11)若i＜N-n，则令i增1，并返回执行步骤7；否则直接进行下一步骤

步骤(12)令P₀＝P

步骤(13)若E_minmax＞E₀×k，且n＜N，则返回执行步骤6；若E_minmax＞E₀×k，而n＝N，则 无解；若E_minmax≤E₀×k，则得到目标配置方案的配置向量P₁＝P

因此可得，为了达到安全性指标的要求，PMU配置结果如表1所示。当安全系数为2/ 3时，需要配置PMU的节点分别为：节点2，节点6，节点5，节点9与节点12；当安全系数为1/2 时，需要配置PMU的节点分别为：节点2，节点6，节点5，节点9与节点12，节点4，节点14；当安 全系数为1/3时，需要配置PMU的节点分别为：节点2，节点6，节点5，节点9与节点12，节点4， 节点14，节点10，节点7，节点5，节点11。

表IIEEE14节点系统考虑安全性PMU配置结果

考虑到安全系数可能根据实际需求所改变，给出IEEE14节点系统模型在该方法 下，状态估计偏移指标与安全性指标随配置PMU个数增加的变化曲线，分别如图4与图5所 示。