[发明专利]一种基于三层模型的电网信息物理安全风险检测方法

权利要求书

1.一种基于三层模型的电网信息物理安全风险检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，输入数据，具体输入包括：FDIA情况下需执行检测的电力系统的物理参数和运行数据案例，以及恶意数据程度因子ρ，所述输入数据为常数，所述FDIA为恶意数据注入攻击；

步骤S2，数据建模：模拟的恶意数据通过线性约束建模；电力系统调度中心收到的系统运行数据被FDIA注入恶意数据而被篡改，成为错误数据，为已知数据，而系统运行的真实数据，即攻击之前的数据，则为未知数据；基于上述两种对应数据的关系，根据调度中心收到的上述错误数据，对其所对应的电力系统运行真实数据通过线性约束进行建模：

表示未知的系统运行真实数据的预期集合；

(1)式针对FDIA常见的目标数据类型也即电力系统负荷节点的电力负荷数据向量：D为系统调度中心收到的包含恶意数据的负荷数据向量；d为未知的真实负荷数据向量；ρ为站在防御性检测角度所使用的恶意数据程度因子；T表示矩阵的转置的含义；

步骤S3，执行风险检测，检测功能通过具有检测-攻击-计算结构的三层优化模型实现，其中(2.1)-(2.8)为模型的上层即检测层、(2.9)-(2.10)为模型的中层即攻击层、(2.11)-(2.13)为模型的下层即计算层，模型如下：

subject to

-r⁰≤f≤r⁰ (2.3)

r≥r⁰ (2.4)

1^TP＝1^TD (2.5)

P_min≤P≤P_max (2.6)

f＝SF(KP·P-KD·D) (2.7)

subject to

subject to

该模型的检测机理为：通过攻击层构建在步骤S1-S2所述FDIA的最坏情形下的恶意负荷数据攻击，具体以未知的真实负荷数据向量d体现；通过检测层模拟相对应的缓解措施即纠正性调度，具体以机组纠正性调度向量P体现；通过计算层评定上述攻击和缓解措施下的电网运行安全风险，具体以电网潮流过载程度攻击下潮流水平向量r体现；

各公式和各符号的具体作用详述如下：上层(2.1)最小化安全越限指标以求解在当前系统遭遇最坏攻击情形时运行员利用缓解措施也即机组纠正性调度向量P所能达到的最小的网络安全越限，权重因子ω＞0，V是V_l构成的向量，V_l表示线路l的过载的标幺值，V^max表示所有线路的最大过载的标幺值，由(2.2)定量获得，其中(2.2)中的r_l为向量r中的元素，为向量分r⁰中的元素；检测对象为当前系统，因此系统安全通过在(2.3)中将电网物理潮流向量f限制在其当前电网线路容量向量r⁰中而得以体现，而(2.4)中的攻击下潮流水平向量r则大于或等于r⁰，对于r补充说明如下：根据(2.1)至(2.4)，若线路l过载则V_l＞0，否则V_l＝0；而r被传递到下层以检测进一步的安全越限；接着，凭借在(2.8)中将松弛变量向量驱使至0，r的值即可体现出在最坏攻击情形下的真实潮流的越限程度，并被用于在(2.2)中计算V_l，(2.5)-(2.7)用于模拟实施缓解措施，也即求解机组纠正性调度向量P，(2.5)-(2.7)三式依次代表系统功率平衡约束、发电机功率上下限约束和潮流方程，其中KP为节点-机组耦合矩阵，KD为节点-负荷耦合矩阵；P_max和P_min为发电机组出力上下限向量；(2.8)将从中下层传递而来的松弛变量利用很小的线路潮流过载容忍度ε驱使至0，以使r能代表真实潮流越限，接着，中层最大化(2.9)即代表真实潮流越限的正数松弛变量之和，以在(2.10)的预期恶意数据集合之上构建最坏攻击情形即求解最优的其中ρ为前述的恶意数据程度因子；下层根据上中层传递的变量r，P和d，系统通过约束(2.12)基于潮流极限乘子η利用潮流越限的松弛变量s，求解系统在正常状态下的真实潮流，系统通过约束(2.13)基于潮流极限乘子η^c利用潮流越限的松弛变量v_l，求解系统在N-1线路故障状态下的真实潮流，并通过(2.11)最小化松弛变量之和，从而利用松弛向量的值定量获取真实潮流的越限数值；同时，松弛变量将在中层中被最大化以建立最坏情形攻击，并被传递至(2.8)以供安全检测；其中，η^c≥η；在(2.13)中，U_l(KP·P-KD·d)所示的向量表示线路l∈K在单一线路故障后的潮流，集合K为考虑了单一线路故障对其影响的重要线路集合，U_l为对于线路l∈K的在单一线路故障发生之后的潮流转移因子矩阵，SF为系统正常状态下的潮流转移因子矩阵；

所述三层优化模型的迭代求解算法，其包含以下步骤：

步骤S3-1，初始化，割集设为空集；

步骤S3-2，将此割集内所有割添加为原三层优化模型的上层问题的约束，求解增加约束后的新的上层问题，其为一个单层优化问题，其求解结果即其最优解给出了本次迭代中各变量的值；

步骤S3-3，将步骤S3-2的最优解中的变量的值P和r作为常数，将中下层所示的双层优化问题，基于卡罗需-库恩-塔克条件，转为单层问题求解，根据其最优解生成新的Benders割如下：

其中，λ和为模型中系统正常状态安全约束(2.12)所对应的拉格朗日乘子向量，μ_l和均为模型中系统单一线路故障状态安全约束(2.13)所对应的拉格朗日乘子向量；

步骤S3-4，判断终止条件如下：约束(3)所示的不等式关系是否满足；若满足，则终止；否则，将其(3)添加入割集，返回步骤S3-2继续迭代；

步骤S4，输出风险评估结果，其中攻击下潮流水平向量r一方面筛查出系统敏感元件，即在FDIA之下安全越限程度最高的输电元件，另一方面定量给出了攻击下的潮流越限程度，其体现电网在遭遇攻击时实施缓解措施之后仍然无法被平抑的风险水平。

2.根据权利要求1所述的一种基于三层模型的电网信息物理安全风险检测方法，其特征在于，所述模型具体考虑的FDIA是诱发潮流越限而导致的电力系统运行安全风险，对该风险的评估结果由步骤S3模型的最优解定量给出，其中攻击下潮流水平向量r将显示发生风险的线路以及这些线路的潮流超过当前电网线路极限的程度；所述模型的攻击层具体考虑的攻击类型是以负荷数据为目标的恶意数据注入攻击，其模拟攻击时的恶意数据范围由该攻击层中的恶意数据程度因子ρ确定。