针对负荷重分配攻击的移动目标防御策略

doi:10.11930/j.issn.1004-9649.202401005

中国电力 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (9): 44-52.DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202401005

• 面向电力基础设施的跨域攻击威胁与防御 • 上一篇下一篇

针对负荷重分配攻击的移动目标防御策略

贺全鹏¹(), 刘苇²(), 杨维永²(), 魏兴慎²(), 王琦¹()

1. 东南大学电气工程学院，江苏南京　210096
2. 南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏南京　211106

收稿日期:2024-01-02 接受日期:2024-06-14 出版日期:2024-09-28 发布日期:2024-09-23
作者简介:贺全鹏（2000—），男，硕士研究生，从事电力系统虚假数据注入攻击及移动目标防御研究，E-mail：220222735@seu.edu.cn
刘苇（1986—），男，工程师，从事操作系统安全、云计算安全、移动安全和工业信息安全等研究，E-mail：liuwei5@sgepri.sgcc.com.cn
杨维永（1978—），男，高级工程师（研究员级），CCF专业会员，从事网络安全、物联网研究，E-mail：yangweiyong@sgepri.sgcc.com.cn
魏兴慎（1986—），男，工程师，从事边缘计算、物联网、工业信息安全和云计算安全等研究，E-mail：weixingshen@sgepri.sgcc.com.cn
王琦（1989—），男，通信作者，博士，副教授，从事电力信息物理系统、电力系统网络安全、人工智能在电力系统中应用等研究，E-mail： wangqi@seu.edu.cn
基金资助:
国家电网有限公司科技项目（5108-202218280A-2-293-XG）。

A Moving Target Defense Strategy against Load Redistribution Attacks

Quanpeng HE¹(), Wei LIU²(), Weiyong YANG²(), Xingshen WEI²(), Qi WANG¹()

1. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China
2. NARI Group Corporation (State Grid Electric Power Research Institute), Nanjing 211106, China

Received:2024-01-02 Accepted:2024-06-14 Online:2024-09-28 Published:2024-09-23
Supported by:
This work is supported by Science and Technology of SGCC (No.5108-202218280A-2-293-XG).

摘要/Abstract

摘要：

负荷重分配攻击考虑电力系统实际设备配置及实际运行情况，通过篡改负荷量测对电力系统安全稳定运行造成威胁。提出一种基于拓扑变换的移动目标防御方法，通过变换系统拓扑结构破坏攻击者对电力系统信息的掌握程度，实现对负荷重分配攻击的防御，为电力系统安全可靠运行提供保障。首先，建立负荷重分配双层优化模型，对攻击策略进行分析；然后，分析拓扑结构的优化重构方式，建立拓扑结构变换的优化模型；最后，将拓扑结构优化算法与状态估计相结合实现移动目标防御，完成对负荷重分配攻击的检测。在IEEE 14节点系统中对所提方法进行了测试与分析，算例证明基于拓扑变换的移动目标防御方法能够对负荷重分配攻击进行有效防御，增强电力系统的抗攻击能力。

关键词: 状态估计, 负荷重分配攻击, 拓扑变换, 混合整数线性规划, 移动目标防御

Abstract:

The load redistribution attack considers the actual equipment configuration and operation of the power system, and poses a threat to the safe and stable operation of the power system by tampering with load measurements. This paper proposes a moving target defense method based on topology control, which destroys the attacker's grasp of the power system information through transforming the system topology, thereby achieving the defense against load redistribution attacks and providing guarantees for the safe and reliable operation of the power system. Firstly, a bi-layer optimization model of load redistribution is established to analyze the attack strategy. Secondly, the optimization reconstruction mode of topology structure is analyzed to establish a network topology optimization model. Finally, the network topology optimization algorithm is combined with the state estimation to achieve moving target defense and testing of load redistribution attacks. The proposed method was tested in an IEEE 14 bus system, and it was proved that the proposed moving target defense method based on topological transformation can effectively defend load redistribution attacks and enhance the attack resistance of the power system.

Key words: state estimation, load redistribution attack, topological transformation, mixed integer linear programming, moving target defense

贺全鹏, 刘苇, 杨维永, 魏兴慎, 王琦. 针对负荷重分配攻击的移动目标防御策略[J]. 中国电力, 2024, 57(9): 44-52.

Quanpeng HE, Wei LIU, Weiyong YANG, Xingshen WEI, Qi WANG. A Moving Target Defense Strategy against Load Redistribution Attacks[J]. Electric Power, 2024, 57(9): 44-52.

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图/表 9

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项目	发电机编号
项目	1	2	3	4	5
所在节点	1	2	3	6	8
成本系数/(美元·h^–1)	20	30	40	50	35
功率上限(p.u.)	3	0.5	0.3	0.5	0.2
功率下限(p.u.)	0	0	0	0	0

项目	发电机编号
项目	1	2	3	4	5
所在节点	1	2	3	6	8
成本系数/(美元·h^–1)	20	30	40	50	35
功率上限(p.u.)	3	0.5	0.3	0.5	0.2
功率下限(p.u.)	0	0	0	0	0

状态	发电机功率(p.u.)					切负荷量(p.u.)	运行成本/ (美元·h^–1)
状态	1	2	3	4	5	切负荷量(p.u.)	运行成本/ (美元·h^–1)
攻击前	2.0720	0	0	0	0	0	4144.0
攻击后	1.7592	0	0.3	0	0	0.0128	4846.4

状态	发电机功率(p.u.)					切负荷量(p.u.)	运行成本/ (美元·h^–1)
状态	1	2	3	4	5	切负荷量(p.u.)	运行成本/ (美元·h^–1)
攻击前	2.0720	0	0	0	0	0	4144.0
攻击后	1.7592	0	0.3	0	0	0.0128	4846.4

节点编号	2_0	2_1	3	4	5	6	7
原始注入	–0.1533		–0.7497	–0.3805	–0.0652	–0.0824	–0.0267
攻击注入	–0.2401		–0.8137	–0.1893	–0.0956	–0.0856	–0.0267
防御注入	–0.2754	–0.0015	–1.1362	–0.1879	–0.0743	–0.0835	0.0204

节点编号	8	9	10	11	12	13	14
原始注入	–0.0019	–0.2317	–0.0777	–0.0429	–0.0423	–0.1196	–0.1227
攻击注入	–0.0019	–0.1137	–0.0417	–0.0289	–0.0179	–0.0656	–0.0631
防御注入	–0.0076	–0.1101	–0.0505	–0.0122	–0.0306	–0.0553	–0.0529

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A Moving Target Defense Strategy against Load Redistribution Attacks

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调度方案	切负荷量(p.u.)	运行成本/ (美元·h^–1)	残差结果	残差检测阈值
正常经济调度	0	4144.0	0.0483	0.0662
错误经济调度	0.0128	4846.4	0.0483
拓扑变换经济调度	0	4144.0	0.2186

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