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      基于貝葉斯序貫博弈模型的智能電網(wǎng)信息物理安全分析
      • 點(diǎn)擊數:4199     發(fā)布時(shí)間:2019-04-04 13:17:00
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      隨著(zhù)新技術(shù)和更容易獲取的能源數據的使用,智能電網(wǎng)將受到多種攻擊的威脅,安全性變得尤為重要。智能電網(wǎng)的諸多安全問(wèn)題會(huì )出現在通信網(wǎng)絡(luò )和物理設備這兩個(gè)層面,例如注入壞數據和收集客戶(hù)隱私信息的網(wǎng)絡(luò )攻擊,攻擊電網(wǎng)物理設備的物理攻擊等。網(wǎng)絡(luò )攻擊者通過(guò)攻擊智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )系統,獲得未經(jīng)授權的特權來(lái)控制物理過(guò)程的功能。物理攻擊者通過(guò)攻擊智能電網(wǎng)的物理設備,導致電網(wǎng)在發(fā)電、輸電、配電、用電等環(huán)節中斷以及電力系統拓撲結構的改變等。
      關(guān)鍵詞:

      信息物理系統 (Cyber-physical system, CPS) 這一概念是由美國科學(xué)家 Gill 于2006 年在美國國家科學(xué)基金委員會(huì )上提出的,被認為有望成為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第三次浪潮,其核心是 3Cs (Computation, communication, control) 的融合。智能電網(wǎng)是利用信息技術(shù)優(yōu)化從供應者到消費者的電力傳輸和配電網(wǎng)絡(luò )。作為一種信息物理系統,智能電網(wǎng)由物理設備和負責數據計算與通信的網(wǎng)絡(luò )組成,將 3Cs 技術(shù)融合貫穿于發(fā)電、輸電、配電和用電四大環(huán)節,用以提升電網(wǎng)的各項性能指標,包括穩定性、有效性、可靠性、安全性等。

      隨著(zhù)新技術(shù)和更容易獲取的能源數據的使用,智能電網(wǎng)將受到多種攻擊的威脅,安全性變得尤為重要。智能電網(wǎng)的諸多安全問(wèn)題會(huì )出現在通信網(wǎng)絡(luò )和物理設備這兩個(gè)層面,例如注入壞數據和收集客戶(hù)隱私信息的網(wǎng)絡(luò )攻擊,攻擊電網(wǎng)物理設備的物理攻擊等。網(wǎng)絡(luò )攻擊者通過(guò)攻擊智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )系統,獲得未經(jīng)授權的特權來(lái)控制物理過(guò)程的功能。物理攻擊者通過(guò)攻擊智能電網(wǎng)的物理設備,導致電網(wǎng)在發(fā)電、輸電、配電、用電等環(huán)節中斷以及電力系統拓撲結構的改變等。

      目前,智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )安全性研究已經(jīng)取得了顯著(zhù)成績(jì),如孫秋野等[1]指出,能源互聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)融合信息系統與物理能源系統的綜合復雜網(wǎng)絡(luò ),控制優(yōu)化相對復雜,且因與互聯(lián)網(wǎng)的相似性,使得能源互聯(lián)網(wǎng)信息物理安全將成為網(wǎng)絡(luò )研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一。Luo 等[2]研究了虛假數據注入攻擊下,大規模智能電網(wǎng)系統的網(wǎng)絡(luò )安全問(wèn)題,提出了一種基于觀(guān)測器的算法,通過(guò)使用實(shí)時(shí)同步相量測量來(lái)檢測和隔離網(wǎng)絡(luò )攻擊。Hasan 等[3]研究了資源受限的智能電網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò )安全規劃問(wèn)題,為能源 SCADA 系統提出了一個(gè)基于中心的信任系統配置方案,利用中心性測量提升安全保護。近年來(lái)使用博弈論分析智能電網(wǎng)安全的研究越來(lái)越多。Hewett 等[4]在攻擊者和安全管理者之間構建了雙人非零和的完全信息動(dòng)態(tài)博弈,通過(guò)逆向歸納法求出納什均衡解。當系統遭遇攻擊時(shí),防護者根據納什均衡解能夠及時(shí)地做出準確的決策。Maharjan等[5]提出了一種公用事業(yè)公司和終端用戶(hù)之間的斯塔克伯格博弈方法,分析了智能電網(wǎng)的需求響應管理,最大化事業(yè)公司的收入和每個(gè)用戶(hù)的收益。Ma 等[6]利用多動(dòng)態(tài)博弈策略分析電力市場(chǎng)中的擁塞攻擊。攻擊者通過(guò)擁塞攻擊減少攜帶測量信息的信道數量來(lái)操縱區域邊際價(jià)格,從而獲得盈利。防護者能夠保證采用有限數量的信道就可以進(jìn)行信息交付。

      以上針對智能電網(wǎng)安全性的研究,大多數沒(méi)有考慮同時(shí)存在網(wǎng)絡(luò )攻擊和物理攻擊兩種類(lèi)型攻擊者的情形。針對系統管理員 (防護者) 如何確定攻擊者的類(lèi)型,從而選擇最優(yōu)防護策略的安全問(wèn)題,本文提出一種貝葉斯序貫博弈模型來(lái)確定攻擊者的類(lèi)型,從而選擇最優(yōu)防護策略,為系統管理員 (防護者) 及時(shí)地提供決策分析。首先,對事先不確定類(lèi)型的攻擊者和防護者構建靜態(tài)貝葉斯博弈模型。通過(guò)海薩尼轉換,使得防護者知道攻擊者類(lèi)型的概率分布,將不完全信息博弈轉換成完全信息博弈進(jìn)行分析。防護者以μ的概率知道攻擊者類(lèi)型是網(wǎng)絡(luò )攻擊,其中,μ可以通過(guò)智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )組件和物理組件占整個(gè)電網(wǎng)系統的比值計算。經(jīng)過(guò)貝葉斯博弈分析,可以根據攻擊者類(lèi)型為網(wǎng)絡(luò )攻擊的概率和貝葉斯納什均衡解,確定攻擊者的類(lèi)型。

      其次,考慮了攻擊者和防護者之間的序貫博弈模型,能夠有效地幫助防護者進(jìn)行決策分析。利用逆向歸納法分別對兩種類(lèi)型的攻擊者和防護者之間的序貫博弈樹(shù)進(jìn)行分析,根據均衡路徑選擇最優(yōu)策略。通過(guò)貝葉斯博弈和序貫博弈樹(shù)分析,確定攻擊者的類(lèi)型,并且根據均衡路徑可以得到攻擊者的相對最優(yōu)攻擊策略和防護者的相對最優(yōu)防護策略,為保證智能電網(wǎng)的安全運行提供參考。

      參考文獻

      [1] 孫秋野, 滕菲, 張化光. 能源互聯(lián)網(wǎng)及其關(guān)鍵控制問(wèn)題. 自動(dòng)化學(xué)報, 2017, 43(2): 176-194.

      [2] Luo X Y, Yao Q, Wang X Y, Guan X P. Observer-based cyber attack detection and isolation in smart grids. International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 2018, 101: 127-138.

      [3] Hasan M M, Mouftah H T. A study of resource-constrained cyber security planning for smart grid networks. In: Proceedings of the 2016 IEEE Electrical Power and Energy Conference. Ottawa, Canada: IEEE, 2016. 1-6.

      [4] Hewett R, Rudrapattana S, Kijsanayothin P. Cyber-security analysis of smart grid SCADA systems with game models. In: Proceedings of the 9th Annual Cyber and Information Security Research Conference. Oak Ridge, Tennessee, USA: ACM, 2014. 109-112.

      [5] Maharjan S, Zhu Q Y, Zhang Y, Gjessing S, Basar T. Dependable demand response management in the smart grid: a Stackelberg game approach. IEEE Transactions on Smart Grid, 2013, 4(1): 120-132.

      [6] Ma J H, Liu Y T, Song L Y, Han Z. Multiact dynamic game strategy for jamming attack in electricity market. IEEE Transactions on Smart Grid, 2015, 6(5): 2273-2282.

      作者簡(jiǎn)介

      李 軍, 上海大學(xué)機電工程與自動(dòng)化學(xué)院博士研究生. 主要研究方向為信息物理系統, 智能電網(wǎng)安全, 博弈論. 本文通信作者. 

      李 韜, 華東師范大學(xué)數學(xué)科學(xué)學(xué)院教授. 2009 年獲得中國科學(xué)院數學(xué)與系統科學(xué)院博士學(xué)位. 主要研究方向為隨機系統, 信息-物理多主體系統, 博弈論. 

      來(lái)源:自動(dòng)化學(xué)報

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