带有约束条件的电力系统物理-网络协同攻击方法及攻防博弈研究

Coordinated physical-cyber attacks incorporating the harmfulness of physical attack and the concealing of cyber attack have a great impact on the power system. However, the research is still less. This project studies the coordinated physical-cyber attacks and the game behaviors between attacker and defender. The main contents are as follows. First, the characteristics of different data integrity attacks are analyzed. Thus, the coordinated physical-cyber attacks under complete and incomplete system information are studied based on state estimation and the optimal attacking strategies are also studied with cost constraints. Second, the cost and payment functions of attack and defense are generated based on the importance of physical lines and measuring equipment, and the general coordinated attack-defense game model is obtained. Third, for incomplete system information, the attack-defense process with fixed and increasing system information is studied based on the Bayesian game theory. Finally, considering the attacker with limited rationality, the impacts of fast and slow learning rules on the attack-defense process are studied based on the evolutionary game theory. Through the studies of the project, the coordinated physical-cyber attacking strategies under incomplete information and cost constraint can be obtained, and the attack-defense game models under complete information, incomplete information and limited rationality of attacker can be generated. Relevant results can reveal the coordinated physical-cyber attacks with constraints and the behavior characteristics of attacker and defender in power system, which can obtain the weaknesses of power system to provide guidance for better protection of its physical and information security.

物理-网络协同攻击综合物理攻击的危害性和网络攻击的隐蔽性，会对电力系统产生较大的影响，但相关研究较少。本项目研究带有条件约束的电力物理-网络协同攻击方法和攻防者的博弈行为。主要内容包括：分析数据完整性攻击的特点，基于状态估计研究完全和不完全系统信息下的物理-网络协同攻击方法，研究成本约束下最优的攻击方法；基于物理线路和量测设备的重要性建立攻防代价和支付函数，建立协同攻防博弈一般模型；针对不完全系统信息，基于贝叶斯博弈研究系统信息固定和增长时的攻防过程；针对攻击者的有限理性，基于演化博弈研究快速和慢速学习规则对攻防过程的影响。通过本项目的研究将获得不完全信息和成本约束下的物理-网络协同攻击方法，并获得完全信息、不完全信息和攻击者有限理性下的攻防博弈模型。相关结果可揭示带有约束条件的电力物理-网络协同攻击方法和攻防者的行为特征，获得电力系统的薄弱环节，为保护其物理和信息安全提供指导。

电力系统面临的威胁不仅来自物理侧还包括信息侧。物理攻击、网络攻击以及协同攻击严重危害着电力系统的安全稳定运行。基于双层和多层规划建立了物理-网络协同攻击和防御模型。结果表明，攻击更倾向于增加负荷需求较高的母线的负荷，且攻击成本越高，对电力系统的影响越严重。考虑系统运行状态（新能源出力和负荷需求）的不确定，基于双层规划建立了电力虚假数据攻击模型。研究结果表明，同时存在出力和负荷波动与电力虚假数据攻击时，线路更容易过载。考虑系统的空间特性，建立了信息系统分层的信息物理电力系统空间模型。研究结果表明，电力组件比信息组件重要、发电节点的边比节点重要且区域攻击中边故障的覆盖范围更广。考虑一般化的推广，建立了信息物理系统的空间模型和弱依存动态连锁故障模型。研究结果表明，弱依存关系也会使得信息系统加剧物理系统故障，且针对特定部件的攻击具有较好的效果。考虑攻击者和防御者的防御资源分配，建立了完全信息下的信息物理电力系统攻防动态博弈模型。研究结果表明，攻防双方需将所有资源集中到最脆弱区域才能达到均衡。考虑防御者的发电/加固资源分配，基于三层规划建立了地理耦合系统的攻防模型。研究结果表明，考虑和不考虑信息系统故障表现出不同的负荷损失和攻防策略。考虑网络攻击中风险量测节点未知的情况，建立了基于贝叶斯博弈的攻防模型，通过将不完全信息博弈转换为信息完全但是不完美博弈，并利用历史知识更新防御者对攻击者类型后验概率的更新。研究结果表明随着博弈的进行，防御者在风险量测节点上的防御概率越来越高，即可以有效地防御攻击。考虑信息边添加的便捷性和低成本，建立了针对空间信息物理电力系统的信息边添加策略，研究了数目和长度两种成本约束。研究结果表明，特定的添加方式总是表现较好。上述研究内容和结果可更好地帮助理解信息物理电力系统，为其安全性分析提供依据，为建立保护和防御策略提供支持。