适用于电力系统负荷频率控制的虚假数据注入攻击检测方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010823899.2 (22)申请日 2020.08.17 (71)申请人 南京邮电大学 地址 210012 江苏省南京市雨花台区西春 路1号 (72)发明人 黄崇鑫朱茹君伏帅 (74)专利代理机构 南京苏科专利代理有限责任 公司 32102 代理人 姚姣阳 (51)Int.Cl. H04L 29/06(2006.01) (54)发明名称 适用于电力系统负荷频率控制的虚假数据 注入攻击检测方法 (57)摘要 本发明揭示了一种适用于电力系统负荷频 率控制的虚假数据注入攻击检。

2、测方法， 步骤包 括： S1、 构建电力系统负荷频率控制的状态空间 模型； S2、 处理得到离散化负荷频率控制的状态 空间模型； S3、 利用卡尔曼滤波器估计出时刻 下的系统频率偏差与联络线功率偏差； S4、 分别 将系统频率偏差、 联络线功率偏差与二者所对应 的时刻下的偏差作比较， 判断比较结果是否超 过阈值， 若任一比较结果超过阈值则表示测量数 据受到虚假数据注入攻击； S5、 若检测发现受到 虚假数据注入攻击， 则将电力系统链路切换到其 备用链路并发出报警信号。 使用本发明的检测方 法有助于提高电力系统应对网络攻击的能力， 对 保证电力系统整体的安全、 稳定运行具有重要意 义。 权利要求。

3、书2页 说明书7页 附图3页 CN 111988303 A 2020.11.24 CN 111988303 A 1.一种适用于电力系统负荷频率控制的虚假数据注入攻击检测方法， 基于电力系统负 荷频率控制的传递函数模型， 其特征在于， 包括如下步骤： S1、 依据所述电力系统负荷频率控制的传递函数模型构建电力系统负荷频率控制的状 态空间模型； S2、 根据采样周期Ts对所建立的电力系统负荷频率控制的状态空间模型进行离散化处 理， 得到离散化负荷频率控制的状态空间模型； S3、 根据在k时刻的控制量u(k)、 结合测量所得到的系统频率偏差f(k)与联络线功率 偏差Ptie(k)， 利用卡尔曼滤波器。

4、估计出k时刻下的系统频率偏差与联络线功率偏 差 S4、 分别将系统频率偏差f(k)、 联络线功率偏差Ptie(k)与二者所对应的k时刻下的 系统频率偏差联络线功率偏差作比较， 判断二者的比较结果是否超过预 先设定的阈值， 若任一比较结果超过阈值则表示测量数据受到虚假数据注入攻击， 进入后续步骤， 若比较结果均未超过阈值则表示测量数据未受到虚假数据注入攻击， 跳转返回S3， 对k +1时刻下的情况进行比较判断； S5、 若检测发现受到虚假数据注入攻击， 则将受到攻击的电力系统链路切换到其备用 链路并发出报警信号。 2.根据权利要求1所述的适用于电力系统负荷频率控制的虚假数据注入攻击检测方 法， 。

5、其特征在于， 所述电力系统负荷频率控制的状态空间模型表示为： 其中， x(t)为电力系统的状态向量， y(t)为测量输出， u(t)为控制器的输出， d(t)为过 程噪声， (t)为测量噪声， A、 Bu、 Bd均为电力系统的常数矩阵。 3.根据权利要求1所述的适用于电力系统负荷频率控制的虚假数据注入攻击检测方 法， 其特征在于， 所述离散化负荷频率控制的状态空间模型表示为： 其中，HC； 其中， k为采样时刻、 k为正整数， Ts为采样周期， x(k)为系统在k时刻下的状态向量， y(k) 为对应状态的观测信号， d(k)为过程噪声， (k)为测量噪声， 为状态转移矩阵， F为噪声 驱动矩阵。

6、， H为观测矩阵。 4.根据权利要求1所述的适用于电力系统负荷频率控制的虚假数据注入攻击检测方 法， 其特征在于， S3中所述利用卡尔曼滤波器估计出k时刻下的系统频率偏差与联络 线功率偏差迭代计算过程包括： S31、 状态一步预测， 算法公式表示为 权利要求书 1/2 页 2 CN 111988303 A 2 S32、 协方差一步预测， 算法公式表示为 P(k|k-1)P(k-1|k-1)T+FQFT； S33、 确定滤波增益矩阵， 算法公式表示为 K(k)P(k|k-1)HTHP(k|k-1)HT+R-1； S34、 状态估计更新， 算法公式表示为 S35、 协方差阵更新， 算法公式表示为 。

7、P(k|k)In-K(k)HP(k|k-1)； S36、 测量信息更新， 算法公式表示为 在以上公式中， x(k)f(k)， Pt(k)， Pg(k)， Ptie(k)， IACE(k)T； R为测量噪声d(k)的协方差矩阵， Q为过程噪声(k)的协方差矩阵， T表示矩阵转置。 5.根据权利要求1所述的适用于电力系统负荷频率控制的虚假数据注入攻击检测方 法， 其特征在于， S4包括如下步骤： S41、 将系统频率偏差f(k)与其所对应的k时刻下的系统频率偏差作比较， 若满足则表示频率偏差测量信号受到虚假数据注入攻击， 跳 转进入S5， 否则令k+1， 跳转返回S3； S42、 将联络线功率偏差。

8、Ptie(k)与其所对应的k时刻下的联络线功率偏差作 比较， 若满足则表示联络线功率偏差测量信号受到虚假数据 注入攻击， 跳转进入S5， 否则令k+1， 跳转返回S3； 在以上步骤中，1、 2均为预先设定的阈值。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111988303 A 3 适用于电力系统负荷频率控制的虚假数据注入攻击检测方法 技术领域 0001 本发明为一种攻击检测方法， 具体涉及一种适用于电力系统负荷频率控制的虚假 数据注入攻击检测方法， 属于电力系统信息安全领域。 背景技术 0002 现代电力系统是一个巨大的复杂网络系统， 由多个控制区域通过联络线连接构 成。 电力网络的安全稳定运行要求。

9、发电功率与负荷功率保持平衡、 以保证电网频率稳定且 联络线功率在计划值。 电网频率偏离额定值不仅会影响发电厂和用户设备的性能， 甚至会 引发整个电网的频率稳定问题； 而联络线功率偏离计划值则会产生无意交换电量， 给规范 电网控制区域的运行管理带来负面影响。 0003 为了实现对电网频率的维持、 保证联络线功率稳定， 电力系统负荷频率控制逐渐 成为了业内的一项重要手段。 在负荷频率控制闭环中， 需要测量负荷频率偏差与联络线功 率偏差两项关键数据。 上述两项数据通常需要在传感器采集完成后、 经过长距离信息传输 送至电网控制中心内， 因此， 在数据采集和传输这两个环节中都很有可能遭受恶意的网络 攻击。

10、。 虚假数据注入攻击是目前各类恶意攻击中的典型代表， 若测量信号受到虚假数据注 入攻击， 负荷频率控制器将会发出错误的控制指令和决策， 从而影响到电力系统的频率和 区域间联络线功率稳定、 严重威胁电网的安全运行。 0004 综上所述， 为了保证电力系统数据传输过程中的可靠性， 电力通信网一般建有两 个物理隔离的网络通道、 互为备用。 在此背景下， 针对电力系统负荷频率控制问题， 如果能 够实时准确地检测系统频率偏差信号和联络线功率偏差信号是否受到虚假数据注入攻击， 并将受到网络攻击的链路及时切换到其备用链路上， 对于提高电力系统负荷频率控制器的 可靠性、 安全性至关重要， 也就成为了本领域内技。

11、术人员所共同关注的问题。 发明内容 0005 鉴于现有技术存在上述缺陷， 本发明的目的是提出一种适用于电力系统负荷频率 控制的虚假数据注入攻击检测方法， 具体如下。 0006 一种适用于电力系统负荷频率控制的虚假数据注入攻击检测方法， 基于电力系统 负荷频率控制的传递函数模型， 包括如下步骤： 0007 S1、 依据所述电力系统负荷频率控制的传递函数模型构建电力系统负荷频率控制 的状态空间模型； 0008 S2、 根据采样周期Ts对所建立的电力系统负荷频率控制的状态空间模型进行离散 化处理， 得到离散化负荷频率控制的状态空间模型； 0009 S3、 根据在k时刻的控制量u(k)、 结合测量所得。

12、到的系统频率偏差f(k)与联络线 功率偏差Ptie(k)， 利用卡尔曼滤波器估计出k时刻下的系统频率偏差与联络线功 率偏差 说明书 1/7 页 4 CN 111988303 A 4 0010 S4、 分别将系统频率偏差f(k)、 联络线功率偏差Ptie(k)与二者所对应的k时刻 下的系统频率偏差联络线功率偏差作比较， 判断二者的比较结果是否超 过预先设定的阈值， 0011 若任一比较结果超过阈值则表示测量数据受到虚假数据注入攻击， 进入后续步 骤， 0012 若比较结果均未超过阈值则表示测量数据未受到虚假数据注入攻击， 跳转返回 S3， 对k+1时刻下的情况进行比较判断； 0013 S5、 若。

13、检测发现受到虚假数据注入攻击， 则将受到攻击的电力系统链路切换到其 备用链路并发出报警信号。 0014 优选地， 所述电力系统负荷频率控制的状态空间模型表示为： 0015 0016 其中， x(t)为电力系统的状态向量， y(t)为测量输出， u(t)为控制器的输出， d(t) 为过程噪声， (t)为测量噪声， A、 Bu、 Bd均为电力系统的常数矩阵。 0017 优选地， 所述离散化负荷频率控制的状态空间模型表示为： 0018 0019其中，HC； 0020 其中， k为采样时刻、 k为正整数， Ts为采样周期， x(k)为系统在k时刻下的状态向 量， y(k)为对应状态的观测信号， d(k。

14、)为过程噪声， (k)为测量噪声， 为状态转移矩阵， F 为噪声驱动矩阵， H为观测矩阵。 0021优选地， S3中所述利用卡尔曼滤波器估计出k时刻下的系统频率偏差与联 络线功率偏差迭代计算过程包括： 0022 S31、 状态一步预测， 算法公式表示为 0023 0024 S32、 协方差一步预测， 算法公式表示为 0025 P(k|k-1)P(k-1|k-1)T+FQFT； 0026 S33、 确定滤波增益矩阵， 算法公式表示为 0027 K(k)P(k|k-1)HTHP(k|k-1)HT+R-1； 0028 S34、 状态估计更新， 算法公式表示为 0029 0030 S35、 协方差阵更。

15、新， 算法公式表示为 0031 P(k|k)In-K(k)HP(k|k-1)； 0032 S36、 测量信息更新， 算法公式表示为 说明书 2/7 页 5 CN 111988303 A 5 0033 0034 在以上公式中， x(k)f(k)， Pt(k)， Pg(k)， Ptie(k)， IACE(k)T； 0035 R为测量噪声d(k)的协方差矩阵， Q为过程噪声(k)的协方差矩阵， T表示矩阵转 置。 0036 优选地， S4包括如下步骤： 0037S41、 将系统频率偏差f(k)与其所对应的k时刻下的系统频率偏差作比 较， 0038若满足则表示频率偏差测量信号受到虚假数据注入攻 击， 。

16、跳转进入S5， 否则令k+1， 跳转返回S3； 0039 S42、 将联络线功率偏差Ptie(k)与其所对应的k时刻下的联络线功率偏差 作比较， 0040若满足则表示联络线功率偏差测量信号受到虚假 数据注入攻击， 跳转进入S5， 否则令k+1， 跳转返回S3； 0041 在以上步骤中，1、 2均为预先设定的阈值。 0042 与现有技术相比， 本发明的优点主要体现在以下几个方面： 0043 本发明所述的一种虚假数据注入攻击检测方法， 实现了对电力系统负荷频率控制 闭环中反馈的频率偏差信号和联络线功率偏差信号的检测， 进而判断出二者是否遭受虚假 数据注入攻击。 使用本发明的检测方法有助于提高电力系。

17、统负荷频率控制应对网络攻击的 能力， 对保证电力系统整体的安全、 稳定运行具有重要意义。 0044 同时， 本发明的方法流程主要利用数据建模、 数据分析的方式完成， 方法逻辑流程 清晰、 可重复性强， 具有一定的借鉴意义， 使用者还可以根据自身实际的应用需要对方法中 的模型细节和特定操作进行调整， 进而将本发明的方法应用于各种不同的网络攻击检测方 法中， 方法整体的应用前景广阔并具有极高的使用价值。 0045 以下便结合附图， 对本发明的具体实施方式作进一步的详述， 以使本发明技术方 案更易于理解、 掌握。 附图说明 0046 图1为本发明的方法流程示意图； 0047 图2为典型的电力系统负荷。

18、频率控制的传递函数模型框图； 0048 图3为针对频率偏差信号和联络线功率偏差信号的虚假数据注入攻击检测框图。 具体实施方式 0049 本发明针对电力系统负荷频率控制闭环中频率偏差信号和联络线功率偏差测量 信号遭受虚假数据注入攻击的问题， 有针对性地提出了一种适用于电力系统负荷频率控制 的虚假数据注入攻击检测方法， 本发明的具体方案如下。 0050 如图1所示， 本发明揭示了一种适用于电力系统负荷频率控制的虚假数据注入攻 说明书 3/7 页 6 CN 111988303 A 6 击检测方法， 基于如图2所示的、 典型的电力系统负荷频率控制的传递函数模型， 方法包括 如下步骤： 0051 S1、。

19、 依据所述电力系统负荷频率控制的传递函数模型构建电力系统负荷频率控制 的状态空间模型。 0052 所述电力系统负荷频率控制的状态空间模型(LFC状态空间模型)表示为： 0053 0054 其中， 0055 xi(t)fi(t)， Pti(t)， Pgi(t)， Ptiei(t)， IACEi(t)T； 0056 y(t)yi1(t)， yi2(t)T； 0057 u(t)Pci(t)； 0058 d(t)PLi(t)，i(t)T； 0059 0060 0061 0062 Ptiei(t)ifi(t)- i(t)； 0063 IACEi(t)ACEi(t) ifi(t)+Ptiei(t)； 00。

20、64 yi1(t)fi(t)； 0065 yi2(t)Ptiei(t)； 0066 0067 0068 说明书 4/7 页 7 CN 111988303 A 7 0069 0070 0071 0072 其中， x(t)为电力系统的状态向量， y(t)为测量输出， u(t)为控制器的输出， d(t) 为过程噪声， (t)为测量噪声， A、 Bu、 Bd均为电力系统的常数矩阵； 0073 fi(t)为电力系统的频率偏差， Pti(t)为涡轮机功率， Pgi(t)为调速阀位置增 量， Ptiei(t)为联络线功率偏差， ACEi(t)为区域控制偏差， IACEi(t)为ACEi(t)的积分， i为 。

21、频率偏置系数， Ri为下垂系数， Tgi为调速器时间常数， Tti为原动机时间常数， Hi为系统惯性 常数， Di为负荷阻尼系数， Tij为联络线同步系数。 0074 S2、 根据采样周期Ts对所建立的电力系统负荷频率控制的状态空间模型进行离散 化处理， 得到离散化负荷频率控制的状态空间模型。 0075 所述离散化负荷频率控制的状态空间模型表示为： 0076 0077其中，HC； 0078 其中， k为采样时刻、 k为正整数， Ts为采样周期， x(k)为系统在k时刻下的状态向 量， y(k)为对应状态的观测信号， d(k)为过程噪声， (k)为测量噪声， 为状态转移矩阵， F 为噪声驱动矩阵。

22、， H为观测矩阵。 0079 S3、 根据在k时刻的控制量u(k)、 结合测量所得到的系统频率偏差f(k)与联络线 功率偏差Ptie(k)， 利用卡尔曼滤波器估计出k时刻下的系统频率偏差与联络线功 率偏差 0080此处所述利用卡尔曼滤波器估计出k时刻下的系统频率偏差与联络线功 率偏差迭代计算过程包括： 0081 S31、 状态一步预测， 算法公式表示为 0082 说明书 5/7 页 8 CN 111988303 A 8 0083 S32、 协方差一步预测， 算法公式表示为 0084 P(k|k-1)P(k-1|k-1)T+FQFT； 0085 S33、 确定滤波增益矩阵， 算法公式表示为 00。

23、86 K(k)P(k|k-1)HTHP(k|k-1)HT+R-1； 0087 S34、 状态估计更新， 算法公式表示为 0088 0089 S35、 协方差阵更新， 算法公式表示为 0090 P(k|k)In-K(k)HP(k|k-1)； 0091 S36、 测量信息更新， 算法公式表示为 0092 0093 在以上公式中， x(k)f(k)， Pt(k)， Pg(k)， Ptie(k)， IACE(k)T； 0094 其中， R为测量噪声d(k)的协方差矩阵， Q为过程噪声(k)的协方差矩阵， T表示矩 阵转置。 0095 S4、 分别将系统频率偏差f(k)、 联络线功率偏差Ptie(k)与。

24、二者所对应的k时刻 下的系统频率偏差联络线功率偏差作比较， 判断二者的比较结果是否超 过预先设定的阈值； 0096 若任一比较结果超过阈值则表示测量数据受到虚假数据注入攻击， 进入后续步 骤； 0097 若比较结果均未超过阈值则表示测量数据未受到虚假数据注入攻击， 跳转返回 S3， 对k+1时刻下的情况进行比较判断。 0098 具体而言， 此处的比较过程包括： 0099S41、 将系统频率偏差f(k)与其所对应的k时刻下的系统频率偏差作比 较， 0100若满足则表示频率偏差测量信号受到虚假数据注入攻 击， 跳转进入S5， 否则令k+1， 跳转返回S3； 0101 S42、 将联络线功率偏差Pt。

25、ie(k)与其所对应的k时刻下的联络线功率偏差 作比较， 0102若满足则表示联络线功率偏差测量信号受到虚假 数据注入攻击， 跳转进入S5， 否则令k+1， 跳转返回S3。 0103 在以上步骤中，1、 2均为预先设定的阈值。 0104 S5、 若检测发现频率偏差测量信号遭受虚假数据注入攻击， 则立即将当前传输频 率偏差信号的链路切换到它的备用链路， 并发出报警信号。 0105 同理， 若检测发现联络线功率偏差测量信号遭受虚假数据注入攻击， 则立即将当 前传输联络线功率偏差测量信号的链路切换到它的备用链路， 并发出报警信号。 0106 需要补充说明的是， 本发明所涉及的电力系统负荷频率控制的频。

26、率偏差测量信号 说明书 6/7 页 9 CN 111988303 A 9 以及联络线功率偏差测量信号虚假数据注入攻击检测框图如图3所示。 0107 综上所述， 本发明所述的一种虚假数据注入攻击检测方法， 实现了对电力系统负 荷频率控制闭环中反馈的频率偏差信号和联络线功率偏差信号的检测， 进而判断出二者是 否遭受虚假数据注入攻击。 使用本发明的检测方法有助于提高电力系统负荷频率控制应对 网络攻击的能力， 对保证电力系统整体的安全、 稳定运行具有重要意义。 0108 同时， 本发明的方法流程主要利用数据建模、 数据分析的方式完成， 方法逻辑流程 清晰、 可重复性强， 具有一定的借鉴意义， 使用者还。

27、可以根据自身实际的应用需要对方法中 的模型细节和特定操作进行调整， 进而将本发明的方法应用于各种不同的网络攻击检测方 法中， 方法整体的应用前景广阔并具有极高的使用价值。 0109 对于本领域技术人员而言， 显然本发明不限于上述示范性实施例的细节， 而且在 不背离本发明的精神和基本特征的情况下， 能够以其他的具体形式实现本发明。 因此， 无论 从哪一点来看， 均应将实施例看作是示范性的， 而且是非限制性的， 本发明的范围由所附权 利要求而不是上述说明限定， 因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有 变化囊括在本发明内。 0110 最后， 应当理解， 虽然本说明书按照实施方式加以描述， 但并非每个实施方式仅包 含一个独立的技术方案， 说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见， 本领域技术人员应当 将说明书作为一个整体， 各实施例中的技术方案也可以经适当组合， 形成本领域技术人员 可以理解的其他实施方式。 说明书 7/7 页 10 CN 111988303 A 10 图1 说明书附图 1/3 页 11 CN 111988303 A 11 图2 说明书附图 2/3 页 12 CN 111988303 A 12 图3 说明书附图 3/3 页 13 CN 111988303 A 13 。