一种电力系统隐形攻击的检测方法、装置及设备与流程

本说明书涉及电力安全防护，尤其涉及一种电力系统隐形攻击的检测方法、装置及设备。

背景技术：

1、随着电力系统的建设和电力信息化的不断深入发展，电力系统遭受外部攻击的可能性也越来越大。电力系统主要由发电机、物理负载、电能传导线、传感器、控制系统和执行系统等组成。其中，电力系统所布置的大量传感器将检测到的电压、电流、频率等参数传递给电力系统的控制器模块，由控制器模块完成电力供应策略调整，并将相关结果传递给电力系统的执行模块，完成电力系统的电力供应的动态调整。

2、攻击者可以通过不正确的行为检测并修改传感器的测量值或者恶意注入错误的信息导致控制器模块做出错误的判断，从而危害电力系统的正常运行。在电力系统实际的运行过程中，物理负载对电力的需求处于动态的变化过程中，这种正常需求带来的扰动同样影响电力系统控制器模块的判断和决策。所以，如何正确地区分正常扰动和外部隐形攻击，并在电力系统遭受隐形攻击时发出正确的预警信号，对于电力系统的安全运行至关重要。

3、目前已有关于电力系统攻击检测的相关技术，例如，中国发明专利申请专利号cn202211710347.6名称为“基于层次聚类的电力物联网多类虚假数据注入攻击检测方法及系统”中将聚类分析中的层次聚类引入到电力物联网的攻击检测之中，并以安全节点的估计值与聚类后得到的估计值进行比较后得到的平均绝对误差为评价聚类的优劣；中国发明专利申请专利号cn201910389561.8名称为“一种智能电网虚假数据注入攻击检测方法”中采用变分模态分解提取虚假数据注入攻击行为特征，并使用在线序列极限学习机作为攻击的检测工具，各个节点的检测相互独立。上述方法对电力系统进行攻击检测时，均没有考虑如何正确区分电力系统正常物理扰动和外部攻击的问题，这可能会导致电力系统产生错误的报警，同时上述方法也没有考虑电力系统运行过程中的动态变化特性，攻击检测效率低。

4、现在亟需一种电力系统隐形攻击的检测方法，从而解决现有技术中无法有效区分电力系统正常负载扰动和外部攻击的问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本说明书实施例提供了一种电力系统隐形攻击的检测方法、装置及设备，根据电力系统正常运行时对物理负载电力需求的动态响应特点对所有电力系统传感器状态测量值进行聚类，得到簇边界，并通过电力系统传感器获取新的状态测量值，按簇边界条件将新获取的状态测量值归入对应的簇中，依次对所有簇的进行隐形攻击检测，判断电力系统是否遭受外部的隐形攻击。

2、为了解决上述技术问题中的任意一种，本说明书的具体技术方案如下：

3、本说明书实施例提供了一种电力系统隐形攻击的检测方法，包括：

4、构建目标电力系统在外部隐形攻击下的物理系统方程；

5、通过所述目标电力系统在外部隐形攻击下的物理系统方程构建初始化矩阵判别式，所述初始化矩阵判别式用于对所述目标电力系统的状态参数集进行动态聚类，所述状态参数为所述目标电力系统中控制模块的输入；

6、根据所述初始化矩阵判别式对在目标时段所述目标电力系统的第一状态参数集进行动态聚类，得到所述目标电力系统在所述目标时段的隐性攻击检测的簇边界；

7、获取所述时段内所述目标电力系统的第二状态参数集，并根据所述簇边界确定所述第二状态参数集中每个所述第二状态参数对应的目标簇；

8、构建所述目标电力系统隐形攻击的检测公式，利用所述隐形攻击检测公式对所述目标簇进行隐形攻击检测，确定所述目标电力系统是否存在隐形攻击。

9、进一步地，所述目标电力系统在外部隐形攻击下的物理系统方程为：；

10、其中，表示 t时段在外部隐形攻击下的所述目标电力系统的状态测量值的一阶导数， g表示描述所述目标电力系统运动方程的第一电力系统矩阵， a’= a+ bkc， a’表示描述所述目标电力系统运动方程的第二电力系统矩阵， b’表示参数， b’= bk， a、b和 k表示常数矩阵， c表示传感器的测量矩阵， y( t)= cx( t)，所述测量矩阵表示在 t时段所述传感器对所述目标电力系统的状态进行测量得到的状态测量值 x( t)与所述目标电力系统的状态参数 y( t)之间的关系， y a( t)表示外部隐形攻击的输入值， d( t)表示 t时段所述目标电力系统的正常负载扰动。

11、进一步地，通过所述目标电力系统在外部隐形攻击下的物理系统方程构建初始化矩阵判别式进一步包括：

12、对所述目标电力系统在外部隐形攻击下的物理系统方程进行拉氏变换，得到所述目标电力系统输入输出的传递函数 g( s) = c( si n- a’) g；其中， g( s)表示所述传感器所测量的状态测量值的拉氏变换， s表示复变数， i n表示 n× n的单位矩阵；

13、构建所述初始化矩阵判别式，其中，表示第| i i|个状态参数与前面| i i|-1个状态参数中的任意一个状态参数 j相似程度的阈值，表示第| i i|个状态测量值的比例常系数的倒数， p j表示第 j个状态参数的比例常系数的倒数，其中j∈｛1,2,3... | i i|-1｝， β j表示判别矩阵 β的第 j行，表示判别矩阵 β的第| i i|行，|| ||表示矩阵范数，所述判别矩阵 β中的每一行对应当前簇中已经存在的一个状态参数向量的特征向量，，|| ||l1表示l1范数，，||表示绝对值， m l表示下三角矩阵，，， mσ表示格拉姆矩阵。

14、进一步地，根据所述初始化矩阵判别式对在目标时段的所述目标电力系统的第一状态参数集进行动态聚类进一步包括：

15、初始化预定数量个未聚类的簇；

16、将所述第一状态参数集中的任意一个未聚类的第一状态参数作为聚类目标状态参数，将聚类目标状态参数划分到任意一个未聚类的簇内；

17、从所述第一状态参数集中的未聚类的一个或多个第一状态参数中选择与所述聚类目标参数之间符合所述初始化矩阵判别式要求的第一状态参数，并划分到所述聚类目标状态参数对应的簇中，直至所述第一状态集中未聚类的一个或多个第一状态参数中不存在与所述类目标参数之间符合所述初始化矩阵判别式要求的第一状态参数，重复执行将所述第一状态参数集中的任意一个未聚类的第一状态参数作为聚类目标状态参数的步骤，直至所述第一状态参数集中不存在未聚类的第一状态参数。

18、进一步地，确定所述簇边界的步骤包括：

19、确定所述第一状态参数对应的传感器与所述第一状态参数所在的簇之间的对应关系；

20、将所述对应关系作为所述簇边界。

21、进一步地，根据所述簇边界确定所述第二状态参数集中每个所述第二状态参数对应的目标簇进一步包括：

22、确定所述第二状态参数对应的传感器，作为聚类目标传感器；

23、根据所述对应关系确定所述聚类目标传感器对应的簇，作为所述目标簇；

24、将所述第二状态参数划分到所述目标簇内。

25、进一步地，构建所述目标电力系统隐形攻击的检测公式进一步包括：

26、构建隐形攻击检测的残差表达式 r i,j( t)= || p j( k) y i( k)( t)- p i( k) y j( k)( t)||，其中 r i,j( t)表示 t时段同一个目标簇中的第 i个第二状态参数和第 j个第二状态参数之间的残差计算结果， p i( k)= a i-1， p j( k)= a j-1， p i( k)表示第 k个目标簇中的第 i个第二状态参数的比例常系数的倒数， p j( k)表示第 k个目标簇中的第 j个第二状态参数的比例常系数的倒数， a i表示第 i个第二状态参数的比例常系数， a j表示第 j个第二状态参数的比例常系数， y i( k)( t)和 y j( k)( t)分别表示第 k个目标簇对应的 t时段第 i个第二状态参数和第 j个第二状态参数，|| ||表示矩阵范数；

27、构建隐形攻击的检测公式 r i,j( t)≥ δ，其中 δ表示预定阈值。

28、进一步地，利用所述隐形攻击检测公式对所述目标簇进行隐形攻击检测，确定所述目标电力系统是否存在隐形攻击进一步包括：

29、利用所述残差表达式计算所有所述目标簇内的任意两个第二状态参数的所述残差计算结果；

30、若任意一个所述目标簇内存在两个状态参数的所述残差计算结果大于或等于所述预定阈值，则确定所述目标电力系统存在隐形攻击。

31、另一方面，本说明书实施例还提供了一种电力系统隐形攻击的检测装置，包括：

32、物理系统方程构建单元，用于构建目标电力系统在外部隐形攻击下的物理系统方程；

33、初始化矩阵判别式构建单元，用于通过所述目标电力系统在外部隐形攻击下的物理系统方程构建初始化矩阵判别式，所述初始化矩阵判别式用于对所述目标电力系统的状态参数集进行动态聚类，所述状态参数为所述目标电力系统中控制模块的输入；

34、簇边界确定单元，用于根据所述初始化矩阵判别式对在目标时段所述目标电力系统的第一状态参数集进行动态聚类，得到所述目标电力系统在所述目标时段的隐性攻击检测的簇边界；

35、第二状态参数聚类单元，用于获取所述时段内所述目标电力系统的第二状态参数集，并根据所述簇边界确定所述第二状态参数集中每个所述第二状态参数对应的目标簇；

36、隐形攻击判断单元，用于构建所述目标电力系统隐形攻击的检测公式，利用所述隐形攻击检测公式对所述目标簇进行隐形攻击检测，确定所述目标电力系统是否存在隐形攻击。

37、最后，本说明书实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述动态接入方法。

38、利用本说明书实施例，根据电力系统正常运行时对物理负载电力需求的动态响应特点对所有电力系统传感器状态测量值进行聚类，得到簇边界，并通过电力系统传感器获取新的状态测量值，按簇边界条件将新获取的状态测量值归入对应的簇中，依次对所有簇的进行隐形攻击检测，判断电力系统是否遭受外部的隐形攻击。通过构建初始化矩阵判别式确定簇边界， 将电力系统传感器实时获取的状态测量值按簇边界条件归入对应的簇中，并利用隐形攻击检测公式对所有簇进行安全检测，判断当前时刻电力系统是否遭受隐形攻击，有效的区分正常负载扰动和外部隐形攻击，保证电力系统的安全运行，并使电力系统做出正确的预警动作。解决了现有技术中无法有效区分电力系统正常负载扰动和外部攻击的问题，同时提高了电力系统隐形攻击的动态检测效率，有效避免外部攻击者恶意攻击电力系统。