负荷重分配攻击下电–气系统损失评估与脆弱性分析

周步祥; 闵昕玮; 臧天磊; 张远洪; 陈阳; 赵雯雯

doi:10.15961/j.jsuese.202200310

工程科学与技术 ›› 2023, Vol. 55 ›› Issue (01) : 3 -13. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200310

负荷重分配攻击下电–气系统损失评估与脆弱性分析

周步祥, 闵昕玮, 臧天磊, 张远洪, 陈阳, 赵雯雯

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摘要

在电力信息物理系统中，负荷重分配（load redistribution,LR）攻击是一种常见的虚假数据注入攻击。而在天然气网与电网耦合紧密的背景下，针对电–气耦合系统（integrated electricity natural gas system,IEGS）的负荷重分配攻击可能会对系统的安全运行造成更严重的影响。因此本文对电–气耦合下的LR攻击展开深入研究。首先，在分析IEGS双侧协同LR攻击作用机理的基础上，研究LR攻击的实施策略。其次，计及连锁故障对电网的影响，以IEGS经济损失最大为目标函数，建立IEGS下LR攻击的损失评估模型，统一度量了不同能源子系统的损失，量化了不同场景下LR攻击对系统安全经济运行的风险，定义了新的节点综合脆弱性评价指标，全面深层次分析IEGS中的高脆弱性节点。再次，对天然气管道流量方程中的非线性项进行线性化处理，将IEGS调度模型转化并添加到攻击者模型中，作为Karush–Kuhn–Tucher(KKT)最优条件，从而将整个模型转换为混合整数线性规划问题。最后，在IEEE 39节点和改进比利时20节点算例系统上，进行了3种LR攻击场景的仿真，验证了3种攻击在不同攻击资源下的攻击效果，分析了系统高脆弱性节点的分布与变化，并给出了针对不同LR攻击形式的系统综合保护策略。实验结果表明，双侧协同LR攻击会对系统造成更严重的损失，但依据本文评估和分析方法采取综合保护策略后，系统损失显著降低。