[发明专利]智能电网线路状态错误数据注入攻击的检测器与检测方法

说明书

本发明涉及智能电网线路状态错误数据注入攻击的检测器与检测方法，属于智能电网安全检测应用领域。本发明由检测器数据收集器、线路标识器、数据聚合器和分类器四部分构成，不同于传统的检测器，本发明提出的检测器可以安装在智能电网的每个子控制器上。本发明充分利用了子控制器的计算资源、存储资源和通信资源设计了分布式检测器框架。每个子控制器均有一个独立的检测器判断是否出现错误数据注入。考虑子控制器计算能力受限的特点，本发明将分类器的训练过程移交给中央控制器，每个子控制器仅仅需要对数据进行分类。同时，本发明根据线路的固有属性，即电阻保持不变的特点，选取了与其相关的六维数组生成样本点作为异常检测的输入。

技术领域

本发明涉及针对智能电网线路状态的错误数据注入这类攻击的检测器与检测方法，属于智能电网安全检测应用领域。

背景技术

智能电网是电网与信息系统紧密结合的大规模复杂系统，包括控制系统、检测系统和物理系统，如图1所示。物理系统产生、传输、分配和使用电力。检测系统验证感知的物理系统数据是否完整，验证后的数据被传输到控制系统，控制系统依据感知数据发出新的控制信号，物理系统根据控制信号进一步执行。物理系统由许多电网物理组件构成，如输电线路和用电终端。检测系统由传感器、PMU(Phasor Measurement Unit，相量测量装置)、信息传输系统和状态评估器组成。控制系统由中央控制器、分布式子控制器和执行器构成。

尽管传统的电网与信息系统结合有效地提高了能源分发效率与异常处理能力。然而，新的脆弱性被暴露，例如攻击者能够利用无线网络的脆弱性来入侵控制系统，从而引起系统错误控制。一个特别值得关注的问题是错误数据注入攻击。

错误数据注入(False Data Injection,FDI)攻击是工业控制系统领域面临的新的安全问题。攻击者通过直接攻击传感器或者入侵通信系统，修改被反馈的感知数据，导致系统状态的错误评估。在智能电网中，输电传输线路状态信息是FDI攻击的目标之一。输电传输线路状态信息是指输电传输线路传感器测量的感知数据，包括线路电流、线路两个终端负载和电压及当前线路是否连接。通过修改线路状态信息，攻击者实现掩盖当前线路真实状态的目的，具体包括：(1)掩盖某些线路断连的状态；(2)将未断连的线路伪装成为断连线路。为了达到上述目的，攻击者需要修改输电传输线路上测量电流和线路两端负载的传感器数值。

面对工业控制系统的错误数据注入攻击，研究人员已经提出的检测方法，可以分为四类：(1)基于冗余的检测器，利用系统状态评估矩阵、传感器数据和系统状态之间的关系进行检测，使用被评估的传感器数据与实际感知数据之间的2范数大小判别系统是否遭遇攻击，当该值大于一个设定阈值时，检测器发出异常警告；(2)基于数据学习的检测器，主要通过挖掘多维感知数据中存在的时间维度和空间维度的关系来判断数据是否遭到修改，所述关系包括连续感知数据之间的关联、离散命令之间的关联及异构的命令和感知数据之间的关联；(3)基于语义分析的检测器，对系统的状态和命令进行解释，验证系统的每一步操作进而检测错误数据注入攻击；(4)基于机器学习分类器的检测器，利用二分类方法训练一个分类器，当新的数据作为输入时，二分类器将数据分为异常和正常。

尽管以上的方法能够有效检测注入的错误数据，仍然存在如下问题：(1)大多数现有的检测方法并未针对智能电网输电传输线路传感器的错误数据注入攻击，如果直接应用于线路状态信息的恶意修改检测，检测准确率低；(2)现有的放在中央控制器的检测机制不能满足子控制器快速操作子系统的需求，当子控制器依据感知数据做决定时，需要等待中央检测器的检测结果，引起了延迟。延迟将导致系统控制延后执行，可能造成物理系统故障，甚至级联失效。

基于以上的问题，我们拟设计一个分布式检测框架，使子控制器自身具有检测功能，不需要依赖于中央控制器的检测结果。

发明内容