[论文解读] Evaluating Power System Vulnerability to False Data Injection Attacks via Scalable Optimization

Zhigang Chu, Jiazi Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2016

Smart Grid Security and Resilience参考文献 12被引用 5

一句话总结

该论文提出了三种可扩展的优化算法，用于评估电力系统在导致线路过载的虚假数据注入（FDI）攻击下的脆弱性。通过将双层攻击问题重新表述为混合整数线性规划问题，并引入基于边界的技术，这些方法能够高效计算大规模系统（如2383母线波兰电网）下的最坏情况攻击影响，表明算法1可找到最优攻击，而算法2和3则分别提供了脆弱性的紧致下界和上界，并实现了显著的计算加速。

ABSTRACT

Physical consequences to power systems of false data injection cyber-attacks are considered. Prior work has shown that the worst-case consequences of such an attack can be determined using a bi-level optimization problem, wherein an attack is chosen to maximize the physical power flow on a target line subsequent to re-dispatch. This problem can be solved as a mixed-integer linear program, but it is difficult to scale to large systems due to numerical challenges. Three new computationally efficient algorithms to solve this problem are presented. These algorithms provide lower and upper bounds on the system vulnerability measured as the maximum power flow subsequent to an attack. Using these techniques, vulnerability assessments are conducted for IEEE 118-bus system and Polish system with 2383 buses.

研究动机与目标

• 解决现有双层优化方法在评估大规模电力系统FDI攻击影响时的可扩展性局限。
• 开发计算高效的算法，以评估具有数千个母线的系统中FDI攻击的最坏物理后果，特别是线路过载。
• 为精确解难以求解的大规模系统提供最优解以及脆弱性严重程度的紧致下界和上界。
• 实现对实际系统（如IEEE 118母线系统和2383母线波兰系统）的实用化脆弱性评估。

提出的方法

• 将FDI攻击问题建模为双层优化问题：攻击者最大化目标线路在重新调度后的有功功率流，而系统运营商通过求解最优潮流（OPF）来平衡系统。
• 利用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件将双层问题转化为单层混合整数线性规划（MILP），并将非凸的互补松弛条件重新表述为混合整数约束。
• 提出算法1以减少二元变量和线路热稳定极限约束，从而在较小系统中实现精确最优解。
• 提出算法2通过进一步减少发电极限约束和二元变量，以牺牲最优性为代价，获得脆弱性的下界。
• 开发算法3，利用线性规划计算最大功率流的下界和上界，通过最大化网络侧与物理侧有功功率流之间的差异。
• 采用GUROBI作为求解器，MATPOWER用于潮流建模，所有算法均在IEEE 118母线系统和2383母线波兰系统上进行测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用可扩展优化方法高效计算大规模电力系统中导致线路过载的最坏情况FDI攻击？
• RQ2 在大规模系统中，所提出的算法在计算效率和解质量方面如何比较？
• RQ3 算法2和3提供的下界和上界在多大程度上逼近真实最坏情况攻击影响？
• RQ4 在何种条件下，算法3的边界能紧密包围最优解？
• RQ5 所提出的方法能否应用于具有数千个母线的实际系统，如波兰2383母线系统？

主要发现

• 算法1成功计算了IEEE 118母线系统中最坏情况FDI攻击的最优解，通过减少二元变量和约束，实现了精确解。
• 对于2383母线波兰系统，算法1在合理时间内未能收敛，表明精确方法存在可扩展性限制。
• 算法2提供了可行的攻击解，导致显著的线路过载，且在波兰系统中部分线路的下界比算法3更紧。
• 算法3生成了最大功率流的下界和上界，且在波兰系统中线路292的边界完全相等（即边界紧致），表明在$N_1 \in [0.1, 1.6]$范围内找到了最优解。
• 对于IEEE 118母线系统的目标线路141，三种算法均达到了相同的最优解，证实了边界方法的有效性。
• 算法3的计算时间显著低于算法1和2，使其成为大规模脆弱性评估中最高效的方法。