[论文解读] Secure State Estimation for Nonlinear Power Systems under Cyber Attacks

Qie Hu, Dariush Fooladivanda+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2016

Smart Grid Security and Resilience参考文献 17被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种针对非线性电力系统在网络物理攻击下的安全状态估计框架，通过将非线性动态转换为线性方程，实现经典纠错方法的应用。该方法可保证每时间步最多纠正 ⌊N/4 + L/2 − 1⌋ 个被污染的测量值，并通过数值仿真展示了攻击信号的精确重构以及攻击下系统的稳定运行。

ABSTRACT

This paper focuses on securely estimating the state of a nonlinear dynamical system from a set of corrupted measurements. In particular, we consider two broad classes of nonlinear systems, and propose a technique which enables us to perform secure state estimation for such nonlinear systems. We then provide guarantees on the achievable state estimation error against arbitrary corruptions, and analytically characterize the number of errors that can be perfectly corrected by a decoder. To illustrate how the proposed nonlinear estimation approach can be applied to practical systems, we focus on secure estimation for the wide area control of an interconnected power system under cyber-physical attacks and communication failures, and propose a secure estimator for the power system. Finally, we numerically show that the proposed secure estimation algorithm enables us to reconstruct the attack signals accurately.

研究动机与目标

• 解决在任意传感器污染下，非线性网络物理系统缺乏安全状态估计方法的问题。
• 克服先前线性系统方法的局限性，后者假设攻击集合固定或采用限制性攻击模型。
• 实现在存在动态攻击和通信故障的互联电力系统中的安全广域状态估计。
• 为估计器可完美纠正的污染数量提供解析保证。
• 通过在真实世界的新英格兰39节点电力系统模型中实现安全估计，证明方法的实际适用性。

提出的方法

• 使用状态变换技术将非线性电力系统动态转换为一组线性方程。
• 对等效线性系统应用经典纠错方法（如LDPC或类似方法），以检测并纠正被污染的测量值。
• 将攻击建模为具有有界基数的任意污染，仅假设已知被污染传感器的数量。
• 利用相量测量单元（PMUs）收集转子角度和速度的同步测量数据，用于状态估计。
• 将安全估计器与广域控制系统（WACS）集成，以重构并反馈纠正后的测量值至本地控制器。
• 利用系统的结构特性，通过一个可纠正每时间步最多 ⌊N/4 + L/2 − 1⌋ 个污染的解码器，将攻击信号与状态估计解耦。

实验结果

研究问题

• RQ1 在任意网络物理攻击下，安全状态估计能否有效扩展至非线性电力系统？
• RQ2 在非线性系统中，使用线性纠错技术最多可完美纠正多少个被污染的测量值？
• RQ3 所提方法在动态攻击下如何维持系统稳定并防止失步？
• RQ4 在通信故障下，估计器能否实时准确重构攻击信号和真实系统状态？
• RQ5 在时变攻击下，估计误差和纠错能力的解析保证是什么？

主要发现

• 所提估计器每时间步最多可纠正 ⌊N/4 + L/2 − 1⌋ 个被污染的测量值，其中 N 为 PMUs 数量，L 为每时间步被污染的测量值数量。
• 每时间步可纠正的非零攻击信号平均数量被限制在 ⌊N/4 + L/2 − N/(2T)⌋ 以内，其中 T 为仿真长度。
• 数值结果表明，在采用安全估计时，发电机1的相角仅从平衡点偏离2.9°（从6.85°变为[6.3°, 9.8°]），有效防止了失步。
• 转子速度保持在[59.95 Hz, 60.07 Hz]之间，表明在攻击下与额定60 Hz的偏差极小。
• 如图2所示，估计器能准确重构攻击信号和真实系统状态，大多数时间步的估计误差为零。
• 若无安全估计，发电机1的相角在7.3秒内达到159°，表明即将发生失步。