基于自适应卡尔曼滤波器的电力信息物理系统攻击检测方法

文档序号：25033348发布日期：2021-05-11 17:04阅读：218来源：国知局

本发明属于电力信息物理系统信息安全领域，涉及一种基于自适应卡尔曼滤波器的电力信息物理系统攻击检测方法。

背景技术：

电力信息物理系统攻击检测方法主要由电力系统、信息系统和攻击检测方法三部分组成。电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成；信息系统是电力系统中各个环节和不同层次相应的信息与控制；攻击检测方法是及时发现电力系统遭受的攻击信号或强干扰的方法。综上，电力信息物理系统攻击检测方法可以依据电力信息物理系统模型采取相应的主动检测方法，进而及时发现电力信息物理系统的攻击信号。

中国专利申请公布号：cn104125112a，公开了名称为“基于物理-信息模糊推理的智能电网攻击检测方法”，该方法仍然存在下述问题：

(1)直接采用语言型控制规则，出发点是操作人员的控制经验或相关专家的知识，缺少精确的理论推理验证；

(2)忽略了实际系统中过程高斯噪声和量测高斯噪声带来的影响，难以满足系统整体状态的分析；

(3)公开的方法内容模糊不清，没有一套完整的逻辑体系，缺少严格的科学论证。

技术实现要素：

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提出一种科学合理，适用性强，效果佳的基于自适应卡尔曼滤波器的电力信息物理系统攻击检测方法。该方法针对电力信息物理系统受到动态负载攻击时，基于自适应卡尔曼滤波器实现对电力信息物理系统的动态负载攻击检测，以保证电力信息物理系统在运行过程中的安全可信状态。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种基于自适应卡尔曼滤波器的电力信息物理系统攻击检测方法，其特征在于，它包括的内容有：

1)建立带有高斯噪声的连续电力信息物理系统的数学模型

其中，x(t)是连续电力信息物理系统的状态信号；y(t)是连续电力信息物理系统的输出信号；pl(t)是连续电力信息物理系统的受控输入信号；是连续电力信息物理系统的状态信号的微分；是连续电力信息物理系统的系统矩阵；是连续电力信息物理系统的控制分布矩阵；是连续电力信息物理系统的量测矩阵；ω(t)是连续电力信息物理系统的过程高斯噪声；υ(t)是连续电力信息物理系统的量测高斯噪声；

2)建立带有高斯噪声的离散电力信息物理系统的数学模型

其中，x(k)是离散电力信息物理系统k时刻的状态信号；y(k)是离散电力信息物理系统k时刻的输出信号；pl(k-1)是离散电力信息物理系统k-1时刻的受控输入信号；x(k-1)是离散电力信息物理系统k-1时刻的状态信号；a是离散电力信息物理系统的系统矩阵；b是离散电力信息物理系统的控制分布矩阵；h是离散电力信息物理系统的量测矩阵；ω(k)是离散电力信息物理系统k时刻的过程高斯噪声；υ(k)是离散电力信息物理系统k时刻的量测高斯噪声；

3)引入动态负载攻击信号

f(k)＝-kμ(k)+θ(k)(3)

其中，f(k)是离散电力信息物理系统k时刻的动态负载攻击信号；k是离散电力信息物理系统攻击控制器的比例增益；μ(k)是离散电力信息物理系统k时刻的传感器角频率与传感器总线标称值的偏差值；θ(k)是离散电力信息物理系统k时刻的动态负载攻击信号的功率给定值；

4)建立受到动态负载攻击信号攻击的带有高斯噪声的离散电力信息物理系统的数学模型

5)建立离散电力信息物理系统的自适应卡尔曼滤波器的数学模型

其中，是离散电力信息物理系统k-1时刻状态信号的估计量；是离散电力信息物理系统k时刻状态信号的预测量；

其中，ε(k)是新息序列；

p(k|k-1)＝η(k)ap(k-1)a^t+q(k)(7)

其中，p(k|k-1)是k时刻状态信号预测误差的协方差矩阵；η(k)是k时刻的衰落因子；p(k-1)是k-1时刻状态信号估计误差的协方差矩阵；a^t是离散电力信息物理系统的系统矩阵的转置；q(k)是离散电力信息物理系统k时刻过程高斯噪声的协方差矩阵；

j(k)＝p(k|k-1)h^t[hp(k|k-1)h^t+r(k)](8)

其中，j(k)是自适应卡尔曼滤波器的增益矩阵；h^t是离散电力信息物理系统的量测矩阵的转置；r(k)是离散电力信息物理系统k时刻量测高斯噪声的协方差矩阵；

其中，是离散电力信息物理系统k时刻状态信号的估计量；

p(k)＝[i-j(k)h]p(k|k-1)(10)

其中，p(k)是k时刻状态信号估计误差的协方差矩阵；i是单位矩阵；

6)电力信息物理系统的攻击检测方法

其中，e(k)是离散电力信息物理系统k时刻状态信号的估计量与离散电力信息物理系统k时刻状态信号的预测量的差值；

其中，离散电力信息物理系统k-1时刻状态信号的预测量；e(k-1)是离散电力信息物理系统k-1时刻状态信号的估计量与离散电力信息物理系统k-1时刻状态信号的预测量的差值；

其中，ρ(k)是欧氏距离比；||e(k)||是e(k)的二范数；||e(k-1)||是e(k-1)的二范数；

如果ρ(k)＜ρth，那么flag＝0

如果ρ(k)≥ρth，那么flag＝1

其中，ρth是电力信息物理系统的攻击阈值；flag是电力信息物理系统遭受攻击的报警信号；

当欧氏距离比ρ(k)小于攻击阈值ρth时，电力信息物理系统的报警信号flag＝0，不发生报警，电力信息物理系统中无动态负载攻击信号；当欧氏距离比ρ(k)大于或等于攻击阈值ρth时，电力信息物理系统的报警信号flag＝1，发生报警，电力信息物理系统中存在动态负载攻击信号。

本发明针对电力信息物理系统受到动态负载攻击时，创造性的提出了一种基于自适应卡尔曼滤波器的电力信息物理系统攻击检测方法，它包括：建立带有高斯噪声的连续电力信息物理系统的数学模型、建立带有高斯噪声的离散电力信息物理系统的数学模型、引入动态负载攻击信号、建立受到动态负载攻击信号攻击的带有高斯噪声的离散电力信息物理系统的数学模型、建立离散电力信息物理系统的自适应卡尔曼滤波器的数学模型和电力信息物理系统的攻击检测方法，本发明根据电力信息物理系统模型建立离散电力信息物理系统的自适应卡尔曼滤波器，依据欧氏距离比ρ(k)由攻击检测方法能够准确，快速的检测出电力信息物理系统中的动态负载攻击信号，保证电力信息物理系统运行在安全可信状态；具有方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。

附图说明

图1是本发明的基于自适应卡尔曼滤波器的电力信息物理系统攻击检测方法流程图。

具体实施方式

下面利用附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明的基于自适应卡尔曼滤波器的电力信息物理系统攻击检测方法，包括的内容有：