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针对信息攻击的含风电接入微电网信息物理系统脆弱性评估研究学术报告
一、作者及发表信息
本研究由浙江大学电气工程学院的闫旻睿、于淼、万克厅、齐冬莲合作完成，论文标题为《针对信息攻击的含风电接入微电网信息物理系统脆弱性评估》，发表于2024年12月25日的期刊（卷48，第24期）。该研究得到了国家自然科学基金（U1909201）的支持，并已申请国家发明专利（申请号：202311009093.X）。
二、研究背景与目标
微电网作为分布式能源的重要载体，其信息化与智能化水平的提升使其面临日益严重的信息安全威胁。相较于传统配电网，微电网具有规模小、可再生能源渗透率高、调节能力弱等特点，使其在面对信息攻击时更为脆弱。近年来，乌克兰停电等事件表明，信息攻击可导致电力系统严重故障。然而，现有研究多集中于配电网，对微电网信息物理系统（Cyber Physical System, CPS）的脆弱性分析较少，且缺乏对分布式电源（Distributed Generator, DG）控制策略及高比例可再生能源不确定性的综合考虑。
本研究旨在提出一种针对多种信息攻击组合的微电网CPS脆弱性评估方法，通过建立物理侧与信息侧耦合模型，分析攻击者行为与系统响应，识别高风险环节，为防御策略提供理论支持。
三、研究流程与方法
1. 模型构建
- 物理侧模型：考虑下垂控制策略（Droop Control）与风电出力不确定性。下垂控制采用P-f/Q-v或P-v/Q-f策略，其功率方程如式（1）-（2）所示。风电出力基于Weibull分布建模，采用拉丁超立方抽样（Latin Hypercube Sampling, LHS）模拟风速随机性。
- 信息侧模型：基于数据流分析，建立包含调度中心、通信子站、传感设备（负荷/线路功率量测）和控制设备（切负荷开关）的信息网络架构（图1）。
攻击建模与双层规划
脆弱性评估算法
四、主要结果
1. 风电出力与攻击后果的关系：仿真表明，风电出力变化显著影响负荷损失（图3）。例如，当攻击资源（Cmax）为100时，风电出力从0增至1.0 p.u.，负荷损失从0.2 p.u.升至2.0 p.u.，凸显可再生能源不确定性对脆弱性的影响。
2. 线路容量与防御效果：提升线路容量（kf=1.2→2.0）可减少负荷损失，但效果随Cmax增大而减弱（图4）。例如，Cmax=50时，kf从1.2增至2.0，负荷损失减少0.74 p.u.，但Cmax=150时仅减少0.16 p.u.。
3. 高风险攻击对象与方法：
- 攻击对象：节点24/25的切负荷指令（c24/c25）脆弱性最高（表3），因其负荷占比大（11.3%）且易引发连锁过载。
- 攻击方法：针对通信子站控制权的攻击（如s24/s25）风险最高（表4），因其可直接篡改指令及量测。
4. 控制策略影响：降功率运行策略在Cmax较低时可减少负荷损失（0.21 p.u.），但Cmax较高时反而增加损失（0.16 p.u.），因攻击者可利用策略缺陷扩大攻击效果。
五、结论与价值
1. 科学价值：首次系统量化了微电网CPS在信息攻击下的脆弱性，揭示了DG控制策略与可再生能源出力对脆弱性的动态影响。
2. 应用价值：提出的脆弱性指标（如v_c,k）可精准识别高风险环节，指导防御资源优先配置。例如，保护通信子站控制权（s24/s25）可减少68.49%负荷损失（Cmax=100）。
3. 方法论创新：结合Shapley值法与双层规划，实现了多攻击方法组合分析，弥补了现有研究孤立评估攻击的不足。
六、研究亮点
1. 多攻击方法耦合分析：通过RA矩阵与双层规划，统一建模LR攻击与指令攻击的协同效应。
2. 可再生能源建模：采用LHS模拟风电不确定性，更贴合实际微电网运行场景。
3. 动态防御验证：通过防御模拟（图5）证明所提指标优于传统方法（如输电线路利用率）。
七、其他价值
研究还探讨了攻击资源消耗假设对结果的影响（表5-6），表明资源分配策略需随攻击者能力动态调整，为防御体系设计提供了灵活性依据。