栗安琪 李存斌

摘 要：隨著電網(wǎng)中物理信息融合不斷深入，信息層面的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)物理層面安全的影響越來(lái)越大。考慮信息物理融合對(duì)電網(wǎng)的影響，從信息層面對(duì)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，建立考慮信息物理融的電網(wǎng)信息風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。模型采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，并引入三角模糊數(shù)減少評(píng)價(jià)專家主觀上的不確定性和認(rèn)識(shí)的模糊性，再結(jié)合模糊綜合評(píng)判模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。最后通過(guò)算例說(shuō)明了這種基于三角模糊數(shù)的模糊綜合評(píng)判模型的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：物理信息融合；模糊綜合評(píng)判；三角模糊數(shù)；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.32.097

0 引言

美國(guó)國(guó)家基金委員會(huì)2006 年首先提出信息物理融合系統(tǒng)（cyber physical system ，CPS）的概念。隨著通訊技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、傳感測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展和引入，電網(wǎng)逐漸從原有單一的物理系統(tǒng)發(fā)展成為信息物理融合系統(tǒng)。將CPS引入電力系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化的發(fā)展提供了新的思路和途徑。實(shí)現(xiàn)信息在電力系統(tǒng)內(nèi)的雙向流動(dòng)和有效利用，可以提高對(duì)電力系統(tǒng)的感知和控制能力，提升電網(wǎng)信息感知、集成、共享和協(xié)同能力。但隨著智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，這種物理系統(tǒng)對(duì)信息系統(tǒng)耦合的依賴性逐漸加深，信息節(jié)點(diǎn)在電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行中逐漸發(fā)揮重要作用，信息系統(tǒng)失效或受到攻擊對(duì)電網(wǎng)所產(chǎn)生的影響也愈發(fā)顯著，增加了電力系統(tǒng)的不確定性和復(fù)雜性，給信息物理融合電力系統(tǒng)帶來(lái)了新的安全挑戰(zhàn)。例如，2003 年美國(guó)加拿大大停電的一個(gè)重要原因是因信息系統(tǒng)失效而未能及時(shí)察覺(jué)并遏制連鎖故障，2015年烏克蘭電力系統(tǒng)遭到黑客惡意攻擊變電站，導(dǎo)致持續(xù)數(shù)小時(shí)的大型停電事故。再比如，2019年3月委內(nèi)瑞拉水電站遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊導(dǎo)致大停電。

與物理層面相比，信息層面的攻擊更為容易和隱蔽，造成連鎖故障的可能性也更大。因此，電力物理信息融合系統(tǒng)中物理和信息空間之間的風(fēng)險(xiǎn)交互將是研究的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]考慮信息系統(tǒng)失效與遭受的攻擊可能造成物理系統(tǒng)的能量損失，從能量損失角度對(duì)信息設(shè)備重要度的量化評(píng)估。文獻(xiàn)[7]從信息空間風(fēng)險(xiǎn)傳遞，以及物理層與信息層交互兩個(gè)方面分析了能源互聯(lián)網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)傳遞研究現(xiàn)狀。文獻(xiàn)[8]考慮信息通信技術(shù)的深度融合給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)了不安全風(fēng)險(xiǎn)，提出了一種考慮信息系統(tǒng)可靠性的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。文獻(xiàn)[9]闡述了信息安全風(fēng)險(xiǎn)在電力CPS中跨空間傳播的基本形式，并結(jié)合元胞自動(dòng)機(jī)的理論建立了傳播模型。文獻(xiàn)[10]梳理了電力CPS研究現(xiàn)狀，并從影響電力CPS連鎖故障建模分析的四個(gè)方面闡述了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論在電力CPS連鎖故障研究中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]從發(fā)、輸、配、用四個(gè)環(huán)節(jié)梳理了網(wǎng)絡(luò)攻擊在電力信息物理系統(tǒng)中的典型場(chǎng)景，并做出總結(jié)與展望。

本文從信息層面出發(fā)，從自身和傳遞過(guò)程綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)因素，建立考慮信息物理融合的電網(wǎng)信息層面風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，基于層次分析和模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)一個(gè)電力CPS進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

對(duì)信息安全風(fēng)險(xiǎn)造成重大電力事故的案例進(jìn)行分析，并結(jié)合原有傳統(tǒng)信息系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的研究，從客觀和主觀兩大類(lèi)進(jìn)行分析，得出以下考慮信息物理融合的電網(wǎng)信息層面風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系如表1所示。

2 評(píng)估模型

2.1 三角模糊數(shù)

在很多情況下，用以度量評(píng)價(jià)對(duì)象的各種評(píng)價(jià)指標(biāo)都具有一定的模糊性，如“好”、“較好”、“較差”、“差”等，將這種模糊不確定的語(yǔ)言變量轉(zhuǎn)化為確定的數(shù)值時(shí)，采用一個(gè)確定數(shù)的方法的準(zhǔn)確度會(huì)降低，更常用的方法是不確定數(shù)，常見(jiàn)的不確定數(shù)有區(qū)間數(shù)、三角模糊數(shù)、梯形模糊數(shù)。目前最常用的是三角模糊數(shù)，其特征函數(shù)符合人的思維模式和指標(biāo)的變化規(guī)律。

設(shè)a和c分別為模糊數(shù)的下限和上限，b為可能性最大的值，那么模糊數(shù)用（a，b，c）表示，其隸屬函數(shù)為：

μx=xb-a-ab-a，x∈（a，b）xb-c-cb-c，x∈（a，b）0，其他

為表示方便，本文中采用“-”、“*”、“+”作為上標(biāo)分別表示下限、最可能值和上限，即模糊數(shù)w=w-，w*，w+。

2.2 基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

集成層次分析法與模糊綜合評(píng)判法，將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分成地接遞階層次結(jié)構(gòu)，運(yùn)用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，然后分層次進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，最后綜合得出總的評(píng)價(jià)結(jié)果。并且，引入三角模糊數(shù)代替原有唯一的評(píng)價(jià)值，削弱了專家擬定參數(shù)的主觀影響。

在應(yīng)用改進(jìn)模型進(jìn)行信息風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估前，需依據(jù)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，由相關(guān)專家對(duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)并確定因素權(quán)重，從而得到相應(yīng)各級(jí)的模糊關(guān)系矩陣和權(quán)重向量。模型的具體步驟如下：

3 算例分析

選取某電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)作為評(píng)價(jià)對(duì)象，確定其信息層面的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系和因素集U如表1所示，可知，n=4。確定所采用的評(píng)語(yǔ)集為V={極低風(fēng)險(xiǎn)，較低風(fēng)險(xiǎn)，中等風(fēng)險(xiǎn)，較高風(fēng)險(xiǎn)，極高風(fēng)險(xiǎn)}。請(qǐng)5位專家根據(jù)1～9標(biāo)度法給出各因素集相對(duì)重要程度，下面以二級(jí)指標(biāo)信息系統(tǒng)自身安全脆弱性的三個(gè)子指標(biāo)為例說(shuō)明計(jì)算過(guò)程。

在此，只列出一位專家的權(quán)重評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在一般電網(wǎng)信息風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮物理信息融合產(chǎn)生的傳遞過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)，并據(jù)此構(gòu)建了考慮信息物理融合的電網(wǎng)信息層面風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)行層次分析法對(duì)所建立的指標(biāo)體系計(jì)算權(quán)重，并引入三角模糊數(shù)代替原有數(shù)值，避免了一致性檢驗(yàn)的繁瑣步驟，也減弱了專家主觀意見(jiàn)的影響；再結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)模型建立了信息風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。最后由具體算例給出求解過(guò)程，也表明該模型具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]邱宇峰.電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)：面向未來(lái)的能源互聯(lián)網(wǎng)[N].國(guó)家電網(wǎng)報(bào)，20150309（006）.

[2]郭嘉，何宇斌，韓宇奇，等.考慮有效距離接近中心性的信息設(shè)備重要度評(píng)估[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，（23）.

[3]梁云，劉世棟，郭經(jīng)紅.電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題綜述[J].智能電網(wǎng)，2015，3（12）：11081111.

[4]趙俊華，文福拴，薛禹勝，等.電力CPS的架構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（16）：17.

[5]韓宇奇，郭嘉，郭創(chuàng)新，等.考慮軟件失效的信息物理融合電力系統(tǒng)智能變電站安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（6）：15001508.

[6]郭慶來(lái)，辛蜀駿，孫宏斌，等.電力系統(tǒng)信息物理融合建模與綜合安全評(píng)估：驅(qū)動(dòng)力與研究構(gòu)想[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（6）：14811489.

[7]李存斌，李小鵬，田世明，等.能源互聯(lián)網(wǎng)電力信息深度融合風(fēng)險(xiǎn)傳遞：挑戰(zhàn)與展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2017，41（11）：1725.

[8]Lu D，Liu Y，Zeng Y.Risk assessment of power grid considering the reliability of the information system[C]// IEEE International Conference on Smart Grid Communications.IEEE，2016.