[发明专利]一种自适应的广义累计和GPS欺骗攻击检测方法

说明书

本发明涉及一种自适应的广义累计和GPS欺骗攻击检测方法，包括以下步骤：初始化；使用自适应滑动窗口来收集相量测量单元PMU量测数据z_m,t；进行改进卡尔曼滤波预测步骤；使用广义对数似然比求解比值γ_t，更新累计统计量β_t；进行改进卡尔曼滤波测量更新步骤；若累计统计量β_t等于0，则判定系统未遭受GPS欺骗攻击；若累计统计量β_t大于预设阈值Thr，则判定系统遭受GPS欺骗攻击。该GSA检测方法根据不同的情况自动调整最适合的滑动窗口的宽度，能够更快的检测到所有受到GPS欺骗攻击的PMU量测数据，从而对相应受损数据进行修复，并且能有效减少算法的运行时间，确保电力系统的正常运行。该GSA检测方法还提出了对GSA攻击类型进行检测的方法，更有利于系统做出对应的攻击防御策略。

技术领域

本发明涉及电网检测技术领域，尤其涉及GPS欺骗攻击检测方法。

背景技术

广域检测系统(WAMS)对于捕获电网中的实时性能至关重要，而系统中最关键的实时数据就来源于电网中的数据采集装置：监控与数据采集(SCADA)系统以及相量测量单元(PMU)。与SCADA系统相比，PMU由于其精准的采集频率和精确的同步时间在智能电网中得到了广泛的应用，作为智能电网中最重要的数据来源之一，PMU被称为“电网之眼”。PMU可以测量电力系统中各个节点的电压和电流，并附上时间戳以提供精确的计时信息，为了确保PMU能精确的进行同步采样，PMU通常使用全球定位系统(GPS)来提供时间同步。PMU的GPS接收机以射频(radio frequency,RF)方式接收来自不同卫星的GPS信号。这些信号包含未加密的C/A码(主要用于民用，例如PMU接收机)，以及加密的P(Y)码(主要用于军事目的)。

由于民用GPS与其信号接收设备之间采用的是没有加密认证机制的明码进行通信。因此，熟悉GPS报文协议的攻击者能发送虚假的信号对接收设备进行欺骗。当GPS被欺骗时，其精确的时间同步也变得不可靠。GPS欺骗干扰是指通过产生虚假的GPS信号干扰信号接收机的导航和时间同步过程。欺骗者可以通过低成本或者便携式的设备发送某些干扰，导致信号接收设备失去对真实信号的追踪。当信号接收设备搜索信号时，欺骗者将发送伪造的GPS信号，由于伪造的信号和真实的信号之间的特征一致，因此信号接收设备将会被伪造信号欺骗。当信号接收设备被欺骗时，会使得PMU测量值的时间标签发生改变，从而导致由PMU提供的测量值发生变化。GPS欺骗攻击(GSA)是无限信息安全面临的最大风险之一，北美电力可靠性公司(NERC)宣布，对PMU信号接收设备的GPS信号进行欺骗会破坏PMU的正常运行。根据IEEEC37.118标准要求，若时序误差明显超过了规定标准则可能诱使发电机发生跳闸事故。并且，由于电网内部是相互连通的，一个区域发生故障很有可能导致其他区域也发生故障。因此，检测智能电网中的GSA对于保证电力系统正常运行来说至关重要。

全球定位系统(GPS)为电力系统中的PMU测量电压和电流提供精确和同步的时间参考，电力系统中的PMU会给每个信号都分配一个时间戳，用于同时间采样。如果攻击者成功攻击了PMU的信号接收端时，接收端的时间就会受到攻击者改变，从t变成了t+t_GSA，其中t_GSA为受到GSA影响而改变的时间，因为时间发生了改变，导致被PMU测量的信号的相角发生了改变：θ_atk＝θ+θ_GSA，θ_GSA＝2πft_GSA，其中θ和θ_atk分别为GSA前后被测信号的相角，t_GSA为GSA引起的时间戳改变，θ_GSA为GSA所引起的相移，f为电力系统中的频率。GSA包括两种类型，分别为突变型攻击和慢速持续型攻击。如图1所示，突变型GSA是指当PMU受到突变型攻击时，信号的相角相移会突然从0增加到某一固定值，在攻击期间，该值基本上不发生变化直到攻击结束，信号的相角相移又变回0。如图2所示，慢速持续型GSA是指当PMU受到慢速持续型攻击时，信号的相角相移会随着时间线性得增加或减少直到攻击结束，信号的相角相移又变回0。