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研究生： 謝克韡
Hsieh, Ko-Wei
論文名稱： 針對假數據注入攻擊的PMU最佳擺設方式
Placement of Phasor Measurement Units (PMU) against False Data Injection Attacks
指導教授： 卿文龍
Chin, Wen-Long
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年： 2013
畢業學年度： 101
語文別： 中文
論文頁數： 67
中文關鍵詞： 狀態估計 、狀態 、同步相量量測單元 、電力潮流 、不良數據偵測 、隨機假數據注入攻擊 、特定假數據注入攻擊
外文關鍵詞： State Estimation, State, Phasor Measurement Unit (PMU), Power Flow, Bad Data Detection (BDD), Random False Data Injection Attack, Targeted False Data Injection Attack
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    • 電力網路是一個龐大又複雜的系統，為了確保能夠穩定的運行，電力網路控制中心必須利用狀態估測(state estimation)來隨時監測系統的狀態(state)。而近年來新型的同步相量量測單元(phasor measurement unit, PMU)被發展出來，以替代傳統上計算電力潮流(power flow) 的量測電表，能夠更快速且更精確地計算出系統狀態，此技術將對電力系統的監視、控制與保護，帶來重大的影響。
    最近Liu et al.[1]提出了一種新的攻擊方式，可以躲避現今廣泛使用的不良數據偵測(bad data detection, BDD)系統，進而任意的篡改系統內的狀態。而為了要防止此種攻擊方式，本文提出了如何利用同步相量量測單元與電力潮流的直流模型下，來針對系統最容易攻擊的弱點進行PMU的最佳配置，使得攻擊者必須花費更多資源來攻擊更多的電錶量測值。本篇論文針對了兩種可能的攻擊情況，分別為隨機假數據注入攻擊(random false data injection attack)和特定假數據注入攻擊(targeted false data injection attack)來做探討，使得攻擊者需攻擊較多的量測才能達到其攻擊目的。最後，分別利用IEEE 14-bus和IEEE 30-bus[2]來做理論驗證。

    A power grid is a large and complex system. To ensure a reliable operation, control center must use state estimation to monitor the state of the system at any time. In recent years, a new type of synchronous phasor measurement unit (PMU) is developed to replace the traditional measurement meter based on the power flow. The PMU can calculate the state of the system more quickly and accurately. It will bring a significant impact on monitoring, control, and protection of the power system.
    Recently, Liu et al.[1] proposed a new attack which can compromise the existing bad data detection system and arbitrarily manipulate the states of power system. To prevent such an attack, this paper proposed a new algorithm to find the best placement of PMUs. We consider two kinds of attacks, i.e. random false data injection attack and targeted false data injection attack. We verify the proposed algorithm using IEEE 14-bus and 30-bus[2].

    中文摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i 英文摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii 誌謝. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii 目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv 表目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii 圖目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii 符號說明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x 第一章、導論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 背景知識. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 研究動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 文獻探討. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 論文架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 第二章、系統架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1 電力潮流. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.1 直流電力潮流. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 同步相量量測單元. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3 系統模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 直流量測模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.2 PMU量測模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.3 PMU直流模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4 狀態估計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4.1 加權最小平方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4.2 不良數據偵測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4.3 卡方分布. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4.4 利用卡方分布做不良數據偵測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.5 在ＷLS中利用卡方測試來做不良數據偵測. . . . . . . . . . . . 29 第三章、假數據注入攻擊. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1 假數據注入攻擊. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2 隨機的假數據注入攻擊. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.1 隨機攻擊. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.2 隨機攻擊的存在定理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3 特定的假數據注入攻擊. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.1 嚴苛的特定攻擊. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.2 不嚴苛的特定攻擊. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 第四章、針對攻擊的PMU擺設位置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.1 PMU與傳統量測之直流混和模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2 對應隨機攻擊的PMU擺放. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2.1 對應隨機攻擊的PMU擺放. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2.2 模擬與討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.3 對應特定攻擊的PMU擺放. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.3.1 對應嚴苛特定攻擊的最佳安裝位置. . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.3.2 模擬與討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.3.3 對應不嚴苛特定攻擊的最佳安裝位置. . . . . . . . . . . . . . . 55 4.3.4 模擬與討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 第五章、結論與未來展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

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