智能电网是支撑整个国家高速发展的命脉,也是最重要的关键基础设施之一。智能电网是由电力系统和信息系统组成的信息物理系统,具有规模庞大、节点类型多样、结构复杂、时空演化复杂、耦合关系多样等特性。这些特征共同作用保障智能电网的正常运行,也影响着其功能和健壮性,如连锁故障。智能电网在关键基础设施网络中的特殊地位使其成为恶意破坏者的攻击目标,同时也是防御者需要重点保护的对象。在世界范围的历次军事对抗中,关键基础设施都会成为敌对双方首轮打击的目标,尤其是为各个工业正常运行提供电能的电力网络。而在和平时代,犯罪分子和恐怖组织通过对智能电网的攻击,也能达到攻击其他基础设施所不具备的显著效果,如直接经济损失、工厂停工、民众恐慌、交通瘫痪等。电力网络的信息化和智能化给其带来便利、高效、节能和高利润的同时,也为攻击者提供了一个攻击的平台和机会。入侵策略的复杂性、入侵手段的多样性,攻击的目标性和攻击时间的随机性给防御者带来了极大的困扰和巨大的挑战。2015年乌克兰电网大停电事故就是通过协同信息攻击手段来破坏电力网络的经典事例。针对智能电网自身健壮性问题和可能面临的安全威胁,本文阐述了其网络结构和特点,以及影响其健壮性和安全的多种因素,其主要研究点如下:(1)在关键节点识别方法的研究方面,提出了极大效能子图的思想并用其代替极大组件用来表征整个网络的效能。定义了节点效能损失用于验证关键节点识别算法的准确性和用节点效能损失来比较极大效能子图和极大组件的优越性。实验结果表明:(i)不论是选择前10%的节点作为关键节点,还是选择前20%的节点作为关键节点,其节点关键度明显优于其他指标且其的准确度均为80%;(ii)GEsG比GC更符合异构网络(电力网络)的实际效能情况;(iii)关键度和NEL的相关系数值要比其与度、中介性、紧密度或度之度的相关系数值大;(iv)一个反直觉的结论:比较重要的关键节点可能不是发电节点,而是某些传输节点。(2)在不同耦合关系对智能电网健壮性影响研究方面,构建了双层结构的智能电网,并根据地理位置信息将电力网络和信息网络分为若干自治的子网。定义了节点重要性(NI)来评估节点对网络的影响力,并提出了基于NI的子网间的同构耦合、异构耦合和随机耦合模型。通过模拟实验,从IEEE 118-Bus System和意大利高压电力传输网络两个数据集得出了相同的结论:(i)DCIS被应用于自上而下耦合链路(Top-down coupling link)比其他耦合模式更加有助于智能电网增强网络健壮性来对抗目标攻击。(ii)ACIS被应用于自上而下耦合链路(Bottom-up coupling link)比其他耦合模式更加有助于智能电网增强网络健壮性来对抗目标攻击。(iii)网络处理负载能力与网络健壮性成正相关关系,增加容忍度可以提高相依网络的健壮性。(3)从跨层攻击路径探测研究方面:一方面,针对智能电网双层结构模型,提出了向前向后探测模型,该模型综合利用了信息层的威胁传播机制和物理层的失效扩散机制来实时地生成多条可达的跨层攻击路径(Cross-Layer Attack Path,CLAP)。威胁传播机制考虑了系统漏洞、病毒或命令的传播、时间等因素。失效扩散机制利用潮流来触发负载重分布进而使目标物理节点失效。另一方面,提出了一种评估方法来计算跨层攻击路径的概率。实验结果显示智能电网的跨层攻击路径能够被及时准确地生成和防御者可以根据生成概率快速找到最可能的跨层攻击路径,跨层攻击路径容易受到信息层节点状态和物理层节点容忍度影响随时间变化而变化。(4)从威胁模型和综合防御机制研究方面,根据三种攻击者的知识背景,预测了威胁模型中的三种入侵策略:拓扑结构入侵策略、社会经济学入侵策略和潮流入侵策略。拓扑结构入侵策略注重最大化节点损失;社会经济学攻击注重于最大化电力节点失效带来的经济损失;而潮流攻击则侧重于利用潮流引发的负载重分布诱导网络面积失效,进而导致大面积停电事故;针对上述入侵策略,提出了针对三种不同入侵策略的综合防御机制,通过将信息和物理节点分类保护,并根据其类型级别来改变耦合关系的机制来提高信息物理系统的健壮性。实验结果表明综合防御机制不但能够隐藏关键节点并诱导攻击者去选择不重要的节点作为攻击目标,而且能够提高信息物理系统的健壮性和增强系统应对信息物理攻击的能力。综上所述,本文研究了智能电网的健壮性问题和新型安全模型。分别从目标攻击和信息物理协同攻击的背景下研究如何识别关键节点、减缓级联失效速度和提高健壮性,并针对不同的入侵策略给出了综合防御机制的安全模型,在推进智能电网健壮性和新型安全模型方面具有较强的理论研究意义和实用价值。