该算例是由实际系统衍生出的标准算例，包括配电网物理侧、通信侧和控制侧等三部分，主要用于配电网CPS故障处理仿真研究和分析，可实现包括故障信息采集与上传、故障定位与隔离、非故障区域供电恢复、部分区域孤岛运行以及包括通信网络DDOS攻击、中间人攻击等信息安全事件的仿真测试。
1．网络拓扑
1.1 物理侧
图1-1配电网物理侧拓扑
配电网物理侧算例中，S1、S2、S3为电源点，62-2、42-1、39-1、29-1、35-1、13-3为联络开关，PV2、PV3为光伏电源，DFIG2、DFIG3为双馈风机，BAT1、BAT2、BAT3为电池储能装置，GAS为燃气轮机，Water为水轮机。节点1~22为一个工业区子网，节点23~42为一个居民区子网，节点43~62为一个商业区子网，三个子网通过联络开关相互联系，相互备用。在节点25和节点45处断开开关，可以实现孤岛运行。附件1为物理仿真模型，基于MATLAB2011b和RT-LAB仿真环境(为方便大家在MATLAB上运行，模型已经删除RT-LAB模块)。
1.2 通信侧
图1-2配电网通信侧拓扑
在通信侧网络中，包含4个路由器节点、5个交换机节点、1个服务器节点、2个SITL模块、若干终端节点和通信链路。其中，3个路由器节点(DistributionSubstation 1~3)分别与相连的4个交换机节点(DTU1、DTU23、DTU43、DTU5)共同模拟三个配电子站，与物理侧三个区域对应，另一个路由器节点(DistributionSubstation 4)与交换机(FTU26)用于汇集三个子站信息并与控制侧通信。服务器节点用于在网络攻击场景下模拟受攻击的控制平台。终端节点FTU5~16、13_3、22分别与物理侧区域1中同名节点处的终端单元一一对应(区域2、3中终端仿真时未全部使用，可按照使用情况补充)。仿真过程中，SITL模块将物理侧采集数据包接收到通信仿真模型中，按照路由器策略选择一定的路径传输到controler模块并上传到控制平台，以此模拟通信过程。附件2为基于OPNET的通信模型。
1.2.1网络分层
为保证通信网络的通信的安全性与可靠性，以功能为区分，将网络划分为核心层、汇聚层、和接入层。
核心层是配网通信系统的主干枢纽中心，是通信全网大部分的通信信号的承受者和汇聚者，同时还负责与网络管理系统和业务系统关联
汇聚层负责连接核心层和接入层，是区域的逻辑中心，汇聚层汇接各个接入层设备的信号，汇总统一上传至核心层；通过分发处理，将核心层的信号传输至各个接入层设备。汇聚层的重要性仅次于核心层。
接入层是网络中直接面向用户的部分，为终端用户提供连接至通信网络的接口资源。接入层设备的部署位置应该尽量靠近用户终端，并提供与用户终端匹配的通信端口，方便接入。
1.2.2网络拓扑构造
接入层：在接入层的设计上每个台区有4台接入层交换机(接入层交换机可以互联)，每个交换机分别与若干个FTU、DTU终端相连，接入层交换机向上连接各台区的汇聚层交换机。
汇聚层：选择区域内的3个台区的10kV变电站作为汇聚层站点，每个站点包含1台交换机和1台路由器。汇聚层交换机与汇聚层路由器相连，汇聚层路由器互联后接核心层路由器。
核心层：核心层站点设置在调度主站，核心层有1台路由器和1台交换机，各汇聚层路由器与核心层路由器相连，核心层路由器接交换机，交换机与调度主站服务器相连。
在实际仿真中，为实现信息的传递需要借助两个SITL模块，其中一个SITL(图中命名为sitl)模块将物理侧采集数据包接收到通信仿真模型中，数据包按照路由器策略选择一定的路径传输到另一个SITL模块(图中命名为controler)模块并上传到控制平台，以此模拟通信过程。附件2为基于OPNET的通信模型，包括环网和星网两种基本的网络拓扑。
2．网络参数
2.1. 物理侧
表1-1中压网络线路参数
序号 |
From |
To |
长度/km |
电阻/Ω |
电抗/Ω |
序号 |
From |
To |
长度/km |
电阻/Ω |
电抗/Ω |
1 |
1 |
2 |
0.025 |
0.003125 |
0.002128 |
31 |
26 |
33 |
0.81 |
0.10125 |
0.068961 |
2 |
2 |
3 |
0.05 |
0.00625 |
0.004257 |
32 |
33 |
34 |
0.28 |
0.035 |
0.023838 |
3 |
3 |
4 |
0.1 |
0.0125 |
0.008514 |
33 |
34 |
35 |
0.3 |
0.0375 |
0.025541 |
4 |
4 |
5 |
0.1 |
0.0125 |
0.008514 |
34 |
24 |
40 |
0.48 |
0.06 |
0.040866 |
5 |
5 |
6 |
1.21 |
0.203 |
0.1034 |
35 |
40 |
41 |
0.35 |
0.04375 |
0.029798 |
6 |
6 |
7 |
1.70 |
0.2842 |
0.1447 |
36 |
41 |
42 |
0.43 |
0.05375 |
0.036609 |
7 |
7 |
8 |
4.25 |
0.3105 |
0.3619 |
37 |
24 |
36 |
0.05 |
0.00625 |
0.004257 |
8 |
8 |
9 |
1.21 |
0.2030 |
0.1034 |
38 |
36 |
37 |
0.55 |
0.06875 |
0.046825 |
9 |
9 |
10 |
3.04 |
0.5075 |
0.2585 |
39 |
37 |
38 |
0.4 |
0.05 |
0.034055 |
10 |
10 |
11 |
3.04 |
0.5075 |
0.2585 |
40 |
38 |
39 |
0.3 |
0.0375 |
0.025541 |
11 |
11 |
12 |
0.76 |
0.1966 |
0.0650 |
41 |
43 |
44 |
0.05 |
0.00625 |
0.004257 |
12 |
12 |
13 |
1.84 |
0.1640 |
0.1565 |
42 |
44 |
45 |
0.05 |
0.00625 |
0.004257 |
13 |
3 |
20 |
0.76 |
0.1966 |
0.0650 |
43 |
45 |
46 |
1.57 |
0.19625 |
0. |
14 |
20 |
21 |
1.21 |
0.2030 |
0.1034 |
44 |
46 |
47 |
0.46 |
0.0575 |
0.039163 |
15 |
21 |
22 |
0.55 |
0.0922 |
0.0470 |
45 |
47 |
48 |
0.24 |
0.03 |
0.020433 |
16 |
4 |
17 |
0.45 |
0.05625 |
0.038312 |
46 |
44 |
49 |
1.4 |
0.175 |
0. |
17 |
17 |
18 |
0.24 |
0.03 |
0.020433 |
47 |
49 |
50 |
0.28 |
0.035 |
0.023838 |
18 |
18 |
19 |
0.19 |
0.02375 |
0.016176 |
48 |
50 |
51 |
0.16 |
0.02 |
0.013622 |
19 |
5 |
14 |
0.57 |
0.07125 |
0.048528 |
49 |
51 |
52 |
0.16 |
0.02 |
0.013622 |
20 |
14 |
15 |
0.39 |
0.04875 |
0.033203 |
50 |
45 |
53 |
0.9 |
0.1125 |
0.076623 |
21 |
15 |
16 |
0.39 |
0.04875 |
0.033203 |
51 |
53 |
54 |
0.32 |
0.04 |
0.027244 |
22 |
23 |
24 |
0.025 |
0.003125 |
0.002128 |
52 |
54 |
55 |
0.17 |
0.02125 |
0.014473 |
23 |
24 |
25 |
0.05 |
0.00625 |
0.004257 |
53 |
43 |
56 |
0.05 |
0.00625 |
0.004257 |
24 |
25 |
26 |
0.93 |
0.11625 |
0.079178 |
54 |
56 |
57 |
2.35 |
0.29375 |
0. |
25 |
26 |
27 |
0.14 |
0.0175 |
0.011919 |
55 |
57 |
58 |
3.05 |
0.38125 |
0. |
26 |
27 |
28 |
0.22 |
0.0275 |
0.01873 |
56 |
58 |
59 |
1.45 |
0.18125 |
0. |
27 |
28 |
29 |
0.29 |
0.03625 |
0.02469 |
57 |
57 |
60 |
2.62 |
0.3275 |
0. |
28 |
25 |
30 |
1.45 |
0.18125 |
0. |
58 |
60 |
61 |
1.65 |
0.20625 |
0. |
29 |
30 |
31 |
0.16 |
0.02 |
0.013622 |
59 |
61 |
62 |
0.1 |
0.0125 |
0.008514 |
30 |
31 |
32 |
0.21 |
0.02625 |
0.017879 |
表1-2(工业区)网络负荷数据
节点 |
有功功率/kW |
无功功率/kVar |
节点 |
有功功率/kW |
无功功率/kVar |
1 |
0 |
0 |
12 |
200 |
50 |
2 |
0 |
0 |
13 |
60 |
10 |
3 |
0 |
0 |
14 |
420 |
200 |
4 |
0 |
0 |
15 |
210 |
100 |
5 |
100 |
60 |
16 |
120 |
80 |
6 |
60 |
30 |
17 |
0 |
0 |
7 |
60 |
20 |
18 |
100 |
72 |
8 |
60 |
10 |
19 |
24 |
17 |
9 |
120 |
80 |
20 |
60 |
10 |
10 |
200 |
100 |
21 |
60
|
10 |
11 |
150 |
70 |
22 |
60 |
20 |
表1-3(居民区)网络负荷数据
节点 |
有功功率/kW |
无功功率/kVar |
节点 |
有功功率/kW |
无功功率/kVar |
23 |
0 |
0 |
33 |
150 |
40 |
24 |
0 |
0 |
34 |
90 |
20 |
25 |
0 |
0 |
35 |
40 |
0 |
26 |
40 |
0 |
36 |
100 |
60 |
27 |
60 |
0 |
37 |
90 |
40 |
28 |
100 |
30 |
38 |
210 |
100 |
29 |
60 |
0 |
39 |
90 |
40 |
30 |
100 |
0 |
40 |
120 |
80 |
31 |
120 |
20 |
41 |
60 |
20 |
32 |
200 |
100 |
42 |
100 |
60 |
表1-4(商业区)网络负荷数据
节点 |
有功功率/kW |
无功功率/kVar |
节点 |
有功功率/kW |
无功功率/kVar |
43 |
0 |
0 |
53 |
200 |
40 |
44 |
0 |
0 |
54 |
150 |
40 |
45 |
120 |
70 |
55 |
200 |
0 |
46 |
150 |
40 |
56 |
0 |
0 |
47 |
200 |
0 |
57 |
120 |
80 |
48 |
420 |
0 |
58 |
60 |
35 |
49 |
420 |
200 |
59 |
45 |
30 |
50 |
60 |
25 |
60 |
0 |
0 |
51 |
420 |
200 |
61 |
90 |
40 |
52 |
200 |
100 |
62 |
120 |
70 |
表1-5中压网络分布式电源容量表
序号 |
节点名称 |
类型 |
容量/kw、kvar |
1 |
BAT1 |
储能 |
300+j100 |
2 |
BAT2 |
300+j100 |
|
3 |
BAT3 |
300+j150 |
|
4 |
DFIG2 |
风机 |
150+j40 |
5 |
DFIG3 |
150+j40 |
|
6 |
Water |
水电 |
840 |
7 |
GAS |
燃气轮机 |
300+j100 |
8 |
PV2 |
光伏 |
40 |
9 |
PV3 |
100 |
2.2.通信侧
表2-3通信路由器参数
序号 |
名称 |
型号 |
路由配置 |
|||
目的地址 |
掩码 |
下一跳地址 |
端口号 |
|||
1 |
居民区汇聚层路由器 |
Cisco 4000 |
192.168.5.0 |
255.255.255.0 |
192.168.5.1 |
IF0 |
192.168.26.0 |
255.255.255.0 |
192.168.26.1 |
IF4 |
|||
192.168.13.0 |
255.255.255.0 |
192.168.13.1 |
IF2 |
|||
192.168.14.0 |
255.255.255.0 |
192.168.14.1 |
IF3 |
|||
192.168.113.0 |
255.255.255.0 |
192.168.14.2 |
/ |
|||
2 |
工业区汇聚层路由器 |
Cisco 4000 |
192.168.20.0 |
255.255.255.0 |
192.168.20.1 |
IF0 |
192.168.15.0 |
255.255.255.0 |
192.168.15.1 |
IF1 |
|||
192.168.14.0 |
255.255.255.0 |
192.168.14.2 |
IF2 |
|||
192.168.113.0 |
255.255.255.0 |
192.168.15.2 |
/ |
|||
3 |
核心层路由器 |
Cisco 4000 |
192.168.15.0 |
255.255.255.0 |
192.168.15.2 |
IF0 |
192.168.16.0 |
255.255.255.0 |
192.168.16.2 |
IF1 |
|||
192.168.113.0 |
255.255.255.0 |
192.168.113.1 |
IF2 |
|||
192.168.5.0 |
255.255.255.0 |
192.168.16.1 |
/ |
|||
4 |
商业区汇聚层路由器 |
Cisco 4000 |
192.168.16.0 |
255.255.255.0 |
192.168.16.1 |
IF0 |
192.168.25.0 |
255.255.255.0 |
192.168.25.1 |
IF1 |
|||
192.168.26.0 |
255.255.255.0 |
192.168.26.2 |
IF2 |
|||
192.168.113.0 |
255.255.255.0 |
192.168.16.2 |
/ |
|||
192.168.5.0 |
255.255.255.0 |
192.168.26.1 |
/ |
|||
表2-2通信线路参数
序号 |
型号 |
线路端点1 |
线路端点2 |
||
连接元件 |
端口号 |
连接元件 |
端口号 |
||
1 |
100BaseT_int |
居民区汇聚层路由器 |
IF0 |
SITL |
/ |
2 |
居民区汇聚层路由器 |
IF2 |
居民区汇聚层交换机 |
P14 |
|
3 |
居民区汇聚层路由器 |
IF4 |
工业区汇聚层路由器 |
IF2 |
|
4 |
居民区汇聚层路由器 |
IF3 |
商业区汇聚层路由器 |
IF2 |
|
5 |
商业区汇聚层路由器 |
IF1 |
核心层路由器 |
IF0 |
|
6 |
商业区汇聚层路由器 |
IF0 |
居民区汇聚层交换机 |
P0 |
|
7 |
核心层路由器 |
IF1 |
核心层交换机 |
P0 |
|
8 |
核心层路由器 |
IF0 |
工业区汇聚层路由器 |
IF0 |
|
9 |
工业区汇聚层路由器 |
IF1 |
工业区汇聚层交换机 |
P0 |
|
10 |
居民区汇聚层交换机 |
/ |
居民区接入层交换机1-4 |
/ |
|
11 |
工业区汇聚层交换机 |
工业区接入层交换机1-4 |
/ |
||
12 |
商业区汇聚层交换机 |
商业区接入层交换机1-4 |
/ |
||
13 |
工业区接入层交换机1 |
/ |
DTU1、FTU2-5 |
/ |
|
14 |
工业区接入层交换机2 |
/ |
FTU6-11 |
/ |
|
15 |
工业区接入层交换机3 |
/ |
FTU12-16 |
/ |
|
16 |
工业区接入层交换机4 |
/ |
FTU17-22、FTU-BAT1 |
/ |
|
17 |
居民区接入层交换机1 |
/ |
DTU23、FTU24-29 |
/ |
|
18 |
居民区接入层交换机2 |
/ |
FTU30-36 |
/ |
|
19 |
居民区接入层交换机3 |
/ |
FTU37-42、FTU-BAT2 |
/ |
|
20 |
居民区接入层交换机4 |
/ |
FTU-DFIG2、FTU-PV2、FTU-GAS2、FTU35-1、FTU29-1、FTU35-1、FTU39-1、FTU42-1 |
/ |
|
21 |
商业区接入层交换机1 |
/ |
FTU43-48 |
/ |
|
22 |
商业区接入层交换机2 |
/ |
FTU49-54 |
/ |
|
23 |
商业区接入层交换机3 |
/ |
FTU55-61 |
/ |
|
24 |
商业区接入层交换机4 |
/ |
FTU62、FTU62-2、FTU-BAT3、FTU-DFIG3、FTU-WATER3 |
/ |
|
25 |
核心层交换机 |
P10 |
Controller |
/ |
|
26 |
核心层交换机 |
P1 |
主站服务器 |
/ |
|
表2-3 SITL模块参数
序号 |
名称 |
地址参数 |
连接平台 |
1 |
sitl |
192.158.5.128 |
RT-LAB |
2 |
controller |
192.168.113.8 |
控制平台 |
表2-4 DDOS攻击参数
序号 |
傀儡机 |
目标机 |
背景流量 |
|
1 |
FTU10 |
Server |
63,893,491,200 bits/second |
100 packets/second |
2 |
FTU15 |
63,893,491,200 bits/second |
100 packets/second |
|
3 |
FTU40 |
63,893,491,200 bits/second |
100 packets/second |
|
4 |
FTU57 |
63,893,491,200 bits/second |
100 packets/second |
|
表2-5中间人攻击仿真模块
序号 |
名称 |
功能 |
1 |
通信地址伪装模块 |
对RT-LAB下位机伪装成控制平台IP，对控制平台伪装成RT-LAB下位机IP。 |
2 |
数据收发显示模块 |
包含上/下行数据的修改模式，分别有通信正常、数据拦截、随机篡改、蓄意篡改4种修改方式。 |
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