CN113285495B - 一种针对虚假注入攻击的微电网分布式同步检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对虚假注入攻击的微电网分布式同步检测方法，属于微电网运行控制技术领域；检测方法具体步骤包括：微电网一次下垂控制和分布式二次电压无功控制、确定分布式电源的探测信号、根据反馈函数计算检测指标以及分析异常指标检测虚假数据注入攻击；该检测方法基于多代理系统的一致性控制，是一种分布式的方法，能够适应通信网络中的延时和丢包，同时对攻击信号具有不同的灵敏度。

Description

一种针对虚假注入攻击的微电网分布式同步检测方法

技术领域

本公开属于微电网运行控制技术领域，具体涉及一种针对虚假注入攻击的微电网分布式同步检测方法。

背景技术

随着地球资源的日渐衰竭以及人们对环境问题的关注，可再生能源的接入越来越受到世界各国的重视。微电网是一种在能量供应系统中增加可再生能源和分布式能源渗透率的新兴能量传输模式，其组成部分包括不同种类的分布式能源(包括微型燃气轮机、风力发电机、光伏、燃料电池、储能设备等)、各种电负荷和/或热负荷的用户终端以及相关的监控、保护装置。

微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必须的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。微电网与大电网之间通过公共连接点进行能量交换，双方互为备用，从而提供了供电的可靠性。由于微电网是规模较小的分散系统，与负荷的距离较近，可以增加本地供电的可靠性、降低网损，大大增加了能源利用效率，是一种符合未来智能电网发展要求的新型供电模式。

然而，大量缺乏有效安全防护的传感测控装置接入微电网，同时公共通信网络中第三方应用程序可以灵活访问微电网的信息系统以提供辅助服务，为微电网信息系统带来了更多潜在的网络攻击接入点，增大了信息系统受到恶意网络攻击的风险；影响微电网网络安全的网络攻击类型众多，虚假数据注入攻击通过将含有攻击信号的状态变量作为测量和通信信息，严重威胁了电力系统的安全；但是，在通信网络中的延时和丢包的问题的前提下，检测微电网是否受到虚假数据注入攻击就比较困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本公开的目的在于提供一种针对虚假注入攻击的微电网分布式同步检测方法，能够有效的检测微电网是否受到虚假数据注入攻击。

本公开的目的可以通过以下技术方案实现：

一种针对虚假注入攻击的微电网分布式同步检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：

S1：微电网一次下垂控制和分布式二次电压无功控制；

S2：确定分布式电源的探测信号；

S3：根据反馈函数计算检测指标；

S4：分析异常指标检测虚假数据注入攻击。

进一步地，所述微电网一次下垂控制，按照下式控制：

式中，ω_i和v_i分别表示第i个分布式电源输出交流电压的角频率和幅值，ω₀和v₀分别表示设计的输出交流电压的角频率和幅值的额定值，m_i和n_i分别表示角频率和电压的下垂系数，P_i和Q_i分别表示分布式电源输出的有功功率和无功功率。

进一步地，所述分布式二次电压无功控制，按照下式控制：

式中，u_i表示分布式电源i二次电压控制量；ev i和eQ i分别表示分布式电源i的电压幅值和无功功率的控制量；v_ref和Q_ref分别表示微电网电压幅值和无功功率控制偏差的参考值；H_v＝(k_Pv+k_Iv/s)和H_Q＝(k_PQ+k_IQ/s)分别表示分布式电源i的电压幅值和无功功率的PI控制器，k_pv、k_pQ、k_iv和k_iQ分别表示PI控制器的比例和积分参数；

表示分布式电源i的平均电压估计值；uQ i表示分布式电源i的无功功率控制偏差；uv i表示分布式电源i的平均电压控制偏差；a_ij表示通信耦合增益参数，若分布式电源i和分布式电源j通过通信线路连接，a_ij≠0，否则，a_ij＝0；

表示分布式电源j的平均电压估计值；N_i表示第i个代理的邻居的集合；

表示分布式电源j的无功功率估计值。

进一步地，所述S2中分布式电源探测信号按照下式：

式中，x_i表示分布式电源i的本地探测信号；

表示分布式电源i一次控制中q轴电流分量的参考值，通过逆变器双环控制器获取。如果分布式电源i没有被攻击，则x_i＝0；若分布式电源i被攻击则x_i>0。

进一步地，所述S3中计算检测指标的步骤包括：

①、计算两个时间序列的动态时间弯曲距离d(·)：

d(A,B)＝D(L,M)

式中，A＝{a₁,…,a_l,…,a_L}表示具有L个元素的时间序列；B＝{b₁,…,b_m,…,b_M}表示具有M个元素的时间序列；s_lm＝|a_l-b_m|表示a_l和b_m的距离；D(l,m)表示(1,1)到(l,m)的累积距离。

②、按照下式计算分布式电源i的检测指标：

式中，DI_i(k)表示k时刻分布式电源i的检测指标；h_i>0表示反馈系数，用于调整反馈量；X_i(k)和X_j(k)分别表示分布式电源i和分布式电源j的探测信号的离散时间序列，包括当前的k时刻和历史n-1个时刻，共n个时刻；d(·)表示两个时间序列X_i(k)和X_j(k)的动态时间弯曲距离。

进一步地，所述S4中分析异常指标检测虚假数据注入攻击，如果DI_i(k)>DI_th,i，则虚假数据注入攻击发生，即μ＝1；否则微电网遭受虚假数据注入攻击，即μ＝0。

本公开的有益效果：本发明所设计针对虚假注入攻击的微电网分布式同步检测方法，首先确定各分布式电源的本地探测信号；其次通过反馈函数计算检测指标；最后通过分析异常指标检测微电网是否遭受虚假数据注入攻击。该检测方法基于多代理系统的一致性控制，是一种分布式的方法，能够适应通信网络中的延时和丢包，同时对攻击信号具有不同的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例的流程图；

图2是实施例中采用的微电网仿真系统；

图3是实施例中微电网遭受虚假数据注入攻击后分布式电源并网电压、输出无功功率和检测指标的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。

本发明设计了基于置信因子的微电网分布式弹性协同控制方法，用于孤岛微电网在虚假数据注入攻击下对无功功率和平均电压实现弹性控制，实际应用当中，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1)按照式(1)进行一次控制，维持微电网的功率平衡：

式中，ω_i和v_i分别表示第i个分布式电源输出交流电压的角频率和幅值，ω₀和v₀分别表示设计的输出交流电压的角频率和幅值的额定值，m_i和n_i分别表示角频率和电压的下垂系数，P_i和Q_i分别表示分布式电源输出的有功功率和无功功率。

步骤2)按照式(2)进行二次控制，恢复微电网的平均电压和实现无功功率均分；

式中，u_i表示分布式电源i二次电压控制量；ev i和eQ i分别表示分布式电源i的电压幅值和无功功率的控制量；v_ref和Q_ref分别表示微电网电压幅值和无功功率控制偏差的参考值；H_v＝(k_Pv+k_Iv/s)和H_Q＝(k_PQ+k_IQ/s)分别表示分布式电源i的电压幅值和无功功率的PI控制器，k_pv、k_pQ、k_iv和k_iQ分别表示PI控制器的比例和积分参数；

表示分布式电源i的平均电压估计值；uQ i表示分布式电源i的无功功率控制偏差；uv i表示分布式电源i的平均电压控制偏差；a_ij表示通信耦合增益参数，若分布式电源i和分布式电源j通过通信线路连接，a_ij≠0，否则，a_ij＝0；

表示分布式电源j的平均电压估计值；N_i表示第i个代理的邻居的集合；

表示分布式电源j的无功功率估计值；

表示分布式电源j的无功功率估计值。

步骤3)按照式(3)确定分布式电源i的探测信号；

式中，x_i表示分布式电源i的本地检测信号；iref q i表示分布式电源i一次控制中q轴电流分量的参考值，通过逆变器双环控制器获取。如果分布式电源i没有被攻击，则x_i＝0；若分布式电源i被攻击则x_i>0。

步骤4)按照式(4)计算两个时间序列的动态时间弯曲距离d(·)：

d(A,B)＝D(L,M)

式中，A＝{a₁,…,a_l,…,a_L}表示具有L个元素的时间序列；B＝{b₁,…,b_m,…,b_M}表示具有M个元素的时间序列；s_lm＝|a_l-b_m|表示a_l和b_m的距离；D(l,m)表示(1,1)到(l,m)的累积距离。

按照式(5)计算分布式电源i的检测指标：

式中，DI_i(k)表示k时刻分布式电源i的检测指标；h_i>0表示反馈系数，用于调整反馈量；X_i(k)和X_j(k)分别表示分布式电源i和分布式电源j的探测信号的离散时间序列，包括当前的k时刻和历史n-1个时刻，共n个时刻；d(·)表示两个时间序列X_i(k)和X_j(k)的动态时间弯曲距离。

步骤5)分析异常指标，检测虚假数据注入攻击。如果DI_i(k)>DI_th,i，则虚假数据注入攻击发生，即μ＝1；否则微电网遭受虚假数据注入攻击，即μ＝0。

将上述所设计技术方案应用到实际当中，仿真系统如图2所示，微电网由5个分布式电源，DG1，DG2，DG3，DG4和DG5通过各自的连接阻抗连接于并网节点，其中DG2和DG4带有本地负荷。5个分布式电源的额定有功无功容量相等，每个分布式电源配置一个代理，分别用A1，A2，A3，A4和A5表示，系统中负载采用阻抗型负载。根据本发明实施例的微电网分布式通讯拓扑设计方法对通讯拓扑进行设计选择，并基于MATLAB/Simulink平台搭建仿真微电网模型，针对孤岛运行微电网在虚假数据注入攻击下的控制效果进行仿真，验证本发明方法的控制效果。

仿真开始时，微电网运行在一次下垂控制下，在t＝0.5s时分布式二次电压控制启动。在t＝2s时，负荷Load1增加10kW+5kvar，并在t＝4s时切除。在t＝2s时，负荷Load1增加10kW+5kvar，并在t＝4s时切除。在t＝3s时，攻击者通过对图2中信息节点A1的无功功率信息实施虚假数据注入攻击，并在t＝5s时停止攻击。探测信号离散序列的时刻数取n＝5。仿真结果如图3所示。需要说明的是，本算例中破坏攻击的仿真在没有考虑任何继电保护装置功能的假设上进行。

在t＝2s时，由于增加了负载功率，电压、平均电压、无功功率和无功功率控制偏差均发生了正常波动，此时虚假数据注入攻击还没有发生，因此各分布式电源的检测指标DI均为0。在t＝3s时，由于A1遭受欺骗攻击，各分布式电源并网电压和输出的无功功率均发生了非正常的波动。此时检测指标DI₁的值超过了阈值DI_th，其他分布式电源的检测指标仍在容许范围内，因此DG1检测到本地发生了虚假数据注入攻击，其邻居分布式电源可以通过各自检测指标的变化获知微电网遭受欺骗攻击。在t＝4s时电力系统中发生功率波动，虽然检测指标略有抖动，但并不影响对欺骗攻击的检测结果。最后在t＝5s时欺骗攻击移除，检测指标恢复正常，可以识别出微电网的攻击阶段结束。仿真结果证明了分布式同步检测方法可以有效检测微电网中的虚假数据注入攻击以及辨识被攻击的节点，同时能够区分物理扰动和网络攻击。

从本实施例可以看出，采用本发明的检测方法后，可以检测出微电网遭受虚假数据注入攻击，为分布式二次控制的控制结构设计提供依据，进而为网络防御提供决策依据。本发明所设计的方法有很好的检测效果。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (3)

1.一种针对虚假注入攻击的微电网分布式同步检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：

S1：微电网一次下垂控制和分布式二次电压无功控制；

S2：确定分布式电源的探测信号；

S3：根据反馈函数计算检测指标；

S4：分析异常指标检测虚假数据注入攻击；

所述S1中分布式二次电压无功控制，按照下式控制：

式中，u_i表示分布式电源i二次电压控制量；

和

分别表示分布式电源i的电压幅值和无功功率的控制量；v_ref和Q_ref分别表示微电网电压幅值和无功功率控制偏差的参考值；H_v＝(k_pv+k_iv/s)和H_Q＝(k_pQ+k_iQ/s)分别表示分布式电源i的电压幅值和无功功率的PI控制器，k_pv、k_pQ、k_iv和k_iQ分别表示PI控制器的比例和积分参数；

表示分布式电源i的平均电压估计值；u_i ^Q表示分布式电源i的无功功率控制偏差；u_i ^v表示分布式电源i的平均电压控制偏差；a_ij表示通信耦合增益参数，若分布式电源i和分布式电源j通过通信线路连接，a_ij≠0，否则，a_ij＝0；

表示分布式电源j的平均电压估计值；N_i表示第i个代理的邻居的集合；

表示分布式电源j的无功功率估计值；

所述S2中分布式电源探测信号按照下式：

式中，x_i表示分布式电源i的本地探测信号；

表示分布式电源i一次控制中q轴电流分量的参考值，通过逆变器双环控制器获取；如果分布式电源i没有被攻击，则x_i＝0；若分布式电源i被攻击则x_i>0；

述S3中计算检测指标的步骤包括：

①、计算两个时间序列的动态时间弯曲距离d(·)：

d(A,B)＝D(L,M)

式中，A＝{a₁,…,a_l,…,a_L}表示具有L个元素的时间序列；B＝{b₁,…,b_m,…,b_M}表示具有M个元素的时间序列；s_lm＝|a_l-b_m|表示a_l和b_m的距离；D(l,m)表示(1,1)到(l,m)的累积距离；

②、按照下式计算分布式电源i的检测指标：

式中，DI_i(k)表示k时刻分布式电源i的检测指标；h_i>0表示反馈系数，用于调整反馈量；X_i(k)和X_j(k)分别表示分布式电源i和分布式电源j的探测信号的离散时间序列，包括当前的k时刻和历史n-1个时刻，共n个时刻；d(·)表示两个时间序列X_i(k)和X_j(k)的动态时间弯曲距离。

2.根据权利要求1所述的一种针对虚假注入攻击的微电网分布式同步检测方法，其特征在于，所述S1中微电网一次下垂控制，按照下式控制：

式中，ω_i和v_i分别表示第i个分布式电源输出交流电压的角频率和幅值，ω₀和v₀分别表示设计的输出交流电压的角频率和幅值的额定值，m_i和n_i分别表示角频率和电压的下垂系数，P_i和Q_i分别表示分布式电源输出的有功功率和无功功率。

3.根据权利要求1所述的一种针对虚假注入攻击的微电网分布式同步检测方法，其特征在于，所述S4中分析异常指标检测虚假数据注入攻击，如果DI_i(k)>DI_th,i，则虚假数据注入攻击发生，即μ＝1；否则微电网遭受虚假数据注入攻击，即μ＝0。

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