CN117117900A

CN117117900A - 一种抵御fdi攻击的微电网自触发控制方法及系统

Info

Publication number: CN117117900A
Application number: CN202311101885.XA
Authority: CN
Inventors: 陈郁林; 齐冬莲; 黄杏; 闫云凤; 翁沈军; 汪显博
Original assignee: Hainan Research Institute Of Zhejiang University
Current assignee: Hainan Research Institute Of Zhejiang University
Priority date: 2023-08-29
Filing date: 2023-08-29
Publication date: 2023-11-24

Abstract

本发明公开了一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法及系统，涉及微电网控制技术领域，其中方法包括以下步骤：S1：针对微电网采用基于下垂控制的一次控制；S2：设计微电网的二次控制策略，包括频率恢复和有功功率公平分配；S3：考虑FDI攻击注入二次控制通信链路的情况，设计哈希加密方法的微电网分布式自触发控制方法，抵御微电网中的虚假恶意数据，实现二次控制；本发明即使在FDI攻击下仍能实现微电网分布式二次控制目标，快速检测和消除注入的恶意数据，保护微电网分布式二次控制通信网络的同时，显著减少了控制器的计算和通信负担，有效确保微电网的稳定运行。

Description

一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法及系统

技术领域

本发明涉及微电网控制技术领域，更具体的说是涉及一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法及系统。

背景技术

目前，随着信息系统的快速发展，微电网面临着更多潜在的网络攻击威胁。在众多网络攻击中，虚假数据注入(false data injection，FDI)攻击可以在不引起控制器跟踪误差的前提下施加，很难被分布式控制器直接检测并消除。

但是，传统的微电网分布式二次控制具有较小的固定采样周期，不可避免地造成通信和计算资源的浪费。

因此，针对上述问题，本文提出了一种基于哈希加密算法的抵御FDI攻击的微电网分布式自触发控制策略及系统。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法及系统，即使在FDI攻击下仍能实现微电网分布式二次控制目标，快速检测和消除注入的恶意数据，保护微电网分布式二次控制通信网络的同时，显著减少了控制器的计算和通信负担，有效确保微电网的稳定运行。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法，包括以下步骤：

S1：针对微电网采用基于下垂控制的一次控制；

S2：设计微电网的二次控制策略，包括频率恢复和有功功率公平分配；

S3：考虑FDI攻击注入二次控制通信链路的情况，设计哈希加密方法的微电网分布式自触发控制方法，抵御微电网中的虚假恶意数据，实现二次控制。

优选的，还包括以下步骤：

S4：运用李雅普诺夫稳定性方法及仿真实验进行验证。

优选的，所述S1中，微电网采用基于下垂控制的一次控制策略，调整各分布式电源的出力以实现微电网中负荷和输出功率间的快速平衡。

优选的，所述S2包括以下步骤：

对于频率恢复，采用本地PI控制方法恢复微电网的频率设定；

对于有功功率公平分配，对微电网中的每个分布式电源设置一个有功功率自触发控制器，通过有功功率自触发控制器实现有功功率公平分配。

优选的，所述S3包括以下步骤：

S31：分布式电源将需要传输的有功功率值做哈希变换，得到对应的自身哈希变换值，并发送至相邻的分布式电源；

S32：当相邻的分布式电源接收到相应的数据包后，相邻的分布式电源对接收到的有功功率值进行哈希变换，得到对应的接收哈希变换值；

S33：相邻的分布式电源将所述自身哈希变换值与所述接收哈希变换值进行判断，若两个哈希值不相等，则判断遭受FDI攻击，反之则未遭受FDI攻击。

优选的，所述S33中当遭受FDI攻击时则不采用所述接收哈希变换值，而是采用变换前的有功功率值。

本发明还提供一种利用上述任一项所述的抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法的控制系统，包括：

一次控制模块，用于运用下垂控制策略，调整微电网中各分布式电源的出力以实现微电网中负荷和输出功率间的快速平衡；

二次控制模块，用于设计微电网的二次控制策略，包括频率恢复和有功功率公平分配；

攻击模块，用于FDI攻击注入二次控制通信链路的情况，设计哈希加密方法的微电网分布式自触发控制方法，抵御微电网中的虚假恶意数据，实现二次控制。

优选的，还包括：

验证模块，用于运用李雅普诺夫稳定性方法及仿真实验进行验证。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法及系统，具有以下有益效果：

(1)本发明在传统分布式基于时间触发的控制策略基础上，设计基于哈希加密算法的抵御FDI攻击的分布式自触发控制策略及系统。首先，设计出分布式自触发控制策略使控制器仅在满足触发条件时进行触发，显著减轻了控制器的计算和通信负担。并且，本发明设计出哈希加密算法，即使在FDI攻击下仍能实现微电网分布式二次控制目标，有效确保微电网的稳定运行。

(2)运用李雅普诺夫稳定性理论和仿真实验证明了本发明控制方法即使在FDI攻击下仍能实现微电网分布式二次控制目标，实现频率恢复和有功功率公平分配。

综上所述，与传统分布式基于时间触发的控制策略相比，本发明显著减轻了控制器的计算和通信负担，实现FDI攻击下的微电网安全稳定运行，并且改进的自触发控制策略对各种FDI攻击下同样适用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法的整体流程图；

图2为本发明提供的一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制系统的结构原理框图；

图3为本发明实施例2提供的孤岛微电网测试系统结构图；

图4(a)为本发明实施例2提供的FDI攻击下运用传统的基于时间触发控制策略各分布式电源输出频率的示意图；

图4(b)为本发明实施例2提供的FDI攻击下运用传统的基于时间触发控制策略各分布式电源输出有功功率的示意图；

图5(a)为本发明实施例2提供的FDI攻击下运用本发明控制策略各分布式电源输出频率的示意图；

图5(b)为本发明实施例2提供的FDI攻击下运用本发明控制策略各分布式电源输出有功功率的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见附图1所示，本发明实施例1公开了一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法，包括以下步骤：

S1：针对微电网采用基于下垂控制的一次控制；

在一个具体的实施例中，还包括以下步骤：

S4：运用李雅普诺夫稳定性方法及仿真实验进行验证。

在一个具体的实施例中，S1中，微电网采用基于下垂控制的一次控制策略，调整各分布式电源的出力以实现微电网中负荷和输出功率间的快速平衡。

在一个具体的实施例中，S2包括以下步骤：

在一个具体的实施例中，S3包括以下步骤：

S33：相邻的分布式电源将自身哈希变换值与接收哈希变换值进行判断，若两个哈希值不相等，则判断遭受FDI攻击，反之则未遭受FDI攻击。

在一个具体的实施例中，S33中当遭受FDI攻击时则不采用接收哈希变换值，而是采用变换前的有功功率值。

参见附图2所示，本发明实施例1还提供一种上述实施例中任一项所述的抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法的控制系统，包括：

在一个具体的实施例中，还包括：

实施例2

具体应用实施例1提供的方法的详细过程包括以下过程：

步骤1、微电网采用基于下垂控制的一次控制策略，调整微电网中各分布式电源的出力以实现微电网中负荷和输出功率间的快速平衡，以频率-有功功率为例，下垂控制的具体表达式为：

ω_i＝ω_ni-m_piP_i (1)

式中，ω_i和ω_ni分别为分布式电源i的输出频率和频率设定点，P_i为分布式电源i的终端有功功率，m_pi为分布式电源i的ω-p控制下垂系数。

步骤2、设计出相应的微电网分布式二次控制策略，分布式二次控制策略包括频率恢复和有功功率公平分配，包括：(1)对于频率恢复，采用本地PI控制实现各分布式电源的电压和频率恢复到参考值；(2)对于有功功率公平分配，首先为每个分布式电源设计一个基于线性时钟的有功功率自触发控制器，使其仅在满足条件时触发其控制器，实现有功功率按照各分布式电源的容量进行公平分配，具体过程包括：

其中，微电网分布式二次控制目标，具体为：

m_p1P₁＝...＝m_pnP_n (3)

式中，i＝1,2,...n；ω_ref为参考频率。

对于频率恢复，采用本地PI控制调节频率设定点ω_ni以实现各分布式电源的电压和频率恢复到参考值，频率设定点ω_ni的具体表达式为：

ω_i＝ω_ni+u_ωi+u_Pi-m_piP_i (4)

式中，u_ωi为频率控制输入，u_Pi为有功功率控制输入。

采用本地PI控制实现各分布式电源的频率恢复到参考值，具体表达式为：

u_ωi＝-k_P(ω_i-ω_ref)-k_I∫(ω_i-ω_ref)dt (5)

式中，ω_ref为参考角频率，k_P和k_I分别为本地PI控制器的比例和积分系数。

对于有功功率分配，设计有功功率控制输入u_Pi的具体表达式为：

式中，k_P＞0为有功功率控制增益，N_i为分布式电源i的邻居集合。

可以看出，传统的有功功率控制策略是周期性采样通信，不可避免地增加了通信和计算资源的浪费。因此，本实施例通过设计分布式有功功率自触发控制器来进行非周期性触发，具体为：

式中，m_pP为分布式电源i的有功功率状态变量，u^ij∈{-γ,0,γ}为分布式电源I与分布式电源j的本地有功功率控制输入，θ^ij为通信链路(i,j)∈E上的时钟变量。

定义有功功率自触发控制器的触发规则，具体为：

当θ^ij达到0时，分布式电源i获取分布式电源j的有功功率状态信息，接着相应地更新有功功率控制输入u^ij和时钟变量θ^ij。

定义t时刻分布式电源i与分布式电源j之间的有功功率差值med^ij(t)的具体表达式为：

med^ij(t)＝m_pjP_j(t)-m_piP_i(t) (8)

相应地，设计有功功率控制输入u^ij的更新规则的具体表达式为：

其中，sign_ε(med^ij(t))满足以下公式：

式中，sign(x)为符号函数，γ＞0为常数，ε＞0为预先设定的有功功率误差。

设计时钟变量θ^ij的更新规则为

其中，f^ij(m_piP_i(t))具体可以表示为为：

相应地，有功功率自触发控制器的触发时刻定义为：

式中，为分布式电源i的有功功率自触发控制器的第k次触发时刻。

由此可见，通过合适设计分布式有功功率自触发控制器，实现有功功率公平分配。

步骤3、设计基于哈希加密算法的微电网分布式自触发控制策略，使微电网即使处于FDI攻击下仍能实现分布式二次控制目标。首先，设计哈希加密算法具体为：

需要对传输的每个有功功率值做哈希变换，具体表达式为：

H(B_pj)＝B_pj＜＜3 (14)

式中，B_pj为有功功率P_j的二进制值，H(B_pj)为B_pj左移3位的二进制值；因此，有功功率P_j的哈希变换表示为：P_j→H_j。

设计基于哈希加密算法的抵御FDI攻击的微电网分布式自触发控制策略为：

首先，每个分布式电源将自己的有功功率值和相应的哈希变换值发送给其相邻的分布式电源。当相邻的分布式电源收到相应的数据包后，对接收到的有功功率值进行哈希变换，将收到的哈希变换值与接收到的有功功率进行哈希变换后的哈希值对比，如果两个哈希值不相等，就会被检测为接收FDI攻击信号。以分布式电源i为例，具体设计为：

分布式电源j发送自己的有功功率值P_j和相应的哈希变换值H_j给分布式电源i，表示为(P_j,H_j)。当分布式电源i收到分布式电源j的有功功率值P′_j做哈希变换，得到哈希值为H'_j。如果H'_j＝H_j，表明通信链路未遭受FDI攻击，反之遭受攻击。该策略实现FDI攻击下微电网二次控制目标的实现。

步骤4、运用李雅普诺夫稳定性理论和仿真实验证明了本发明控制方法即使在FDI攻击下仍能实现微电网分布式二次控制目标。

对于任意t＞0和γ＞0，定义李雅普诺夫函数V(t)为：

其中，m_pP(t)＝[m_p1P₁(t),...,m_pnP_n(t)]^T，注意到V(t)＞0。

将式(15)求导，得出：

将式(9)、(10)和(11)代入式(16)，得出：

其中，

对于如果/>推导得出：

相应地，如果推导得出：

因此，如果可以得出：

得出：

结合式(18)和(19)，式(16)可以写成：

由于γ>0，所以严格半负定。

证明完毕。

具体应用时，孤岛微电网测试系统如图3所示，系统参数如表1所示。

表1孤岛微电网测试系统的参数

为了验证所提出的基于哈希加密算法的抵御FDI攻击的微电网分布式自触发控制策略的有效性，仿真过程设计如下：

1)t＝0s，微电网进入孤岛运行模式；

2)t＝1s，运用本发明提出的基于哈希加密算法的抵御FDI攻击的微电网分布式自触发控制策略；

3)t＝2s，负荷1增加负载3kW；

4)t＝3.5s，对通信链路注入随机FDI攻击；

5)t＝4.5s，DG1增加负载3kW。

总仿真时间为7s；其中，自触发控制器参数k_ω＝40，频率参考值ω_ref＝50Hz。

实验截图如下：

(1)图4(a)和图4(b)分别给出传统控制方法下各分布式电源频率和有功功率的示意图。在0–1s期间，运用下垂控制策略，各分布式电源的输出频率低于50Hz。当t＝1s时，运用传统基于时间触发的分布式二次控制策略，各分布式电源的频率恢复到50Hz，同时实现有功功率公平分配。该性能验证了所提微电网分布式自触发控制策略的有效性。但当t＝3.5s时，对通信链路注入随机FDI攻击，各分布式电源的频率再次偏离参考值，甚至出现震荡现象，因此设计有效的控制策略来抵御FDI攻击具有现实意义。

(2)图5(a)和图5(b)分别给出本发明提出基于哈希加密算法的抵御FDI攻击的微电网分布式自触发控制策略下各分布式电源频率和有功功率的示意图。从图中可以看出，即使存在FDI攻击，运用本发明提出的抵御FDI攻击策略，仍使各分布式电源的频率稳定在参考值，有功功率实现公平分配。本发明提出的控制方法即使在FDI攻击下仍能实现微电网分布式二次控制目标。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：针对微电网采用基于下垂控制的一次控制；

2.根据权利要求1所述的一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S4：运用李雅普诺夫稳定性方法及仿真实验进行验证。

3.根据权利要求1所述的一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法，其特征在于，所述S1中，微电网采用基于下垂控制的一次控制策略，调整各分布式电源的出力以实现微电网中负荷和输出功率间的快速平衡。

4.根据权利要求1所述的一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法，其特征在于，所述S3包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法，其特征在于，所述S33中当遭受FDI攻击时则不采用所述接收哈希变换值，而是采用变换前的有功功率值。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的抵御FDI攻击的微电网自触发控制方法的控制系统，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的一种抵御FDI攻击的微电网自触发控制系统，其特征在于，还包括：