微电网中网络弹性检测导向安全与集成控制防御：全面综述

《International Journal of Critical Infrastructure Protection》：Cyber-Resilient Detection-Centric Security and Integrated Control Defence in Microgrids: A Comprehensive Review

　　摘要可再生能源资源、储能系统、电动汽车以及通信使能的分层控制的整合，使微电网更容易受到信息物理攻击。当前的微电网网络安全解决方案主要侧重于检测异常和入侵，但即使检测到异常或入侵，微电网在主动网络攻击期间也可能无法保持稳定或正常运行，从而无法作为闭环系统运行。因此，本综述探讨了微电网向网络弹性范式的转变，该范式将控制作为关键要素。基于虚假数据注入（FDI）、拒绝服务、重放、时延、传感器、执行器和协同攻击对传感、通信、控制和执行路径可能产生的影响，对它们进行了分析。本综述批判性地分析了弹性分布式控制、基于观测器的补偿、滑模和基于重构的控制、基于信任的协同控制、数字孪生防御以及智能控制。特别强调了网络攻击与功率频率调节、电压调节、功率共享、恢复和闭环稳定性之间的联系。将基于李雅普诺夫分析、输入-状态稳定性（ISS）、无源性、驻留时间分析和控制障碍函数的面向稳定性的方法进行了相互比较，并分析了其实现假设和局限性。本综述还探讨了实时仿真、控制器硬件在环、功率硬件在环、数字孪生和信息物理测试平台作为验证方法。基于所综述的文献，提出了三条分析思路：1）基于攻击影响的防御层级选择；2）检测、控制和恢复弹性之间的分离；3）对弹性主张证据的评估。最后，确定了微电网网络弹性控制的研究需求，即可扩展、具备稳定性、通信感知且可实际部署的控制需求。引言微电网与可再生能源资源和电动汽车（EVs）的日益整合提升了运行灵活性、可靠性和去中心化程度。与此同时，这一转变也带来了显著弱点，这些弱点主要由依赖基于通信的分层控制系统所导致。电动汽车的接入，借助先进的电池管理系统和精确的荷电状态估计算法，增强了电网中信息物理相互依赖的程度，从而扩大了网络攻击面[1]。微电网建模、规划和弹性的背景进一步表明，这些系统的结构复杂性正在增加，导致其对协调扰动和网络威胁的敏感性增强[2,3]。传统的提升基于可再生能源的微电网电能质量和保护的方法，主要依赖电力电子接口和标准保护方案，已被广泛开发[4]，但这些方法通常预设了正常运行条件，并未明确考虑恶意情形。人工智能（AI）领域的最新技术进步，如基于深度学习的故障检测和AI辅助保护系统，增强了异常检测能力[5,6]；然而，这些方法在很大程度上是被动的，它们在系统发生故障后才处理故障，而非主动系统在持续攻击期间所需具备的弹性。面对这些困难，显然需要超越面向检测的网络安全方法，转向基于控制的弹性设计方法。安全性可以纳入控制架构，例如通过使用分布式一致性控制、基于观测器的补偿和自适应控制，以在发生网络事件时保持稳定性并允许受控的性能退化。这些指导原则强调了将控制理论与网络安全原理相结合的重要性，以实现安全且鲁棒的微电网运行。可再生能源和分布式发电的整合已显著改变了现代电力系统[7,8]。基于人工神经网络（ANN）的控制方案已被发现有助于增强混合能源系统中的无功功率控制，而机器学习（ML）方案如MODWT-XG-Boost已用于智能微电网的故障检测[9,10]。然而，它们对于复杂、大规模的能源系统仍不具备可扩展性和计算效率。尽管有这些进步，这些经典方法和数据驱动方法在处理大规模、多变量优化问题时仍存在局限性，从而促使人们探索更先进的计算范式，如基于量子计算的方法。微电网（MGs）是信息物理系统，由分布式能源资源（DERs）、储能系统和负载组成，并与分层控制结构同步[11,12]。由于二次和三次控制层基于频率恢复和经济调度，这些对通信网络敏感，因此微电网容易受到针对测量和通信信道的网络攻击。虚假数据注入（FDI）攻击可以改变分布式控制回路中的传感器测量值，导致频率偏差和分布式发电机之间功率分配的不公平。同样，拒绝服务（DoS）攻击可能中断确保基于一致性的二次控制所需的通信信道，从而导致低惯性裕度孤岛微电网的不稳定[13]。这些弱点尤其严重，因为与大型电力系统相比，微电网可能没有太多冗余。电力行业传统的网络安全工具主要围绕检测工具，如基于残差的状态估计、异常检测滤波器和统计监测工具[14]。尽管智能优化方法增强了混合系统中的储能，但它们往往忽略信息物理脆弱性问题，因此需要关注基于控制的弹性框架，以确保微电网在对抗条件下的稳定性[15,16]。虽然检测算法可用于检测恶意数据篡改，但它们不一定在攻击进展方面保持稳定。黑客攻击可能在很长一段时间内未被发现，因此即使在采取措施纠正之前，系统性能也可能受到损害[17,18]。为解决这些弱点，当前研究侧重于网络弹性控制方法，即在控制架构中实例化缓解措施。已建议能够承受恶意代理存在的鲁棒分布式一致性控制器在对抗条件下保持稳定[19]。同时，基于数字孪生的防御机制已被证明在识别攻击和实时采取纠正措施方面表现更好，可应对任何通信影响，如DoS攻击[20]。这些发展表明，需要改变范式，将微电网网络安全转变为更以控制为中心而非以检测为中心，因为弹性本质上嵌入在控制设计中，有助于确保运行连续性、稳定性、维护以及在网络对抗行动下的优雅退化。最近的综述论文从不同角度研究了智能电网和微电网的网络安全问题，包括攻击检测、入侵检测系统、通信安全、分布式控制和基于数字孪生的监测。然而，现有的大多数综述要么独立关注网络攻击检测机制，要么独立关注弹性控制方法。系统地将网络安全和控制理论弹性桥接起来的微电网综合综述仍然有限。表1表明，本综述中提及的每个单独主题并不新鲜。已有大量现有研究涵盖网络攻击检测、弹性控制、信息物理脆弱性、通信安全、标准和AI用于微电网控制。本综述的区别在于表1最后两列所示的两个分析维度。它不仅仅是防御机制的列表，而是提出了一种计算所需防御水平的方法，并提出了一种衡量声称弹性所需证据强度的方法。检测、控制和恢复弹性之间的另一个区别需要指出，检测精度或攻击后恢复不能被视为网络弹性运行的衡量标准。先前的综述侧重于微电网网络安全的关键方面，如网络攻击分类及其检测、弹性控制、信息物理脆弱性、通信安全、标准和基于AI的方法。此外，近年来已有综述探讨了网络攻击下的微电网控制和网络安全微电网控制[21,22]，以及AI在微电网设计、控制和维护中的应用[6]。因此，本文不声称这些主题被单独讨论并在此领域做出新颖贡献。相反，本综述提出了三个用于评估微电网网络弹性控制的分析输出。网络弹性防御选择框架被设计为第一步，根据攻击特征、受影响的控制路径和由此产生的物理后果来确定所需的防御程度。该框架包括四个类别：检测与报警、状态重构或补偿、控制集成缓解、安全约束弹性控制。其次，引入三维弹性概念，将检测弹性、控制弹性和恢复弹性分离。检测弹性是微电网检测恶意活动的能力；控制弹性是闭环微电网在攻击期间保持可接受运行的能力；恢复弹性是闭环微电网在攻击被缓解后恢复期望运行状态的能力[[23], [24], [25]]。这种分离允许将攻击检测性能视为不是运行弹性的完整指标。第三，建议采用弹性证据框架来评估网络弹性控制主张的验证强度[26,27]。它从功能仿真发展到分析稳定性验证，再到对抗测试、实时闭环验证、基于硬件的信息物理测试和面向部署的评估。这三个输出不仅用于对可用方法进行分类，还用于解释和比较所综述的文献。表2提出了微电网网络弹性控制的分析框架。所提出的框架用于后续的文献综合分析。防御选择框架用于区分基于检测的响应与直接维持和/或恢复闭环运行的响应。三维弹性框架用于分离检测攻击的能力、在攻击期间维持控制性能的能力以及缓解后恢复的能力。弹性证据框架用于识别基于仿真的主张和结果，这些结果得到稳定性分析、对抗测试、实时仿真、硬件在环实验和信息物理测试平台的支持。因此，除了研究已提出的方法外，本综述还考察了这些方法提供的弹性类型以及支持其有效性的证据[28,29]。为确保对最新文献进行全面系统的评估，采用了结构化综述方法。相关出版物从主要科学数据库中收集，包括IEEE Xplore、ScienceDirect、SpringerLink、Wiley Online Library、Scopus和Web of Science。文献检索聚焦于2015年至2025年间的出版物，使用关键词组合，如微电网网络安全、网络弹性控制、FDI、网络攻击、拒绝服务攻击、分布式弹性控制、基于观测器的控制、数字孪生、信息物理系统、IEC 61850和微电网弹性。使用预定义的纳入和排除标准对收集的出版物进行筛选。纳入直接与网络弹性微电网运行相关的同行评审期刊文章、会议论文、标准文件和被高度引用的综述论文。排除缺乏技术相关性、重复记录、非英文文章以及与面向控制的弹性无关的研究。在标题、摘要和全文筛选后，所选文献被归类为主题组，包括网络威胁模型、基于检测的网络安全方法、弹性控制策略、基于观测器和基于重构的方法、基于信任的合作框架、数字孪生辅助防御机制、稳定性保证、实现约束和验证平台。图1展示了用于文献识别、筛选、资格评估和最终纳入的PRISMA启发式工作流程。这种结构化方法提高了综述的透明度和可重复性，同时确保全面覆盖网络弹性微电网控制的最新发展。为构建这一视角，综述的第一步是确定微电网控制架构中信息物理交互的位置。因此，第2节的目的不是提供微电网控制的传统教程，而是挑出那些使网络攻击能够影响系统行为的控制功能、时间尺度和通信依赖性。这些控制功能是后续部分中开发的控制威胁分析的基础[30]。章节片段微电网控制层级与运行目标分布式能源资源（DERs）的持续采用，包括光伏（PV）系统、风力涡轮机和电池储能系统（BESSs），已导致现有电力系统向分散结构而非传统集中结构演变。微电网已成为整合这些DERs并保证供电可靠性、弹性和可持续性的可行方法。微电网通常被视为一个局部区域，定义为……网络攻击下的稳定性目标网络弹性微电网：稳定性分析与受损测量、通信信号、控制命令和/或系统参数存在时闭环系统的有界性和收敛性相关。这些性能变量包括频率和电压偏差、功率分配误差、恢复时间以及瞬态偏移[42,43]。网络攻击可能改变稳定控制器的稳定性特性：有偏反馈攻击可能导致虚假数据注入（FDI），拒绝服务攻击（DoS）或

针对控制集成安全微电网的防御分类

当前交流/直流微电网集成了分布式能源资源（DERs）、通信网络和分层控制架构，以提升灵活性、可靠性和弹性。然而，网络-物理互联性的增强大大增加了攻击空间。虚假数据注入（FDI）、拒绝服务攻击（DoS）、重放攻击以及针对分布式控制器的协同攻击可能影响电压调节和频率同步[61]。次级控制层尤其容易受到攻击，因为它们基于

面向弹性稳定性的概述与动机

微电网主要由逆变器接口的分布式能源资源主导，这些资源具有动态响应快、惯量低以及对通信支持的次级和三级控制层的强烈依赖性。网络攻击以虚假数据注入（FDI）、重放攻击、时间延迟插入和拒绝服务攻击（DoS）的形式针对感知状态源或控制信号，直接扰动闭环动态，可能导致电压崩溃、频率不稳定或失去同步。因此，

与微电网相关的OT网络安全标准

OT标准规范了网络弹性控制的实际实施。IEC 62443系列定义了安全等级（SL1至SL4），并保障工业自动化和控制系统的开发生命周期和系统集成安全，包括DER控制器和智能电子设备（IEDs）[85]。合规性强烈影响控制器架构、固件升级系统和网络分段。微电网通信架构可能使用IEC 61850服务，包括通用面向对象

结论

由于通信网络在微电网控制架构中的渗透率增加，网络威胁已成为主要关注点。尽管基于检测的机制在检测恶意活动方面仍然至关重要，但这些机制不足以在主动攻击中确保稳定性和性能。控制集成防御提供了一种组织良好且稳健的替代方案，将弹性置于分布式控制策略中。使用强共识的微电网

利益冲突声明

作者未收到与本工作相关的任何资助，并声明不存在与本工作相关的财务或非财务利益冲突，也没有可能影响手稿结果或解释的竞争利益。

CRediT作者贡献声明

Pradeep Kumar Tiwari：撰写——初稿。Abdul Zeeshan：撰写——初稿，监督。Vinod Kumar Vishwakarma：撰写——审阅与编辑，监督。Roshan Chitranshi：撰写——审阅与编辑，监督。Swapnil Srivastava：撰写——审阅与编辑，监督。Suneel Kumar Sinha：撰写——审阅与编辑，监督。R.C. Bansal：撰写——审阅与编辑，监督。

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