孤岛微电网中基于分布式有向通信网络且具有随机FDI攻击弹性方法的事件驱动频率调节策略

《Global Energy Interconnection》：Event-driven frequency regulation strategy in islanded microgrids over distributed directed communication network with random FDI attack-resilient method

　　

最近，针对微电网（MGs）中可再生能源协调的分布式事件触发控制因能提高通信效率而受到越来越多的研究。然而，其中大多数要求通信网络设计为无向的，这在实际应用中过于严格且不现实。此外，事件触发控制对应的非周期性和间歇性通信模式也带来了更多的网络攻击风险，特别是随机虚假数据注入（RFDI）攻击，这类攻击可欺骗控制器并破坏MGs的正常运行。为了解决孤岛微电网中频率恢复控制的这些问题，研究人员首先设计了一种适用于一般有向通信网络（GDCNs）的新型分布式事件触发机制。然后，基于所设计的标签生成器和标签检查器，提出了一种针对RFDI攻击的基于标签的攻击弹性解决方案，使得每个事件触发控制器能够区分真实传输状态与RFDI攻击。接着，通过拒绝已识别的攻击信号，可以完全消除RFDI攻击的不利影响。该解决方案易于实现，且不需要额外的计算资源。仿真结果验证了所提控制器和攻击弹性方法的有效性。

论文解读文章

研究背景：微电网（Microgrids, MGs）作为整合分布式发电机（Distributed Generators, DGs）的有效方式，其孤岛运行模式下的频率稳定性至关重要。二次频率控制用于补偿一次下垂控制引起的频率偏差，而分布式控制相比集中式控制具有更高的可靠性和可扩展性。然而，传统时间触发分布式控制持续通信，浪费资源；事件触发控制虽能提高效率，但现有方案大多要求通信拓扑为无向，过于严格且不实用。此外，事件触发控制的非周期和间歇性通信模式使微电网易受网络攻击，特别是随机虚假数据注入（Random False Data Injection, RFDI）攻击——该攻击模仿正常事件触发通信模式，可欺骗控制器且难以检测。因此，亟需设计一种适用于一般有向通信网络（General Directed Communication Networks, GDCNs）且能抵御RFDI攻击的分布式事件触发频率控制策略。

研究人员开展的研究：本文针对上述问题，首先设计了一种仅依赖本地测量误差的分布式事件触发机制，适用于GDCN，降低了通信拓扑约束。然后，提出了一种基于标签的攻击弹性方法，通过为每个DG配备标签生成器和标签检查器，在事件通信时发送三元组数据（状态、前次标签、下次标签），接收方通过标签匹配识别并丢弃RFDI攻击信号，从而完全消除其影响。理论分析证明了频率恢复误差有界且系统无Zeno行为。仿真结果验证了所提控制器和攻击弹性方法的有效性。该论文发表在《Global Energy Interconnection》。

主要关键的技术方法：（1）事件触发条件设计：利用本地估计误差 e_i 与阈值 η_i 比较，触发时更新状态并广播，该条件仅需本地信息，无需邻居数据，适用于有向通信网络；（2）标签式攻击弹性方法：每个DG在每次事件时生成随机标签，并在当前事件发送时附带上一事件已发送的标签作为身份验证，接收方检查标签一致性来识别RFDI攻击；（3）理论分析：利用矩阵理论和图论，通过构建紧凑形式的状态方程，推导出频率恢复误差的上界 ρ = nη_m∥L+D∥/Re{λ₂}，并证明触发间隔存在正下界以避免Zeno现象；（4）仿真验证：在MATLAB/Simulink中搭建含4个DGs的孤岛微电网测试模型，各DG模拟为基于逆变器的电压源，通信拓扑为有向图，DG 1接收频率参考信号，设置控制增益 k_ω=20，额定频率 ω_r=50 Hz。仿真时间7秒，包括孤岛、事件触发控制启动、负荷变化等事件，并针对不同攻击概率和链路场景进行测试。

研究结果：

5.1 基于GDCN的分布式事件触发控制器验证：通过设置 η_i=0.0005 进行仿真。结果显示，在t=1s启动事件触发二次控制后，各DG频率在0.8秒内恢复至50 Hz，并在t=3s和t=5s的负荷扰动下保持稳定。各DG控制器触发稀疏，平均仅57.5次，呈现间歇性和非周期性模式，验证了事件触发机制的有效性和通信效率提升。

5.2 不确定通信网络下的控制性能验证：在t=4s将DG 2拔除、t=5s重新接入。结果显示，DG 2拔除后频率升至50.7 Hz（因一次下垂控制输出功率为零），重新接入后频率恢复至50 Hz，且拔除期间DG 2控制器不触发。该结果表明所提控制器能适应通信拓扑变化，具有良好的灵活性和可扩展性。

5.3 基于标签的FDI攻击弹性方法验证：
5.3.1 攻击场景I：单一通信链路（DG 3到DG 4）受到RFDI攻击，攻击概率 Ξ{Γ₃₄=1}=0.05。无保护时，频率剧烈波动；采用标签方法后，频率稳定在50 Hz，标签检查器正确识别攻击信号并丢弃，表明该方法能有效抵抗单链路RFDI攻击。
5.3.2 攻击场景II：RFDI攻击概率分别设为0.1和0.2。无保护时，概率越高频率波动越严重，且随时间加剧（供需失衡）；有保护时，频率始终稳定在50 Hz，表明该方法能完全消除不同概率RFDI攻击的影响。
5.3.3 攻击场景III：所有通信链路均受到RFDI攻击（概率0.05）。无保护时，频率波动比单链路更严重；有保护时，频率仍恢复并稳定，验证了该方法应对多链路攻击的有效性。

总结讨论部分：翻译研究结论。原文结论：In this paper, we first notice the harm of RFDI attacks on communication process of distributed event-triggered control in MGs. Firstly, a distributed event-triggered mechanism that is applicable to GDCN for secondary frequency restoration in MGs is designed. Then, focusing on the stealthy RFDI attacks, a label-based FDI attack-resilient method is developed to maintain system stability of MGs under attack scenarios. Simulation results reveal the architectural advantages and superiority of the proposed event-triggered controller, and demonstrate that the label-based FDI attack-resilient method is valid in many bad situations, such as RFDI attacks with different probabilities, all communication links being attacked. 翻译为：本文首先注意到RFDI攻击对微电网分布式事件触发控制通信过程的危害。首先，设计了一种适用于一般有向通信网络的分布式事件触发机制，用于微电网二次频率恢复。然后，针对隐蔽的RFDI攻击，开发了一种基于标签的FDI攻击弹性方法以维持攻击场景下微电网的系统稳定性。仿真结果揭示了所提事件触发控制器的架构优势和优越性，并证明基于标签的FDI攻击弹性方法在许多恶劣场景下均有效，例如不同概率的RFDI攻击、所有通信链路被攻击等。