Transient-Safe and Attack-Resilient Secondary Control in AC Microgrids Under Polynomially Unbounded FDI Attacks
作者: Mohamadamin Rajabinezhad, Nesa Shams, Yichao Wang, Shan Zuo
分类: eess.SY
发布日期: 2024-10-07
💡 一句话要点
提出一种瞬态安全且抗攻击的微网二级控制策略，解决多项式无界FDI攻击下的安全问题。
🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)
关键词: 微电网控制 虚假数据注入攻击 瞬态安全 分布式控制 李雅普诺夫稳定性 弹性控制 网络安全
📋 核心要点
- 现有微网控制方法主要关注稳态性能，忽略了攻击发生时的瞬态安全问题，可能导致系统状态超出安全范围。
- 该论文提出一种分布式二级控制策略，通过增强对多项式无界FDI攻击的防御能力，确保频率和电压在瞬态过程中的安全轨迹。
- 通过李雅普诺夫稳定性分析证明了所提策略的UUB收敛性，仿真结果验证了其在提高系统可靠性、安全性和弹性方面的有效性。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种新颖的、完全分布式的、瞬态安全的弹性二级控制策略，用于交流微电网，解决了控制输入通道上无界虚假数据注入（FDI）攻击的问题。与主要关注稳态收敛的现有方法不同，我们的方法保证了瞬态安全，确保系统状态在攻击启动期间保持在预定义的安全范围内，这是先前研究中忽略的关键方面。鉴于基于逆变器的可再生能源渗透率的提高降低了网络惯性，在由扰动和网络攻击引起的瞬态过程中，更有可能发生大的过冲和剧烈波动。为了减轻这些风险，所提出的控制方法增强了对多项式无界FDI攻击的防御能力，在整个瞬态响应过程中保持频率和电压的安全系统轨迹。通过严格的基于李雅普诺夫的稳定性分析，我们正式证明了该策略实现了频率和电压调节以及跨多逆变器交流微电网的有功功率共享中的一致最终有界（UUB）收敛。数值仿真研究验证了所提出的控制协议的有效性，证明了在不利条件下系统可靠性、安全性和弹性的提高。
🔬 方法详解
问题定义：该论文旨在解决交流微电网中，在遭受多项式无界虚假数据注入（FDI）攻击时，现有二级控制策略无法保证瞬态安全的问题。现有方法主要关注稳态收敛，忽略了攻击发生初期可能导致的系统状态超出安全范围的风险，尤其是在高比例可再生能源接入降低系统惯性的情况下，瞬态过程中的过冲和波动会更加剧烈。
核心思路：论文的核心思路是设计一种分布式的二级控制策略，该策略不仅能够实现频率和电压的调节以及有功功率的共享，更重要的是，能够在遭受FDI攻击时，保证系统状态在整个瞬态过程中都保持在预定义的安全范围内。通过增强对多项式无界FDI攻击的防御能力，确保系统轨迹的安全性。
技术框架：该控制框架基于分布式二级控制架构，每个逆变器都配备本地控制器和通信模块。二级控制器通过通信网络接收相邻逆变器的信息，并根据本地测量和接收到的信息计算控制输入。该框架包含以下主要阶段：1）本地测量和数据预处理；2）分布式控制器计算控制输入；3）控制输入作用于逆变器；4）系统状态反馈和通信。
关键创新：该论文最重要的技术创新在于其对瞬态安全性的关注和保证。与现有方法不同，该方法不仅考虑了稳态性能，还通过设计特定的控制协议，确保系统在遭受攻击时，状态不会超出安全范围。此外，该方法还增强了对多项式无界FDI攻击的防御能力，提高了系统的鲁棒性。
关键设计：该控制策略的关键设计包括：1）基于李雅普诺夫理论的稳定性分析，用于证明系统在遭受攻击时能够保持稳定，并实现UUB收敛；2）针对多项式无界FDI攻击的防御机制，例如，通过设计合适的滤波器或观测器来抑制攻击的影响；3）分布式控制器的设计，确保每个逆变器都能够根据本地信息和邻居信息做出决策，实现全局优化。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
该论文通过数值仿真验证了所提出的控制策略的有效性。仿真结果表明，在遭受多项式无界FDI攻击时，所提出的控制策略能够有效地抑制攻击的影响，保证频率和电压在安全范围内，并实现有功功率的准确共享。与现有方法相比，该方法能够显著提高系统的瞬态安全性和鲁棒性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于智能电网、微电网等电力系统的安全控制领域，尤其是在可再生能源高比例接入的场景下，能够提高电力系统应对网络攻击的能力，保障电力系统的安全稳定运行。该方法还可推广到其他分布式控制系统，例如多机器人协同控制等。
📄 摘要（原文）
This letter proposes a novel, fully distributed, transient-safe resilient secondary control strategies for AC microgrids, addressing unbounded false data injection (FDI) attacks on control input channels. Unlike existing methods that focus primarily on steady-state convergence, our approach guarantees transient safety, ensuring that system states remain within predefined safety bounds even during attack initiation a critical aspect overlooked in prior research. Given the reduction of network inertia by increasing the penetration of inverted-based renewables, large overshooting and intense fluctuations are more likely to occur during transients caused by disturbances and cyber-attacks. To mitigate these risks, the proposed control method enhances defense capabilities against polynomially unbounded FDI attacks, maintaining safe system trajectories for both frequency and voltage throughout the transient response. Through rigorous Lyapunov-based stability analysis, we formally certify the strategies to achieve uniformly ultimately bounded (UUB) convergence in frequency and voltage regulation, and active power sharing across multi-inverter-based AC microgrids. Numerical simulation studies verify the effectiveness of the proposed control protocols, demonstrating improved system reliability, safety and resilience under adverse conditions.