考虑虚假信息注入攻击的多端柔性直流系统分布式频率控制_张赟宁.pdf

第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0842-06 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 考虑虚假信息注入攻击的多端柔性直流系统 分布式频率控制 张赟宁1，韦乐1，付文龙1，胡松林2，张磊3（1三峡大学电气与新能源学院，湖北省 宜昌市 443002；2南京邮电大学碳中和先进技术研究院，江苏省 南京市 210003；3三峡大学智慧能源技术湖北省工程研究中心，湖北省 宜昌市 443002）Distributed Frequency Control Considering FDI Attack for MTDC System ZHANG Yunning1,WEI Le1,FU Wenlong1,HU Songlin2,ZHANG Lei3(1.School of Electrical and New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443002,Hubei Province,China;2.Institute of Advanced Technology for Carbon Neutrality,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,Jiangsu Province,China;3.Hubei Provincial Engineering Research Center of Intelligent Energy Technology,China Three Gorges University,Yichang 443002,Hubei Province,China)ABSTRACT:Distributed consistency control has become a new choice for the secondary frequency control of multi-terminal flexible direct current(MTDC)systems because of its flexibility and synergy.Although the distributed control structure improves the frequency modulation capability of the MTDC system,it brings the threat of network attacks.To this end,this paper first studies the adverse effects of the constant false data injection(FDI)attacks on the distributed secondary controllers,and the analysis results show that the FDI-attacked sites persists with the frequency deviations related to the attack vectors.Furthermore,in order to eliminate the frequency deviations caused by the attacks,this paper proposes a distributed consistency control strategy to resist the constant value FDI attacks by using the characteristic that the constant value differential is zero,which theoretically proves that the proposed strategy can eliminate the deviation caused by the FDI attacks.Finally,a four-terminal flexible DC system simulation model is built based on the MATLAB/SIMULINK,and three attack scenarios are simulated,i.e.a single converter station is attacked,all converter stations are attacked at the same time,and all converter stations are attacked at different time periods.The results show that the proposed control strategies can eliminate the impacts of the FDI attacks in the three given scenarios,and make the MTDC system realize the secondary frequency modulation.KEY WORDS:distributed control;multi-terminal flexible 基金项目：国家自然科学基金项目(62173187，52007103)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(NSFC)(62173187,52007103).direct current systems;frequency control;false data injection 摘要：分布式一致性控制因其灵活性和协同能力成为多端柔性直流(multi-terminal flexible direct current，MTDC)系统二次频率控制的新选择。然而，分布式控制结构虽提高了MTDC 系统调频能力，但也带来了网络攻击的威胁。为此，该文首先研究了常值虚假信息注入(false data injection，FDI)攻击对分布式二次控制器的不利影响，分析表明受 FDI 攻击的站点会持续存在与攻击向量有关的频率偏差。进而为消除攻击造成的频率偏差，该文利用常值微分为 0 的特性提出了一种抵御常值 FDI 攻击的分布式一致性控制策略，并从理论上证明了所提策略能消除 FDI 攻击引起的偏差。最后基于MATLAB/SIMULINK搭建了四端柔性直流系统仿真模型，分别进行单换流站遭受攻击、全部换流站同时遭受攻击及全部换流站在不同时间遭受攻击的 3 种攻击场景仿真。仿真结果表明所提控制策略在 3 种场景下均能消除 FDI 攻击影响，使 MTDC 系统实现二次调频。关键词：分布式控制；多端柔性直流系统；频率控制；虚假信息注入 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.0810 0 引言 多端柔性直流(multi-terminal flexible direct current，MTDC)技术在实现多个远距离交流微电网间的功率交互及频率支撑等方面具有明显优势1-2。但是 MTDC 系统利用下垂控制等传统控制方式进行频率调节时，只能依赖交流电网自身的频率调节储备将频率维持在一定范围内，调频效果也受限于频率调节储备的大小3。文献4-7基于下垂第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 843 机制改进的控制方法提高了频率支撑的性能，并通过设计自适应下垂系数，提高了频率瞬时响应能力。信息物理系统的发展为 MTDC 系统的控制设计带来了数据处理和通信的优势。例如在 MTDC系统应用的分布式一致性控制结构作为二次控制，能够实现各交流系统间的扰动合理分担和频率恢复，与下垂控制相比，控制性能进一步提高8-11。由于交流系统频率的稳定影响整个系统的设备工作状态，频率调节控制的可靠性尤为关键。然而在实际的信息物理系统的信息交互过程中不仅存在通信故障的风险，还存在网络攻击的威胁9。分布式控制结构由于信息共享的机制更容易遭受网络攻击，受破坏的信息状态也更容易扩散到整个系统中，从而破坏系统稳定。针对信息物理系统的网络攻击包括时延攻击、拒绝服务攻击和虚假数据注入(false data injection，FDI)攻击12-15。在分布式控制系统中，注入虚假信息以篡改真实数据的 FDI 是最常见的攻击方式16。FDI 的攻击形式十分隐蔽，注入的虚假信息通过合理的设计，可以在不引起系统跟踪误差变化的情况下改变系统运行状态，使系统持续运行在一个不合理的状态17。一些学者通过加密通信或者设计特殊控制律提高信息物理系统鲁棒性以抵御 FDI攻击18-19。针对常值 FDI 攻击，为了消除攻击对系统性能的影响，一些学者基于分布式一致性理论，分别通过引入状态观测器和信任因子机制20-21，利用常值微分为 0 的特性设计控制器22，减轻了 FDI攻击对微电网二次控制的影响。以上针对信息物理系统的网络攻击的研究对象多为微电网，对 MTDC 系统关注较少。对 MTDC 系统而言，实现各交流系统频率耦合的调频控制尤为关键，同时抵御网络攻击的控制设计也十分重要。文献8-10在设计 MTDC 二次控制器时通过应用一致性理论提高了调频精度，但是没有考虑针对 MTDC系统分布式控制器的网络攻击威胁。而且由于MTDC 系统规模庞大且内部动态复杂，文献20-21引入状态观测器等方式会增加系统复杂度，不利于分析，因此此类方法不适用于 MTDC 系统。受上述 MTDC 系统调频方法和微电网抵御FDI 攻击方法的启发，本文提出一种考虑 FDI 攻击的 MTDC 分布式频率控制策略。本文首先分析了分布式控制器传输到物理层控制器时遭受常值FDI攻击的影响。基于分析结果，利用常值微分为 0 的特性设计能消除常值FDI攻击的分布式一致性控制策略作为 MTDC 系统二次调频控制，并通过理论分析，证明所提控制策略能消除 FDI 攻击的影响。仿真结果表明，该控制策略保留频率恢复性能的同时，能有效抵御常值 FDI 攻击。1 MTDC 系统控制结构及问题描述 1.1 系统与控制结构 MTDC 系统结构如图 1 所示，它包括 n 个交流电网、直流输电网络以及作为交直流接口的 n 个换流站。交流电网包括等值电机及等值负荷，通过电压源换流器(voltage source converter，VSC)与直流输电网络相连，可以与其他交流电网实现功率交互，而且由于 VSC 的控制性能优越，还可以通过VSC 和直流输电网络进行交流电网间的频率调节。图 1 多端柔性直流系统 Fig.1 Multiterminal high voltage dc system VSC 换流站是 MTDC 系统的主要控制对象，其控制器主要控制结构为 dq 同步旋转坐标系下的双环控制2。外环控制器为内环控制器生成电流参考值refdi、refqi。内环控制器通过比较和计算得到交流电压信号，再通过计算产生脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)触发控制 VSC1。通过外环控制器设定合适的电流参考值是目前 MTDC 控制设计的关键。外环控制器的基本控制方法有定直流电压、定有功控制、直流电压功率下垂控制和附加频率下垂控制3。其中附加频率下垂控制是目前研究热点，该控制方式将直流电压、有功功率以及频率偏差通过下垂系数叠加，以实现直流电压稳定和功率分配以及频率调节的功能，传统的附加频率下垂控制如下：drpdrprefpirefdrooprefdcrefQQrefpiref=(/)()()(/)()dddqdikks PkU