面向分布式电源电力电子装置的攻击检测方法及相关装置与流程

本技术属于一种攻击检测方法，具体涉及一种面向分布式电源电力电子装置的攻击检测方法及相关装置。

背景技术：

1、随着“双碳”战略的不断推进，可再生能源装机容量持续增加。作为典型分布式可再生能源发电类型，风力发电的输出表现为非工频交流形式。

2、电力电子装置能转换频率、电压等级和电能形式，通过逆变-整流实现风力发电并网，同时降低损耗并提高转换效率，因而成为风电并网的关键一环。作为典型信息物理耦合系统，电力电子装置参与风力发电并网时需借助如dnp3、modbus、iec 61850等工业协议，获取传感器报告的电网状态测量值，并依赖传感器获取状态信息决定控制器调节动作及上层协调稳定运行。随着电力电子装置、可再生能源及其他分布式电源物理层面的广泛互联，各单元对应的信息子系统相互耦合。然而，通过网络传输的采样及控制数据可能会被恶意攻击者截获，并在信息层面表现为虚假谐波注入、偏置噪声注入和数据篡改等形式，进而干扰电网系统正常运行。

3、因此，配电网系统的安全运行需进一步考虑传感器信息的可靠程度。目前，电力信息物理系统安全检测方法按节点信息可用程度，大致可分为多传感器共识检测方法与本地检测方法：

4、1.传感器共识检测方法。例如，公开号为cn116599731a的中国发明专利中公开的一种基于动态观测器的智能电网虚假数据攻击检测方法，sahoo s等人在《ieeetransactions on power electronics》中提出的“a stealth cyber-attack detectionstrategy for dc microgrids”等，均属于传感器共识检测方法。该类检测方法能检测出针对控制器与传感器的均衡攻击，抵御对多个传感器/链路的数据攻击，此外，共识策略也能有效应对单个节点虚假数据注入。但是，分布式协同策略通过交互通讯达成共识本身存在通讯依赖性，且攻击检测结果时效性受协同一致速率限制，因此，可能无法及时检测到攻击。

5、2.本地检测方法。例如，公开号为cn116321170a的中国发明专利中公开的一种微小偏差注入攻击检测方法、系统、设备及介质，t.huang和b等人在《ieeetransactions.power system》中提出的“an online detection framework for cyberattacks on automatic generation control”。均属于本地检测方法，基于系统模型或历史数据，整合系统运行规律与实时运行状态，借助模型解析解或人工智能方法分析数据特征，根据特征比对结果进行攻击检测。但是，这种方法依赖于模型准确性，需要积累多次攻击数据才能判断攻击行为。

技术实现思路

1、本技术的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种面向分布式电源电力电子装置的攻击检测方法及相关装置。

2、为了实现上述目的，本技术采用以下技术方案予以实现：

3、一种面向分布式电源电力电子装置的攻击检测方法，所述电源电力电子装置所在的电力系统为闭环控制系统；其特征在于，包括：

4、设置痕迹注入测试信号，并获取带有痕迹注入测试信号的控制输入；

5、结合所述痕迹注入测试信号和控制输入，通过线性时不变系统状态空间方程表征电力系统，得到系统方程；

6、分别进行动态痕迹检测和补充检测，得到对应的动态痕迹检测结果和补充检测结果；其中，所述动态痕迹检测，用于结合所述系统方程，根据传感器报告的测量值中是否包含痕迹注入测试信号对应的特征，判断传感器是否被篡改；所述补充检测，用于根据由系统方程计算的传感器理论测量值和传感器报告的测量值之间的关系，判断电力系统是否被攻击，以及传感器是否被篡改；

7、根据所述动态痕迹检测结果和补充检测结果，判断电力系统是否受到攻击，以及攻击来源。

8、优选地，所述得到系统方程之后，还包括：通过递归数据驱动法识别，对电力系统中的电源电力电子装置进行模型补偿，使电源电力电子装置转换为线性模型。

9、优选地，所述获取带有痕迹注入测试信号的控制输入，包括：

10、u[k]＝gk(s[k])+gt(pin[k])

11、其中，u[k]表示k时刻带有痕迹注入测试信号的控制输入，s[k]表示k时刻传感器报告的测量值，gk(·)表示将历史输入映射到测量值的时变控制法则，gk(s[k])表示历史控制输入经时变控制法则映射到的s[k]的输出值，gt(pin[k])表示k时刻的痕迹注入测试信号。

12、优选地，所述系统方程，包括：

13、x[k+1]＝ax[k]+b{gk(s[k])+gt(pin[k])}+w[k+1]

14、其中，x[k+1]表示k+1时刻电力系统的系统状态，a表示状态矩阵，b表示输入矩阵，x[k]表示k时刻电力系统的系统状态，w[k+1]表示k+1时刻的0均值过程噪声。

15、优选地，所述动态痕迹检测，包括：

16、通过下式计算动态痕迹检测函数ftest：

17、

18、其中，s[k+1]表示k+1时刻传感器报告的测量值；

19、判断是否满足若是，则传感器未被篡改，否则，传感器被篡改；其中，表示痕迹注入测试信号的方差。

20、优选地，所述补充检测包括第一补充检测和/或第二补充检测；

21、对于第一补充检测，所述由系统方程计算的传感器理论测量值，包括：根据传感器测量噪声、过程噪声和痕迹注入测试信号噪声，计算传感器理论测量值；

22、对于第二补充检测，所述由系统方程计算的传感器理论测量值，包括：根据传感器测量噪声和过程噪声，计算传感器理论测量值。

23、优选地，所述第一补充检测包括：

24、判断以下等式是否成立：

25、

26、其中，c表示输出矩阵，d表示直接传递矩阵，t表示时间，gk(s[k])表示历史控制输入映射到的s[k]的时变控制法则，表示过程噪声w[k+1]的方差，表示s[k]的测量噪声方差；

27、若成立，则电力系统未被攻击，或者电力系统被攻击且传感器被篡改，否则，传感器被篡改，或者电力系统被攻击，或者电力系统磨损；

28、所述第二补充检测包括：

29、判断以下等式是否成立：

30、

31、若成立，则电力系统未被攻击，或者电力系统被攻击且传感器被篡改，否则，电力系统被攻击。

32、第二方面，本技术提出一种面向分布式电源电力电子装置的攻击检测系统，所述电源电力电子装置所在的电力系统为闭环控制系统；包括：

33、注入模块，用于设置痕迹注入测试信号，并获取带有痕迹注入测试信号的控制输入；

34、表征模块，用于结合所述痕迹注入测试信号和控制输入，通过线性时不变系统状态空间方程表征电力系统，得到系统方程；

35、检测模块，用于分别进行动态痕迹检测和补充检测，得到对应的动态痕迹检测结果和补充检测结果；其中，所述动态痕迹检测，用于结合所述系统方程，根据传感器报告的测量值中是否包含痕迹注入测试信号对应的特征，判断传感器是否被篡改；所述补充检测，用于根据由系统方程计算的传感器理论测量值和传感器报告的测量值之间的关系，判断电力系统是否被攻击，以及传感器是否被篡改；

36、判断模块，用于根据所述动态痕迹检测结果和补充检测结果，判断电力系统是否受到攻击，以及攻击来源。

37、优选地，还包括补偿模块；

38、所述补偿模块，用于在得到系统方程之后，通过递归数据驱动法识别，对电力系统中的电源电力电子装置进行模型补偿，使电源电力电子装置转换为线性模型。

39、优选地，所述检测模块包括动态痕迹检测模块、第一补充检测模块和第二补充检测模块；

40、所述动态痕迹检测模块，用于结合所述系统方程，根据传感器报告的测量值中是否包含痕迹注入测试信号对应的特征，判断传感器是否被篡改；

41、所述第一补充检测模块，用于根据传感器测量噪声、过程噪声和痕迹注入测试信号噪声，计算传感器理论测量值，根据传感器理论测量值和传感器报告的测量值之间的关系，判断电力系统是否被攻击，以及传感器是否被篡改；

42、所述第二补充检测模块，用于根据传感器测量噪声和过程噪声计算传感器理论测量值，根据传感器理论测量值和传感器报告的测量值之间的关系，判断电力系统是否被攻击，以及传感器是否被篡改。

43、第三方面，本技术提出一种电子设备，包括：

44、存储器，用于存储计算机程序；

45、处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述面向分布式电源电力电子装置的攻击检测方法的步骤。

46、第四方面，本技术提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述面向分布式电源电力电子装置的攻击检测方法的步骤。

47、与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：

48、本技术提出一种面向分布式电源电力电子装置的攻击检测方法，针对闭环控制的电力系统，向控制输入注入痕迹注入测试信号，并采用线性时不变系统状态空间方程表征电力系统，后续检测时基于系统方程，系统方程需采集电力系统中电源电力电子装置的系统状态与输出状态进行攻击检测。其中，攻击检测包括动态痕迹检测和补充监测，动态痕迹检测针对电源电力电子装置模型进行检测，根据传感器报告的测量值中是否包含痕迹注入测试信号对应的特征，判断传感器是否被篡改，补充检测根据由系统方程计算的传感器理论测量值和传感器报告的测量值之间的关系，判断电力系统是否被攻击，以及传感器是否被篡改，依据动态痕迹检测结果和补充检测结果，能够确定电力系统是否受到攻击，以及攻击来源。本技术结合电力系统自身的闭环控制进行监测，兼顾攻击检测的实时性与泛化适应能力，在双碳背景下能源电力系统安全领域具备广泛的应用前景。