[论文解读] On the Impact of Wireless Jamming on the Distributed Secondary Microgrid Control

Pietro Danzi, Čedomir Stefanović+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2016

Smart Grid Security and Resilience被引用 4

一句话总结

本文表明，通过仅针对少数单元的无线干扰，可严重破坏直流微电网中分布式二次控制，导致即使在共识算法下也无法实现电压恢复。利用基于Wi-Fi的通信，对部分分布式发电机实施简单周期性干扰攻击，导致显著的稳态电压误差（最高达10%，概率为1.3%），从而破坏电网稳定性。本研究提出改进的接入调度方案，并强调需要采用抗干扰和容错共识机制，以确保系统韧性。

ABSTRACT

The secondary control in direct current microgrids (MGs) is used to restore the voltage deviations caused by the primary droop control, where the latter is implemented locally in each distributed generator and reacts to load variations. Numerous recent works propose to implement the secondary control in a distributed fashion, relying on a communication system to achieve consensus among MG units. This paper shows that, if the system is not designed to cope with adversary communication impairments, then a malicious attacker can apply a simple jamming of a few units of the MG and thus compromise the secondary MG control. Compared to other denial-of-service attacks that are oriented against the tertiary control, such as economic dispatch, the attack on the secondary control presented here can be more severe, as it disrupts the basic functionality of the MG.

研究动机与目标

• 研究直流微电网中分布式二次控制对无线干扰攻击的脆弱性。
• 分析简单、有针对性的干扰对无线接入微电网中电压恢复和共识收敛的影响。
• 评估现有对策的有效性，并提出改进策略以在干扰条件下维持系统稳定性。
• 强调对低层控制功能的干扰攻击具有关键风险，可能使整个微电网失稳。
• 激励未来研究，开发具备鲁棒性、抗干扰能力的二次控制方案，以实现弹性微电网运行。

提出的方法

• 采用下垂控制作为一次控制、PI控制作为二次控制的六台分布式发电机（DG）直流微电网建模，以恢复电压偏差。
• 在基于Wi-Fi的通信网络上实施共识算法，以估算平均电流和电压，用于二次控制。
• 引入一种干扰器，利用周期性通信模式，通过周期性干扰策略仅选择性地破坏部分DG的通信。
• 通过将共识周期划分为N个时隙并为每台DG分配唯一传输窗口，修改接入占空比（T_AD），以降低冲突概率。
• 使用PLECS仿真评估正常和受干扰条件下电压与电流动态特性，测量稳态误差和收敛行为。
• 评估改进接入方案的性能，并与基线场景进行比较，以评估电压精度的提升效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 有针对性的无线干扰如何影响直流微电网中基于共识的二次控制的收敛性和准确性？
• RQ2 对部分DG实施简单周期性干扰攻击，对电压恢复和功率分配有何影响？
• RQ3 修改共识协议中的接入调度是否能降低成功干扰的概率？
• RQ4 基本接入调度作为对抗智能干扰的对策存在哪些局限性？
• RQ5 如何将容错共识与抗干扰技术整合到二次控制中，以确保微电网稳定性？

主要发现

• 仅对少数DG实施简单周期性干扰攻击，即导致显著的电压恢复失败，稳态电压误差超过5%的概率达8.9%。
• 在干扰条件下，电压误差超过10%的概率达到1.3%，表明在负载变化期间存在较高的失稳风险。
• 即使功率分配保持均衡，电网电压仍稳定在52.25 V而非目标值48 V，基线场景下产生8.85%的误差。
• 所提出的接入调度改进方案（T_AD_i = (i-1)*T_e/N）将超过5%误差的概率降低至5.1%，超过10%误差的概率降低至0.1%，显示出适度改善。
• 尽管有所改进，但仅靠接入调度方法仍不足以实现鲁棒性，凸显了对先进抗干扰和容错共识技术的迫切需求。
• 本研究证实，对二次控制的干扰攻击比对三级控制的攻击更为严重，因为后者破坏了微电网的基本电压调节功能。