(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211228464.9 (22)申请日 2022.10.08 (71)申请人 上海大学 地址 200444 上海市宝山区上 大路99号 (72)发明人 柳春　史悦　汪小帆　任肖强　 蒲华燕　金天梦　夏志伟　 (74)专利代理 机构 上海智晟知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 31313 专利代理师 李镝的 (51)Int.Cl. H02H 7/26(2006.01) H02H 1/00(2006.01) H04L 9/40(2022.01) (54)发明名称 直流微电网故障和网络攻击区分检测方法 及系统 (57)摘要 本发明提供了一种直流微电网故障和网络 攻击区分检测方法及系统， 包括： 基于叠加原理 和未知输入——Luenberger双观测器检测策略， 将直流微电网执行器故障检测与直流微电网网 络攻击检测分解为基于集中式未知输入观测器 的网络层攻击检测、 以及基于分布式Luenberger 观测器的物理层执行器故障检测， 以进行直流微 电网物理层故障与网络层攻击的区分； 所述基于 叠加原理和未知输入——Luenberger双观测器 检测策略包括： 在分析未知输入观测器的对故障 检测的结构局限性和Luenberger观测器对隐蔽 攻击的不可检测性的基础上， 将两种观测器组 合， 以利用观测器原有的性能优势达到检测目 的， 且使得单种观测器自身存在的局限性成为故 障和攻击的差异化检测的切入点。 权利要求书8页 说明书17页 附图3页 CN 115473210 A 2022.12.13 CN 115473210 A 1.一种直 流微电网故障和网络攻击区分检测方法， 其特 征在于， 包括： 将直流微电网执行器故障检测与直流微电网网络攻击检测分解为基于集中式未知输 入观测器的网络层攻击检测、 以及基于分布式Luenberger观测器的物理层执行器故障检 测， 以进行直 流微电网物理层故障与网络层攻击的区分； 以及 基于叠加原理和未知输入——Luenberger双观测器检测策略， 进行直流微电网执行器 故障检测与直流微电网网络攻击检测的分解， 其中所述基于叠加原理和未知输入—— Luenberger双观测器检测策略包括： 在分析未知输入观测器的对故障检测的结构局限性和 Luenberger观测器对隐蔽攻击的不可检测性的基础上， 将两种观测器组合以进行检测， 其 中利用单种观测器自身存在的局限性 来区分故障和攻击 。 2.如权利要求1所述的直流微电网故障和网络攻击区分检测方法， 其特征在于， 还包 括： 对于网络层检测策略， 在考虑到通信网络和物理拓扑异构， 仅使用分布式发电单元之 间的物理耦合信息无法对攻击进 行全面检测的基础上， 使用一组集中式架构的未知输入观 测器， 通过增广未知输入以及耦合噪声和故障， 获取相 邻分布式发电单元的状态估计信息， 然后针对因增广未知输入导致的检测结构局限， 引入人工状态， 设计残差和相 应阈值对直 流微电网中可能发生的虚假数据注入攻击进行有效检测； 以及 对于物理层检测策略， 在考虑由直流微电网建模不匹配和外界环境导致的过程和测量 噪声、 部件老化， 外界环境影响引起的执行器故障以及控制 器通信信道上被注入隐蔽性虚 假数据注入攻击的基础上， 通过直流微电网分布式发电单元邻居之间的物理耦合信息交 互， 使用分布式结构的Luenberger观测器， 通过混合H∞/H‑性能指标和残差分解算法， 实现 直流微电网物理层执 行器故障的检测。 3.如权利要求1所述的直流微电网故障和网络攻击区分检测方法， 其特征在于， 还包 括： 构建未知输入观测器模块和Luenberger观测器模块， 以进行执行器故障和网络攻击的 检测和区分； 在基于未知输入观测器的网络攻击检测模块中， 设计如下的未知输入观测器作为本地 分布式发电单 元的邻居估计 状态： 其中， zj,i(t)是未知输入观测器的状态， 表示增广状态xj(t)的估计， 表示未知 状态观测器输出， 表示分布式发电单元i收到的来自其邻居的信息， Ci表示系统描述矩 阵,Gj， Jj， Hj是在如下约束条件下设计的矩阵； 权　利　要　求　书 1/8 页 2 CN 115473210 A 2将常规攻击检测中用于估计状态的未知输入观测器转换为故障攻击双重影响下用于 估计邻居状态的未知输入观测器组； 基于将故障与噪声归一化处理的改进点使得残差对故 障不敏感， 以进行执行器故障影响下对网络攻击的准确检测， 同时引入人工状态的改进点， 以改善因增广后的未知输入与输出 数量相同导 致没有冗余检测攻击的局限性； 在基于Luenberger 观测器的执 行器故障检测模块中， 设计如下的残差分解 算法： 其中， ∈i(t)和ri(t)分别表示智能体i在网络攻击与执行器故障同时影响下 的状态估 计误差和残差， 和rin(t)分别表示智能体i “标称的”部分对应的状态估计误差和残差， 和ria(t)分别表示智能体i “受攻击的 ”影响部分对应的状态估计误差和残差， 和rif (t)分别表示智能体i “故障的”影响部分对应的状态估计误差和残差； 基于残差分解的改进点， 利用虚假数据注入攻击对Luenberger观测器的隐蔽性， 结合 基于均方根的残差 评估函数及相应的阈值， 进行系统在网络攻击下对执 行器故障的检测。 4.如权利要求1所述的直流微电网故障和网络攻击区分检测方法， 其特征在于， 还包 括： 直流微电网系统由多个分布式发电单 元组成； 在初始阶段： 多个发电单元相互断开， 被激活的主控制器使公共耦合点电压跟踪参考 电压， 以确保电压稳定； 在标称运行阶段： 多个发电单元通过电力线和通信通道相互连接， 主控制器和次级控 制器均被激活， 并且基于安全的通信通道和健康的物理层实现直流微电网系统的电压平衡 以及电流分享； 在网络攻击注入阶段： 一个分布式发电单元向一个邻居分布式发电单元发送信 息的通 信链路为一路， 若同一个分布式发电单元的两路及以上通信链路同时遭到虚 假数据注入攻 击， 各个分布式发电单元中基于未知输入观测器的网络攻击检测模块快速检测相应通信链 路的残差曲线是否超过对应的阈值曲线， 并发出攻击警报； 在执行器发生故障阶段： 若在网络攻击注入阶段的基础上， 分布式发电单元中IGBT/ MOSFET开关的执行器发生故障， 则各个 分布式发电单元中基于Luenberger观测器的执行器 故障检测模块快速检测对应的残差 评估函数曲线是否超过阈值曲线， 并发出故障警报。 5.如权利要求1所述的直流微电网故障和网络攻击区分检测方法， 其特征在于， 还包 括： 步骤一： 首先建立如下 噪声影响下存在执行器有效性丧失故障的单个分布式发电单元 模型： 其中xi(t)＝[Vi(t),Iti(t), εi]T表示本地状态， Vi(t)是共同耦和点电压， Iti(t)是Buck 转换器电流， εi是主控制器内部的积分器状态， ui(t)＝[Vti(t),Vr,i]T表示控制输入， Vti(t) 是主控制器输入， Vr,i是本地参考电压， yi(t)是可测量输出， 表示分布式发电单元之权　利　要　求　书 2/8 页 3 CN 115473210 A 3