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光伏逆变器传感器攻击的实时估计与防御及其硬件实现
Real-Time Estimation and Defense of PV Inverter Sensor Attacks With Hardware Implementation
| 作者 | Kaikai Pan · Zhiyun Wang · Jingwei Dong · Peter Palensky · Wenyuan Xu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年8月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 技术标签 | 光伏逆变器 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 光伏逆变器 传感器攻击 鲁棒估计器 闭环补偿策略 防御策略 |
语言:
中文摘要
对并网光伏(PV)逆变器的传感器攻击可能会造成严重损害。考虑到不确定的环境和未知的模型失配,对实际光伏逆变器的传感器攻击进行实时估计和防御具有挑战性。在本文中,我们利用 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$\mathcal{H}_{\boldsymbol{\infty}}$</tex-math></inline-formula> 指标,提出了一种在攻击频率范围内由优化驱动的鲁棒估计器,同时还将模型失配对估计的影响降至最低。为了提高在变化环境下的实时响应能力,我们构建了一个由凸二次规划重新表述得到的解析解。在估计结果的指导下,我们进一步开发了一种带有跟踪控制器和低通滤波器的闭环补偿策略。通过代码移植,我们提出的防御策略已在一款微型商用光伏逆变器中得以实现。硬件实现结果表明,我们的防御方法能够有效减轻传感器攻击的影响,并维持逆变器的稳定运行。
English Abstract
Sensor attacks on grid-tie photovoltaic (PV) inverters can cause severe damage. Considering uncertain environments and unknown model mismatches, real-time estimation and defense for sensor attacks on actual PV inverters are challenging. In this article, we propose an optimization-driven robust estimator within the attack frequency range using the _ index, while the model mismatch effect on estimation is also minimized. To improve the real-time response under varying environments, an analytical solution from a convex quadratic programming reformulation is constructed. Guided by the estimation, we further develop a closed-loop compensation strategy with a tracking controller and a low-pass filter. Through code porting, our proposed defense strategy has been implemented in a microcommercial PV inverter. Hardware implementations show that our defense approach can effectively mitigate sensor attacks and maintain stable inverter operation.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对光伏逆变器传感器攻击的实时防御技术具有重要的战略价值。随着光伏系统在全球能源基础设施中的渗透率不断提升,网络安全威胁已从传统IT系统延伸至OT(运营技术)层面,传感器攻击可能导致逆变器误动作、电网扰动甚至设备损毁,这对阳光电源的产品可靠性和品牌声誉构成潜在风险。
该论文提出的基于H∞鲁棒估计器的防御方案具有三个核心优势:首先,通过优化驱动的方法在攻击频率范围内实现实时检测,同时最小化模型失配影响,这对应对复杂多变的实际工况至关重要;其次,采用凸二次规划的解析解提升实时响应能力,符合逆变器微秒级控制周期的要求;第三,闭环补偿策略结合跟踪控制器和低通滤波器,可在检测到攻击后主动维持系统稳定运行。
从应用前景看,该技术已在商用逆变器上完成硬件验证,技术成熟度较高,可直接移植到阳光电源的SG系列逆变器及PowerTitan储能系统中。特别是在大型地面电站和工商业储能场景,单台设备故障可能引发连锁反应,该防御机制可作为产品差异化竞争优势。
技术挑战主要集中在两方面:一是不同功率等级逆变器的控制芯片算力差异,需优化算法复杂度以适配从户用到集中式全系列产品;二是需建立攻击特征库并持续更新,应对不断演进的网络攻击手段。建议阳光电源将此技术纳入"安全光伏"产品路线图,结合区块链、边缘计算等技术构建多层次安全防护体系,抢占智能化新能源设备的安全制高点。