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光伏发电技术 光伏逆变器 ★ 5.0

并网光伏逆变器的传感器攻击:综合分析与实时鲁棒检测

Sensor Attacks on Grid-Tie Photovoltaic Inverters: Synthetic Analysis and Real-Time Robust Detection

作者 Zhiyun Wang · Kaikai Pan · Wenyuan Xu
期刊 IEEE Transactions on Industrial Informatics
出版日期 2024年10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 光伏并网逆变器 传感器攻击 有限频域 鲁棒检测器 实时检测
语言:

中文摘要

随着光伏发电的高比例接入,作为电力电子设备的并网逆变器已成为主流解决方案之一。考虑到并网逆变器的传感器易受到网络和物理攻击,本文从攻击位置、攻击策略和攻击后果的角度对传感器攻击进行了综合分析。研究发现,低频域的传感器攻击会造成一系列损害,包括降低输出功率、降低电能质量,甚至烧毁逆变器。为了在变化的环境中检测传感器攻击,本文提出了一种有限频域内的鲁棒检测器,同时对时变系统动态特性中的未知因素进行解耦。检测器的设计被转化为一个易于处理的优化问题,可以通过数值方法求解。为了实现实时检测,构建了一种基于松弛约束二次规划重构的解析解形式。据我们所知,这是首次对并网逆变器的传感器攻击进行综合分析,并在参数时变模型下解决其有限频域鲁棒检测器设计问题。数值仿真表明,传感器攻击会造成严重损害,但本文提出的检测器能够有效检测这些攻击。

English Abstract

With the high proportion integration of photovoltaic power, the grid-tie inverter as a power electronic device has become one of the mainstream solutions. Considering that the sensors of the grid-tie inverter are vulnerable to exploitation by cyber and physical attacks, this article conducts a synthetic analysis of sensor attacks from the perspective of locations, strategies, and consequences. We find that sensor attacks in the low-frequency domain can cause a range of damages, including damping the output power, reducing power quality, and even burning out the inverter. To detect sensor attacks in changing environments, we propose a robust detector in the finite frequency domain, while the unknowns of varying system dynamics are decoupled. The detector design is formulated as a tractable optimization problem that can be solved numerically. To support real-time detection, an analytical solution form based on a quadratic programming reformulation with relaxed constraints is constructed. To the best of our knowledge, this is the first attempt to conduct the synthetic analysis of sensor attacks on the grid-tie inverter and address its robust detector design in the finite frequency domain under the parameter-varying model. Numerical simulations show that sensor attacks could bring severe damage but our detector can detect them effectively.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务角度来看,这项关于并网光伏逆变器传感器攻击检测的研究具有重要的战略价值。随着全球光伏装机容量的快速增长,逆变器作为光伏系统的核心设备,其安全性已成为制约行业发展的关键因素。该研究系统性地分析了传感器攻击的位置、策略和后果,揭示了低频域攻击可能导致功率损失、电能质量下降甚至设备烧毁等严重问题,这与阳光电源在实际运维中面临的安全挑战高度契合。

该技术的核心创新在于提出了有限频域内的鲁棒检测器设计方法,能够在系统动态参数变化的环境下实现实时检测。这对阳光电源的高端逆变器产品(如SG350HX系列)和储能变流器(如PowerStack)具有直接的应用价值。通过集成此类检测算法,可以显著提升产品的网络安全防护能力,满足日益严格的电网安全标准和客户需求。

从技术成熟度来看,该研究已完成理论建模和数值仿真验证,但距离工业化应用仍需解决几个关键问题:一是检测算法在实际复杂电磁环境下的鲁棒性验证;二是与现有逆变器控制系统的集成优化;三是误报率控制和响应机制设计。对于阳光电源而言,这既是技术挑战也是市场机遇。

建议阳光电源将此技术纳入下一代智能逆变器的研发路线图,特别是在大型地面电站和工商业分布式项目中优先部署。同时,可以此为基础构建完整的网络安全解决方案,形成差异化竞争优势,抢占高端市场份额,并为未来的虚拟电厂和能源互联网应用奠定安全基础。