• Home
  • Stabilizing and Synchronizing the Islanded Microgrid with the Presence of Sensor and Actuator Fault and Cyber-Attack with Secondary Controller Design

Share To

Article Url


Manuscript ID : 1401091340314 Visit : 2579 Page: 141 - 154

Article Type: Original Research

Stabilizing and Synchronizing the Islanded Microgrid with the Presence of Sensor and Actuator Fault and Cyber-Attack with Secondary Controller Design

Subject Areas : electrical and computer engineering

Abdollah Mirzabeigi 1 , Ali Kazemy 2 * , Mehdi Ramezani 3 , Seyed Mohammad Azimi 4

1 - جهاد دانشگاهی
2 - faculty member
3 - faculty member
4 - faculty member

Received: 2022-12-04 Accepted : 2023-06-03 Published : 2023-12-26

Keywords: Microgrids, Sensor and actuator fault, sensor and actuator cyber-attacks, multi-agent systems, cooperative distributed hierarchical control, synchronization, Lyapunov stability,

Abstract :

In many microgrid control methods, the output information of sensors and actuators of neighbouring distributed generators (DGs) is used to stabilize and synchronize voltage and frequency. Many problems such as disturbances, uncertainty, unmodeled dynamics, cyber-attacks, noise, time delay, and measurement errors cause invalid data problems and errors in the system. Better microgrid control depends on the quality of data measured or sent from the output of sensors and actuators. In this paper, according to the advantages of the Cooperative distributed hierarchical control, it is used for control and synchronization in the islanded microgrid with the presence of sensor and actuator error. To synchronize DGs with multi-agent systems and communication channels, it is modeled with graph theory. To stabilize and synchronize, sensor and actuator error in the DG model is mathematically formulated. In the proof of stability and synchronization, the appropriate Lyapunov candidate is presented and the conditions of stability and synchronization are proved. Finally, to show the effectiveness of the designed controller in solving communication channel problems and verifying the presented theory, a case study is simulated in the MATLAB/Simulink software environment with the presence of error and cyber-attack of sensors and actuators.

References:

[1] L. Meng, et al., "Review on control of DC microgrids and multiple microgrid clusters," IEEE J. of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 5, no. 3, pp. 928-948, Sept. 2017.
[2] A. Bidram and A. Davoudi, "Hierarchical structure of microgrids control system," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 3, no. 4, pp. 1963-1976, Dec. 2012.
[3] M. Chen, X. Xiao, and J. M. Guerrero, "Secondary restoration control of islanded microgrids with a decentralized event-triggered strategy," IEEE Trans. on Industrial Informatics, vol. 14, no. 9, pp. 3870-3880, Sept. 2017.
[4] A. Mirzabeigi, A. Kazemy, M. Ramezani, and S. M. Azimi, "Distributed robust cooperative hierarchical control for island microgrids under hijacking attacks based on multi-agent systems," Hindawi International Trans. on Electrical Energy Systems, vol. 2023, Article ID 6622346, 15 pp., 2023.
[5] ع. میرزابیگی، ع. کاظمی، م. رمضانی ، و س. م. عظیمی" طراحی کنترل کننده ثانویه پایه ریزی شده بر روی کنترل اشتراکی توزیع شده منابع تولید پراکنده (DGها) با رویکرد سیستم های چندعامله با درنظرگرفتن حملات سایبری "DoS، نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال 20، شماره 4، صص. 290-282، زمستان 1401.
[6] H. Modares, B. Kiumarsi, F. L. Lewis, F. Ferrese, and A. Davoudi, "Resilient and robust synchronization of multiagent systems under attacks on sensors and actuators," IEEE Trans. on Cybernetics, vol. 50, no. 3, pp. 1240-1250, Mar. 2019.
[7] X. M. Zhang, Q. L. Han, X. Ge, and L. Ding, "Resilient control design based on a sampled-data model for a class of networked control systems under denial-of-service attacks," IEEE Trans. on Cybernetics, vol. 50, no. 8, pp. 3616-3626, Aug. 2019.
[8] A. Teixeira, D. Pérez, H. Sandberg, and K. H. Johansson, "Attack models and scenarios for networked control systems," in Proc. of the 1st Int. Conf. on High Confidence Networked Systems, HiCoNS'12, pp. 55-64, Beijing, China, 17-18 Apr. 2012.
[9] E. Mousavinejad, F. Yang, Q. L. Han, and L. Vlacic, "A novel cyber attack detection method in networked control systems," IEEE Trans. on Cybernetics, vol. 48, no. 11, pp. 3254-3264, Nov. 2018.
[10] S. Tan, P. Xie, J. M. Guerrero, and J. C. Vasquez, "False data injection cyber-attacks detection for multiple DC microgrid clusters," Applied Energy, vol. 310, Article ID: 118425, 15 Mar. 2022.
[11] B. Wang, Q. Sun, R. Han, and D. Ma, "Consensus-based secondary frequency control under denial-of-service attacks of distributed generations for microgrids," J. of the Franklin Institute, vol. 358, no. 1, pp. 114-130, Jan. 2019.
[12] M. Xie, Y. Song, and S. Shen, "Event-based consensus control for multi-agent systems against joint sensor and actuator attacks," ISA Trans., vol. 127, pp. 156-167, Aug. 2022.
[13] H. Yan, J. Han, H. Zhang, X. Zhan, and Y. Wang, "Adaptive event-triggered predictive control for finite time microgrid," IEEE Trans. on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 67, no. 3, pp. 1035-1044, Mar. 2020.
[14] M. Shi, X. Chen, M. Shahidehpour, Q. Zhou, and J. Wen, "Observer-based resilient integrated distributed control against cyberattacks on sensors and actuators in islanded AC microgrids," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 12, no. 3, pp. 1953-1963, May 2021.
[15] X. Lu, X. Yu, J. Lai, J. M. Guerrero, and H. Zhou, "Distributed secondary voltage and frequency control for islanded microgrids with uncertain communication links," IEEE Trans. on Industrial Informatics, vol. 13, no. 2, pp. 448-460, Apr. 2016.
[16] J. Lai, H. Zhou, X. Lu, X. Yu, and W. Hu, "Droop-based distributed cooperative control for microgrids with time-varying delays," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 7, no. 4, pp. 1775-1789, Jul. 2016.
[17] H. Xin, Z. Qu, J. Seuss, and A. Maknouninejad, "A self-organizing strategy for power flow control of photovoltaic generators in a distribution network," IEEE Trans. on Power Systems, vol. 26, no. 3, pp. 1462-1473, Aug. 2010.
[18] S. Abhinav, I. D. Schizas, F. L. Lewis, and A. Davoudi, "Distributed noise-resilient networked synchrony of active distribution systems," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 9, no. 2, pp. 836-846, Mar. 2016.
[19] D. Ye, X. Zhao, and B. Cao, "Distributed adaptive fault‐tolerant consensus tracking of multi‐agent systems against time‐varying actuator faults," IET Control Theory & Applications, vol. 10, no. 5, pp. 554-563, Mar. 2016.
[20] Y. Wang, Y. Song, and F. L. Lewis, "Robust adaptive fault-tolerant control of multiagent systems with uncertain nonidentical dynamics and undetectable actuation failures," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 62, no. 6, pp. 3978-3988, Jun. 2015.
[21] S. Zuo, T. Altun, F. L. Lewis, and A. Davoudi, "Distributed resilient secondary control of DC microgrids against unbounded attacks," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 11, no. 5, pp. 3850-3859, Sept. 2020.
[22] B. Wang, Q. Sun, and D. Ma, "A periodic event-triggering reactive power sharing control in an islanded microgrid considering DoS attacks," in Proc. 15th IEEE Conf. on Industrial Electronics and Applications, ICIEA'20, pp. 170-175, Kristiansand, Norway, 9-13 Nov. 2020.
[23] R. Lu and J. Wang, "Distributed control for AC microgrids with false data injection attacks and time delays," in Proc. E3S Web of Conf., vol. 194, Article ID: 03023, 2020.
[24] N. M. Dehkordi and S. Z. Moussavi, "Distributed resilient adaptive control of islanded microgrids under sensor/actuator faults," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 11, no. 3, pp. 2699-2708, May 2019.
[25] Z. Xie and Z. Wu, "Distributed fault-tolerant secondary control for DC microgrids against false data injection attacks," International J. of Electrical Power & Energy Systems, vol. 144, Article ID: 108599, Jan. 2023.
[26] A. Karimi, A. Ahmadi, Z. Shahbazi, H. Bevrani, and Q. Shafiee, "On the impact of cyber-attacks on distributed secondary control of DC microgrids," in Proc. 10th Smart Grid Conf., SGC'2020, 6 pp., Kashan, Iran, 16-17 Dec. 2020.
[27] X. Chen, J. Zhou, M. Shi, Y. Chen, and J. Wen, "Distributed resilient control against denial of service attacks in DC microgrids with constant power load," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 153, Article ID: 111792, Jan. 2022.
[28] N. Pogaku, M. Prodanovic, and T. C. Green, "Modeling, analysis and testing of autonomous operation of an inverter-based microgrid," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 22, no. 2, pp. 613-625, Mar. 2007.
[29] Q. Shafiee, J. M. Guerrero, and J. C. Vasquez, "Distributed secondary control for islanded microgrids-a novel approach," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 29, no. 2, pp. 1018-1031, Feb. 2013.
[30] A. Bidram, A. Davoudi, F. L. Lewis, and Z. Qu, "Secondary control of microgrids based on distributed cooperative control of multi-agent systems," IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 7, no. 8, pp. 822-831, Aug. 2013.
[31] A. Bidram, A. Davoudi, F. L. Lewis, and J. M. Guerrero, "Distributed cooperative secondary control of microgrids using feedback linearization," IEEE Trans. on Power Systems, vol. 28, no. 3, pp. 3462-3470, Aug. 2013.
[32] J. W. Simpson-Porco, et al., "Secondary frequency and voltage control of islanded microgrids via distributed averaging," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 62, no. 11, pp. 7025-7038, Nov. 2015.
[33] F. Guo, C. Wen, J. Mao, J. Chen, and Y. D. Song, "Distributed cooperative secondary control for voltage unbalance compensation in an islanded microgrid," IEEE Trans. on Industrial Informatics, vol. 11, no. 5, pp. 1078-1088, Oct. 2015.
[34] H. Cai, F. L. Lewis, G. Hu, and J. Huang, "The adaptive distributed observer approach to the cooperative output regulation of linear multi-agent systems," Automatica, vol. 75, pp. 299-305, Jan. 2017.
[35] F. L. Lewis, H. Zhang, K. Hengster-Movric, and A. Das, Cooperative Control of Multi-Agent Systems Optimal and Adaptive Design Approaches, SpringerLink, 2014.
[36] A. Mustafa, H. Modares, and R. Moghadam, "Resilient synchronization of distributed multi-agent systems under attacks," Automatica, vol. 115, Article ID: 108869, May 2020.
[37] A. Bidram, F. L. Lewis, and A. Davoudi, "Distributed control systems for small-scale power networks: using multiagent cooperative control theory," IEEE Control Systems Magazine, vol. 34, no. 6, pp. 56-77, Dec. 2014.
[38] F. D. Mohammadi, H. K. Vanashi, and A. Feliachi, "State-space modeling, analysis, and distributed secondary frequency control of isolated microgrids," IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 33, no. 1, pp. 155-165, Mar. 2017.
[39] D. Ding, Q. L. Han, Y. Xiang, X. Ge, and X. M. Zhang, "A survey on security control and attack detection for industrial cyber-physical systems," Neurocomputing, vol. 275, pp. 1674-1683, 31 Jan. 2018.
[40] A. Kazemy, J. Lam, and Z. Chang, "Adaptive event-triggered mechanism for networked control systems under deception attacks with uncertain occurring probability," International J. of Systems Science, vol. 2020, pp. 1426-1439, 2020.
[41] C. Chen, et al., "Resilient adaptive and H∞ controls of multi-agent systems under sensor and actuator faults," Automatica, vol. 102, pp. 19-26, Apr. 2019.
[42] H. Zhang, F. L. Lewis, and A. Das, "Optimal design for synchronization of cooperative systems: state feedback, observer and output feedback," IEEE Trans. on Automatic Control, vol. 56, no. 8, pp. 1948-1952, Aug. 2011.
Full-Text:
معرفي يک روش جديد خوشه‌يابي خودکار

نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال 21، شماره 3، پاییز 1402  141

مقاله پژوهشی

پایدارسازی و سنکرون‌سازی ریزشبکه جزیره‌ای با حضور خطا و 
حمله سایبری سنسوری و عملگری با طراحی کنترل‌کننده ثانویه

عبدالله میرزابیگی، علی کاظمی، مهدی رمضانی و سیدمحمد عظیمی

 

 

1 

چکیده: در بسیاری از روش‌های کنترلی ریزشبکه برای پایداری و سنکرون‌سازی ولتاژ و فرکانس از اطلاعات خروجی سنسورها و عملگرهای منابع تولید پراکنده همجوار استفاده می‌شود. بسیاری از مشکلات مانند اختلالات، عدم قطعیت، دینامیک مدل‌نشده، حملات سایبری، نویز، تأخیر و خطاهای اندازه‌گیری، مشکلات داده نامعتبر و خطا را در سیستم ایجاد می‌کند. کنترل بهتر ریزشبکه به کیفیت داده‌های اندازه‌گیری‌شده و یا ارسال‌شده از خروجی سنسورها و عملگرها بستگی دارد. در این مقاله با توجه به مزیت‌های روش کنترلی سلسله‌مراتبی توزیع‌شده اشتراکی2 از آن برای کنترل و سنکرون‌سازی در ریزشبکه جزیره‌ای با حضور خطای سنسوری و عملگری استفاده می‌گردد. برای سنکرون‌سازی منابع تولید پراکنده با سیستم‌های چندعامله و شبکه ارتباطی با تئوری گراف مدل می‌گردد. به‌منظور پایدارسازی و سنکرون‌سازی، خطای سنسوری و عملگری در مدل منابع تولید پراکنده فرمول‌بندی ریاضی می‌شود. در اثبات پایداری و سنکرون‌سازی تابع لیاپانوف مناسب ارائه شده و شرایط پایداری و سنکرون‌سازی اثبات می‌گردد. در نهایت برای نشان‌دادن کارایی کنترل‌کننده طراحی شده در حل مشکلات کانال ارتباطی و تأیید تئوری ارائه شده، یک مدل نمونه با وجود خطا و حمله سایبری سنسوری و عملگری در محیط نرم‌افزار متلب/ سیمولینک شبیه‌سازی می‌شود.

 

کلیدواژه: ریزشبکه، خطای سنسوری و عملگری، حمله سایبری سنسوری و عملگری، سیستم‌های چندعامله، کنترل سلسه‌مراتبی توزیع‌شده اشتراکی، سنکرون‌سازی، پایداری لیاپانوف.

اختصارات

        img0: پارامتر img0 در مرجع img0

        img0: مؤلفه img0 مرجع img0

        img0: مؤلفه img0 مرجع img0

        img0: ماتریس انتقال در گراف

        img0: ماتریس لینک ارتباطی

        img0: ماتریس سیستم

        img0: حالت سیستم بدون حمله

        img0: میانگین پارامتر img0

        img0: ماتریس اتصال به اسلک3

        img0: ماتریس لاپلاسین

        img0: بهره اتصال4

        img0: درایه‌های ماتریس مجاورت5

        img0: توان اکتیو متوسط

        img0: توان راکتیو متوسط

        img0: توان اکتیو لحظه‌ای

        img0: توان راکتیو لحظه‌ای

        img0: ولتاژ خروجی img0

        img0: فرکانس زاویه‌ای خروجی img0

        img0: جریان خروجی img0

        img0: ولتاژ خروجی کنترل‌کننده ثانویه

        img0: فرکانس خروجی کنترل‌کننده ثانویه

        img0: ولتاژ خروجی کنترل‌کننده اولیه

        img0: خروجی فرکانس زاویه‌ای کنترل‌کننده اولیه

        img0: فرکانس

        img0: فرکانس زاویه‌ای در چارچوب معمول

        img0: جریان خروجی بار

        img0: فرکانس قطع فیلتر پایین‌گذر

        img0: ولتاژ مرجع

        img0: فرکانس زاویه‌ای مرجع

        img0: ولتاژ باس

        img0: سیگنال کنترل کمکی6 ولتاژ

        img0: سیگنال کنترل کمکی فرکانس

        img0: بهره کنترلی ولتاژ

        img0: ضریب دروپ فرکانس

        img0: ضریب دروپ ولتاژ

        img0: سیگنال عدم تطابق

        img0: خطای ردیابی محلی ولتاژ

        img0: خطای ردیابی محلی7 فرکانس

        img0: متغیر کمکی کنترل‌کننده ولتاژ

        img0: متغیر کمکی کنترل‌کننده جریان

        img0: گره8 در تئوری گراف

        img0: اندوکتانس خطوط بین DGها

        img0: مقاومت خطوط بین DGها

        img0: مقدار تکین

        img0: پارامتر img0 مختل‌شده با حمله

        img0: بهره کنترلی ولتاژ

        img0: بهره کنترلی توان اکتیو

        img0: بهره کنترلی فرکانس زاویه‌ای

        img0: اطلاعات اندازه‌گیری‌شده سنسور

        img0: اطلاعات دریافت‌شده همان لحظه از سنسور

        img0: اطلاعات غلط تزریق‌شده توسط حمله‌کننده

        img0: حالت مختل‌شده با حمله عملگری و سنسوری

        img0: سیگنال کنترلی با حمله عملگری و سنسوری

        img0: حالت مختل‌شده ناشی از خطای عملگری و سنسوری

        img0: سیگنال کنترلی با خطای عملگری و سنسوری

        img0: سیگنال خطای تزریق‌شده سنسوری

        img0: سیگنال خطای تزریق‌شده عملگری

        img0: خطا با درنظرگرفتن خطای سنسوری

        img0: ورودی کنترلی با درنظرگرفتن خطای سنسوری

        img0: حالت مختل‌شده سیگنال حمله عملگر و سنسوری

        img0: سیگنال کنترلی با حمله عملگری و سنسوری

        img0: سیگنال حمله سنسوری

        img0: سیگنال حمله عملگری

        img0: فیلتر پایین‌گذر

1-       مقدمه

وجود شبكه‌های گسترده انتقال انرژی الكتریکی از نقاط دوردست به مراكز مصرف، یکی از شاخصه‌های شبكه‌های برق جهان است. اين چيدمان شبكه، مشكلات و مصائب فراوانی مانند تلفات انرژی الكتریکی در مسيرهای طولانی و همچنين تهدید پايداری شبكه را سبب می‌شود. مزايای منابع انرژی تجديدپذير سبب افزايش استفاده آنها در صنعت برق و گسترش روزافزون ريزشبکه‌ها شده است.

ریزشبکه‌ها شامل مجموعه‌ای از منابع تولید پراکنده 9(DG) نظیر توربین بادی، دیزل ژنراتور، پیل سوختی و سیستم فتوولتائیک، سیستم ذخیره انرژی و بارها بوده که قابلیت کنترل داشته و تأمین‌کننده توان الکتریکی هستند. موارد مهمی که در منابع تولید پراکنده باید کنترل شوند فرکانس و ولتاژ، توان اکتیو و راکتیو DGها، سنکرون‌سازی ریزشبکه با شبکه اصلی10، مدیریت انرژی و بهینه‌سازی اقتصادی است [1].

یک ریزشبکه در دو حالت وصل به شبکه11 و حالت جزیره‌ای12 مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد. کنترل در حالت وصل به شبکه، اغلب از طریق شبکه اصلی انجام می‌گردد و در حالت جزیره‌ای باید به‌نحوی انجام پذیرد که همه DGها دارای فرکانس و ولتاژ یکسانی باشند که اغلب باید با مرجع برابر باشند و یا به‌عبارتی سنکرون‌سازی انجام پذیرد [2] تا [4].

استفاده از لینک‌های مخابراتی به‌منظور کنترل بهتر در کنترل‌کننده توزیع‌شده سلسه‌مراتبی، مسأله‌ای بسیار ضروری است. هنگامی که از لینک‌های مخابراتی استفاده می‌شود، اختلالات مختلفی سبب برهم‌خوردن تنظیم و سنکرون‌سازی فرکانس و ولتاژ DGها می‌شود. از جمله اختلالات نویز، اغتشاش، دینامیک مدل‌نشده، تأخیر، تداخل‌های الکترومغناطیسی، خطاهای سنسوری و عملگری، از بین رفتن اطلاعات، حملات سایبری و اختلال در دسترسی است. کنترل و سنکرون‌سازی ریزشبکه تا حد زیادی به کیفیت داده‌های دریافتی از سنسورها و عملگرها بستگی دارد. برای رفع این مشکلات، ساختارهای مختلف کنترلی در ریزشبکه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد که اغلب نیاز به اطلاعات از واحدهای همجوار و ارسال آنها با استفاده از لینک‌های ارتباطی و مقایسه با همدیگر دارند. رفع مشکلات کانال‌های ارتباطی مسأله مهمی است که در استفاده از کنترل‌کننده‌ها باید مورد توجه قرار گیرد تا با انتقال داده‌های باکیفیت بتوان پایدارسازی و سنکرون‌سازی بهتری انجام داد.

برای کنترل منابع تولید پراکنده، سه روش کنترلی وجود دارد: 1) کنترل متمرکز13، 2) کنترل غیرمتمرکز14 و 3) کنترل توزیع‌شده15 [1]. کنترل‌کننده متمرکز از یک کنترل‌کننده مرکزی استفاده می‌کند و اطلاعات همه منابع به این کنترل‌کننده، ارسال و کنترل به‌صورت یکپارچه انجام می‌شود و 
به شبکه ارتباطی نیاز دارد. در کنترل‌کننده غیرمتمرکز برای هر منبع، کنترل‌کننده جداگانه طراحی شده و نیازی به شبکه ارتباطی ندارد. در کنترل‌کننده توزیع‌شده برای هر واحد، کنترل‌کننده مجزا طراحی شده و از اطلاعات واحدهای همجوار نیز استفاده می‌کنند و برای انتقال اطلاعات به سیستم‌های ارتباطی نیاز است [5].

یکی از اساسی‌ترین مسائل در کنترل و سنکرون‌سازی بهتر منابع تولید پراکنده، کیفیت داده‌های دریافتی از سنسورهاست. برای سنکرون‌سازی و کنترل بهتر، روش‌هایی که از خروجی منابع همجوار استفاده می‌کنند، نتایج بهتری می‌دهند. در این حالت کیفیت داده به دقت اندازه‌گیری سنسورها و همچنین حل مشکلات کانال‌های ارتباطی بستگی دارد. مشکلات کانال ارتباطی در مراجع مختلفی آمده است. در [6] حمله سایبری به سنسورها و عملگرها بر روی سیستم‌های چندعامله16 بحث گردیده است؛ اما از مدل خطی یک سیستم چندعامله استفاده شده و فقط مبحث پایداری مورد مطالعه قرار گرفته و به سنکرون‌سازی سیستم توجهی نشده است. در [7] تا [9] اثر حمله DoS و نحوه شناسایی آن در سیستم 17NCS بررسی و ارزیابی گردیده و مبحث پایداری و سنکرون‌سازی بحث نشده است. در [10] شناسایی حمله سایبری تزریق اطلاعات غلط در سنسور بررسی گردیده و سنکرون‌سازی بحث نشده است. در [11] حمله سایبری DoS به‌صورت تأخیر در یک ریزشبکه در نظر گرفته شده و فقط اثر فرکانس تحلیل گردیده و ولتاژ بررسی نشده است. در [6] و [12] مشکلات سنسورها و عملگرها روی سیستم‌های چندعامله بحث گردیده و برای چند عامل خطی، سیستم چندعامله به سمت سنکرون‌سازی رفته است. در [10] اثر از بین رفتن دیتا در ریزشبکه بررسی گردیده و بر روی سیستم گسسته، ریزشبکه کنترل مقاوم طراحی شده است. در [13] به گم‌شدن داده بین ریزشبکه و شبکه اصلی پرداخته شده است؛ اما مدل ریزشبکه به‌صورت خطی در نظر گرفته شده و از جزئیات مدل ریزشبکه صرف نظر گردیده است. همچنین در [14] به جبران خطای ناشی از حمله سایبری سنسوری با استفاده از کنترل مقاوم پرداخته شده است. در [15] عدم قطعیت‌های سیستم ارتباطی مورد مطالعه قرار گرفته است. اثر تأخیر زمانی در کانال‌های ارتباطی در [16]، تغییرپذیری شبکه‌ای در [17] و نویز اندازه‌گیری در [18] بررسی شده و عملکرد و پایداری کنترل ثانویه توزیع‌شده مورد ارزیابی قرار گرفته است. مراجع [19] و [20] اثر خطای سنسوری در سیستم‌های چندعامله را بررسی کرده‌اند. حملات سایبری سنسوری و خطای سنسوری بر روی DGها در مراجع مختلفی بحث شده است [10] و [21] تا [23]. در [24] حمله سایبری در ریزشبکه بحث گردیده و حمله سنسوری و عملگری مورد مطالعه قرار گرفته است؛ ولی حمله به‌صورت یک اغتشاش وارد معادلات گردیده است؛ در صورتی که حمله سایبری باید به‌صورت هوشمند در معادلات وارد شود.

در [14]، جبران خطای ناشی از حمله حسگر با استفاده از کنترل مقاوم مورد بحث قرار گرفته و در حملات سایبری از سنسور و خروجی محرک استفاده شده است. در [4] روش جدیدی برای از بین بردن اثرات حمله ربودن اطلاعات18 ارائه شده است. در [25]، اثر حملات تزریق اطلاعات نادرست ناشناخته در ریزشبکه DC با طراحی یک مشاهده‌گر حالت توسعه‌یافته توزیع‌شده با کنترل ولتاژ و جریان حذف شده است. در [26] اثر حمله‌های سنسوری، ربودن اطلاعات و DoS بر روی کنترل‌کننده ثانویه نشان داده شده است؛ اما پایداری و سنکرون‌سازی آن بحث و تحلیل نشده است. تفاوت مقاله ارائه‌شده با [27] آن است که در اینجا از مقدار مرجع برای سنکرون‌سازی استفاده شده است؛ ولی در [27] برای 
از بین بردن اثر حمله از میانگین ولتاژ و فرکانس استفاده گردیده است. استفاده از میانگین، علی‌رغم اینکه اثر حمله را از بین می‌برد ممکن است باعث شود که خروجی‌ها از مقدار مرجع فاصله بگیرند و به سمت مقدار میانگین بازیابی شوند. در هیچ کدام از منابع ارائه‌شده، بحث همزمان سنکرون‌سازی و پایداری در منابع تولید پراکنده مطرح نشده است. در این مقاله با دیدگاه سیستم‌های چندعامله، سنکرون‌سازی و پایداری و شرایط محقق‌شدن آنها بررسی شده است. یکی از اصلی‌ترین اهداف در تحقیقات خطاهای سنسوری و عملگری آن است که کنترل‌کننده به‌نحوی طراحی شود که رنج وسیع‌تری از خطاها را تحمل کند و بتواند مقاومت سیستم در برابر اختلالات کانال ارتباطی را حفظ کند. راهکار ارائه‌شده در این مقاله آن است که با استفاده از دیدگاه سیستم‌های چندعامله، مشکلات ناشی از سنسور و عملگر برطرف گردد و همچنین شرایط همزمان پایدارسازی و سنکرون‌سازی به‌دست آمده است.

در این مقاله، ابتدا معادلات خطای سنسوری و عملگری در ریزشبکه، فرمول‌بندی ریاضی گردیده است. با طراحی کنترل‌کننده سلسه‌مراتبی توزیع‌شده اشتراکی، سیستم پایدار شده و سنکرون‌سازی با دیدگاه سیستم‌های چندعامله و درنظرگرفتن قوانین رینولد19 انجام گردیده است. با معرفی تابع لیاپانوف مناسب، اثر خطا در پایداری ریزشبکه ارزیابی گردیده و شرایط سنکرون‌سازی و پایدارسازی به‌دست آمده است. برای به‌دست‌آوردن شرایط سنکرون‌سازی، قضیه مناسب ارائه گردیده و نشان داده شده که با حضور خطا در سنسورها و عملگرها، خروجی‌های منابع تولید پراکنده با هم و با مقدار مرجع برابر شده است.

همچنین در این مقاله، کارآمدی کنترل‌کننده طراحی‌شده در مشکلات مختلف سنسوری و عملگری بررسی گردیده است. در این راستا اثرات ناشی از حمله سایبری سنسوری و عملگری و خطای سنسوری و عملگری با هم مقایسه شده و اثر تأخیر به‌عنوان یکی از مشکلات اصلی کانال‌های ارتباطی نیز تحلیل گردیده است. نوآوری‌های این مقاله به اختصار به شرح زیر هستند:

1)        پایدارسازی و سنکرون‌سازی همزمان سیستم ریزشبکه با حضور خطای سنسوری و عملگری با تعریف یک تابع لیاپانوف جدید و به‌دست‌آوردن شرایط پایدارسازی و سنکرون‌سازی. در اکثر تحقیقات پیشین ولتاژ، فرکانس و یا توان اکتیو کنترل شده است. در این پژوهش با طراحی کنترل‌کننده مناسب، کنترل همزمان ولتاژ، فرکانس و توان اکتیو انجام شده است. به‌عنوان نوآوری در این پژوهش، تابع لیاپانوف جدید ارائه گردیده و با انتخاب ضرایب مناسب، پایداری سیستم تضمین شده است.

2)        مدل‌سازی و فرمول‌بندی خطای سنسوری و عملگری در مدل منابع تولید پراکنده و حصول همه قوانین رینولد در ریزشبکه. در این نوآوری با استفاده از ماهیت خطاهای سنسوری و عملگری، فرمول‌بندی در معادلات ریزشبکه با دیدگاه سیستم‌های چندعامله انجام شده است. همه قوانین رینولد در سیستم‌های چندعامله در ریزشبکه نیز در نظر گرفته شده‌اند.

3)        طراحی و شبیه‌سازی کنترل‌کننده ثانویه در DGها با درنظرگرفتن مدل کامل ریزشبکه به‌صورت سیستم چندعامله و با حضور خطای سنسوری و عملگری.

4)        بررسی و تحلیل شرایط سنکرون‌سازی و مشخص‌کردن انعطاف و مقاومت همه DGها با استفاده از قضایای جدید. علاوه بر بررسی پایداری سیستم، در این پژوهش قضیه‌های مرتبط با سنکرون‌سازی آمده و با ارائه شرایط سنکرون‌سازی، کنترل‌کننده مناسب ارائه شده است. طراحی کنترل‌کننده به‌نحوی است که می‌تواند در شرایط مناسب با وجود حملات سایبری مختلف و خطاهای سنکرون‌سازی را انجام دهد.

5)        مقایسه اثر خطای سنسوری و عملگری با حمله سایبری سنسوری و عملگری در کنترل‌کننده ثانویه سلسله‌مراتبی20. خطا و حمله، دو اختلال متفاوت هستند که در تحقیقات قبلی، برخورد یکسانی با آنها شده است. در این پژوهش برای نوآوری، تفاوت‌های آنها بررسی گردیده و تاب‌آوری اثر آنها در ریزشبکه نشان داده شده است. اثر خطا به‌طور دقیق در سنسور و اثر حمله در لینک ارتباطی، تحلیل و تأثیر آنها در ریزشبکه با هم مقایسه شده است.

6)        درنظرگرفتن تأخیر کانال ارتباطی در کنترل‌کننده سلسله‌مراتبی توزیع‌شده اشتراکی. با درنظرگرفتن ریزشبکه به‌صورت سیستم‌های چندعامله در انتقال اطلاعات تأخیر ایجاد می‌گردد. در این پژوهش تأخیر در این کانال تحلیل گردیده است.

در بخش دوم، مدل دینامیکی منابع تولید پراکنده و در بخش سوم، مدل سیستم ارتباطی و تئوری گراف بحث می‌گردد. در بخش چهارم، طراحی کنترلی سلسه‌مراتبی توزیع‌شده اشتراکی مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در بخش پنجم، خطای سنسوری و عملگری و مقایسه آن با حمله سنسوری و عملگری و بررسی اثر آنها در منابع تولید پراکنده و در بخش ششم تحلیل پایداری سیستم ارائه شده است. در بخش هفتم شبیه‌سازی و نهایتاً در بخش هشتم نتیجه‌گیری ارائه گردیده است.

2-       مدل دینامیکی منابع تولید پراکنده (DGs)

مدل استفاده‌شده در این مقاله به‌صورت (1) در نظر گرفته شده که غیرخطی است و کاملاً همه جزئیات منابع تولید پراکنده را در بر می‌گیرد. در این مدل‌سازی، قسمت‌های مختلف شامل منابع توزیع‌شده، قسمت‌های اندازه‌گیری، شبکه اصلی، قسمت‌های کنترلی و لینک‌های ارتباطی، بلوک‌های کنترل‌کننده توان، کنترل‌کننده ولتاژ و جریان، فیلتر LC و بار خروجی در نظر گرفته شده است [2] و [28] تا [32]

img0        (1)

که img0 و img0 حالت و اغتشاش سیستم است. img0 زاویه چارچوب مرجع img0 با چارچوب مرجع معمول، img0 و img0 توان متوسط اکتیو و راکتیو خروجی، img0 متغیر کمکی در کنترل‌کننده ولتاژ، img0 متغیر کمکی در کنترل‌کننده جریان، img0، img0 و img0 به‌ترتیب مقادیر جریان و ولتاژ خروجی و جریان بار و img0 و img0 مقادیر ورودی کنترلی و خروجی هستند. جزئیات مقادیر (1) در [28] آمده است. در این مدل‌سازی، قسمت‌های مختلف شامل منابع توزیع‌شده، قسمت‌های اندازه‌گیری، شبکه اصلی، قسمت‌های کنترلی و لینک‌های ارتباطی، بلوک‌های کنترل‌کننده توان، کنترل‌کننده ولتاژ و جریان، فیلتر LC و بار خروجی در نظر گرفته شده و از بین مدل‌های مختلف DGها کامل‌ترین مدل است [2] و [28] تا [32].

3-       مدل کانال ارتباطی و تئوری گراف

برای تعیین مسیر تبادل داده‌ها (ولتاژ، فرکانس، توان اکتیو و راکتیو) بین DGها از سیستم مخابراتی استفاده شده است. برای تحلیل لینک‌های مخابراتی، تحلیل پایداری و سنکرون‌سازی در این مقاله از تئوری گراف21 و با دیدگاه سیستم‌های چندعامله استفاده گردیده است. در سیستم‌های چندعامله، کنترل یک عامل به خروجی‌های عامل همجوار نیز بستگی دارد. در این مدل، منابع تولید پراکنده به‌صورت عامل و لینک‌های مخابراتی بین آنها با ماتریس همجوار مدل می‌شوند.

برای سنکرون‌سازی سیستم‌های چندعامله، سه قانون اصلی به نام قوانین رینولد وجود دارد:

1)        اجتناب از برخورد با همسایگان

2)        تطبیق حرکت با بقیه گروه

3)        باقی‌ماندن در اطراف یک مرکز

برای کنترل و سنکرون‌سازی منابع، همه این قوانین باید پیاده‌سازی گردد. مزایای اصلی سیستم‌های چندعامله، افزایش عملکرد سیستم، افزایش قابلیت تطابق، پایداری و انعطاف بیشتر، افزایش مقاوم‌بودن سیستم، مقابله با خطا و هزینه کمتر است [33] و [34].

خطاهای ناشی از دریافت صحیح داده‌های خروجی در سیستم‌های چندعامله به سه دسته تقسیم می‌شوند:

1)        خطا در عملگرها (عملگر کارایی‌اش را از دست داده است)

2)        خطا در سنسورها (سنسور اطلاعات را درست اندازه‌گیری نمی‌کند)

3)        خطا در ارتباطات (اطلاعات از همسایه‌ها گرفته نمی‌شود)

توجه: اساسی‌ترین تفاوت خطای سنسوری و حمله سایبری سنسوری در آن است که خطا به‌دلیل مشکلات سنسوری و حمله سایبری سنسوری به دلیل مشکلات کانال ارتباطی است. بنابراین خطای سنسوری از نوع دوم و حمله سایبری سنسوری از نوع سوم خطای تعریف‌شده در نقص در خروجی‌هاست؛ هرچند هر دو در سیستم تأثیرات تقریباً یکسانی دارند و نهایتاً باعث اختلال در مقدار خروجی می‌گردند.

تعاریف

گراف پیوسته: در بین دو گره آن حداقل یک مسیر وجود دارد.

گره رهبر22: گرهی که از گره دیگری مقدار نمی‌گیرد و مقدار مرجع همه عامل‌ها را مشخص می‌کند.

درخت ریشه‌دار: یک گراف پیوسته با گره رهبر که هیچ حلقه‌ای ندارد. به‌منظور تحلیل سیستم ارتباطی از تئوری گراف استفاده می‌گردد و شبکه ارتباطی به‌صورت (2) نشان داده شده است

img0        (2)

img0، img0 و img0 به‌ترتیب گره‌ها (منابع تولید پراکنده)، لینک‌های ارتباطی و ماتریس مجاورتی هستند. درایه‌های ماتریس مجاورتی img0 وزن اضلاع گراف است که اگر گراف img0ام به گراف img0ام اطلاعات دهد یک و در غیر این صورت صفر است [35]. ماتریس img0 و لاپلاسین img0 به‌صورت زیر تعریف می‌شود

img0        (3)

img0 تعداد اضلاعی است که به گره img0ام وارد می‌شود (درجه داخلی23) [6]. در این مقاله گراف به‌صورت متعادل (همه وزن ضلع‌ها برابر و مقدار آنها یک و صفر)، توپولوژی ثابت و درخت پیوسته ریشه‌دار24 فرض شده است.

توجه: در سیستم‌های چندعامله دو نکته بسیار مهم است: پایداری و سنکرون‌سازی. سنکرون‌سازی سیستم‌های چندعامله به این معنی است که همه عامل‌ها طبق قانون دوم رینولد در حالت ماندگار با هم هماهنگ باشند. این اصل با (4) نشان داده شده است

img0        (4)

با توجه به قانون سوم رینولد، سنکرون‌سازی مشخص‌کردن مرکز در سیستم‌های چندعامله به دو روش انجام می‌گردد: 1) با درنظرگرفتن مرکز به‌صورت میانگین همه خروجی‌ها که در (5) آمده و 2) به‌صورت توافقی25 و درنظرگرفتن مرجع که در (6) نشان داده شده است

img0        (5)

img0        (6)

که  در  (5)،  img0  میانگین  خروجی‌های  سیستم  است 

[35] و [36]. از جنبه دیگری سنکرون‌سازی را به صورت محلی و کلی نیز در  نظر می‌گیرند.  سنکرون‌سازی محلی  به‌صورت  (7) تعریف می‌شود که 

 

[1] این مقاله در تاریخ 13 آذر ماه 1401 دریافت و در تاریخ 3 خرداد ماه 1402 بازنگری شد.

عبدالله میرزابیگی، دانشکده مهندسی برق، مؤسسه آموزش عالی جهاد دانشگاهی همدان، همدان، ایران، (email: mirzabeigi@acecr.ac.ir).

علی کاظمی (نویسنده مسئول)، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه تفرش، تفرش، ایران، (email: kazemy@tafreshhu.ac.ir).

مهدی رمضانی، دانشکده ریاضی، دانشگاه تفرش، تفرش، ایران،
(email: ramezani@tafreshhu.ac.ir).

سیدمحمد عظیمی، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی همدان، همدان، ایران، (email: azimi@hut.ac.ir).

[2] . The Cooperative Distributed Hierarchical Control

[3] . Slack Bus

[4] . Pinning Gain

[5] . Adjacency Matrix

[6] . Auxiliary Control

[7] . The Local Neighborhood Tracking Error

[8] . Node

[9] . Distributed Generator

[10] . Main Grid

[11] . Grid Connected Mode

[12] . Islanded Mode

[13] . Centralized Control

[14] . Decentralized Control

[15] . Distributed Control

[16] . Multi Agent Systems

[17] . Network Control System

[18] . Hijacking Attack

[19] . Reynold

[20] . Hierarchical

[21] . Graph Theory

[22] . Leader

[23] . In-Degree

[24] . Spinning Tree

[25] . Consensus

img0 

شکل 1:  ساختار کلی DG به همراه کنترل‌کننده اولیه و ثانویه.

 

 

به شرایط اولیه حالات بستگی دارد

img0        (7)

در سنکرون‌سازی کلی برای همه شرایط اولیه‌ها می‌توان نوشت

img0        (8)

در سیستم‌های چندعامله کنترل‌کننده باید به‌نحوی طراحی شود که شرط پرهیز از برخورد و پیروی از رهبر تحقق یابد. به این منظور سیگنال کنترلی به صورت (9) تعریف می‌گردد

img0        (9)

که img0 بهره اتصال است [35]. در این مقاله طراحی کنترل‌کننده به‌نحوی است که همه شرایط رینولد تحقق یابد و خروجی‌ها به‌صورت کلی سنکرون باشند.

4-       طراحی کنترلی سلسه‌مراتبی توزیع‌شده اشتراکی

در این مقاله از کنترل‌کننده توزیع‌شده به‌صورت سلسله‌مراتبی در چند لایه استفاده شده است. در روش سلسه‌مراتبی، کل ساختار کنترلی به سه سطح اولیه1، ثانويه2 و ثالثیه3 تقسیم می‌شود. هر لایه مرجع، لایه بالاتر را تنظیم می‌کند و بنابراین باعث می‌شود که در لایه پایین‌تر خطا کمتر گردد [3] و [37].

در این مقاله از کنترل‌کننده اولیه و ثانویه استفاده شده و شکل 1 منابع تولید پراکنده و این کنترل‌کننده‌ها را نشان می‌دهد. کنترل‌کننده اولیه شامل کنترل‌کننده توان، ولتاژ و جریان و کنترل‌کننده ثانویه برای حذف انحراف کنترل‌کننده اولیه است که در آن می‌توان از کنترل‌کننده‌های مختلفی استفاده کرد. در این مقاله با دیدگاه سیستم‌های چندعامله در کنترل‌کننده ثانویه از روش خطی‌سازی فیدبک استفاده شده است. با توجه به شکل 1، img0 و img0 باید توسط کنترل‌کننده ثانویه و به‌عنوان ورودی کنترل‌کننده اولیه ایجاد شوند تا انحراف کمتری در ورودی کنترل‌کننده اولیه به‌عنوان یک کنترل‌کننده محلی ایجاد گردد [2]، [29] و [38].

4-1 کنترل‌کننده اولیه

کنترل‌کننده‌های جریان، ولتاژ و توان به‌صورت اولیه در نظر گرفته می‌شوند. خروجی کنترل‌کننده ثانویه img0 و خروجی img0 img0 به‌عنوان ورودی کنترل‌کننده اولیه است. در کنترل‌کننده توان، ابتدا با استفاده از خروجی‌های منابع تولید پراکنده، توان لحظه‌ای از (10) به‌دست می‌آید و با عبور این توان از یک فیلتر پایین‌گذر با (11)، توان متوسط به‌صورت img0 حاصل می‌شود

img0        (10)

img0        (11)

با صرف نظر از دینامیک‌های سریع سیستم و با درنظرگرفتن مدل سیستم در چارچوب 4dq، کنترل‌کننده توان در کنترل‌کننده اولیه به‌صورت (12) در نظر گرفته می‌شود [2] و [37]

img0        (12)

معادله ولتاژ در چارچوب dq به‌صورت زیر درمی‌آید

img0        (13)

سپس با توجه به (12)، خروجی کنترل‌کننده توان به‌دست می‌آید و خروجی img0 به کنترل‌کننده ولتاژ و img0 به VSC داده می‌شود. در این معادله img0 و img0 ضرایب دروپ و img0 و img0 مقادیر مرجع کنترل‌کننده اولیه هستند. در کنترل‌کننده ولتاژ و جریان از کنترل‌کننده PI استفاده شده است. کنترل‌کننده ولتاژ، مرجع جریان‌ها را مشخص می‌نماید و خروجی آن به‌عنوان ورودی‌های مرجع وارد کنترل‌کننده جریان می‌شوند.

4-2 کنترل‌کننده ثانویه

شکل 1 طرح کلی کنترل‌کننده ثانویه را نیز نشان می‌دهد. در این مقاله، کنترل‌کننده ثانویه با استفاده از روش خطی‌سازی فیدبک طراحی شده است. هدف اصلی در طراحی کنترل‌کننده، اعمال ورودی کنترلی مناسب img0 به کنترل‌کننده اولیه به‌منظور پایداری و سنکرون‌سازی سیستم است. با استفاده از روش خطی‌سازی فیدبک از (12) و (13) مشتق گرفته می‌شود و آن را برابر با ورودی کنترلی قرار می‌دهیم و ورودی کنترلی را به‌نحوی طراحی می‌کنیم که خطا به سمت صفر میل کند. بنابراین نتیجه به‌صورت (14) درمی‌آید [37]

img0        (14)

که img0 و img0 به‌ترتیب سیگنال کنترلی کمکی ولتاژ و جریان در روش خطی‌سازی فیدبک سیستم‌های چندعامله هستند. به‌منظور پایدارسازی سیستم و با توجه به اینکه سیستم به‌صورت چندعامله در نظر گرفته می‌شود، ورودی کنترلی به‌صورت (15) با استفاده از خطاهای دنبال‌سازی است [35]

img0        (15)

در این رابطه img0، img0 و img0 به‌ترتیب خطای دنبال‌سازی و img0، img0 و img0 بهره کنترلی ولتاژ، فرکانس و توان اکتیو هستند. خطاهای دنبال‌سازی به‌صورت (16) در سیستم‌های چندعامله می‌باشند که در سنکرون‌سازی، هدف آن است که این خطاها صفر شوند. این خطاها با استفاده از خروجی DG و همسایه به‌دست می‌آیند

img0        (16)

که در (16)، img0، img0 و img0 و img0، img0 و img0 ولتاژ، فرکانس و توان متوسط خروجی img0 و img0 هستند. img0 و img0 ولتاژ و فرکانس زاویه‌ای مرجع، img0 درایه‌های ماتریس مجاورت و img0 بهره اتصال می‌باشند. img0 فقط زمانی برابر یک است که DG به گره اسلک وصل باشد و در غیر این صورت صفر است.

با استفاده از (12) تا (16) سیگنال کنترلی از روش خطی‌سازی فیدبک به‌صورت (17) به‌دست می‌آید

img0        (17)

در (17) مقدار img0 به‌صورت زیر تعریف شده است

img0        (18)

img0 مربوط به اطلاعات داخلی DG است و بنابراین تحت تأثیر اختلالات خارجی قرار نمی‌گیرد. img0 توان راکتیو لحظه‌ای، img0 فرکانس قطع فیلتر پایین‌گذر و img0 و img0 ولتاژ و جریان خروجی img0 است [28] و [37]. خطای عدم تطابق به‌صورت (19) تعریف می‌شود که اگر صفر شود سنکرون‌سازی انجام می‌گردد

img0        (19)

به این ترتیب برای کنترل و سنکرون‌سازی سیستم و با توجه به (12) تا (19) باید در این حالت، فرکانس، ولتاژ و توان اکتیو متوسط DG همجوار را داشته باشیم.

5-       خطای سنسوری و عملگری و مقایسه آن با حمله سایبری سنسوری و عملگری در DGها

در کنترل، خطا5 در نتیجه هر نوع آسیب نرم‌افزاری و سخت‌افزاری به محرک و سنسور تعریف می‌شود. نقص در سنسورهای ریزشبکه، اثرات مخربی بر عملکرد آنها دارد و ممکن است اطلاعات از بین رفته و بازیابی ولتاژ و فرکانس اتفاق نیفتد. در تئوری کنترل، خطا و حمله سایبری یکسان نیستند؛ هرچند نهایتاً اتفاق یکسانی می‌افتد و خروجی سنسور تحت تأثیر قرار می‌گیرد (هم در حمله و هم در خطا). در [24] و [39] به اختصار این تفاوت‌ها شرح داده شده است. تفاوت‌های اصلی این دو به شرح زیر است:

1)        در DGها حمله سنسوری در لینک‌های مخابراتی بین سنسورهای کنترل‌کننده‌های ثانویه و حمله عملگری بین کنترل‌کننده اولیه و ثانویه اتفاق می‌افتد؛ در حالی که خطا در سنسورها و عملگرها به معادلات اضافه می‌گردد.

2)        در حمله سایبری، اطلاعات دقیقی از خروجی نیاز است و به‌صورت هوشمند اتفاق می‌افتد؛ ولی در خطا مقادیر به‌صورت ناخواسته به خروجی اضافه می‌گردد و هوشمندی ندارد.

3)        خطا به‌دلیل اعوجاج عملکرد سنسور یا محرک در طول زمان است؛ در حالی که حمله ممکن است به‌صورت لحظه‌ای باشد یا در بازه‌ای از زمان محدود گردد.

4)        حمله از بیرون به ریزشبکه وارد می‌شود؛ ولی خطا معمولاً از داخل ایجاد می‌گردد.

5)        خطاها معمولاً ناخواسته هستند و به‌منظور تخریب استفاده نمی‌شوند؛ اما حملات سایبری به‌صورت عمدی و به‌منظور اختلال در کارایی سیستم اضافه می‌گردند.

اما شباهت آنها در این است که اثر هر دو در منابع تولید پراکنده یکسان است و هم در خطا و هم در حمله سنسوری و عملگری، اطلاعات ولتاژ و فرکانس یک DG به DG همجوار، اشتباه می‌رسد و ممکن است باعث ناپایداری سیستم گردد.

حملات سایبری به سه گروه کلی تقسیم می‌شوند:

1)        حمله منع سرویس 6(DoS)

2)        حمله فریب7

3)        حمله تکرار8

فرض کنید img0 اطلاعات اندازه‌گیری‌شده و img0 اطلاعات دریافت‌شده همان لحظه باشد. در حمله DoS مهاجم از طریق کانال ارتباطی، انتقال اطلاعات را بلوکه می‌کند. این نوع حمله بعضی مواقع به‌عنوان از بین رفتن اطلاعات نیز مطرح می‌گردد و اطلاعات دریافت‌شده صفر می‌گردد img0. در حمله تکرار، یک سری از اطلاعات گذشته جایگزین اطلاعات فعلی می‌گردند و از نظر مدل ریاضی img0 است که img0 اطلاعات گذشته است. در حمله فریب، مهاجم یک سری اطلاعات غلط را به اطلاعات ارسالی اصلی تزریق می‌کند و از نظر ریاضی به‌صورت img0 می‌باشد که img0 اطلاعات تزریق‌شده توسط مهاجم است. لازم به ذکر است که img0 نسبتی از خروجی سیستم است. حمله سنسوری و عملگری نیز جزء همین دسته از حمله‌ها به حساب می‌آید و البته به‌صورت هوشمند، مقادیر خروجی را ذخیره و در همان لحظه به سیستم تزریق می‌کند [40]. حمله روی عملگرها و سنسورها به صورت رابطه زیر مدل می‌شود

img0        (20)

در این فرمول به‌ترتیب img0 و img0 سیگنال کنترلی و حالت مختل‌شده ناشی از حمله سایبری عملگری و سنسوری، img0 و img0 سیگنال کنترل و حالت واقعی و img0 و img0 سیگنال حمله عملگر و سنسوری است. در این فرمول بدون حمله img0 و با حمله img0 است. خطا روی عملگرها و سنسورها به‌صورت (21) مدل می‌شود

img0        (21)

که در رابطه بالا، img0 و img0 به‌ترتیب سیگنال کنترلی و حالت مختل‌شده ناشی از خطای عملگری و سنسوری، img0 و img0 سیگنال کنترل و حالت واقعی و img0 و img0 به‌ترتیب سیگنال خطای عملگری و سنسوری هستند. با درنظرگرفتن خطا در عملگرها در (21) و سیگنال کنترلی (15) برای سیستم‌های چندعامله، سیگنال کنترلی به‌فرم روابط زیر بازنویسی می‌گردد

img0        (22)

img0        (23)

که img0 و img0 مقدار ورودی کنترلی و خطا با درنظرگرفتن خطای سنسوری است. سیگنال کنترلی مختل‌شده برابر است با

img0        (24)

در منابع تولید پراکنده نیز به همین روش و با استفاده از (21) تا (24) کنترل‌کننده طراحی می‌شود.

الف) کنترل‌کننده ولتاژ

با استفاده از (17) و (21) سیگنال کنترلی ولتاژ به‌صورت زیر است

img0        (25)

img0        (26)

ب) کنترل‌کننده فرکانس

در کنترل‌کننده فرکانس (17) نیز معادله با خطای سنسوری به‌دست می‌آید

img0        (27)

با استفاده از (21)

img0        (28)

که img0، img0 و img0 به‌ترتیب سیگنال کنترلی فرکانس مختل‌شده، سیگنال کنترلی با خطای سنسوری و سیگنال خطای عملگری است و به همین ترتیب برای فرکانس و توان، سیگنال کنترلی برای حمله سنسوری به‌صورت زیر به‌دست می‌آید

img0        (29)

نهایتاً سیگنال کنترلی فرکانس برابر است با

img0        (30)

6-       اثبات پایداری

در این مقاله فرض شده که مقدار خطا محدود و ناشناخته است [41]، درخت گراف پیوسته می‌ماند و ارتباط بین منابع تولید پراکنده مختلف طبق ماتریس مجاورت حفظ می‌شود [30] و [37]. خطای سیستم به‌صورت (31) و بردار مغایرت9 به‌صورت (32) تعریف می‌شود

img0        (31)

img0        (32)

با فرض خطای سنسوری و عملگری ولتاژ، سیگنال کنترلی با وجود خطا و بر اساس سیگنال خطا به‌صورت (33) به‌دست می‌آید

img0        (33)

در فرمول بالا img0، img0 و img0 به‌ترتیب سیگنال کنترلی، سیگنال خطا و مقدار خروجی ولتاژ با وجود خطای سنسوری و عملگری است. برای اثبات پایداری و سنکرون‌سازی، لم و قضیه زیر در نظر گرفته می‌شود.

لم 1: فرضاً گراف img0 یک درخت پیوسته و حداقل در یک گره ریشه img0 باشد. با تعریف خطا به‌صورت img0، (34) برقرار است

img0        (34)

که img0 مقدار تکین10 ماتریس است. در این صورت img0 برابر صفر است اگر و فقط اگر همه گره‌ها سنکرون باشند [42]. بنابراین یکی از اصلی‌ترین شرایط برای برقراری قوانین رینولد در منابع برقرار می‌گردد.

لم 2: فرض کنید گراف مستقیم img0 یک درخت پیوسته باشد و برای حداقل یکی از گره‌های ریشه img0 باشد. ماتریس img0 را در نظر بگیرید و با توجه به اینکه img0 و img0 است، در این صورت img0 مثبت معین است.

توجه: img0 در (2) و (3) تعریف شد و ماتریس مثبت معین است و به همین دلیل در معادله بالا قرار گرفته است.

img0 

شکل 2:  مدل نمونه شبیه‌سازی‌شده اتصال سیستم قدرتی (خطوط ممتد) به‌همراه لینک‌های مخابراتی (خطوط نقطه‌چین).

 

قضیه 1: فرض کنید که img0 یک درخت پیوسته و حداقل برای یکی 
از DGها img0 باشد. اگر ورودی کنترلی ثانویه img0 با خطای سنسوری و عملگری به‌صورت img0 باشد در این صورت، خطای img0 پایدار مجانبی است. همچنین ولتاژ خروجی DGها به img0 سنکرون می‌شوند.

اثبات: بردار کلی img0 تعریف می‌شود که از معادلات قبلی img0 به‌دست می‌آید. برای اثبات پایداری، تابع کاندیدای لیاپانوف به‌صورت (35) در نظر گرفته می‌شود

img0        (35)

img0 خطای بدون نقص سنسوری و عملگری و img0 خطای ناشی از نقص سنسوری و عملگری است. برای اثبات پایداری از تابع لیاپانوف مشتق گرفته می‌شود

img0        (36)

img0        (37)

که در معادله بالا img0 در نظر گرفته می‌شود. هر ماتریس مربعی را می‌توان به‌صورت زیر نوشت

img0        (38)

عبارت  منفی  برای  دو  عبارت  بالا  صفر  می‌شود img0 و 

img0؛ بنابراین

img0        (39)

با توجه به لم 2، img0 مثبت معین است و بنابراین

img0        (40)

منفی معین و ریزشبکه با وجود خطای سنسوری و عملگری، پایدار مجانبی است. برای سنکرون‌سازی باید اثبات شود که خطای حالت ماندگار صفر است  و  به  عبارتی img0 و  سپس  با  توجه  به  لم 1، بردار img0 پایدار 

مجانبی است و ولتاژ خروجی DGها به img0 سنکرون می‌شوند. بنابراین

img0        (41)

و  بنابراین img0 و  سنکرون‌سازی  انجام 

می‌گردد. همچنین هرچه img0 بزرگ‌تر باشد سرعت سنکرون‌سازی مناسب‌تر است و با انتخاب مناسب img0 و تأثیر آن در img0، سنکرون‌سازی بهینه‌ای انجام می‌پذیرد.

7-       نتایج شبیه‌سازی

برای شبیه‌سازی از یک مدل نمونه مطابق [30] و [37] با شکل 2 استفاده شده و 1DG به‌عنوان شین مرجع و یا اسلک در نظر گرفته می‌شود. شبیه‌سازی در محیط سیمولینک متلب است. پارامتر این DGها شامل چهار منبع توزیع‌شده در جدول 1 است. img0 و img0 اندوکتانس و مقاومت رابط‌های خروجی11 img0 هستند. خطوط بین DGها با یک شاخه RL سری مدل شده و img0 و img0 مقاومت و اندوکتانس آنها، بارها به‌صورت img0 و img0، img0، img0 و img0 ضرایب img0 کنترل‌کننده ولتاژ و جریان هستند.

در این مدل ولتاژ مرجع 380 ولت، فرکانس 50 هرتز (فرکانس زاویه‌ای img0) و نیز ضرایب کنترل‌کننده ثانویه img0 است. به‌منظور بررسی دقیق‌تر DGها و تحلیل درست آنها سناریوهای مختلف، شبیه‌سازی می‌گردد.

سناریوی اول: عملکرد کنترل‌کننده اولیه و ثانویه بدون خطای سنسوری و عملگری، اغتشاش، نویز و حملات سایبری

در ابتدا خروجی بدون واردکردن اغتشاش و یا نامعینی‌ها در نظر گرفته می‌شود تا عملکرد کنترل‌کننده اولیه و ثانویه مشخص گردد. در صورت کنترل ریزشبکه فقط با کنترل‌کننده اولیه، خروجی‌ها از مقدار مرجع انحراف خواهند داشت و سنکرون‌سازی به‌درستی انجام نمی‌شود. شکل 3- الف و 3- ب خروجی ولتاژ و فرکانس را بدون کنترل‌کننده ثانویه و صرفاً با کنترل‌کننده اولیه نشان می‌دهند.

img0 

(الف)

img0 

(ب)

شکل 3:  (الف) خروجی ولتاژ و (ب) خروجی فرکانس ریزشبکه با کنترل‌کننده اولیه (بدون کنترل‌کننده ثانویه).

 

img0 

(الف)

img0 

(ب)

شکل 4:  (الف) ولتاژ خروجی و (ب) فرکانس زاویه‌ای خروجی DGها بدون حمله سایبری، اغتشاش و نویز.

 

 

[1] . Primary Control

[2] . Secondary Control

[3] . Tertiary Control

[4] . Direct-Quadratic

[5] . Fault

[6] . Denial of Service Attack

[7] . Deception Attack

[8] . Replay Attacks

[9] . Disagreement

[10] . Singular Value

[11] . Output Connector

جدول 1: مقادیر پارامترهای مدل نمونه شبیه‌سازی‌شده [37].

 

DGs

2DG & 1DG

4DG & 3DG

img0 

img0 

img0 

img0 

img0 

img0 

img0 

img0 

img0 

Ω 03/0

img0 

Ω 03/0

img0 

mH 35/0

img0 

mH 35/0

img0 

1

img0 

1

img0 

4

img0 

4

img0 

15

img0 

5/10

img0 

200

img0 

160

Lines

1 Line

2 Line

3 Line

img0 

23/0

img0 

35/0

img0 

23/0

img0 

mH 318/0

img0 

mH 847/1

img0 

mH 318/0

Loads

1 Load

2 Load

img0 

Kw 12

img0 

Kw 3/15

img0 

Kvar 12

img0 

Kvar 6/7

 

 

با توجه به نتایج شبیه‌سازی، ولتاژ افت شدید دارد و سنکرون‌سازی نیز در این حالت انجام نشده و همچنین فرکانس و ولتاژ، انحراف پیدا کرده‌اند. با توجه به اینکه فرکانس بسیار به انحراف حساس است، بنابراین انحراف قابل قبول نیست؛ در نتیجه کم‌کردن انحراف در این حالت ضروری است. همچنین در این حالت سیستم به نویز، اغتشاش و دینامیک مدل‌نشده حساس است. کنترل‌کننده اولیه، پایداری سیستم را تا حد زیادی ایجاد کرده است؛ اما نتوانسته سنکرون‌سازی را به‌درستی انجام دهد.

شکل 4 کنترل ولتاژ و فرکانس توسط کنترل‌کننده اولیه و ثانویه را نشان می‌دهد. با توجه به شکل 4 این کنترل‌کننده توانسته که به خوبی فرکانس و ولتاژ را به حالت مرجع خود برگرداند و در رنج ولتاژ و فرکانسی بسیار خوبی قرار دهد. زمان عبور از حالت گذرا کمتر از 3/0 ثانیه بوده که زمان مناسبی می‌باشد و همچنین سنکرون‌سازی بسیار خوب انجام شده است. در سنکرون‌سازی، خطای ماندگار حدود 3 درصد برای ولتاژ نامی و برای فرکانس نیز 3/0 درصد قابل قبول می‌باشد.

سناریوی دوم: خطای سنسوری ولتاژ در 1DG و 3DG

به‌منظور بررسی اثرات خطا و تأثیر موقعیت منابع تولید پراکنده در خطای سنسوری و عملگری، موقعیت‌های مختلف بررسی گردیده و نتایج در شکل 5 آمده است. با توجه به شکل در این سناریو در img0 خطای سنسوری ولتاژ با اندازه img0 در 1DG وارد شده و همین خطا در img0 در سنسور ولتاژ 3DG وارد می‌گردد. با توجه به شکل، هنگامی که خطای سنسوری در 1DG اتفاق می‌افتد، اثر این حمله در 1DG بیشتر از بقیه DGها است و به‌ترتیب 2DG، 3DG و 4DG اثرات بیشتری از خطا را می‌پذیرند و خطای سنسوری، DGهای همجوار را بیشتر تحت تأثیر قرار می‌دهد. با توجه به نتایج شبیه‌سازی، خطا در سنسور ولتاژ بر فرکانس خروجی DGها نیز تأثیر کمی دارد. در این سناریو همه DGها توانسته‌اند با وجود خطای سنسوری به پایداری برسند و سنکرون‌سازی نیز در زمان مناسبی انجام پذیرد.

img0 

(الف)

img0 

(ب)

شکل 5:  (الف) ولتاژ و (ب) فرکانس خروجی با خطای سنسوری ولتاژ در 1DG و 3DG.

 

img0 

(الف)

img0 

(ب)

شکل 6:  (الف) ولتاژ و (ب) فرکانس خروجی با خطای سنسوری فرکانس و توان و خطای عملگری در همه DGها.

 

سناریوی سوم: خطای سنسوری فرکانس و توان و خطای عملگری

در این سناریو به‌منظور نشان‌دادن کارایی کنترل‌کننده در پایدارسازی 
و سنکرون‌سازی، خطاهای مختلف و در زمان‌های متفاوت در ریزشبکه وارد گردیده است. در img0 خطای سنسوری فرکانس به‌صورت img0 و در img0 خطای سنسوری توان اکتیو به‌صورت img0 و در همه DGها اتفاق می‌افتند. در img0 خطای عملگری img0 در همه عملگرها وارد سیستم می‌گردد. شکل 6 نتیجه این شبیه‌سازی را نشان می‌دهد. با توجه به نتایج خطای سنسوری، فرکانس تأثیر بیشتری در ریزشبکه دارد و رنج تغییرات قابل تحمل خطای فرکانس از ولتاژ کمتر است.

در عمل نیز ریزشبکه‌ها تغییرات فرکانسی محدودی را تحمل می‌کنند و رنج مقاومت فرکانس حدود 3/0 درصد است. هرچند این کنترل‌کننده به‌خوبی توانسته با وجود خطاهای سنسوری در رنج معلومی در کمتر از یک ثانیه، خروجی‌ها را به مقدار مرجع برساند و همچنین سنکرون‌سازی را 

img0 

(الف)

img0 

(ب)

C:\Users\Mahan\Desktop\مقالات\paper false data\شکل نهایی\senar4power.bmp 

(ج)

شکل 7:  (الف) ولتاژ، (ب) فرکانس و (ج) توان خروجی DGها با خطای سنسوری و عملگری در همه DGها.

 

نیز انجام دهد. نکته دیگر اینکه خطای سنسوری فرکانس بر روی ولتاژ خروجی نیز تأثیر می‌گذارد و باعث تغییرات در ولتاژ DGها می‌گردد؛ به این معنی که خطا در فرکانس و ولتاژ بر روی همدیگر اثر دارند. خطای سنسوری توان نیز در همه DGها اتفاق افتاده است ولی به دلیل ضریب کوچک img0 تأثیر کمی در تغییر فرکانس و ولتاژ دارد و حتی با خطاهای سنسوری بزرگ در توان نیز مقادیر ولتاژ و فرکانس در رنج قابل قبولی کنترل می‌شود. هرقدر ضریب img0 بزرگ‌تر باشد اثر خطای سنسوری توان در خروجی بیشتر می‌گردد. نتایج شبیه‌سازی خطای عملگری نشان می‌دهد با توجه به آنکه این خطا توسط لایه ثانویه کنترل می‌شود، تأثیر کمتری در خروجی‌های ولتاژ و فرکانس دارد. البته نکته مهم آن است علی‌رغم اینکه در خطای عملگری سنکرون‌سازی انجام می‌شود ولی این مقادیر با مقدار مرجع، اختلاف کمی پیدا می‌کنند.

سناریوی چهارم: خطای سنسوری و عملگری در همه سنسورها و با درنظرگرفتن نویز سنسوری

برای تحلیل بهتر خطای سنسوری و عملگری در بدترین حالت، این خطا در همه سنسورهای ولتاژ، فرکانس، توان و همه عملگر شده است.

در شکل 7 نحوه انعطاف‌پذیری و مقاومت کنترل‌کننده در مقابل این اختلالات آمده است. خطا به همه سنسورها و عملگرها در img0 و با مقادیر سناریوهای قبلی وارد شده است. در این سناریو، توان اکتیو نیز 
در شبیه‌سازی، بررسی گردیده تا توانایی کنترل‌کننده اولیه در تقسیم توان مشخص شود. همچنین برای بررسی توانایی کنترل‌کننده، نویز سنسوری نیز برای سنسورهای فرکانس به‌صورت تصادفی با میانگین صفر و با دامنه یک در نظر گرفته شده است. با توجه به نتایج شکل 7، کنترل‌کننده توانسته که به‌خوبی پایدار بماند و فرکانس و ولتاژ همه DGها به مرجع رسیده‌اند و خطای حالت ماندگار سیستم، صفر و سنکرون‌سازی عامل‌ها نیز 

img0 

(الف)

img0 

(ب)

شکل 8:  (الف) ولتاژ و (ب) فرکانس خروجی DGها با تأخیر سنسوری و عملگری در خطوط ارتباطی.

 

انجام شده است. در این حالت دروپ توانسته که توان‌ها را به‌درستی بین DGها تقسیم کند. نویز سنسوری فرکانس فقط در خروجی فرکانس به مقدار کمی وارد شده و در ولتاژ و توان تأثیری ندارد.

سناریوی پنجم: درنظرگرفتن تأخیر در کانال‌های ارتباطی

یکی از مشکلات همیشگی کانال‌های ارتباطی، تأخیر است. تأخیر به عوامل متعددی مانند ظرفیت انتقال لینک، تأخیر ارسال به نرخ ارسال، طول پیام و تأخیر دسترسی به کانال بستگی دارد. در کنترل ثانویه، اطلاعاتی که به کنترل‌کننده اولیه فرستاده می‌شود ممکن است دارای تأخیر باشد. تأخیر می‌تواند در این حالت ثابت، تصادفی یا محدود باشد. نکته مهم در مورد تأخیر این است که مسأله تأخیر در ریزشبکه‌ها معمولاً حداکثر 10 میلی‌ثانیه است. تأخیر زمانی ناشی از تأخیر پردازش، انتقال و محاسبه است. ماکسیمم تأخیر قابل تحمل، حداکثر مقداری می‌تواند باشد که باعث از بین رفتن پایداری نشود. تأخیر در دو مکان و به دو صورت ممکن است اتفاق بیفتد:

-        در محل تبادل اطلاعات بین دو ریزشبکه همجوار

-        در محل بین کنترل‌کننده ثانویه و اولیه

می‌توان هر دو تأخیر را به‌صورت جداگانه بحث کرد و یا هر دو را با 
هم، یک تأخیر یکپارچه در نظر گرفت. در ریزشبکه، تأخیر یکپارچه در نظر گرفته شده و معادله تأخیر سیستم DG به‌صورت یک‌جا و ثابت با زمان در (42) آمده است

img0        (42)

که img0 تأخیر سیستم در انتقال اطلاعات از یک DG به همجوار است. شکل 8 اثر تأخیر msec 10 در ریزشبکه را نشان داده است. با توجه به نتایج شبیه‌سازی، تأخیر تأثیر زیادی در مباحث پایداری و سنکرون‌سازی ریزشبکه دارد. البته روش کنترلی توانسته حدود 5/0 ثانیه سنکرون‌سازی و پایدارسازی را با تأخیر محدود انجام دهد؛ ولی در زمان‌های اولیه، افزایش ناگهانی فرکانس و ولتاژ مطلوب نیست.

سناریوی ششم: تأخیر 30 میلی‌ثانیه

تأخیر برای درک بهتر مسأله، بیشتر در نظر گرفته می‌شود که در این حالت، 30 میلی‌ثانیه می‌باشد. نتایج شبیه‌سازی در شکل 9 آمده است.

img0 

(الف)

img0 

(ب)

شکل 9:  عمکرد سیستم با تأخیر 30 میلی‌ثانیه.

 

تأخیر با توجه به نتایج بالا بسیار در پایداری و سنکرون‌سازی سیستم ریزشبکه مؤثر است؛ به‌نحوی که اگر تأخیر افزایش یابد ممکن است که سیستم به ناپایداری برود. همچنین با افزایش تأخیر حتی اگر پایداری تضمین شود، سنکرون‌سازی در زمان بیشتری اتفاق خواهد افتاد و یا بعضاً با مشکل مواجه می‌شود. لازم به ذکر است که تأخیرهای ریزشبکه حداکثر 10 میلی‌ثانیه است و بنابراین روش ارائه‌شده توانسته که تأخیر را در ریزشبکه کنترل کند.

سناریوی هفتم: مقایسه حمله سایبری سنسوری و عملگری با خطا و نقص در سنسورها و عملگرها

حمله سنسوری و عملگری و خطا از نظر عملکرد تقریباً نتایج یکسان دارند و دو روی یک سکه هستند (همان طور که اشاره شد، حمله در لینک ارتباطی و خطا در سنسور و عملگر اتفاق می‌افتد)؛ ولی اگر مقدار نرمال حمله و خطا در نظر گرفته شود قیاس این دو امکان‌پذیر است.

مقدار نرمال خطای سنسوری ولتاژ با دامنه img0 در img0 به سیستم وارد شده و حمله سنسوری 20 درصد خروجی و در img0 و برای همه سنسورها در نظر گرفته شده است. نتیجه شبیه‌سازی در 
شکل 10 آمده است. به‌منظور مقایسه، حمله و خطا در سنسورهای ولتاژ وارد شده‌اند که با توجه به شکل، اثر خطای سنسوری کمتر است و حمله سنسوری با توجه به هوشمندبودنش تأثیر بیشتری دارد. همچنین تأثیر هر دو در تغییر فرکانس کم می‌باشد و به این معنی است که کنترل ولتاژ و فرکانس اثر کمی در همدیگر دارند.

سناریوی هشتم: مقایسه حمله سایبری ربودن اطلاعات با تزریق داده غلط به سنسورها

در حمله ربودن، اطلاعات مقادیر خروجی حذف شده و با مقدار جدید ناشی از حمله جایگزین می‌گردد. فرمول زیر اثر حمله ربودن اطلاعات را نشان می‌دهد

img0        (43)

img0 

(الف)

img0 

(ب)

شکل 10:  (الف) ولتاژ و (ب) فرکانس خروجی DGها در مقایسه اثر حمله سایبری و خطای سنسوری ولتاژ.

 

در این رابطه اگر img0 باشد، حمله اتفاق نیفتاده و اگر img0 باشد به این معنی است که حمله سایبری ربودن اطلاعات وجود دارد. img0، img0 و img0 به‌ترتیب سیگنال مختل‌شده، سیگنال بدون حمله و سیگنال حمله است [43].

به‌منظور مقایسه حمله سایبری ربودن اطلاعات و تزریق داده غلط سنسوری باید دقت شود که از نظر عملکرد این دو نوع با هم تفاوت دارند و همان طور که اشاره شد، حمله سایبری در لینک ارتباطی بین DGها اتفاق می‌افتد و تزریق داده غلط در سنسور و عملگر ایجاد می‌گردد. ولی اگر مقدار نرمال حمله و تزریق داده غلط در نظر گرفته شود، قیاس این دو و اثرشان بر سیستم امکان‌پذیر است. به‌منظور مقایسه، تزریق داده غلط سنسوری در 2DG در نظر گرفته شده تا مقدار منتقل‌شده به 3DG قابل مقایسه با حمله سایبری ربودن اطلاعات بین کانال ارتباطی 2DG و 3DG باشد.

تزریق داده غلط با (21) و (22) و حمله ربودن اطلاعات با (43) تعریف می‌گردد و برای ولتاژ، فرکانس با (44) در معادلات وارد می‌گردد

img0        (44)

در تزریق داده غلط، img0 و img0 مقادیر غلط داده سنسوری ولتاژ و فرکانس هستند که به 2DG وارد می‌گردند. داده غلط تزریق سنسوری ولتاژ با دامنه img0 و سنسوری فرکانس img0 در لحظه img0 به سیستم وارد می‌شود. حمله ربودن اطلاعات با مقدار ولتاژ img0 و فرکانس img0 در کانال ارتباطی بین 2DG و 3DG در نظر گرفته شده است.

نتیجه شبیه‌سازی در شکل 11 آمده است. حمله سایبری ربودن اطلاعات نسبت به تزریق داده غلط سنسوری در زمان بیشتری به حالت سنکرون برمی‌گردد و به عبارتی، پایدارسازی و سنکرون‌سازی حمله سایبری سخت‌تر است. دلیل اصلی آن است که حمله سایبری، هوشمند و کنترل آن نسبت به تزریق داده غلط که هوشمندی ندارد مشکل‌تر است.

8-       نتیجه‌گیری

در این مقاله با درنظرگرفتن DGها به‌صورت سیستم‌های چندعامله، اثر خطا  و حمله سایبری سنسوری و عملگری بر ریزشبکه بحث گردیده است.

img0 

(الف)

img0 

(ب)

شکل 11:  مقایسه اثر حمله سایبری ربودن اطلاعات و خطای سنسوری ولتاژ.

 

پایدارسازی و سنکرون‌سازی منابع تولید پراکنده با تعریف قضیه‌های جدید بحث گردید. از کنترل‌کننده سلسه‌مراتبی توزیع‌شده اشتراکی که شامل کنترل‌کننده اولیه و ثانویه است برای کنترل DGها استفاده شده و نتایج نشان می‌دهند که کنترل‌کننده، پایداری و سنکرون‌سازی را با وجود خطای سنسوری و عملگری تضمین می‌کند و قوانین سیستم‌های چندعامله ریموند با این کنترل‌کننده رعایت می‌گردد. به‌منظور مشخص‌کردن اثرات خطای سنسوری و عملگری بر DGها، پایداری، عملکرد مقاوم و انعطاف‌پذیری کنترل‌کننده، فرمول‌بندی مناسب در معادلات ریزشبکه انجام شده است. تابع لیاپانوف مناسب برای تحلیل پایداری سیستم با حضور خطای سنسوری و عملگری پیشنهاد گردیده و نیز سنکرون‌سازی سیستم با کنترل‌کننده سلسه‌مراتبی توزیع‌شده اثبات گردیده است. نهایتاً برای اطمینان از نتایج تئوری ارائه‌شده با استفاده از شبیه‌سازی در متلب/ سیمولینک، اثر خطا در DGهای مختلف نشان داده شده است. اثر خطای سنسوری با توجه به ماتریس مجاورت، تأثیرهای متفاوتی بر DGهای مختلف دارد و موقعیت DG در تأثیر خطا بر پایداری و سنکرون‌سازی مؤثر است. DGهای همجوار که از هم اطلاعات می‌گیرند، تأثیر بیشتری بر هم دارند و هرقدر با هم فاصله داشته باشند و مستقیم از هم اطلاعات نگیرند، تأثیرپذیری کمتر می‌شود. نکته مهم دیگر اینکه خطای سنسوری فرکانس، تأثیر زیادی در ناپایداری ریزشبکه دارد و رنج خطای سنسوری در فرکانس، محدودتر از ولتاژ است. خطای سنسوری توان و خطای عملگری، تأثیر کمی در سیستم دارند. همچنین در شبیه‌سازی، حمله سایبری سنسوری و عملگری، حمله ربودن اطلاعات و خطای سنسوری و عملگری با هم مقایسه شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهند که کنترل حمله سایبری از خطا و نقص سنسوری، مشکل‌تر و همچنین رنج تغییرات نقص سنسوری از حمله‌های سایبری بیشتر است. به‌منظور بررسی مشکلات کانال‌های ارتباطی و عملکرد کنترل‌کننده، اثر تأخیر نیز در ریزشبکه شبیه‌سازی شده است. نتایج نشان می‌دهند که تأخیر، تأثیر زیادی در بحث پایداری و سنکرون‌سازی ریزشبکه دارد.

مراجع

[1]       L. Meng, et al., "Review on control of DC microgrids and multiple microgrid clusters," IEEE J. of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 5, no. 3, pp. 928-948, Sept. 2017.

[2]       A. Bidram and A. Davoudi, "Hierarchical structure of microgrids control system," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 3, no. 4, pp. 1963-1976, Dec. 2012.

[3]       M. Chen, X. Xiao, and J. M. Guerrero, "Secondary restoration control of islanded microgrids with a decentralized event-triggered strategy," IEEE Trans. on Industrial Informatics, vol. 14, no. 9, pp. 3870-3880, Sept. 2017.

[4]       A. Mirzabeigi, A. Kazemy, M. Ramezani, and S. M. Azimi, "Distributed robust cooperative hierarchical control for island microgrids under hijacking attacks based on multi-agent systems," Hindawi International Trans. on Electrical Energy Systems, vol. 2023, Article ID 6622346, 15 pp., 2023.

[5]       ع. میرزابیگی،  ع.  کاظمی،  م. رمضانی ، و س. م. عظیمی" طراحی کنترل کننده ثانویه پایه ریزی شده بر روی کنترل اشتراکی توزیع شده منابع تولید پراکنده (DGها) با رویکرد سیستم های چندعامله با درنظرگرفتن حملات سایبری "DoS، نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال 20، شماره 4، صص. 290-282، زمستان 1401.

[6]       H. Modares, B. Kiumarsi, F. L. Lewis, F. Ferrese, and A. Davoudi, "Resilient and robust synchronization of multiagent systems under attacks on sensors and actuators," IEEE Trans. on Cybernetics, vol. 50, no. 3, pp. 1240-1250, Mar. 2019.

[7]       X. M. Zhang, Q. L. Han, X. Ge, and L. Ding, "Resilient control design based on a sampled-data model for a class of networked control systems under denial-of-service attacks," IEEE Trans. on Cybernetics, vol. 50, no. 8, pp. 3616-3626, Aug. 2019.

[8]       A. Teixeira, D. Pérez, H. Sandberg, and K. H. Johansson, "Attack models and scenarios for networked control systems," in Proc. of the 1st Int. Conf. on High Confidence Networked Systems, HiCoNS'12, pp. 55-64, Beijing, China, 17-18 Apr. 2012.

[9]       E. Mousavinejad, F. Yang, Q. L. Han, and L. Vlacic, "A novel cyber attack detection method in networked control systems," IEEE Trans. on Cybernetics, vol. 48, no. 11, pp. 3254-3264, Nov. 2018.

[10]       S. Tan, P. Xie, J. M. Guerrero, and J. C. Vasquez, "False data injection cyber-attacks detection for multiple DC microgrid clusters," Applied Energy, vol. 310, Article ID: 118425, 15 Mar. 2022.

[11]       B. Wang, Q. Sun, R. Han, and D. Ma, "Consensus-based secondary frequency control under denial-of-service attacks of distributed generations for microgrids," J. of the Franklin Institute, vol. 358, no. 1, pp. 114-130, Jan. 2019.

[12]       M. Xie, Y. Song, and S. Shen, "Event-based consensus control for multi-agent systems against joint sensor and actuator attacks," ISA Trans., vol. 127, pp. 156-167, Aug. 2022.

[13]       H. Yan, J. Han, H. Zhang, X. Zhan, and Y. Wang, "Adaptive event-triggered predictive control for finite time microgrid," IEEE Trans. on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 67, no. 3, pp. 1035-1044, Mar. 2020.

[14]       M. Shi, X. Chen, M. Shahidehpour, Q. Zhou, and J. Wen, "Observer-based resilient integrated distributed control against cyberattacks on sensors and actuators in islanded AC microgrids," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 12, no. 3, pp. 1953-1963, May 2021.

[15]       X. Lu, X. Yu, J. Lai, J. M. Guerrero, and H. Zhou, "Distributed secondary voltage and frequency control for islanded microgrids with uncertain communication links," IEEE Trans. on Industrial Informatics, vol. 13, no. 2, pp. 448-460, Apr. 2016.

[16]       J. Lai, H. Zhou, X. Lu, X. Yu, and W. Hu, "Droop-based distributed cooperative control for microgrids with time-varying delays," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 7, no. 4, pp. 1775-1789, Jul. 2016.

[17]       H. Xin, Z. Qu, J. Seuss, and A. Maknouninejad, "A self-organizing strategy for power flow control of photovoltaic generators in a distribution network," IEEE Trans. on Power Systems, vol. 26, no. 3, pp. 1462-1473, Aug. 2010.

[18]       S. Abhinav, I. D. Schizas, F. L. Lewis, and A. Davoudi, "Distributed noise-resilient networked synchrony of active distribution systems," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 9, no. 2, pp. 836-846, Mar. 2016.

[19]       D. Ye, X. Zhao, and B. Cao, "Distributed adaptive fault‐tolerant consensus tracking of multi‐agent systems against time‐varying actuator faults," IET Control Theory & Applications, vol. 10, no. 5, pp. 554-563, Mar. 2016.

[20]       Y. Wang, Y. Song, and F. L. Lewis, "Robust adaptive fault-tolerant control of multiagent systems with uncertain nonidentical dynamics and undetectable actuation failures," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 62, no. 6, pp. 3978-3988, Jun. 2015.

[21]       S. Zuo, T. Altun, F. L. Lewis, and A. Davoudi, "Distributed resilient secondary control of DC microgrids against unbounded attacks," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 11, no. 5, pp. 3850-3859, Sept. 2020.

[22]       B. Wang, Q. Sun, and D. Ma, "A periodic event-triggering reactive power sharing control in an islanded microgrid considering DoS attacks," in Proc. 15th IEEE Conf. on Industrial Electronics and Applications, ICIEA'20, pp. 170-175, Kristiansand, Norway, 9-13 Nov. 2020.

[23]       R. Lu and J. Wang, "Distributed control for AC microgrids with false data injection attacks and time delays," in Proc. E3S Web of Conf., vol. 194, Article ID: 03023, 2020.

[24]       N. M. Dehkordi and S. Z. Moussavi, "Distributed resilient adaptive control of islanded microgrids under sensor/actuator faults," IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 11, no. 3, pp. 2699-2708, May 2019.

[25]       Z. Xie and Z. Wu, "Distributed fault-tolerant secondary control for DC microgrids against false data injection attacks," International J. of Electrical Power & Energy Systems, vol. 144, Article ID: 108599, Jan. 2023.

[26]       A. Karimi, A. Ahmadi, Z. Shahbazi, H. Bevrani, and Q. Shafiee, "On the impact of cyber-attacks on distributed secondary control of DC microgrids," in Proc. 10th Smart Grid Conf., SGC'2020, 6 pp., Kashan, Iran, 16-17 Dec. 2020.

[27]       X. Chen, J. Zhou, M. Shi, Y. Chen, and J. Wen, "Distributed resilient control against denial of service attacks in DC microgrids with constant power load," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 153, Article ID: 111792, Jan. 2022.

[28]       N. Pogaku, M. Prodanovic, and T. C. Green, "Modeling, analysis and testing of autonomous operation of an inverter-based microgrid," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 22, no. 2, pp. 613-625, Mar. 2007.

[29]       Q. Shafiee, J. M. Guerrero, and J. C. Vasquez, "Distributed secondary control for islanded microgrids-a novel approach," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 29, no. 2, pp. 1018-1031, Feb. 2013.

[30]       A. Bidram, A. Davoudi, F. L. Lewis, and Z. Qu, "Secondary control of microgrids based on distributed cooperative control of multi-agent systems," IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 7, no. 8, pp. 822-831, Aug. 2013.

[31]       A. Bidram, A. Davoudi, F. L. Lewis, and J. M. Guerrero, "Distributed cooperative secondary control of microgrids using feedback linearization," IEEE Trans. on Power Systems, vol. 28,
no. 3, pp. 3462-3470, Aug. 2013.

[32]       J. W. Simpson-Porco, et al., "Secondary frequency and voltage control of islanded microgrids via distributed averaging," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 62, no. 11, pp. 7025-7038, Nov. 2015.

[33]       F. Guo, C. Wen, J. Mao, J. Chen, and Y. D. Song, "Distributed cooperative secondary control for voltage unbalance compensation in an islanded microgrid," IEEE Trans. on Industrial Informatics, vol. 11, no. 5, pp. 1078-1088, Oct. 2015.

[34]       H. Cai, F. L. Lewis, G. Hu, and J. Huang, "The adaptive distributed observer approach to the cooperative output regulation of linear multi-agent systems," Automatica, vol. 75, pp. 299-305, Jan. 2017.

[35]       F. L. Lewis, H. Zhang, K. Hengster-Movric, and A. Das, Cooperative Control of Multi-Agent Systems Optimal and Adaptive Design Approaches, SpringerLink, 2014.

[36]       A. Mustafa, H. Modares, and R. Moghadam, "Resilient synchronization of distributed multi-agent systems under attacks," Automatica, vol. 115, Article ID: 108869, May 2020.

[37]       A. Bidram, F. L. Lewis, and A. Davoudi, "Distributed control systems for small-scale power networks: using multiagent cooperative control theory," IEEE Control Systems Magazine, vol. 34, no. 6, pp. 56-77, Dec. 2014.

[38]       F. D. Mohammadi, H. K. Vanashi, and A. Feliachi, "State-space modeling, analysis, and distributed secondary frequency control of isolated microgrids," IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 33, no. 1, pp. 155-165, Mar. 2017.

[39]       D. Ding, Q. L. Han, Y. Xiang, X. Ge, and X. M. Zhang, "A survey on security control and attack detection for industrial cyber-physical systems," Neurocomputing, vol. 275, pp. 1674-1683, 31 Jan. 2018.

[40]       A. Kazemy, J. Lam, and Z. Chang, "Adaptive event-triggered mechanism for networked control systems under deception attacks with uncertain occurring probability," International J. of Systems Science, vol. 2020, pp. 1426-1439, 2020.

[41]       C. Chen, et al., "Resilient adaptive and H∞ controls of multi-agent systems under sensor and actuator faults," Automatica, vol. 102, pp. 19-26, Apr. 2019.

[42]       H. Zhang, F. L. Lewis, and A. Das, "Optimal design for synchronization of cooperative systems: state feedback, observer and output feedback," IEEE Trans. on Automatic Control, vol. 56, no. 8, pp. 1948-1952, Aug. 2011.

[43]       S. Sahoo, J. C. H. Peng, S. Mishra, and T. Dragičević, "Distributed screening of hijacking attacks in DC microgrids," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 35, no. 7, pp. 7574-7582, Jul. 2019.

 

عبدالله میرزابیگی تحصيلات خود را در مقاطع كارشناسي مهندسی برق الکترونیک در سال 1382 از دانشگاه تبریز، کارشناسی ارشد مهندسی برق کنترل در سال 1385 از دانشگاه علم و صنعت ایران و دکتری مهندسی برق کنترل از دانشگاه تفرش را در سال 1402 به پايان رسانده است. از سال 1387 به عنوان عضو هیأت علمی در موسسه آموزش عالی جهاد دانشگاهی همدان مشغول به فعالیت می­باشد. زمينه‎هاي تحقيقاتي مورد علاقه ايشان عبارتند از: ریزشبکه، آنالیز و کنترل سیستم­های با تاخیر زمانی، سیستم­های چندعامله و حملات سایبری.

 

علی کاظمی تحصيلات خود را در مقاطع كارشناسي ارشد و دکتری مهندسی برق کنترل به­ترتيب در سال­هاي 1386 و 1392 از دانشگاه علم و صنعت ایران به پايان رسانده است و هم­اكنون دانشیار دانشكده مهندسي برق دانشگاه تفرش مي‎باشد. زمينه‎هاي تحقيقاتي مورد علاقه ايشان عبارتند از: آنالیز و کنترل سیستم­های با تاخیر زمانی، سیستم­های چندعامله، سیستم­های پیچیده و حملات سایبری.

 مهدی رمضانی در سال 1372 مدرك كارشناسي ریاضی کامپیوتر خود را از دانشگاه صنعتی امیرکبیر و در سال 1375 مدرك كارشناسي ارشد ریاضی کاربردی آنالیز عددی خود را از دانشگاه علم و صنعت ایران دريافت نمود. در سال 1385 مدرک دکتری ریاضی کاربردی کنترل بهینه خود را از دانشگاه امیرکبیر دریافت نمود و هم­اكنون استادیار ریاضی دانشگاه تفرش مي‎باشد. زمينه‎هاي تحقيقاتي مورد علاقه ايشان عبارتند از: کنترل بهینه، کنترل تصادفی، شناسایی سیستم و آنالیز عددی.

 

  سیدمحمد عظیمی تحصيلات خود را در مقاطع كارشناسي ارشد و دکتری برق قدرت به­ترتيب در سال­هاي 1385 و 1395 از دانشگاه تهران به پايان رسانده است و 
هم­اكنون دانشیار دانشكده مهندسي برق دانشگاه صنعتي همدان مي‎باشد. زمينه‎هاي تحقيقاتي مورد علاقه ايشان عبارتند از: ریزشبکه، کنترل و پایداری در ریزشبکه­ها و  سیستم­های قدرت.

 

 

 


Related articles

The rights to this website are owned by the Raimag Press Management System.
Copyright © 2017-2024

Home| Login| About Rimag| Contact Us|
[فارسی] [العربية] [fa] [ar]