基于Typhoon HIL仿真器实现多节点直流微电网（环网）信息物理安全半实物测试平台

案例来源：浙江大学控制科学与工程学院NESC课题组

• 案例说明：本案例主要由浙江大学控制科学与工程学院邓瑞龙老师NESC课题组（Group of Networked Sensing and Control）完成，汉象公司提供有关Typhoon HIL平台软、硬件的技术支持。

• 研究方向：智能电网信息物理安全

应用场景及研究问题

随着光伏发电和风能发电等新能源发电单元在配电侧的广泛使用，电网的正常运行对环境的依赖日益增强，微弱的环境变化会对电网造成巨大的影响。为保证电网的正常运行，微电网将配电网侧的新能源发电设备集中在一个区域，能够较好处理新能源设备带来的环境干扰，并能够支持并网运行与离线运行。特别地，随着笔记本、手机等直流型负载的日益增多，直流型微电网受到了广泛的关注。为解决分布式能源之间的负载分配和运行点调节等关键问题，直流微电网中引入了大量先进信息通信技术，但与此同时，也将直流微电网暴露在了众多网络威胁中。因此，本研究旨在搭建一个直流微电网信息物理安全测试平台，系统化地研究并阐述信息攻击下直流微电网的安全态势问题。具体地，我们基于Typhoon HIL 602+硬件在环模拟器搭建了一个4节点直流微电网（最多可以拓展至包含12个节点），并利用树莓派实现了两种典型的信息攻击，包括数据注入攻击和重放攻击，形象化地展示了信息攻击对微电网中电流以及耦合点电压的影响。

研究对象及内容

本案例研究的系统拓扑如下图所示，在该直流电网模型中，共有四个分布式电源节点，每个节点都是一个boost converter，他们将采集到的电压、电流数据通过RS-232数据线发送给树莓派，树莓派再将数据分别发送给每个节点，通过这种方式模拟了真实的网络环境。通过这种方式，也可以对树莓派接收到的数据直接进行篡改，以模仿网络攻击。

实现方式及成果展示

1.案例的实现方式。实际的仿真环境拓扑如下，电脑上运行图形化监控界面SCADA，并通过USB数据线与Typhoon HIL连接；树莓派和Typhoon HIL通过串口数据线连接，用来模拟真实的网络环境。

2.基于Typhoon HIL实时仿真软件，可以方便地建立直流微电网高精度仿真模型，仿真步长低至1us。同时，其简单直观的图形化控件式监控界面，可以方便的建立友好的可视化模型运行监控界面。分别如下图所示：

3.基于Typhoon HIL仿真平台得到的数据注入攻击和重放攻击下的实验数据如图所示。

案例小结

通过实验团队发现，攻击者可以通过数据注入攻击和重放攻击对节点的输出电压和电流造成偏移。相较于数据注入攻击，重放攻击具有更好的隐蔽性，比起数据注入攻击更不容易被发现，从而造成电网的不稳定以及经济损失。

未来，团队会在该仿真平台上继续实验，探究网络攻击对电网的影响及其防御手段。