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Cascaded Optimized Fractional Controller for Green Hydrogen-Based Microgrids with Mitigating False Data Injection Attacks

グリーン水素ベースのマイクログリッドにおける誤データ注入攻撃を抑制するカスケード最適化分数階コントローラ (AI 翻訳)

Nadia A. Nagem, M. Aly, Emad A. Mohamed, Aisha F. Fareed, Dokhyl Alqahtani, Wessam A. Hafez

Fractal and Fractional📚 査読済 / ジャーナル2026-01-13#水素
DOI: 10.3390/fractalfract10010055
原典: https://doi.org/10.3390/fractalfract10010055

🤖 gxceed AI 要約

日本語

本論文は、グリーン水素ベースのマイクログリッドシステムにおいて、誤データ注入攻撃（FDIA）を抑制する新しいカスケード型分数階制御器（1+TID/FOPIDF）を提案する。指数分布最適化（EDO）によりパラメータを最適化し、従来法と比較して周波数変動抑制性能が大幅に向上することを示した。

English

This paper proposes a novel cascaded fractional-order controller (1+TID/FOPIDF) for load frequency control in green hydrogen-based microgrids, designed to mitigate false data injection attacks. The controller parameters are optimized using the exponential distribution optimizer, showing superior performance in frequency deviation mitigation compared to existing methods.

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

📝 gxceed 編集解説 — Why this matters

日本のGX文脈において

日本政府はグリーン水素の普及を推進しており、水素マイクログリッドの安定運用は重要課題。本論文のFDIA対策技術は、水素インフラのセキュリティ強化に貢献する可能性がある。

In the global GX context

Green hydrogen is a key element of global energy transition, and securing microgrids against cyber threats like FDIA is crucial for reliable operation. This control approach offers a robust solution for frequency regulation in hydrogen-based systems, which is relevant for countries investing in hydrogen infrastructure.

👥 読者別の含意

🔬研究者:Provides a new optimization-based control design for hydrogen microgrids with FDIA resilience, suitable for control systems and energy researchers.

🏢実務担当者:Offers a practical controller structure that can be implemented in microgrid management systems to enhance stability under cyberattacks.

🏛政策担当者:Highlights the importance of cybersecurity in hydrogen energy systems, informing policy on grid resilience standards.

📄 抄録（日本語訳）

グリーン水素製造とマイクログリッド（MG）システムにおける燃料電池（FC）の利用は、継続的なコスト削減と技術進歩により、実行可能かつ実現可能な解決策となっている。さらに、グリーン水素電解槽とFCは、再生可能エネルギー発電の変動や様々な需要関連の外乱を緩和することができる。電解槽とFCを適切に組み込むことで、MGシステムにおける負荷周波数制御（LFC）を強化できる。しかし、これらは複数の偽データ注入攻撃（FDIA）にさらされており、MGの安定性と可用性を悪化させる可能性がある。さらに、既存のほとんどのLFC制御方式（従来のPIDベースの手法、1自由度分数次コントローラ、様々な最適化ベースの構造など）は、協調的かつ多点でのFDIAに対する堅牢性に欠けており、周波数調整性能の大幅な低下を招いている。本論文は、変動の大きい再生可能エネルギー源と需要源を有するグリーン水素ベースのMGシステム向けに、新規の改良型多自由度カスケード分数次コントローラを提案する。提案するLFCは、1+TIDコントローラとフィルタ付き分数次PIDコントローラ（FOPIDF）を組み合わせたカスケード制御構造であり、すなわちカスケード1+TID/FOPIDF LFC制御である。さらに、MGシステムに設置された電気自動車（EV）を活用するため、別のチルト・積分・微分型EVバッテリ周波数調整コントローラも提案する。提案するカスケード1+TID/FOPIDF LFC制御とEV TID LFC方式は、指数分布オプティマイザ（EDO）の強力な能力を用いて設計され、最適な設計パラメータのセットを決定し、保証された最適性能を実現する。新たに提案されたカスケード1+TID/FOPIDF LFC制御と、多発電エリアベースの2エリアMGシステムを採用した設計手法の有効性は、様々な想定シナリオのFDIAおよび再生可能エネルギー/負荷変動シナリオを考慮して検証される。さらに、本論文では、いくつかの代表的コントローラとの性能比較も提供される。例えば、再生可能エネルギー源（RES）の変動の場合、測定された指標は以下の通りである：TID、FOPID、FOTID、提案手法について、それぞれISE（1.079、0.5306、0.3515、0.0104）；IAE（15.011、10.691、9.527、1.363）；ITSE（100.613、64.412、53.649、1.323）；ITAE（2120、1765、1683、241.32）であり、提案する最適化されたカスケード1+TID/FOPIDFおよびEV TID LFC制御方式を用いることで、優れた周波数偏差抑制が確認される。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

📄 Abstract（原文）

Green hydrogen production and the use of fuel cells (FCs) in microgrid (MG) systems have become viable and feasible solutions due to their continuous cost reduction and advancements in technology. Furthermore, green hydrogen electrolyzers and FC can mitigate fluctuations in renewable energy generation and various demand-related disturbances. Proper incorporation of electrolyzers and FCs can enhance load frequency control (LFC) in MG systems. However, they are subjected to multiple false data injection attacks (FDIAs), which can deteriorate MG stability and availability. Moreover, most existing LFC control schemes—such as conventional PID-based methods, single-degree-of-freedom fractional-order controllers, and various optimization-based structures—lack robustness against coordinated and multi-point FDIAs, leading to significant degradation in frequency regulation performance. This paper presents a new, modified, multi-degree-of-freedom, cascaded fractional-order controller for green hydrogen-based MG systems with high fluctuating renewable and demand sources. The proposed LFC is a cascaded control structure that combines a 1+TID controller with a filtered fractional-order PID controller (FOPIDF), namely the cascaded 1+TID/FOPIDF LFC control. Furthermore, another tilt-integrator derivative electric vehicle (EV) battery frequency regulation controller is proposed to benefit from EVs installed in MG systems. The proposed cascaded 1+TID/FOPIDF LFC control and EV TID LFC methods are designed using the powerful capability of the exponential distribution optimizer (EDO), which determines the optimal set of design parameters, leading to guaranteed optimal performance. The effectiveness of the newly proposed cascaded 1+TID/FOPIDF LFC control and design approach employing multi-generational-based two-area MG systems is studied by taking into account a variety of projected scenarios of FDIAs and renewable/load fluctuation scenarios. In addition, performance comparisons with some featured controllers are provided in the paper. For example, in the case of fluctuation in RESs, the measured indices are as follows: ISE (1.079, 0.5306, 0.3515, 0.0104); IAE (15.011, 10.691, 9.527, 1.363); ITSE (100.613, 64.412, 53.649, 1.323); and ITAE (2120, 1765, 1683, 241.32) for TID, FOPID, FOTID, and proposed, respectively, which confirm superior frequency deviation mitigation using the proposed optimized cascaded 1+TID/FOPIDF and EV TID LFC control method.

🔗 Provenance — このレコードを発見したソース

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gxceed は公開メタデータに基づく研究支援データセットです。要約・翻訳・解説は AI 支援で生成されています。 最終的な解釈・検証は利用者が原典資料に基づいて行うことを前提とします。