一种面向双通道虚假数据注入攻击的多区域电力系统负荷频率弹性控制方法及系统

本发明涉及电力系统安全控制与智能电网网络安全，特别是涉及一种面向双通道虚假数据注入攻击的多区域电力系统负荷频率弹性控制方法及系统。

背景技术：

1、随着新能源渗透率持续提高，现代电力系统逐步呈现低惯量、强耦合和高度信息化的运行特征，多区域互联系统需要通过负荷频率控制（load frequency control，lfc）实时调节区域频率偏差和联络线功率偏差，以维持功率平衡和频率稳定，与此同时，广域测量系统、通信网络和分布式控制器被广泛用于多区域协调控制，使物理电网与信息网络之间的耦合显著增强。

2、传统负荷频率控制主要依赖同步发电机调节机械功率来稳定频率，对于高比例可再生能源系统而言，风电和光伏输出具有随机性和波动性，构网型虚拟同步发电机虽然能够提供虚拟惯量和一次调频能力，但仍需要与同步机、储能或其他可控资源配合完成二次频率恢复；因此，建立能够同时考虑同步发电机、虚拟同步发电机和可再生能源扰动的多区域lfc模型，是实现安全频率控制的基础。

3、在信息物理融合条件下，负荷频率控制系统容易遭受拒绝服务攻击、重放攻击和虚假数据注入攻击等网络安全威胁；其中，虚假数据注入攻击具有隐蔽性强、注入方式灵活和难以及时识别等特点，攻击者可以篡改传感器测量量，使控制器获得错误频率或功率信息，也可以篡改控制指令，使执行机构接收错误的调节命令，前者可称为测量通道攻击，后者可称为控制通道攻击。

4、现有技术中，一类方法主要侧重于攻击检测，即判断系统是否受到异常数据影响，但缺乏对攻击信号的实时重构和补偿能力；另一类方法通过未知输入观测器、自适应观测器或滑模观测器估计攻击并进行补偿，但多聚焦于单一通道攻击，难以处理测量通道和控制通道同时被篡改的场景，即使少数方法考虑双通道攻击，也常存在依赖本地量测、抗噪声能力不足或未充分考虑可再生能源低惯量波动等问题。

5、因此，亟需一种能够面向多区域、高比例可再生能源和双通道虚假数据注入攻击的负荷频率弹性控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于面向双通道虚假数据注入攻击的多区域电力系统负荷频率弹性控制方法及系统，包括模型构建、攻击建模、状态变换、中间观测器设计、稳定性增益配置以及弹性控制补偿六个部分，通过在攻击发生时实时估计传感器侧和执行器侧攻击信号，并利用估计结果对控制器进行在线补偿，从而在网络攻击、负荷扰动和新能源波动共同存在时保持频率稳定与联络线功率协调。

2、本发明提供了一种面向双通道虚假数据注入攻击的多区域电力系统负荷频率弹性控制方法及系统，包括以下步骤：

3、s1，根据各控制区域之间的联络线功率交换关系和协调信号传输关系，建立多区域电力系统物理拓扑和通信拓扑，获取各控制区域的频率偏差、区域控制误差、联络线功率偏差、机组有功输出以及邻域协调信号，并得到联络线功率交换关系及通信邻接关系；

4、s2，根据所述物理拓扑中的联络线功率交换关系，以及同步发电机、构网型虚拟同步发电机和可再生能源单元的动态方程，构建含低惯量、可再生能源随机波动和非线性环节的不含攻击的多区域负荷频率控制模型；

5、s3，在所述多区域负荷频率控制模型中引入控制通道虚假数据注入攻击和测量通道虚假数据注入攻击；

6、s4，通过构造扩展状态向量、非奇异变换矩阵及广义逆矩阵，将控制通道攻击信号并入待估计扩展状态，并将双通道攻击模型转化为适合中间观测器估计的等价模型；

7、s5，利用本地测量量及邻域输出测量估计信息构造中间观测器，实时估计系统状态、测量通道攻击信号和控制通道攻击信号；

8、s6，根据预设h∞性能指标与线性矩阵不等式求解观测器增益和分布式控制器增益，并将求得的增益代入中间观测器和分布式弹性控制器；

9、s7，将攻击估计值反馈至分布式弹性控制器，对控制信号和测量信号进行在线补偿；

10、s8，在负荷扰动、新能源波动和虚假数据注入攻击同时存在时，恢复系统频率、抑制联络线功率偏差并维持各区域有功功率协调分配。

11、进一步的，所述多区域负荷频率控制模型为步骤s2得到的不含攻击模型，由第i个控制区域的频率动态、同步发电机支路动态、构网型虚拟同步发电机支路动态、可再生能源随机功率扰动和联络线功率偏差动态共同构成，所述第i个控制区域的频率动态满足：

12、

13、其中，为等效惯量，为等效阻尼，为同步发电机有功调节量，为虚拟同步发电机有功调节量，为负荷扰动，为联络线功率偏差，为可再生能源功率波动，为区域频率偏差，为区域频率偏差的导数。

14、进一步的，所述多区域负荷频率控制模型中引入控制通道虚假数据注入攻击和测量通道虚假数据注入攻击的步骤中，将含攻击的第i个控制区域模型表示为：

15、

16、其中，为控制通道虚假数据注入攻击信号，为测量通道虚假数据注入攻击信号，xi(t)为区域状态向量，ui(t)为lfc控制输入，yi(t)为输出向量，di(t)为负荷扰动和新能源扰动，fif(x,t)为非线性动态项。

17、进一步的，所述构造扩展状态向量，将控制通道攻击信号视为待估计扩展状态的一部分，使单个观测器能够同时处理控制通道与测量通道攻击；所述扩展状态满足：

18、

19、用于将含攻击模型转化为便于观测器设计的等价模型。

20、进一步的，所述中间观测器用于生成中间变量、扩展状态估计值、控制通道攻击估计值和分布式输出估计值；所述中间变量为：

21、

22、所述扩展状态估计值为：

23、

24、所述控制通道攻击估计值为：

25、

26、所述分布式输出估计值为：

27、

28、其中，为通信拓扑邻接权重，为第i个区域的输出估计值，为第i个区域的输出实际值，为第j个区域的输出估计值，为第j个区域的输出实际值，ζ为可调设计参数，为辅助动态变量；为控制通道攻击估计值；为扩展状态估计值；构造的中间变量无实际物理意义，仅为简化观测器设计条件；为单位矩阵。

29、进一步的，所述中间观测器输出控制通道攻击估计值和测量通道攻击估计值，并使估计误差在满足通信图连通条件时渐近收敛；其中，μ为设计的正常数，μ用于调节估计误差系统的收敛速度，b1为控制矩阵。

30、进一步的，所述观测器增益基于lyapunov函数、lipschitz非线性约束和schur补条件建立线性矩阵不等式，求取满足预设圆域和h∞扰动抑制水平γ的观测器增益矩阵；

31、所述线性矩阵不等式具体包括：对每一控制区域i，存在pi=pit>0、增益变量qi、正标量ε1、ε2，使矩阵[θi, pibω, pifs; *, -γ2i, 0; *, 0, -ε1i]<0，其中θi=aetpi+piae+qitbρt+bρqi+(1/ε1)pifsfstpi+ε2h2i。

32、其中，ae为估计误差系统矩阵，bω为外部扰动输入矩阵，fs为非线性项输入矩阵，bρ为分布式输出估计项ρi对应的输入矩阵，h为lipschitz常数，qi为增益变量；观测器输出误差注入增益按li=pi−1qi求得，且li=[l1it，l2it]t，l2i即为作用于分布式输出估计项ρi的增益矩阵，l1和l2为输出误差注入增益矩阵，ρi为分布式输出估计项；

33、在满足上述矩阵不等式后，误差动态满足：

34、

35、其中，e(t)为观测误差向量，ω(t)为外部扰动向量，γ为扰动衰减指标。

36、进一步的，所述将攻击估计值反馈至分布式弹性控制器的步骤中，在无攻击分布式协调控制律基础上引入攻击补偿项，所述第i个控制区域的控制输入为：

37、

38、其中，ki和kij分别为本地控制增益和邻域协调控制增益，âci(t)和âmi(t)分别为控制通道和测量通道攻击估计值，其中âmi(t)为的一部分，通过状态估计单元的公式得到。

39、一种面向双通道虚假数据注入攻击的多区域电力系统负荷频率弹性控制系统，包括多区域电力系统对象、数据采集与通信模块、双通道虚假数据注入攻击建模模块、状态变换模块、中间观测器模块、稳定性增益配置模块以及分布式弹性控制模块；

40、所述多区域电力系统对象包括至少两个互联控制区域，每一控制区域包括同步发电机、构网型虚拟同步发电机、并网可再生能源单元以及联络线功率交换环节；

41、所述数据采集与通信模块用于获取各控制区域的频率偏差、区域控制误差、联络线功率偏差、机组有功输出以及邻域协调信号；

42、所述双通道虚假数据注入攻击建模模块用于同时表征作用于控制输入通道的执行器侧攻击和作用于测量输出通道的传感器侧攻击；

43、所述状态变换模块用于将执行器侧攻击信号并入扩展状态，并对含攻击的负荷频率控制模型进行等价变换；

44、所述中间观测器模块用于实时估计系统状态、测量通道攻击信号以及控制通道攻击信号；

45、所述稳定性增益配置模块用于根据误差动态和h∞性能指标求取观测器增益与控制器增益；

46、所述分布式弹性控制模块用于根据所述攻击估计值对测量量和控制量进行在线补偿，使系统在攻击与扰动下恢复频率稳定并维持联络线功率交换。

47、本发明公开了以下技术效果：本发明利用中间观测器得到的âci(t)和âmi(t)构造弹性控制律，该控制律一方面在输入通道抵消执行器侧攻击，另一方面在输出通道校正传感器侧攻击，使闭环系统趋近于无攻击情形下的理想闭环系统，由于观测误差动态具有渐近稳定性和h∞性能，补偿后的物理状态能够恢复到正常调频轨迹，从而保障频率恢复和联络线功率平衡。