一种网络攻击的分布式电源弹性控制方法

1.本发明属于微电网运行控制技术领域，具体涉及一种对网络攻击具有鲁棒性的分布式电源弹性控制策略与方法。
技术背景
2.随着地球上石油、煤炭等不可再生资源的日益衰竭，以及环境污染的加剧，综合能源系统的研究与应用受到了世界各国学者和政府的广泛关注，越来越多的分布式电源接入电网。而微电网是一种可控制的电力系统，能够通过可用的分布式电源供应其本地负载。其中分布式电源可以是电机类型，如同步发电机，也可以是逆变器的类型，以方便集成新兴资源，如燃料电池、电池储能系统和太阳能。
3.微电网极大地利用了信息和通信技术，但是这反过来又使它们暴露在网络威胁之下。微电网网络安全是至关重要的。在微电网控制系统中，控制实体和通信实体都可能成为网络威胁的潜在目标。虚假数据注入(fdi)攻击的目标是传感器和控制决策单元，进而破坏通过通信链路传输的数据，影响微电网数据完整性。拒绝服务(dos)攻击威胁通信系统服务的可用性。fdi攻击会危害微电网电压和频率的稳定性，进而导致微电网用户级联故障和停电，分布式电源的控制系统响应速度变慢，使分布式电源与实际电压和频率参考值以外的值同步，过载或违反微电网设备热限值等问题。因此使用对网络攻击具有鲁棒性的分布式电源弹性控制策略与方法十分重要，对保证微电网的稳定与经济运行有着至关重要的作用。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的不足，提出了一种对网络攻击具有鲁棒性的分布式电源弹性控制策略与方法，从而提高电力系统的安全性，保证电网的稳定运行。
5.本发明可以通过如下的技术方案实现：
6.一种对网络攻击具有鲁棒性的分布式电源弹性控制策略与方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
7.步骤1:获取微电网系统模型与参数,包括获取微电网系统的通信拓扑结构图g及其对应的拉普拉斯矩阵l，分布式电源个数n，遭受攻击的分布式电源个数n
nc
等。
8.步骤2:对微电网进行一次下垂控制，通过如下公式实现：
[0009][0010]
式中，pi和qi分别表示第i个分布式电源的输出有功功率和无功功率，ω
ni
和v
ni
分别表示输出交流电压的频率和幅值的额定值，m
pi
和n
qi
分别表示pi和qi下垂系数，ωi和v
o,magi
为分布式电源的输出电压的角频率和幅值。
[0011]
其中下垂系数是根据分布式电源的有功和无功额定值按比例计算的，按照下式确定：
[0012][0013]
式中，p
maxi
，q
maxi
和p
maxj
，q
maxj
分别表示第i和第j个分布式电源的有功功率和无功功率额定值。
[0014]
步骤3：对微电网进行分布式二次控制。
[0015]
进一步的，所述微电网的分布式二次控制，包括以下过程：
[0016]
s1：每个分布式电源与邻居节点交换信息；
[0017]
s2：根据分布式控制协议更新分布式电源的辅助角频率和电压幅值控制变量；
[0018]
s3：进行分布式电源的频率和电压幅值二次控制，实现正常情况和网络攻击下分布式电源的频率和电压恢复。
[0019]
进一步的，所述s1中每个分布式电源与邻居节点交换信息，指的是每个分布式电源i将自己的角频率ωi和电压幅值v
o,magi
发送给邻居节点的分布式电源j，同时从各个邻居节点获取一系列角频率ωj和电压幅值v
o,magj
，并根据大小进行排序。
[0020]
进一步的，所述s2中根据分布式控制协议更新分布式电源的辅助角频率和电压幅值控制变量包括以下过程：
[0021]
设置分布式电源之间的通信链路质量权重，即权重a
ij
，如下所示：
[0022][0023]
式中，δi和δj分别为分布式电源i和j的功率角。r1和r2描述了相对功率角阈值，作为反映微电网控制系统健康状况的指标。当分布式电源的功率角相对接近时，微电网在频率稳定性方面处于健康运行状态。因此，这个阈值设置为一个相对较小的值。随着功率角差值的增大，以指数形式降低通信链路质量，直到功率角差值大于r2，通信链路质量变为零，两个分布式电源之间的信息流动被中断。γ是一个设计参数，调整该指数函数的平滑和形状，a
max
表示参数通信链路质量权重的最大值；
[0024]
比较λ2和η
×
4n
nc
的大小，其中λ2为微电网通信拓扑结构图的第二大特征值，η是一个小于1的参数因子，可以为代数连通性提供足够的余量，使其保持在网络安全阈值以上。
[0025]
如果λ2＜η
×
4n
nc
，根据如下分布式控制协议更新分布式电源的辅助角频率v
ωi
和辅助电压幅值v
vi
控制变量：
[0026][0027]vvi
＝0
[0028]
式中，是一个控制参数，δi是分布式电源i的功率角，v2是对应于特征值λ2的特征
向量。
[0029]
如果λ2≥η
×
4n
nc
，根据如下分布式控制协议更新分布式电源的辅助角频率v
ωi
和辅助电压幅值v
vi
控制变量：
[0030][0031][0032]
式中，c
ω
和cv分别为频率控制增益和电压控制增益,并且其中只有一个分布式电源的固定增益是不为零的，且gi≥0。r
ωi
描述了第i个分布式电源的分布式频率控制协议中更新的邻集。该邻集的产生方式为：将相邻分布式电源的ωj和v
o,magj
与自己的ωi和v
o,magi
进行比较，如果有n
nc
个或以上大于ωj的值,则n
nc
个大于ωj的值被丢弃。如果有少于n
nc
个大于ωj的值,则这些值都被丢弃。对于小于ωj的值,应用同样的过程来丢弃ωj邻近值。r
vi
描述了第i个分布式电源的分布式电压控制协议中更新的邻集，产生方式和类似r
ωi
类似。
[0033]
进一步的，所述s3中进行分布式电源的频率和电压幅值二次控制，通过下式实现：
[0034]
ω
ni
＝∫(v
wi
)dt
[0035]vni
＝∫(v
vi
)dt
[0036]
通过以上过程，该分布式二次控制可以将分布式电源的工作频率ωi和端子电压幅值v
o,magi
恢复为参考频率ω
ref
和参考电压v
ref
。
[0037]
该发明是一种基于隐层的抗攻击分布式协同控制算法，可以解决微电网在网络攻击下的二次控制问题。与现有的抗攻击分布式控制方法相比，所提出的控制器具有更强的鲁棒性，可以减轻时间相关的fdi攻击对控制系统的执行器、传感器和通信链路的不利影响，并且对状态相关的fdi攻击具有鲁棒性。此外，即使所有分布式电源和通信都受到破坏，该算法也适用。
附图说明
[0038]
图1是本发明的流程图；
[0039]
图2是ieee 34总线模型的孤岛微电网结构图；
[0040]
图3是分布式电源规格参数；
[0041]
图4是负载规格参数；
[0042]
图5是分布式电源通信网络图；
[0043]
图6是本发明控制下的分布式电源频率和有功功率比的时刻图；
[0044]
图7是本发明控制下的分布式电源电压幅值和无功功率比的时刻图；
[0045]
图8是本发明控制下的分布式电源功率角的时刻图。
具体实施方式
[0046]
下面根据附图详细说明本发明，使本发明的目的和效果变得更加明显。
[0047]
一种对网络攻击具有鲁棒性的分布式电源弹性控制策略应用在微电网中的流程如图1所示，具体包括如下步骤：
[0048]
步骤1):获取微电网系统模型与参数,包括获取微电网系统的通信拓扑结构图g及其对应的拉普拉斯矩阵l，分布式电源个数n，遭受攻击的分布式电源个数n
nc
等。
[0049]
步骤2)按照式(1)对微电网进行一次下垂控制,维持微电网的功率平衡：
[0050][0051]
式中，pi和qi分别表示第i个分布式电源的输出有功功率和无功功率，ω
ni
和v
ni
分别表示输出交流电压的频率和幅值的额定值，m
pi
和n
qi
分别表示pi和qi下垂系数。ωi和v
o,magi
为分布式电源的输出电压的角频率和幅值。
[0052]
其中下垂系数是根据分布式电源的有功和无功额定值按比例计算的，按照式(2)确定：
[0053][0054]
式中，p
maxi
，q
maxi
和p
maxj
，q
maxj
分别表示第i和第j个分布式电源的有功功率和无功功率额定值。
[0055]
步骤3)：对微电网进行分布式二次控制，具体包括以下过程：
[0056]
3-1)每个分布式电源与其邻居节点交换信息，具体实现方式是分布式电源i将自己的角频率ωi和电压幅值v
o,magi
发送给邻居节点的分布式电源j，同时从邻居节点分布式电源j处获取其角频率ωj和电压幅值v
o,magj
，并对一系列邻居节点的角频率ωj和电压幅值v
o,magj
根据大小进行排序。
[0057]
3-2)按照式(3)设置分布式电源之间的通信链路质量权重，即权重a
ij
：
[0058][0059]
式中，δi和δj分别为分布式电源i和j的功率角。r1和r2描述了相对功率角阈值，作为反映微电网控制系统健康状况的指标。当分布式电源的功率角相对接近时，微电网在频率稳定性方面处于健康运行状态。因此，这个阈值设置为一个相对较小的值。随着功率角差值的增大，以指数形式降低通信链路质量，直到功率角差值大于r2，通信链路质量变为零，两个分布式电源之间的信息流动被中断。γ是一个设计参数，调整该指数函数的平滑和形状。
[0060]
3-3)比较λ2和η
×
4n
nc
的大小，根据结果执行不同的分布式控制协议。
[0061]
其中λ2为微电网通信拓扑结构图的第二大特征值，η是一个小于1的参数因子，可以为代数连通性提供足够的余量，使其保持在网络安全阈值以上。
[0062]
情况1：如果λ2＜η
×
4n
nc
，根据如下式(4)(5)执行分布式控制协议更新分布式电源
的辅助角频率v
ωi
和辅助电压幅值v
vi
控制变量：
[0063][0064]vvi
＝0 (5)
[0065]
式(4)中，是一个控制参数，δi是分布式电源i的功率角，v2是对应于特征值λ2的特征向量。
[0066]
情况2：如果λ2≥η
×
4n
nc
，根据如下式(7)(8)执行分布式控制协议更新分布式电源的辅助角频率v
ωi
和辅助电压幅值v
vi
控制变量：
[0067][0068][0069]
式中，c
ω
和cv分别为频率控制增益和电压控制增益,并且其中只有一个分布式电源的固定增益是不为零的，且gi≥0。r
ωi
描述了第i个分布式电源的分布式频率控制协议中更新的邻集。该邻集的产生方式为：将相邻分布式电源的ωj和v
o,magj
与自己的ωi和v
o,magi
进行比较，如果有n
nc
个或以上大于ωj的值,则n
nc
个大于ωj的值被丢弃。如果有少于n
nc
个大于ωj的值,则这些值都被丢弃。对于小于ωj的值,应用同样的过程来丢弃ωj邻近值。r
vi
描述了第i个分布式电源的分布式电压控制协议中更新的邻集，产生方式和类似r
ωi
类似。
[0070]
3-4)对分布式电源的频率和电压幅值进行二次控制，通过下式(9)(10)实现
[0071]
ω
ni
＝∫(v
wi
)dt
ꢀꢀ
(9)
[0072]vni
＝∫(v
vi
)dt
ꢀꢀ
(10)
[0073]
通过仿真实验来证明本发明的有效性。
[0074]
仿真采用ieee 34总线模型进行测试，孤岛微电网结构如图2所示，集成了6个分布式电源，图中标记为der。图3和图4分别提供了分布式电源和负载的规格。微电网以60hz的频率运行,标称线间电压为24.9kv。分布式电源通过y-y变压器集成到馈线上，额定电压为480v/24.9kv，额定功率为400kva。
[0075]
分布式电源的通信网络图如图5所示。设置g1＝1，ω
ref
＝2π
×
60rad/s。v
ref
使用按照式(11)进行计算。
[0076]vref
＝k
p
(v
nom-v
c,mag
) ki∫(v
nom-v
c,mag
)dt
ꢀꢀ
(11)
[0077]
式中，参数k
p
和ki分别设置为0.01和10，v
nom
设置为1pu，控制增益c
ω
和cv设置为40。前面式(3)中参数如下：r1设置为π/50，r2设置为π/2，γ设置为5，a
max
设置为4。
[0078]
仿真开始时，微电网运行在一次下垂控制下。在t＝0.6s时，传统的二次频率和电压控制起作用,本发明的分布式二次控制在t＝0.65s时起作用。在t＝0.6s,对分布式电源der6发起fdi攻击，影响微电网的电压和频率恢复，微电网频率和分布式电源的有功功率比如图6所示。临界母线电压幅值和无功功率比分别如图7所示。在应用本发明的分布式二次控制后，分布式电源的频率恢复到60hz,和有功功率比同步到一个公共值。此外，分布式电源的有功功率根据其有功功率额定值进行分配。如图7所示，在应用本发明的分布式二次控
制后，临界母线电压幅值恢复到1pu，分布式电源的无功功率比收敛到fdi攻击前的值。图8显示了分布式电源的功率角变化，如图所示，在传统的分布式控制采取行动后，由于存在与邻居共享的虚假信息，功率角开始彼此漂移，当采用本发明的分布式二次控制后，功率角恢复正常。
[0079]
从本实施的仿真例子可以看出，采用本发明的控制方法后，有效地丢弃了被攻击的分布式电源分发的损坏信息，实现了系统的频率和电压恢复，兼顾正常通信场景和网络攻击场景，进而提高微电网的运行弹性。本发明提出的方法有很好的控制效果。