CN108551458A - 一种分布式光伏集群网络攻击检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光伏集群网络攻击检测方法。设计光伏集群的分布式时变通信矩阵，建立每个分布式光伏的状态测量方程计算每个分布式光伏的状态测量向量；建立每个分布式光伏的分布式状态观测器，实时利用分布式光伏的状态测量向量计算状态向量的估计值；利用分布式状态观测器建立状态映射矩阵，判断状态映射矩阵是否为满秩矩阵；如果状态映射矩阵为满秩矩阵，则表明光伏集群没有遭受网络攻击；如果状态映射矩阵不为满秩矩阵，则表明光伏集群遭受网络攻击。本发明提高光伏集群检测网络攻击的精度；加快光伏集群检测网络攻击的速度；增强光伏集群的安全性和可靠性。

Description

一种分布式光伏集群网络攻击检测方法

技术领域

本发明涉及一种网络攻击检测方法，尤其是涉及了一种分布式光伏集群网络攻击检测方法。

背景技术

太阳能是一种取之不尽用之不竭的能源，储量丰富、清洁环保，对于缓解能源危机、改善生态环境具有重要的作用。分布式光伏是太阳能利用的最重要的技术之一。大量分布式光伏接入电力系统，在带来大量清洁电力的同时，通信网络上存在的各类网络攻击对分布式光伏集群的安全、可靠运行和集中管理带来了威胁。对于分散在不同位置的、数量较多的分布式光伏，如何提高分布式光伏集群检测网络攻击的精度，从而实现光伏集群的安全稳定运行，已经成为分布式光伏系统研究领域的热点问题。

实现分布式光伏集群的管理，现有的方法一般采用基于能量管理系统的集中式方法：通过收集一定区域内所有分布式光伏的运行数据，借助嵌入在能量管理系统中的潮流分析工具与异常检测方法，进而实现大量分布式光伏的统一管理。这种方法虽然实现简单，但却存在鲁棒性差、成本较高、易受干扰等缺点。寻找一种不依赖于复杂的通信网络、能够提高网络攻击检测精度的方法，以代替现有的系统架构和检测方法，实现光伏集群网络攻击的高效检测，便成为了目前亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种分布式光伏集群网络攻击检测方法。本发明针对含有大量分布式光伏的光伏集群，基于现代控制理论和分布式控制方法，建立针对光伏集群中所有分布式光伏的网络攻击检测方法，从而达到增强光伏集群运行安全性、提高网络攻击检测精度和速度的目的。

本发明的技术方案采用如下步骤，如图1所示：

1)设计光伏集群的分布式时变通信矩阵，建立每个分布式光伏的状态测量方程计算每个分布式光伏的状态测量向量；

2)建立每个分布式光伏的分布式状态观测器，实时利用分布式光伏的状态测量向量计算状态向量的估计值；

3)利用分布式状态观测器建立状态映射矩阵，判断状态映射矩阵是否为满秩矩阵；

如果状态映射矩阵为满秩矩阵，则表明光伏集群没有遭受网络攻击，返回步骤2)继续对通信网络极性检测；

如果状态映射矩阵不为满秩矩阵，则表明光伏集群遭受网络攻击，结束。

所述步骤1)中的光伏集群的分布式时变通信矩阵的表达式为：

其中，D为光伏集群的分布式时变通信矩阵，D∈R^m×n，R^m×n表示m×n维的实数矩阵空间；d_ij为光伏集群的分布式时变通信矩阵的第i行、第j列元素；μ_ij为通信强度系数，代表第i个分布式光伏与第j个分布式光伏的连接强度；i＝1,2,…,n，n为光伏集群中包含的分布式光伏总数量；j＝1,2,…,n；m为状态测量的数量，m≥1；ln代表自然对数运算。

所述步骤1)中，每个分布式光伏的状态测量方程的表达式为：

其中，z_i(k)为第i个分布式光伏的状态测量向量，z_i(k)∈R^m，R^m表示m×1维的实数向量空间；G(k)为光伏集群可观矩阵，G(k)∈R^m×n；x_i(k)、x_j(k)分别为第i个、第j个分布式光伏的状态向量，x_i(k)∈Rⁿ、x_j(k)∈Rⁿ，Rⁿ表示n×1维的实数向量空间；k表示第k步运算，k≥1。

所述步骤2)中，每个分布式光伏的分布式状态观测器的表达式为：

其中，分别为第i个分布式光伏在第k+1步、第k步运算的状态向量的估计值；F(k)为光伏集群的收敛矩阵，F(k)∈Rⁿ；σ为判别参数。

所述步骤3)中，状态映射矩阵的表达式为：

其中，E(k)为状态映射矩阵，E(k)∈R^m。

所述步骤3)中的状态映射矩阵的秩的表达式为：

γ＝rank[E(k)]

其中，γ为状态映射矩阵的秩；rank代表求矩阵秩运算。

如果状态映射矩阵为满秩矩阵，即γ＝m，则表明光伏集群没有遭受网络攻击。

如果状态映射矩阵不为满秩矩阵，即γ≠m，则表明光伏集群遭受网络攻击。

本发明的有益效果是：

本发明通过建立光伏集群的分布式时变通信矩阵，既可以避免集中式通信架构存在的通信成本高、可靠性差等缺点，又可以提高光伏集群信息在每个分布式光伏中传递的稳定性。

本发明采用每个分布式光伏的状态测量方程，既可以反映每个分布式光伏的真实运行状态，又可以为网络攻击的检测提供重要依据。

本发明通过建立每个分布式光伏的分布式状态观测器，可以实现每个分布式光伏运行状态的准确估计；通过建立状态映射矩阵，可以实现网络攻击的准确、快速估计。

本发明可以减少大量监控设备的使用，无需监控中心，从而大大降低光伏集群的通信成本；设备种类和数量的减少，也有利于提升光伏集群网络攻击检测的可靠性。

由此，本发明提高光伏集群感知内部所有分布式光伏运行状态的能力，消除复杂通信架构对光伏集群成本、可靠性的影响；实现分布式光伏就近通信，降低通信网络的复杂度，提升光伏集群检测网络攻击的精度，加快网络攻击感知速度，增强光伏集群运行稳定性。

附图说明

图1为本发明方法的流程逻辑图。

图2为实施例光伏集群检测网络攻击的精度和速度随分布式光伏数量变化而变化的实验图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的步骤1)建立光伏集群的分布式时变通信矩阵，可以实现重要信息在光伏集群内部所有分布式光伏之间的传递，通过合理选取通信强度系数，可以提高信息传递的可靠性和鲁棒性；建立每个分布式光伏的状态测量方程，能够反映每个分布式光伏和整个光谷集群的测量方程，在提升光伏集群运行透明度的基础上，可以为网络攻击的检测提供重要依据。

本发明的步骤2)建立每个分布式光伏的分布式状态观测器，通过合理选择收敛矩阵和判别参数，可以实现每个分布式光伏运行状态的准确估计。

本发明的步骤3)建立状态映射矩阵，通过有效整合状态测量方程和分布式状态观测器的相关方程，进而判断状态映射矩阵是否为满秩矩阵，即可以实现网络攻击的快速、准确检测。

按照本发明完整方法实施的具体实施例如下：

在MATLAB中对本发明提出的光伏集群网络攻击检测方法进行了仿真实验。实验参数如下表1所示。

表1

采用本发明提出的控制方法，所得实验数据：网络攻击检测时间<0.04s，网络攻击检测精度>99.2％。

实验截图如下：

光伏集群检测网络攻击的精度(实线)和速度(虚线)随分布式光伏数量变化而变化的实验图，如下图2所示。由图2可以看出：本发明提出的网络攻击检测方法可以快速、精确地检测出网络攻击，因此可以提高光伏集群的安全性和可靠性。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种分布式光伏集群网络攻击检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)设计光伏集群的分布式时变通信矩阵，建立每个分布式光伏的状态测量方程计算每个分布式光伏的状态测量向量；

2)建立每个分布式光伏的分布式状态观测器，实时利用分布式光伏的状态测量向量计算状态向量的估计值；

3)利用分布式状态观测器建立状态映射矩阵，判断状态映射矩阵是否为满秩矩阵；

如果状态映射矩阵为满秩矩阵，则表明光伏集群没有遭受网络攻击；

如果状态映射矩阵不为满秩矩阵，则表明光伏集群遭受网络攻击。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光伏集群网络攻击检测方法，其特征在于：所述步骤1)中的光伏集群的分布式时变通信矩阵的表达式为：

其中，D为光伏集群的分布式时变通信矩阵，D∈R^m×n，R^m×n表示m×n维的实数矩阵空间；d_ij为光伏集群的分布式时变通信矩阵的第i行、第j列元素；μ_ij为通信强度系数，代表第i个分布式光伏与第j个分布式光伏的连接强度；i＝1,2,…,n，n为光伏集群中包含的分布式光伏总数量；j＝1,2,…,n；m为状态测量的数量，m≥1；ln代表自然对数运算。

3.根据权利要求1所述的一种分布式光伏集群网络攻击检测方法，其特征在于：所述步骤1)中，每个分布式光伏的状态测量方程的表达式为：

其中，z_i(k)为第i个分布式光伏的状态测量向量，z_i(k)∈R^m，R^m表示m×1维的实数向量空间；G(k)为光伏集群可观矩阵，G(k)∈R^m×n；x_i(k)、x_j(k)分别为第i个、第j个分布式光伏的状态向量，x_i(k)∈Rⁿ、x_j(k)∈Rⁿ，Rⁿ表示n×1维的实数向量空间；k表示第k步运算，k≥1。

4.根据权利要求1所述的一种分布式光伏集群网络攻击检测方法，其特征在于：所述步骤2)中，每个分布式光伏的分布式状态观测器的表达式为：

其中，分别为第i个分布式光伏在第k+1步、第k步运算的状态向量的估计值；F(k)为光伏集群的收敛矩阵，F(k)∈Rⁿ；σ为判别参数。

5.根据权利要求1所述的一种分布式光伏集群网络攻击检测方法，其特征在于：所述步骤3)中，状态映射矩阵的表达式为：

其中，E(k)为状态映射矩阵，E(k)∈R^m。

6.根据权利要求1所述的一种分布式光伏集群网络攻击检测方法，其特征在于：所述步骤3)中的状态映射矩阵的秩的表达式为：

γ＝rank[E(k)]

其中，γ为状态映射矩阵的秩；rank代表求矩阵秩运算；

如果状态映射矩阵为满秩矩阵，即γ＝m，则表明光伏集群没有遭受网络攻击；

如果状态映射矩阵不为满秩矩阵，即γ≠m，则表明光伏集群遭受网络攻击。