CN109659959B - 欺骗攻击下电力系统基于缓存器型事件触发方案的h∞负载频率控制方法 - Google Patents
欺骗攻击下电力系统基于缓存器型事件触发方案的h∞负载频率控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种欺骗攻击下电力系统基于缓存器型事件触发方案的H∞负载频率控制方法,包括以下步骤:S1、分析具有电动汽车参与的电力系统二次变频和一次变频的负载频率控制问题,建立系统模型的状态方程;S2、设计缓存器型事件触发机制,建立存在延迟条件下的控制器,根据S1建立存在控制器的网络系统模型状态方程;S3、设计欺骗攻击发生条件,根据S2建立网络控制系统模型的状态方程;S4、计算S3中网络控制系统均方渐近稳定的充分条件,实现系统负载频率控制。在相同的网络环境、相同的欺骗攻击下,与传统方法相比,本发明方法可以帮助系统抵抗更强烈的欺骗攻击,且本发明方法具有超调量低、稳定时间短的优点,可以获得更好的控制效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于新型的事件触发机制的电力系统负载频率控制方法,属于电力网络系统控制技术领域。
背景技术
现在的电力系统是一种典型的网络控制系统,其中的传感器、电厂、控制中心通过大范围的通讯设施联结,为了抑制负载波动引起的电力频率不稳,负载频率控制(LFC)得到了广泛、有效地应用。近来,随着电动汽车(EVs)技术的飞速发展,电动汽车已经成为很多消费者眼中取代燃料汽车的首选,因此,电动汽车辅助的负载频率控制吸引了大量学者的研究。通过设计合适的反馈控制器,LFC在电动汽车的辅助下,可以使系统的频率保持一个期望值,并且系统稳定。
电力系统由于易受外界开放网络环境的干扰,面临许多挑战,如网络时延、数据包丢失、网络攻击等。近年来,许多研究者开始关注如何解决这些问题,大多数已发表的解决方法都采用了时间触发方案,即传感器对输出进行周期性采样,并立即将其发送给控制器。因为采样周期是根据最坏情况选择的,如受干扰、不确定性、网络时延和其他条件,采样周期必须谨慎选择,结果太多“不必要”的采样数据被发送到通讯信道,这样就会增加计算负担和占用带宽,恶化网络条件。为了克服时间触发机制的不足,研究者提出了事件触发方案。事件触发方案只发送违反触发条件的信号从而丢弃许多不必要的信号。事件触发方案中触发条件至关重要,决定着哪种信号应该发送。目前,研究者提出了许多优秀的事件触发方案,如完全事件触发方案、事件触发采样方案、混合事件触发、动态事件触发、周期/离散事件触发、自适应事件触发、分布式事件触发等等。
然而,当前几乎所有的事件触发机制都是仅仅基于最新时刻的采样和上一次释放的数据进行比较的,比如,其中x(t)是最新信号,x(tk)是最近的上一次信号。实际上,这种触发条件有很大的局限性,历史释放信号中也有部分对新采集的信号是否释放有着积极影响,尤其是当系统受到持续干扰的时候。因此,如何设计基于最新释放的数据包与一些最近释放的数据包的合适的事件触发条件,是一个很有意义的研究方向。
网络控制系统(NCSs)中的信号传输是通过公用、未受保护的网络进行的,非常易受各类网络攻击。网络攻击可能导致信号泄露、基础设施损坏,甚至是人身安全威胁。因此,作为网络系统中重要的一环——NCSs的安全问题,已经引起了越来越多的关注。欺骗攻击是最重要的网络攻击之一,它通过修改数据的内容来破坏数据的完整性。近年来,人们越来越多地关注欺骗攻击的探索,比如,有研究者研究了远程状态估计的最优线性欺骗攻击;有人提出了一种针对具有欺骗攻击的时变系统的方差约束分布式滤波设计方法;也有人设计了一种混合驱动的H∞滤波器来防御欺骗攻击。电动汽车作为一种典型的网络控制系统,由于LFC,在与电力系统进行连接时,也容易受到恶意攻击。然而目前电力系统LFC的网络攻击问题并没有得到很好的研究。
发明内容
本发明提供了一种欺骗攻击下电力系统基于缓存器型事件触发方案的H∞负载频率控制方法,使用缓存器事件触发方案(METS)来处理欺骗攻击下电力系统的H∞负载频率控制问题,分别设计了两个队列缓存器,放置在事件生成器节点和控制器端,用于存储一定数量的最近释放的信号。同时考虑了随机发生的欺骗攻击,通过构建缓存器型反馈控制器,利用Lyapunov方程处理可以得到保证系统稳定的充分条件。
为解决上述技术问题,本发明采用了如下技术手段:
欺骗攻击下电力系统基于缓存器型事件触发方案的H∞负载频率控制方法,具体包括以下步骤:
S1、分析具有电动汽车参与的电力系统二次变频和一次变频的负载频率控制问题,建立系统模型的状态方程;
S2、设计缓存器型事件触发机制,建立存在延迟条件下的控制器,根据S1中的状态方程建立存在控制器的网络系统模型状态方程;
S3、设计欺骗攻击发生条件,根据S2中的状态方程建立网络控制系统模型的状态方程;
S4、计算S3中网络控制系统均方渐近稳定的充分条件,实现系统负载频率控制。
进一步的,所述的步骤S1中动态模型的状态方程如下:
其中,x(t)为状态变量,x(t)=[f(t) Xg(t) Pg(t) Pe(t) Δ(t)]T,y(t)为测量输出,y(t)=[f(t) Δ(t)]T,f(t)表示频率偏差,Xg(t)表示调速阀位置,Pg(t)表示涡轮输出功率,Pe(t)表示电动汽车增量变化,Δ(t)表示频率偏移零稳态误差,Δ(t)=∫ACE(t)dt,区域误差控制ACE(t)=bf(t),u(t)为控制输入,w(t)为干扰量,A,B,Bw,C是适当维数的矩阵,
tkh为采样时刻,tk表示采样时刻队列,{tk}={t0,t1,...}∈{0,1,...},h为采样周期,τk为时间延迟,D表示负载阻尼系数,M表示惯性常数,Rg表示调节器下垂特性,Tg表示调速器常数,Tt表示涡轮常数,ρe表示EVs下垂特性,表示EVs增益,Te表示时间常数,b表示频率偏差常数,αg表示热汽轮机,αe表示EVs的调节因数。
进一步的,所述的步骤S2具体操作如下:
S21、设计缓存器型事件触发条件:
其中,l表示从tkh到tk+1h事件触发前的采样周期数目,表示正整数,m表示最近释放的数据包的个数,i=1,2,…,m,μi表示权重矩阵系数,ei(t)=x(tkh+lh)-x(tk-i+1h),Φ为待设计的正定对称比较矩阵,用于判定事件是否触发,σ为可调整的触发参数,
S22、系统采用数据采样技术和零阶保持器,对带有电动汽车方案的LFC的测量输出进行采样,然后发送给控制器。为了适应这一点,调整事件触发条件,将公式(3)修改为:
其中,y(tkh)表示缓存器存储的输出信号,W=CTΦC,Cei=y(tkh+lh)-y(tk-i+1h)。并且事件生成器中的缓存器一次性存储m个最近输出的信号{y(tkh),…,y(tk-m+1h)}。
建立存在延迟条件下的缓存器型控制器,具体公式如下:
其中,Ki表示第i个输出信号的控制器反馈增益。
S24、根据S1中的状态方程建立存在控制器的网络系统模型状态方程,具体公式如下:
其中,φ(t)表示x(t)的初始状态。
进一步的,步骤S3中欺骗攻击下网络控制系统模型的状态方程为:
其中,θ(t)表示欺骗攻击的发生状态,θ(t)∈{0,1},fi(y(tk-i+1h))表示攻击信号,且||fi(Cx(tk-i+1h))||2≤||Fi(Cx(tk-i+1h))||2,Fi为常值矩阵。
当θ(t)=0时,表示没有攻击发生;当θ(t)=1时,表示数据包{y(tkh),…,y(tk-m+ 1h)}被俘获并被替换为攻击信号{f1(y(tkh)),…,fm(y(tk-m+1h))}。θ(t)的数学期望为:
其中,F0与B为李群结构常数,S为某一转动变换,ηt表示矩阵函数V中与时间t相关的各参数变量。
进一步的,步骤S4的具体操作如下:
S41、网络控制系统均方渐近稳定的充分条件为:
[Ωpq]3×3<0 (12)
则欺骗攻击下的网络控制系统均方渐近稳定,具有H∞范数及确界γ。
则基于缓存器型事件触发条件的欺骗攻击下的网络控制系统均方渐近稳定,具有H∞范数及确界γ,控制器反馈增益Ki=HiG-1。
S43、根据系统均方渐近稳定的充分条件,实现欺骗攻击下的电力系统的负载频率控制。
采用以上技术手段后可以获得以下优势:
本发明提出了一种欺骗攻击下电力系统基于缓存器型事件触发方案的H∞负载频率控制方法,针对具有网络延迟和欺骗攻击的负载频率控制系统,引入缓存器型事件触发机制,设计缓存器存储最近释放的信号,构建系统状态方程,并通过Lyapunov方程获得保证系统稳定的充分条件。与传统的方法相比,本发明方法考虑到了历史释放信号对新产生信号的影响、网络延迟和网络攻击,更加贴近实际的网络环境,在保证网络系统控制性能的同时可以抵抗一定程度的网络攻击,改善系统控制效果。
附图说明
图1为本发明欺骗攻击下电力系统基于缓存器型事件触发方案的H∞负载频率控制方法的步骤流程图。
图2为本发明基于欺骗攻击的缓存器型事件触发方案电力系统传输函数模型示意图。
图3为没有欺骗攻击时本发明方法和传统事件触发方法的仿真结果示意图;其中,(a)是没有欺骗攻击时本发明方法的状态反馈仿真结果示意图,(b)是没有欺骗攻击时传统事件触发方法的状态反馈仿真结果示意图,(c)是没有欺骗攻击时本发明方法的释放时刻与释放间隔仿真结果示意图,(d)是没有欺骗攻击时传统事件触发方法的释放时刻与释放间隔仿真结果示意图。
图4为有欺骗攻击时本发明方法和传统事件触发方法的仿真结果示意图;其中,(a)是有欺骗攻击时本发明方法的状态反馈仿真结果示意图,(b)是有欺骗攻击时传统事件触发方法的状态反馈仿真结果示意图,(c)是有欺骗攻击时本发明方法的释放时刻与释放间隔仿真结果示意图,(d)是有欺骗攻击时传统事件触发方法的释放时刻与释放间隔仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明:
本发明提供了一种欺骗攻击下电力系统基于缓存器型事件触发方案的H∞负载频率控制方法,如图1所示,具体包括以下步骤:
S1、分析具有电动汽车参与的电力系统二次变频和一次变频的负载频率控制问题,建立动态模型的状态方程,状态方程如下:
其中,x(t)为状态变量,x(t)=[f(t) Xg(t) Pg(t) Pe(t) Δ(t)]T,y(t)为测量输出,y(t)=[f(t) Δ(t)]T,f(t)表示频率偏差,Xg(t)表示调速阀位置,Pg(t)表示涡轮输出功率,Pe(t)表示电动汽车增量变化,Δ(t)表示频率偏移零稳态误差,通过区域误差控制ACE(t)=bf(t)来维持,Δ(t)=∫ACE(t)dt,u(t)为控制输入,w(t)为干扰量,A,B,Bw,C分别是适当维数的矩阵:
tkh为采样时刻,tk表示采样时刻队列,{tk}={t0,t1,…}∈{0,1,...},h为采样周期,τk为时间延迟,D表示负载阻尼系数,M表示惯性常数,Rg表示调节器下垂特性,Tg表示调速器常数,Tt表示涡轮常数,ρe表示EVs下垂特性,表示EVs增益,Te表示时间常数,b表示频率偏差常数,αg表示热汽轮机,αe表示EVs的调节因数。
S2、设计缓存器型事件触发机制,建立存在延迟条件下的控制器,根据S1中的状态方程建立存在控制器的网络系统模型状态方程;具体操作如下:
S21、设计缓存器型事件触发条件:
其中,l表示从tkh到tk+1h事件触发前的采样周期数目,表示正整数,m表示最近释放的数据包的个数,i=1,2,…,m,μi表示权重矩阵系数,μi∈[0,1]且ei(t)=x(tkh+lh)-x(tk-i+1h),Φ为待设计的正定对称比较矩阵,用于判定事件是否触发,σ为可调整的触发参数,
S22、本发明的系统采用数据采样技术和零阶保持器,对带有电动汽车方案的LFC的测量输出进行采样,然后将采样结果发送给控制器。公式(16)中的事件触发函数是基于状态误差的,不可直接用于本发明的控制系统中,所以需要调整事件触发条件,将公式(16)乘以输出矩阵转换为输出误差依赖性的事件触发函数:
其中,y(tkh)表示缓存器存储的输出信号,W=CTΦC,Cei=y(tkh+lh)-y(tk-i+1h)。并且事件生成器中的缓存器一次性存储m个最近输出的信号{y(tkh),…,y(tk-m+1h)}。
建立存在延迟条件下的缓存器型控制器,具体公式如下:
其中,Ki表示第i个输出信号的控制器反馈增益。
S24、根据S1中的状态方程建立存在控制器的网络系统模型状态方程,具体公式如下:
其中,φ(t)表示x(t)的初始状态。
S3、设计欺骗攻击发生条件,基于欺骗攻击的缓存器型事件触发方案电力系统传输函数模型示意图如图2所示,根据S2中的状态方程建立网络控制系统模型的状态方程,具体公式如下:
其中,θ(t)表示欺骗攻击的发生状态,θ(t)∈{0,1},fi(y(tk-i+1h))表示攻击信号,且||fi(Cx(tk-i+1h))||2≤||Fi(Cx(tk-i+1h))||2,Fi为常值矩阵。为了方便后续的计算,取F=max{Fi}。
当θ(t)=0时,表示没有攻击发生;当θ(t)=1时,表示数据包{y(tkh),…,y(tk-m+ 1h)}被俘获并被替换为攻击信号{f1(y(tkh)),…,fm(y(tk-m+1h))}。θ(t)的数学期望为:
S4、计算S3中网络控制系统均方渐近稳定的充分条件,实现系统负载频率控制。
其中,F0与B为李群结构常数,S为某一转动变换,ηt表示矩阵函数V中与时间t相关的各参数变量。
本发明中欺骗攻击下的系统需要满足以下条件:
(1)干扰量w(t)=0,系统均方渐近稳定;
对于给定的控制器反馈增益Ki,基于Lyapunov方程可以得到网络控制系统均方渐近稳定的充分条件,具体如下:
[Ωpq]3×3<0 (25)
则欺骗攻击下的网络控制系统均方渐近稳定,具有H∞范数及确界γ。
下面对上述充分条件进行证明,建立Lyapunov方程:
其中,W>0是待设计的矩阵。
对于||fi(Cx(tk-i+1h))||2≤||Fi(Cx(tk-i+1h))||2中定义的欺骗攻击的上确界fi(x(t)),存在一个对称矩阵满足以下条件:
其中:
ξ(t)=col[x(t) x(t-τ(t)) x(t-τM) e1(t) … em(t) f1(x(t)) … fm(x(t)) w(t)] (30)
采用反凸法处理公式(29)中的交叉项,可得:
其中,α1=x(t)-x(t-τ(t)),α2=x(t-τ(t))-x(t-τM),矩阵U是待设计的矩阵。
利用Schur补定理由公式(25)、(29)、(31)、(32)可得:
如果矩阵不等式(25)成立,由公式(29)可得:
当w(t)=0时,根据上述充分条件,可得系统是均方渐近稳定的;在零初始条件下,可以得到不等式:
即||y(t)||2≤γ||w(t)||2。
将上述充分条件进行变形,设X=P-1,在公式(25)前乘和后乘diag(X,X,…,X,I,R-1,R-1,I,X),共计2m+4个X。令HiC=KiCX,GC=CX,经过控制设计方法进行转换,得到(GC-CX)T(MC-CX)=0,即可利用Schur补定理将其转化为优化问题。利用不等式引理:即可得到:
则基于缓存器型事件触发条件的欺骗攻击下的网络控制系统均方渐近稳定,具有H∞范数及确界γ;控制器反馈增益可以通过Ki=HiG-1计算得到。
根据上述提供的系统均方渐近稳定的充分条件,实现欺骗攻击下的电力系统的负载频率控制。
下面提供一个具体的仿真实验来验证本发明方法:
一个基于LFC方案和电动汽车协调的电力系统,系统的参数如下表所示:
假设欺骗攻击fi(Cx(t))=[-tanh(0.2y1(t)) -tanh(0.1y2(t))],且存在一个矩阵F=diag{0.2,0.1}满足约束||fi(Cx(t))||2≤||Fx(t)||2。采样周期h=0.16s,τM=0.1s,κ=10,∈=0.01,ρ=0.63,状态变量x(t)的初始状态为x(0)=[1 0 0.2 0 3]。
假设没有欺骗攻击发生,即θ=0,扰动如下所示:
为了验证所涉及的缓存队列的有效性,取相同的事件触发参数σ=0.1,对比不同大小缓存队列的系统的控制性能和释放包的数量。
采用传统的事件触发方法,即取m=1,此时,μ1=1,利用公式(37)对应的条件可以得到反馈增益:
K=[0.0775 0.3872]
采用本发明方法,取m=3,权重系数μ1=0.5,μ2=0.3,μ3=0.2。利用公式(37)对应的条件可以得到反馈增益:
K1=[0.0368 0.1790],K2=[0.0221 0.1074],K3=[0.0147 0.0716]
图3分别给出了两种方案的状态响应、释放时刻和释放间隔的仿真结果示意图,从图3可以看出,在缓存队列大小为3的情况下,释放了45个数据包;在缓存队列大小为1的情况下,释放了56个数据包。此外,两种方案状态响应的超调量和稳定时间几乎相同。与传统方法相比,本发明方法的平均释放周期更大,也就意味着在相同的网络条件下节省了更多的通信和计算资源。值得注意的是,当系统状态发生剧烈变化或在峰值处出现响应时,本发明方法可以触发更多的数据包。这个仿真结果验证了本发明方法的有效性。
假设欺骗攻击的发生概率为0.2,即θ=0.2,扰动如下所示:
采用传统的事件触发方法,即取σ=0.1,m=1,μ1=1,利用公式(37)对应的条件可以得到反馈增益:
K=[0.0688 0.4499]
采用本发明方法,取σ=0.1,m=3,权重系数μ1=0,6,μ2=0.2,μ3=0.2。利用公式(37)对应的条件可以得到反馈增益:
K1=[0.0390 0.2381],K2=[0.0256 0.1545],K3=[0.0180 0.1076]
图4给出了欺骗攻击下两种方案的状态响应、释放时刻和释放间隔的仿真结果示意图。当t∈[0,50]时,仿真结果表明发生相同欺骗攻击的概率下,当取m=3时,需要向控制器发送81个采样信号;当m=1时,平均触发68个信号。同时从图4中的(a)、(b)所示的状态响应可以看出,在传统触发方案下,没有欺骗攻击的响应仍具有非常差的波动性,而采用本发明方法时情况明显变好。
上述的仿真实验表明,在相同的触发参数和欺骗攻击条件下,本发明方法可以使动态响应更平滑,即本发明方法可以帮助系统抵抗比传统方案更强烈的欺骗攻击。此外在相同的触发参数条件下,与传统方法相比,本发明方法具有超调量低、稳定时间短的优点,本发明方法可以获得更好的控制效果。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细地说明,但是本发明并不局限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (5)
1.欺骗攻击下电力系统基于缓存器型事件触发方案的H∞负载频率控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、分析具有电动汽车参与的电力系统二次变频和一次变频的负载频率控制问题,建立系统模型的状态方程;
S2、设计缓存器型事件触发机制,建立存在延迟条件下的控制器,根据S1中的状态方程建立存在控制器的网络系统模型状态方程;
S3、设计欺骗攻击发生条件,根据S2中的状态方程建立网络控制系统模型的状态方程;
S4、计算S3中网络控制系统均方渐近稳定的充分条件,实现系统负载频率控制。
2.根据权利要求1所述的欺骗攻击下电力系统基于缓存器型事件触发方案的H∞负载频率控制方法,其特征在于,所述的步骤S1中系统模型的状态方程如下:
y(t)=Cx(tkh),t∈[tkh+τk,tk+1h+τk+1)
其中,x(t)为状态变量,x(t)=[f(t) Xg(t) Pg(t) Pe(t) Δ(t)]T,y(t)为测量输出,y(t)=[f(t) Δ(t)]T,f(t)表示频率偏差,Xg(t)表示调速阀位置,Pg(t)表示涡轮输出功率,Pe(t)表示电动汽车增量变化,Δ(t)表示频率偏移零稳态误差,Δ(t)=∫ACE(t)dt,区域误差控制ACE(t)=bf(t),u(t)为控制输入,w(t)为干扰量,A,B,Bw,C是适当维数的矩阵,
3.根据权利要求2所述的欺骗攻击下电力系统基于缓存器型事件触发方案的H∞负载频率控制方法,其特征在于,所述的步骤S2具体操作如下:
S21、设计缓存器型事件触发条件:
其中,l表示从tkh到tk+1h事件触发前的采样周期数目,表示正整数,m表示最近释放的数据包的个数,i=1,2,…,m,μi表示权重矩阵系数,μi∈[0,1]且ei(t)=x(tkh+lh)-x(tk-i+1h),Φ为待设计的正定对称比较矩阵,用于判定事件是否触发,σ为可调整的触发参数,
S22、根据系统数据采样方法调整事件触发条件:
其中,y(tkh)表示缓存器存储的输出信号,W=CTΦC,Cei=y(tkh+lh)-y(tk-i+1h);
S23、建立存在延迟条件下的缓存器型控制器,具体公式如下:
S24、根据S1中的状态方程建立存在控制器的网络系统模型状态方程,具体公式如下:
x(t)=φ(t),t∈[-τM,0)
5.根据权利要求4所述的欺骗攻击下电力系统基于缓存器型事件触发方案的H∞负载频率控制方法,其特征在于,步骤S4的具体操作如下:
S41、网络控制系统均方渐近稳定的充分条件为:
[Ωpq]3×3<0
则欺骗攻击下的网络控制系统均方渐近稳定,具有H∞范数及确界γ;
其中,Ω11=[Ψuv]4×4, Ψ33=diag{-θP,…,-θP},Ψ44=-γ2I,Ω22=diag{-R,-R},Ω33=diag{-I,-θP},I表示适当维数的单位矩阵,F=max{Fi},
则基于缓存器型事件触发条件的欺骗攻击下的网络控制系统均方渐近稳定,具有H∞范数及确界γ,控制器反馈增益Ki=HiG-1;
S43、根据系统均方渐近稳定的充分条件,实现欺骗攻击下的电力系统的负载频率控制。
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