CN109672177A - 一种DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法，具体应用于多区域电力系统中的负荷频率量化控制，所述方法包括步骤：建立DoS攻击下带有量化器的多区域电力系统负荷频率控制的切换系统模型；引入事件触发机制到切换系统模型中，并设定事件触发机制的触发条件；基于多区域电力系统的状态和时滞系统理论分别定义第一分段函数和第二分段函数，并基于第一分段函数和第二分段函数改进切换系统模型得到最终切换系统模型；确定触发矩阵和控制器增益矩阵；建立最终切换系统模型的状态反馈控制器；本发明的方法保证了多区域电力系统负荷频率控制系统的平稳、安全运行，同时，能够减少通信时所占用的网络带宽资源及所需的能源。

Description

一种DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法

技术领域

本发明属于电力系统控制技术领域，具体涉及一种DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法。

背景技术

近年来，网络控制系统的安全控制问题成为研究热点，网络控制系统往往采用分布式控制方式，采集的动态信息以及各类控制信号通过网络进行传输，这就会给网络攻击提供机会。与此同时，随着电力系统规模越来越大，电网之间的相互连接也越来越强，而负荷频率控制作为电力系统稳定运行的一种重要控制手段成为研究的焦点。

在多区域电力系统负荷频率控制中，多个节点共用一有限的带宽资源，如何节省带宽资源，避免拥堵，增加控制的时效性就显得尤为重要。在传统的周期采样中会产生大量冗余信号，增加网络压力，如何设计有效的控制策略，在保证系统稳定以及人们期望的性能条件下，减少数据包的传输大小、发送数量，节省宝贵的带宽资源显得更加重要。

发明内容

针对上述现有技术中对多区域电力系统负荷频率控制中容易导致宽带资源不足，从而产生过多冗余信号而加大了网络压力的问题，本发明于提出一种DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法；该方法在对多区域电力系统安全控制的情况下，通过引入事件触发机制与量化器，从而保证系统更加平稳、安全运行的同时也降低了控制器控制器信号的更新频率与传输信号的传输大小，减轻了通信压力，节省了带宽以及通信所需的能源，具体技术方案如下：

一种DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法，具体应用于多区域电力系统中的负荷频率量化控制，所述方法包括步骤：

S1、建立DoS攻击下带有量化器的多区域电力系统负荷频率控制的切换系统模型；

S2、引入事件触发机制到所述切换系统模型中，并设定所述事件触发机制的触发条件；

S3、基于所述多区域电力系统的状态和时滞系统理论分别定义第一分段函数和第二分段函数，并基于所述第一分段函数和第二分段函数改进所述切换系统模型得到最终切换系统模型；

S4、确定所述触发矩阵V和控制器增益矩阵K；

S5、建立所述最终切换系统模型的状态反馈控制器：

进一步的，所述步骤S1中，所述切换系统模型为：

其中，X(t)＝[X₁(t) X₂(t) … X_n(t)]^T，Y(t)＝[Y₁(t) Y₂(t) … Y_n(t)]^T，X_p(t)＝[ΔJ_p ΔP_mp ΔP_v ∫CDE_pΔP_tie-p]^T，Y_p(t)＝[CDE_p ∫CDE_p]^T，p＝1,2…n，R_k,n＝[t_k,nh，t_k+1,nh)，I_1,n＝[nT，nT+T₁]，I_2,n＝[nT+T₁，nT+T]，s＝1,2,...,n， 是一个给定的量化常数，f_s表示一个对数量化器，n∈Ν，w(t)表示为能量有界的扰动信号，h为采样周期，t_k,nh,t_k+1,nh分别为最近一次以及下一次满足触发条件被发送至控制器端的采样信号的采样时刻，C,U,F,D是系数矩阵，K是待求的控制器增益矩阵，是状态向量的导数，ΔJ_p,ΔP_mp,∫CDE_p分别为系统频率误差，机械频率误差和区域控制误差CDE_p的积分形式，ΔP_v,ΔP_tie-p分别为调节阀位置和联络线功率误差，T为DoS攻击周期，T₁为休眠周期。

进一步的，所述步骤S2中，所述触发条件为：其中，j∈Ν，k(n)＝sup{k∈Ν|t_k,nh≤nT+T₁}，k∈{0,1,…,k(n)}＝κ(n)，n∈Ν，I_1,n-1＝[nT-T，nT-T+T₁]。

进一步的，所述步骤S3中，所述第一分段函数为：所述第二分段函数为：其中，b_k,n＝sup{m∈Ν|t_k,nh+mh＜t_k+1,nh}，式中，V为待求的触发矩阵，X(t_k,nh)为第k次触发时刻的状态值，X(t_k,nh+h)为第k次触发时刻后的一个采样周期时的状态值，d_k,n(t)为第k次采样信号的传输延时，所述最终切换系统模型为：

进一步的，所述步骤S4包括：

S41、确定多区域电力系统在扰动抑制水平为稳定、安全运行的条件：存在正定对称矩阵P_i、Q_i、R_i、Z_i，μ∈(1,+∞)，α_i∈(0,+∞)，h∈(0,T₁)，T∈(T₁,+∞)，σ∈(0,1)，i∈{1,2}，G₁＝μ^-1，r＞0，Q_i≤μQ_3-i,R_i≤μR_3-i,Z_i≤μZ_3-i,P₁≤μP₂,0＜α₁T₁-α₂(T-T₁)-(α₁+α₂)h-ln(μ)；

S42、预先设定攻击周期为T和休眠周期为T₁的DoS攻击下的可调参数α_i＞0,μ＞1,σ∈(0,1),h∈(0,T₁),δ_i＞0,ε_i＞0,γ_i＞0,φ_i＞0,θ＞0,r＞0,；

S43、判断是否存在矩阵X_i＞0,Q_i＞0,R_i＞0,Z_i＞0,和V＞0，以及是否存在矩阵Y,M_i,N_i,S_i,i∈{1,2}满足不等式： 其中，η₁＝1，η₂＝0， C₁＝[CX₁UY 0 UY F]，C₂＝[CX₂ 0 0 F]， G₁＝μ^-1，其中，I为单位矩阵，*是矩阵中与之对应的转置项，X₁,X₂,Y均为待求矩阵，F为扰动项的系数矩阵，ρ₁,ρ₂,ρ₃,ρ₄均为常数；

S44、根据上述矩阵不等式计算出触发矩阵V和矩阵X₁,X₂,Y，然后计算出控制器增益矩阵K＝YX₁ ^-1。

进一步的，所述切换系统模型用于模拟多区域电力系统中的DoS攻击，所述量化器用于优化所述多区域电力系统中的通信资源。

本发明的DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法，为了实现对多区域电力系统进行安全控制，通过引入DoS攻击建立切换系统模型，用以模拟DoS攻击的发生；而对于在控制过程中的宽带资源问题，通过引入事件触发机制和量化器，由于事件触发机制工作过程中只与当前采样信号和上一次的触发信号有关，因此只需判断当前采样信号是否满足预先设定的要求，若不满足，则直接进行下一次采样，否则传输此次采样信号；再结合量化器，由量化器能够压缩传输信号，减小传输信号的大小，使得在传输传输信号时，所用的传输带宽变得更小；与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的方法能够在保证系统能安全、平稳运行的同时，减少了冗余信号的传输数量，减轻了网络的传输压力，节省了通信所需的资源。

附图说明

图1为本发明实施例中所述DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法的流程图示意；

图2为本发明实施例中多区域电力系统负荷频率量化控制方案中第i区域的动态模型图示意；

图3为本发明实施例中所述事件触发机制的工作原理图示意。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参阅图1，在本发明实施例中，提供了一种DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法，应用于多区域电力系统中的负荷频率量化控制，保证多区域电力系统的安全控制，同时，保证整个多区域电力系统具有良好的带宽速度，方法包括步骤如下：

步骤一、参阅图2，图示为第i区域的多区域电力系统的动态控制模型图示意，即建立DoS攻击下带有量化器的多区域电力系统负荷频率控制的切换系统模型：其中，X(t)＝[X₁(t) X₂(t)… X_n(t)]^T，Y(t)＝[Y₁(t) Y₂(t) … Y_n(t)]^T，X_p(t)＝[ΔJ_p ΔP_mp ΔP_v ∫CDE_p ΔP_tie-p]^T，Y_p(t)＝[CDE_p ∫CDE_p]^T，p＝1,2…n，R_k,n＝[t_k,nh，t_k+1,nh)，I_1,n＝[nT，nT+T₁]，I_2,n＝[nT+T₁，nT+T]，s＝1,2,...,n，U＝diag{U₁ U₂ … U_n}，D＝diag{D₁ D₂ … D_n}，F＝diag{F₁ F₂ …F_n}， K＝diag{K₁ K₂ … K_n}，

是一个给定的量化常数，也叫做量化密度，f_s表示一个对数量化器，n∈Ν，w(t)表示为能量有界的扰动信号，h为采样周期，t_k,nh,t_k+1,nh分别为最近一次以及下一次满足触发条件被发送至控制器端的采样信号的采样时刻，C,U,F,D是系数矩阵，K是待求的控制器增益矩阵，是状态向量的导数，ΔJ_p,ΔP_mp,∫CDE_p分别为系统频率误差，机械频率误差和区域控制误差CDE_p的积分形式，ΔP_v,ΔP_tie-p分别为调节阀位置和联络线功率误差，T为DoS攻击周期，T₁为休眠周期；分别为发动机转动惯量、汽容时间常数、阻尼系数、调速器时间常数和速度跌落系数；β_i为频率偏置因子，为第i个控制区域与第j个控制区域之间的联络线同步系数，为第j个控制区域与第i个控制区域之间的联络线同步系数，K_pi,K_li分别为PI控制器的比例积增益与积分增益。

具体的，在实施例中，切换系统模型用于模拟多区域电力系统中的DoS攻击，以保证对多区域电力系统的安全控制；量化器用于优化多区域电力系统中的通信资源，以减少整个多区域电力系统在信号传输过程中占用的带宽资源，保证整个多区域电力系统的稳定、安全运行。

步骤二、引入事件触发机制到切换系统模型中，并设定事件触发机制的触发条件；结合图2，从中可知，事件触发机制的工作原理为：先判断当前切换系统模型的采样信号是否满足设定的触发条件，若不满足，则进行下一次的采样操作，否则，切换系统模型输入此次采用信号对多区域电力系统进行负荷频率的量化控制；具体的，本发明中触发机制设定的触发条件为：其中，j∈Ν，k(n)＝sup{k∈Ν|t_k,nh≤nT+T₁}，k∈{0,1,…,k(n)}＝κ(n)，n∈Ν，I_1,n-1＝[nT-T，nT-T+T₁]。

步骤三、基于多区域电力系统的状态和时滞系统理论分别定义第一分段函数和第二分段函数，并基于第一分段函数和第二分段函数改进切换系统模型得到最终切换系统模型；其中，第一分段函数定义为：第二分段函数定义为：其中，b_k,n＝sup{m∈Ν|t_k,nh+mh＜t_k+1,nh}，式中，V为待求的触发矩阵，X(t_k,nh)为第k次触发时刻的状态值，X(t_k,nh+h)为第k次触发时刻后的一个采样周期时的状态值，d_k,n(t)为第k次采样信号的传输延时，最后可得到最终切换系统模型为：

步骤四、确定触发矩阵V和控制器增益矩阵K：

首先，确定多区域电力系统在扰动抑制水平为稳定、安全运行的条件：存在正定对称矩阵P_i、Q_i、R_i、Z_i，μ∈(1,+∞)，α_i∈(0,+∞)，h∈(0,T₁)，T∈(T₁,+∞)，σ∈(0,1)，i∈{1,2}，G₁＝μ^-1，r＞0，Q_i≤μQ_3-i,R_i≤μR_3-i,Z_i≤μZ_3-i,P₁≤μP₂,0＜α₁T₁-α₂(T-T₁)-(α₁+α₂)h-ln(μ)。

然后，预先设定攻击周期为T和休眠周期为T₁的DoS攻击下的可调参数α_i＞0,μ＞1,σ∈(0,1),h∈(0,T₁),δ_i＞0,ε_i＞0,γ_i＞0,φ_i＞0,θ＞0,r＞0,；并判断是否存在矩阵X_i＞0,Q_i＞0,R_i＞0,Z_i＞0,和V＞0，以及是否存在矩阵Y,M_i,N_i,S_i,i∈{1,2}满足不等式： 其中，η₁＝1，η₂＝0， C₁＝[CX₁UY 0 UY F]，C₂＝[CX₂ 0 0 F]， G₁＝μ^-1，其中，I为单位矩阵，*是矩阵中与之对应的转置项，X₁,X₂,Y均为待求矩阵，F为扰动项的系数矩阵，ρ₁,ρ₂,ρ₃,ρ₄均为常数。

最后，根据上述矩阵不等式计算出触发矩阵V和矩阵X₁,X₂,Y，然后计算出控制器增益矩阵K＝YX₁ ^-1。

步骤五、建立所述最终切换系统模型的状态反馈控制器：

本发明的DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法，为了实现对多区域电力系统进行安全控制，通过引入DoS攻击建立切换系统模型，用以模拟DoS攻击的发生；而对于在控制过程中的宽带资源问题，通过引入事件触发机制和量化器，由于事件触发机制工作过程中只与当前采样信号和上一次的触发信号有关，因此只需判断当前采样信号是否满足预先设定的要求，若不满足，则直接进行下一次采样，否则传输此次采样信号；再结合量化器，由量化器能够压缩传输信号，减小传输信号的大小，使得在传输传输信号时，所用的传输带宽变得更小；与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的方法能够在保证系统能安全、平稳运行的同时，减少了冗余信号的传输数量，减轻了网络的传输压力，节省了通信所需的资源。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法，具体应用于多区域电力系统中的负荷频率量化控制，其特征在于，所述方法包括步骤：

S1、建立DoS攻击下带有量化器的多区域电力系统负荷频率控制的切换系统模型；

S2、引入事件触发机制到所述切换系统模型中，并设定所述事件触发机制的触发条件；

S3、基于所述多区域电力系统的状态和时滞系统理论分别定义第一分段函数和第二分段函数，并基于所述第一分段函数和第二分段函数改进所述切换系统模型得到最终切换系统模型；

S4、确定所述触发矩阵V和控制器增益矩阵K；

S5、建立所述最终切换系统模型的状态反馈控制器：

2.如权利要求1所述的DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述切换系统模型为：

其中，X(t)＝[X₁(t) X₂(t) … X_n(t)]^T，Y(t)＝[Y₁(t) Y₂(t) … Y_n(t)]^T，X_p(t)＝[ΔJ_p ΔP_mp ΔP_v ∫CDE_p ΔP_tie-p]^T，Y_p(t)＝[CDE_p ∫CDE_p]^T，p＝1,2…n，R_k,n＝[t_k,nh，t_k+1,nh)，I_1,n＝[nT，nT+T₁]，I_2,n＝[nT+T₁，nT+T]， 是一个给定的量化常数，f_s表示一个对数量化器，n∈Ν，w(t)表示为能量有界的扰动信号，h为采样周期，t_k,nh,t_k+1,nh分别为最近一次以及下一次满足触发条件被发送至控制器端的采样信号的采样时刻，C,U,F,D是系数矩阵，K是待求的控制器增益矩阵，是状态向量的导数，ΔJ_p,ΔP_mp,∫CDE_p分别为系统频率误差，机械频率误差和区域控制误差CDE_p的积分形式，ΔP_v,ΔP_tie-p分别为调节阀位置和联络线功率误差，T为DoS攻击周期，T₁为休眠周期。

3.如权利要求2所述的DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述触发条件为：其中，j∈Ν，k(n)＝sup{k∈Ν|t_k,nh≤nT+T₁}，k∈{0,1,…,k(n)}＝κ(n)，n∈Ν，I_1,n-1＝[nT-T，nT-T+T₁]。

4.如权利要求3所述的DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述第一分段函数为：

所述第二分段函数为：

其中， 式中，V为待求的触发矩阵，X(t_k,nh)为第k次触发时刻的状态值，X(t_k,nh+h)为第k次触发时刻后的一个采样周期时的状态值，d_k,n(t)为第k次采样信号的传输延时，所述最终切换系统模型为：

5.如权利要求4所述的DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S41、确定多区域电力系统在扰动抑制水平为稳定、安全运行的条件：存在正定对称矩阵P_i、Q_i、R_i、Z_i，μ∈(1,+∞)，α_i∈(0,+∞)，h∈(0,T₁)，T∈(T₁,+∞)，σ∈(0,1)，i∈{1,2}，G₁＝μ^-1， 0＜α₁T₁-α₂(T-T₁)-(α₁+α₂)h-ln(μ)；

S42、预先设定攻击周期为T和休眠周期为T₁的DoS攻击下的可调参数α_i＞0,μ＞1,σ∈(0,1),h∈(0,T₁),δ_i＞0,ε_i＞0,γ_i＞0,φ_i＞0,θ＞0,r＞0,；

S43、判断是否存在矩阵X_i＞0,Q_i＞0,R_i＞0,Z_i＞0,和V＞0，以及是否存在矩阵Y,M_i,N_i,S_i,i∈{1,2}满足不等式：

其中，

C₁＝[CX₁ UY 0 UY F]，C₂＝[CX₂ 0 0 F]，

G₁＝μ^-1，其中，I为单位矩阵，*是矩阵中与之对应的转置项，X₁,X₂,Y均为待求矩阵，F为扰动项的系数矩阵，ρ₁,ρ₂,ρ₃,ρ₄均为常数；

S44、根据上述矩阵不等式计算出触发矩阵V和矩阵X₁,X₂,Y，然后计算出控制器增益矩阵K＝YX₁ ^-1。

6.如权利要求1～5任一项所述的DoS攻击下基于事件触发机制的负荷频率量化控制方法，其特征在于，所述切换系统模型用于模拟多区域电力系统中的DoS攻击，所述量化器用于优化所述多区域电力系统中的通信资源。