CN110262347B - 拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法 - Google Patents

拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于网络化控制系统领域，具体涉及拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法，包括：建立多机电力系统模型；引入拒绝服务攻击模型，建立拒绝服务攻击下的多机电力系统模型模型；引入弹性事件触发机制，建立拒绝服务攻击下的多机电力系统最终模型；确定事件触发矩阵和控制器增益；建立拒绝服务攻击下基于弹性事件触发机制的广域阻尼控制器。本申请的多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法，针对安全控制问题，引入一种弹性事件触发机制，从而在保证系统平稳、安全运行的同时也减少了冗余信号的传输量，减轻了通信网络的传输压力，节省了有限的网络带宽资源。

Description

拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法
技术领域
本申请属于网络化控制系统领域，特别涉及一种拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统广域阻尼控制器构建方法。
背景技术
近年来，在网络控制系统的安全控制问题成为一大研究热点的同时，奇异网络控制系统的安全控制问题也备受关注。奇异网络控制系统通常采用分布式控制方式，采集的动态信息以及各类控制信号利用通信网络进行传输，随着通信网络的开放程度越来越高，遭受网络攻击的可能性也就越来越大。网络攻击主要分为欺骗攻击和拒绝服务攻击等，其中，拒绝服务攻击出现的可能性最大，其目的是占用通信通道，消耗网络带宽，阻断正常通信，从而可能导致奇异网络控制系统不稳定。
与此同时，随着电力系统的规模不断扩大，电网之间的互联也在不断加强。电网互联作为节约型社会的必然选择，能够提高系统整体运行的经济性，而广域阻尼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热点。基于GPS技术构建的广域测量系统使得从系统角度综合考虑的广域控制得到越来越多的关注。在多机电力系统广域阻尼控制中，多个节点共用同一带宽资源，所以节省有限的网络带宽，避免拥堵，增加控制的时效性也很有意义。
传统的周期采样会产生大量冗余信号，从而增加网络通信的压力，如何设计出既能维持系统稳定性能，也能节省网络通信资源的控制策略，是目前急需解决的难题。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法。
本申请公开了一种拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法，包括：
建立多机电力系统模型；
引入拒绝服务攻击模型，建立拒绝服务攻击下的多机电力系统模型；
引入弹性事件触发机制，建立拒绝服务攻击下的多机电力系统最终模型；
确定事件触发矩阵和控制器增益；
建立拒绝服务攻击下基于弹性事件触发机制的广域阻尼控制器。
根据本申请的至少一个实施方式，所述建立多机电力系统模型步骤包括：
基于奇异切换系统模型，建立多机电力系统模型；
所述建立拒绝服务攻击下的多机电力系统模型步骤包括：
建立拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统模型；
所述建立拒绝服务攻击下的多机电力系统最终模型步骤包括：
建立拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统最终模型。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述基于奇异切换系统模型步骤之前还包括：
建立奇异切换系统模型。
根据本申请的至少一个实施方式，所述奇异切换系统模型：
Figure BDA0002108126290000021
其中，
Figure BDA0002108126290000022
输入项F(t)＝[0n T Fω T Fθ T]T；Fω表示注射机械功率；Fθ表示有功负载功率；Mg＝diag(M1,…,Mn)；Dg＝diag(D1,…,Dn)；Mj表示第j个发电机的惯性系数；Dj表示第j个发电机的阻尼系数；Lgg是对角矩阵；Lll是可逆矩阵，且
Figure BDA0002108126290000023
根据本申请的至少一个实施方式，所述拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统模型为：
Figure BDA0002108126290000024
其中，
Figure BDA0002108126290000025
B＝[I 0]；x(t)表示系统的状态信号；y(t)表示控制输出；E，A，B为具有预定维数的常数矩阵；C为加权矩阵，其中，E是奇异矩阵。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述引入拒绝服务攻击模型，建立拒绝服务攻击下的多机电力系统模型模型步骤中，所述拒绝服务攻击模型为非周期拒绝服务攻击模型，其中，所述非周期拒绝服务攻击模型为：
Figure BDA0002108126290000031
其中，n∈N表示攻击次数；无攻击区间
Figure BDA0002108126290000032
攻击区间
Figure BDA0002108126290000033
ln代表第n次无攻击区间的开始位置，信号正常传输；dn代表无攻击区间的长度；ln+dn代表第n次攻击区间的开始位置，信号被阻断；ln+1代表第n次攻击结束。
根据本申请的至少一个实施方式，所述建立拒绝服务攻击下的多机电力系统模型步骤包括：
建立非周期拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统模型，其中
所述非周期拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统模型为：
Figure BDA0002108126290000034
其中，K为控制器增益。
根据本申请的至少一个实施方式，所述建立拒绝服务攻击下的多机电力系统最终模型步骤包括：
建立非周期拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统最终模型，其中
所述非周期拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统最终模型为：
Figure BDA0002108126290000041
其中，Γ(t)表示x(t)的初始函数，且qk,n(t)满足如下关系：
qT k,n(t)Λqk,n(t)≤ΥxT(t-sk,n(t))Λx(t-sk,n(t))。
根据本申请的至少一个实施方式，所述广域阻尼控制器的数学模型为：
Figure BDA0002108126290000042
本申请至少存在以下有益技术效果：
本申请的拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法，针对安全控制问题，引入一种弹性事件触发机制，从而在保证系统平稳、安全运行的同时也减少了冗余信号的传输量，减轻了通信网络的传输压力，节省了有限的网络带宽资源。
附图说明
图1是本申请拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法流程图；
图2是本发明拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法中广域阻尼控制系统的结构框图；
图3是本发明拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法中弹性事件触发器的工作原理图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
下面结合附图1-图3对本申请的拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法进一步详细说明。
如图2所示，通常的多机电力系统主要由向量数据集中器、事件触发器、PMU、发电机及广域阻尼控制器共同构建的广域阻尼控制系统来控制。向量数据集中器的作用是记录PMU的数据值，事件触发器的作用是响应多机电力系统的采样信号，并将当前的采样信号传递给广域阻尼控制器，广域阻尼控制器的作用是将控制信号发送给多机电力系统。
本申请的提供一种拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统广域阻尼控制方法，具体地，可以包括如下步骤：
S101、建立多机电力系统模型。
具体地，在多机(n机)电力系统中，每个发电机由3阶数学模型表示，未加入控制的时候，选取状态变量x＝[ΔδT ΔωT ΔθT]T，其中，Δδ＝[Δδ1 T Δδ2 T … Δδn T]T，Δω＝[Δω1 T Δω2 T … Δωn T]T，Δθ＝[Δθ1 T Δθ2 T … Δθn T]T，Δδj(j＝1,2,...,n)表示第j个发电机的转子角度，Δωj表示第j个发电机的转子频率，Δθj表示第j个总线的电压角。最终，基于潮流模型，得到多机电力系统的线性连续奇异系统模型为：
Figure BDA0002108126290000051
其中，
Figure BDA0002108126290000052
输入项F(t)＝[0n T Fω T Fθ T]T,Fω表示注射机械功率，Fθ表示有功负载功率，Mg＝diag(M1,…,Mn)，Dg＝diag(D1,…,Dn)，Mj表示第j个发电机的惯性系数，Dj表示第j个发电机的阻尼系数，Lgg是对角矩阵，Lll是可逆矩阵，且
Figure BDA0002108126290000053
进一步地，为了便于控制器的设计，将选取的状态变量重新定义为：x＝[x1 T x2 T… xn T]T，另外，注射机械功率Fω可以被有效控制，所以将F(t)重写成维数合适的控制输入项Bu(t)，接着进行简单的数学推导，可以得到基于奇异系统的多机电力系统状态方程表达式(即系统模型)为：
Figure BDA0002108126290000061
其中，
Figure BDA0002108126290000062
B＝[I 0]，x(t)表示系统的状态信号，y(t)表示控制输出，E，A，B是具有合适维数的常数矩阵，C为加权矩阵，其中，E是奇异矩阵。
S102、引入拒绝服务攻击模型，建立拒绝服务攻击下的多机电力系统模型。
具体地，本实施例中，优选拒绝服务攻击模型为非周期拒绝服务攻击模型；
假设拒绝服务攻击信号表示一组能量有限的攻击信号，会占用有限的网络通道并阻断通信。下面，建立非周期拒绝服务攻击模型的表达式为：
Figure BDA0002108126290000063
其中，n∈N表示攻击次数，无攻击区间
Figure BDA0002108126290000064
攻击区间
Figure BDA0002108126290000065
ln代表第n次无攻击区间的开始位置，信号正常传输，dn代表无攻击区间的长度，ln+dn代表第n次攻击区间的开始位置，信号被阻断，ln+1代表第n次攻击结束。攻击序列{H2,n}满足：0≤l0≤l0+d0＜l1≤l1+d1＜l2≤…＜ln+1，所以，区间不会被覆盖。在非周期拒绝服务攻击的影响下，建立控制器输入信号u(t)的模型为：
Figure BDA0002108126290000066
其中，
Figure BDA0002108126290000067
{tk,nh}表示弹性事件触发机制产生的触发时间序列，
Figure BDA0002108126290000068
h＞0表示采样周期，
Figure BDA0002108126290000069
并且k(n)＝sup{k∈|tk，nh≤ln+dn}，则有：tk(n)+1h＞ln+dn。
综上所述，非周期拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统数学模型为：
Figure BDA0002108126290000071
S103、引入弹性事件触发机制，建立拒绝服务攻击下的多机电力系统最终模型。
如图3所示，本发明弹性事件触发器的工作原理为：依据触发算法，判断当前采样信号是否满足触发条件，若满足，则将信号发送给广域阻尼控制器，否则不执行发送任务，从而节省有限的网络带宽资源。
具体地，在非周期拒绝服务攻击的影响下，为了减少有限网络带宽的使用，事件触发器会根据下列触发条件来判断是否将当前信号传递给控制器：
tk,nh＝{tkh满足：
Figure BDA0002108126290000072
其中，
Figure BDA0002108126290000073
k表示第n个攻击周期中发生的触发次数，Υ∈(0,1)是待设计的触发参数，Λ是待设计的正定加权矩阵，且
Figure BDA0002108126290000074
表示两个连续触发时刻间的采样时刻，
Figure BDA0002108126290000079
表示最新的事件触发时刻。该触发条件只与当前采样信号以及前一次触发信号有关，当满足触发条件时，事件触发器将当前接收到的采样信号传递给控制器，并通过控制器更新一次控制信号。
用于技术分析，划分事件区间
Figure BDA0002108126290000075
其中，k∈T(n)，n∈N，
Figure BDA0002108126290000076
接着，定义两个分段函数：
Figure BDA0002108126290000077
Figure BDA0002108126290000078
从而可知：x(tk,nh)＝x(t-sk,n(t))+qk,n(t)，t∈Lk,n∩H1,n。
综上，得到非周期拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统最终模型为：
Figure BDA0002108126290000081
其中，Γ(t)表示x(t)的初始函数，且qk,n(t)满足如下关系：
qT k,n(t)Λqk,n(t)≤ΥxT(t-sk,n(t))Λx(t-sk,n(t))。
S104、确定事件触发矩阵Λ和控制器增益K。
具体地，预先设定待确定的拒绝服务攻击频率参数τd、单区间最小无攻击长度lmin，单区间最大攻击长度bmax以及可调参数ρi，ηi，ωi，χi，δi，h＞0，Υ∈(0,1)，αi＞0及μi＞1，若存在矩阵Ji＞0，
Figure BDA0002108126290000082
Figure BDA0002108126290000083
Λ＞0，且存在矩阵Y，
Figure BDA0002108126290000084
i∈{1,2}，满足下列矩阵不等式：
Figure BDA0002108126290000085
Figure BDA0002108126290000086
Figure BDA0002108126290000087
Figure BDA0002108126290000088
Figure BDA0002108126290000091
其中：
Figure BDA0002108126290000092
Figure BDA0002108126290000093
Figure BDA0002108126290000094
Figure BDA0002108126290000095
Figure BDA0002108126290000096
Figure BDA0002108126290000097
*表示矩阵中与之对应的转置项，Ji，Y为待求矩阵；然后，根据预先设定好的参数及线性矩阵不等式计算出待求矩阵Ji，Y和事件触发矩阵Λ；最后，计算出相应的控制器增益矩阵K＝YJ1 -1。
S105、建立拒绝服务攻击下基于弹性事件触发机制的广域阻尼控制器。
具体地，建立广域阻尼控制器的数学模型为：
Figure BDA0002108126290000098
从而根据控制器模型，完成拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统广域阻尼控制方法设计。
综上所述，本发明拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法中，基于奇异切换系统模型，建立多机电力系统的广域阻尼控制系统模型，当采样信号被拒绝服务攻击拦截时，广域阻尼控制器切换成攻击区间内的系统模型；向量数据集中器将每次来自于多机电力系统的采样信号传递给弹性事件触发器，并依据相应的触发算法，判断接收到的信号是否满足触发条件，若满足，则将当前信号发送给广域阻尼控制器，否则不执行发送任务，运用弹性控制可以有效保证系统的稳定性。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：针对安全控制问题，引入一种弹性事件触发机制，从而在保证系统平稳、安全运行的同时也减少了冗余信号的传输量，减轻了通信网络的传输压力，节省了有限的网络带宽资源。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法，其特征在于，包括：
建立多机电力系统模型；
引入拒绝服务攻击模型，建立拒绝服务攻击下的多机电力系统模型；
引入弹性事件触发机制，建立拒绝服务攻击下的多机电力系统最终模型；
确定事件触发矩阵和控制器增益；
建立拒绝服务攻击下基于弹性事件触发机制的广域阻尼控制器；
所述建立多机电力系统模型步骤包括：
基于奇异切换系统模型，建立多机电力系统模型，其步骤为：
在所述基于奇异切换系统模型步骤之前还包括：建立奇异切换系统模型，所述奇异切换系统模型为:
Figure FDA0003073113340000011
其中，
Figure FDA0003073113340000012
输入项F(t)＝[0n T Fω T Fθ T]T,Fω表示注射机械功率，Fθ表示有功负载功率，Mg＝diag(M1,L,Mn)，Dg＝diag(D1,L,Dn)，Mj表示第j个发电机的惯性系数，Dj表示第j个发电机的阻尼系数，Lgg是对角矩阵，Lll是可逆矩阵，且
Figure FDA0003073113340000013
所述建立拒绝服务攻击下的多机电力系统模型步骤包括：
建立拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统模型；
所述建立拒绝服务攻击下的多机电力系统最终模型步骤包括：
建立拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统最终模型。
2.根据权利要求1所述的拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法，其特征在于，所述拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统模型为：
Figure FDA0003073113340000021
其中，
Figure FDA0003073113340000022
B＝[I 0]；x(t)表示系统的状态信号；y(t)表示控制输出；E，A，B为具有预定维数的常数矩阵；C为加权矩阵，其中，E是奇异矩阵。
3.根据权利要求2所述的拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法，其特征在于，在所述引入拒绝服务攻击模型，建立拒绝服务攻击下的多机电力系统模型步骤中，所述拒绝服务攻击模型为非周期拒绝服务攻击模型，其中，所述非周期拒绝服务攻击模型为：
Figure FDA0003073113340000023
其中，n∈N表示攻击次数；无攻击区间
Figure FDA0003073113340000024
攻击区间
Figure FDA0003073113340000025
ln代表第n次无攻击区间的开始位置，信号正常传输；dn代表无攻击区间的长度；ln+dn代表第n次攻击区间的开始位置，信号被阻断；ln+1代表第n次攻击结束。
4.根据权利要求3所述的拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法，其特征在于，所述建立拒绝服务攻击下的多机电力系统模型步骤包括：
建立非周期拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统模型，其中
所述非周期拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统模型为：
Figure FDA0003073113340000031
其中，K为控制器增益。
5.根据权利要求4所述的拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法，其特征在于，所述建立拒绝服务攻击下的多机电力系统最终模型步骤包括：
建立非周期拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统最终模型，其中
所述非周期拒绝服务攻击下基于奇异切换系统的多机电力系统最终模型为：
Figure FDA0003073113340000032
其中，Γ(t)表示x(t)的初始函数，且qk,n(t)满足如下关系：
qT k,n(t)Λqk,n(t)≤ΥxT(t-sk,n(t))Λx(t-sk,n(t))。
6.根据权利要求5所述的拒绝服务攻击下多机电力系统的广域阻尼控制器构建方法，其特征在于，所述广域阻尼控制器的数学模型为：
Figure FDA0003073113340000041
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