CN111130106A - 一种针对多区域电力系统的攻击检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种针对多区域电力系统的攻击检测方法,包括以下步骤:1)获取多区域电力系统的动态方程。2)构建多区域电力系统的状态空间模型。3)当电力系统的执行器及传感器受到攻击时,构建包含攻击信号的状态空间模型4)通过LMI工具箱解出中间观测器的系数矩阵,对攻击信号进行预测。5)将预测得到的攻击信号补偿到电力系统中,使电力系统保持稳定运行。本发明使电力系统保持稳定。一方面是当电力系统的传感器及执行器受到攻击时,通过中间观测器,成功地将所受到的攻击信号估计出来;另一方面是将中间观测器所估计的信号补偿给电力系统,抵消所受到攻击的影响,从而保持电力系统的平稳运行。
Description
技术领域
本发明主要是针对当多区域的电力系统的执行器及传感器受到攻击时,通过中间观测器对攻击信号进行估计,再通过补偿使电力系统保持稳定。
背景技术
电力系统是由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转换成电能,再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。为实现这一功能,电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统,对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度,以保证用户获得安全、优质的电能。
一个大规模的电力系统是由多个控制区域通过连接线连接而成的,通过控制电力系统的网络层,从而对电力系统实现便捷的控制。近年来,对于电力系统的网络层所受到的攻击研究较多,比如虚假数据注入攻击,使电力系统出现误动。但对电力系统的执行器及传感器所受到攻击的研究较少,当执行器受到攻击时,会导致电力系统的误操作等,当传感器受到攻击时,会对电力系统的数据检测有偏差,对一些故障数据不能及时的查知。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明主要是对电力系统的传感器及执行器受到攻击时的攻击信号进行估计并对其进行补偿,使电力系统保持稳定。一方面是当电力系统的传感器及执行器受到攻击时,通过中间观测器,成功地将所受到的攻击信号估计出来;另一方面是将中间观测器所估计的信号补偿给电力系统,抵消所受到攻击的影响,从而保持电力系统的平稳运行。
本发明为实现上述目的,提出了如下的技术方案:
一种基于多区域电力系统的攻击防御方法,包括如下步骤:
步骤1、多区域电力系统模型的构建,根据电力系统结构框架,得到负荷频率控制的电力系统的动态方程:
涡轮动态方程:
其中ΔPmi是发电机机械功率偏差,ΔPvi是涡轮阀位置偏差,Tchi是第i个区域涡轮机的时间常数;
考虑转速下降系数的不确定性时的调速器动态方程:
负荷动态方程:
联络线潮流动态方程:
其中Tij是同步功率系数,Δfj是j区域的频率偏差。
区域控制误差信号:
步骤2、由步骤1所得到的动态方程,构建负荷频率控制的电力系统模型,过程如下:
步骤202,通过在电力系统加入一个PI控制器,使得系统的输出保持稳定加入控制器后,ui表示如下:
其中Kpi和Kli表示控制器的增益系数;
u(t)=-Ky(t) (9)
其中K=[Kpi Kli];
步骤3、传感器及执行器受到攻击时的电力系统模型构建,当电力系统的传感器及执行器受到攻击时,其状态空间模型为:
y(t)=Cx(t)+E2ay(t) (11)
对上述模型进行扩维,有:
且需要满足以下条件:
②BE1的维数与au保持一致,E2的维数与ay保持一致;
步骤4、中间观测器的设计,过程如下:
步骤401,定义一个中间变量:
根据公式(12)公式(14),如下表示:
由电力系统的状态空间模型及中间变量的方程,有:
对于给定的μ和σ,且存在矩阵P1>0,P2>0以及矩阵H使得系统的状态最终是一致有界的,则下式成立,通过LMI工具箱解得系数矩阵L:
步骤5、对攻击信号进行补偿,信息物理系统中执行器的输入为:
E=K(E2y+ay)+au (25)
ay(t),所以针对公式(25)对系统进行补偿,即执行器的输入为:
从而很好地补偿了传感器及执行器受到攻击信号的影响。
本发明的有益效果主要表现在:1、考虑到电力系统执行器及传感器受到攻击时的防御措施;2、采用中间观测器的方法对攻击信号进行估值,能够及时的发现与防御;3、通过采用中间观测器进行估值,并进一步对攻击信号进行补偿,使得电力系统仍保持稳定,网络安全问题得到进一步的保障。
附图说明
图1为本发明方法的具体实施流程图;
图2为两区域电力系统的结构框图;
图3为执行器及传感器受到的攻击信号估值结果,其中,(a)表示执行器攻击信号估值及误差;(b)表示传感器攻击信号估值及误差;
图4为电力系统补偿前后的输出对比图,其中,(a)表示没有补偿情况下的电力系统输出;(b)表示有补偿时的电力系统输出。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
参照图1~图4,一种针对多区域电力系统的攻击检测方法,包括如下步骤:
步骤1、根据附图2中一个两区域的电力系统结构框架,得到负荷频率控制的电力系统的动态方程,具体参数的值如下:
区域1:Tch1=0.17s,Tg1=0.4s,R1=0.05,D1=1.5,M1=12,β1=41.5,Tij=0.05;
区域2:Tch2=0.2s,Tg2=0.35s,R2=0.05,D2=1.8,M2=12,β2=61.8,Tij=0.05。
步骤2、由步骤1所得到的动态方程,构建负荷频率控制的电力系统状态空间模型:
步骤3、传感器及执行器受到攻击时的电力系统模型构建,当电力系统的传感器及执行器受到攻击时,并对矩阵进行扩维后的状态空间模型为:
其中E1、E2为模为1的常数矩阵,
步骤4、中间观测器的设计,通过LMI工具箱,计算得到观测器的系数矩阵为:
对执行器及传感器的攻击信号估计情况如附图3所示。
步骤5、对攻击信号进行补偿,信息物理系统中执行器的输入为:
E=K(E2y+ay)+au
从而很好地补偿了传感器及执行器受到攻击信号的影响,使得多区域的电力系统输出保持稳定,补偿前后系统的输出结果如附图4所示。
如上所述,便可较好地实现本发明,上述实施例仅为本发明的典型实施例,并非用来限定本发明的实施范围,即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰,都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (1)
1.一种针对多区域电力系统的攻击检测方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
步骤1、多区域电力系统模型的构建,根据电力系统结构框架,得到负荷频率控制的电力系统的动态方程:
涡轮动态方程:
其中ΔPmi是发电机机械功率偏差,ΔPvi是涡轮阀位置偏差,Tchi是第i个区域涡轮机的时间常数;
考虑转速下降系数的不确定性时的调速器动态方程:
负荷动态方程:
联络线潮流动态方程:
其中Tij是同步功率系数,Δfj是j区域的频率偏差。
区域控制误差信号:
步骤2、由步骤1所得到的动态方程,构建负荷频率控制的电力系统模型,过程如下:
步骤202,通过在电力系统加入一个PI控制器,使得系统的输出保持稳定加入控制器后,ui表示如下:
其中Kpi和Kli表示控制器的增益系数;
u(t)=-Ky(t) (9)
其中K=[Kpi Kli];
步骤3、传感器及执行器受到攻击时的电力系统模型构建,当电力系统的传感器及执行器受到攻击时,其状态空间模型为:
y(t)=Cx(t)+E2ay(t) (11)
对上述模型进行扩维,有:
且需要满足以下条件:
②BE1的维数与au保持一致,E2的维数与ay保持一致;
步骤4、中间观测器的设计,过程如下:
步骤401,定义一个中间变量:
根据公式(12)公式(14),如下表示:
由电力系统的状态空间模型及中间变量的方程,有:
对于给定的μ和σ,且存在矩阵P1>0,P2>0以及矩阵H使得系统的状态最终是一致有界的,则下式成立,通过LMI工具箱解得系数矩阵L:
L=P1 -1H;
步骤5、对攻击信号进行补偿,信息物理系统中执行器的输入为:
E=K(E2y+ay)+au (25)
从而很好地补偿了传感器及执行器受到攻击信号的影响。
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