CN111130106A - 一种针对多区域电力系统的攻击检测方法 - Google Patents

一种针对多区域电力系统的攻击检测方法 Download PDF

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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

一种针对多区域电力系统的攻击检测方法
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：
Figure BDA0002362141990000011
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：
Figure BDA0002362141990000021
其中Δfi是区域i的频率偏差，ΔPci是参考点的负荷，Tgi是第i个调速器的时间常数,Ri是转速下降系数，
Figure BDA0002362141990000022
且αi代表的是转速下降系数的不确定度；
负荷动态方程：
Figure BDA0002362141990000023
其中
Figure BDA0002362141990000024
是第i个区域联络线的网系潮流，ΔPLi是负荷偏差，Hi是区域i的等效惯性常数，Di是区域i的等效阻尼系数；
联络线潮流动态方程：
Figure BDA0002362141990000025
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：
Figure BDA0002362141990000026
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201，系统的状态为
Figure BDA0002362141990000027
根据上述动态方程，得到电力系统的状态空间模型为：
Figure BDA0002362141990000028
Figure BDA0002362141990000029
其中
Figure BDA00023621419900000210
Figure BDA00023621419900000211
ui＝ΔPci，wi＝ΔPLi，
Figure BDA00023621419900000212
Figure BDA00023621419900000213
Figure BDA0002362141990000031
Figure BDA0002362141990000032
Figure BDA0002362141990000033
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：
Figure BDA0002362141990000034
其中Kpi和Kli表示控制器的增益系数；
步骤203，在步骤202的基础上，定义
Figure BDA0002362141990000035
并且
Figure BDA0002362141990000036
则多区域的控制输入可以表示为
u(t)＝-Ky(t) (9)
其中K＝[Kpi Kli]；
步骤204，定义
Figure BDA0002362141990000037
则yi(t)＝Cixi(t)，
Figure BDA0002362141990000038
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：
Figure BDA0002362141990000039
y(t)＝Cx(t)+E2ay(t) (11)
其中A＝[Aij]n×n，
Figure BDA00023621419900000310
B＝diag[B1 … Bn]T，
Figure BDA00023621419900000311
Bw＝diag[Bw1 … Bwn]T，
Figure BDA00023621419900000312
E1、E2为设定维数的常数矩阵，au表示的是执行器攻击，ay表示的是传感器攻击；
对上述模型进行扩维，有：
Figure BDA0002362141990000041
Figure BDA0002362141990000042
其中
Figure BDA0002362141990000043
Figure BDA0002362141990000044
且需要满足以下条件：
①、执行器攻击及传感器攻击
Figure BDA0002362141990000045
θ1≥0，θ2≥0；
②BE1的维数与au保持一致，E2的维数与ay保持一致；
③对于任意的复数λ，
Figure BDA0002362141990000046
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：
Figure BDA0002362141990000047
根据公式(12)公式(14)，如下表示：
Figure BDA0002362141990000048
由电力系统的状态空间模型及中间变量的方程，有：
Figure BDA0002362141990000049
Figure BDA00023621419900000410
Figure BDA00023621419900000411
Figure BDA00023621419900000412
Figure BDA00023621419900000413
其中
Figure BDA00023621419900000414
是z(t)，τ(t)，y(t)，au(t)，ay(t)的估计值；
步骤402，状态观测增益矩阵的确定，定义
Figure BDA00023621419900000415
Figure BDA0002362141990000051
所以有：
Figure BDA0002362141990000052
Figure BDA0002362141990000053
Figure BDA0002362141990000054
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：
Figure BDA0002362141990000055
其中：
Figure BDA0002362141990000056
Figure BDA0002362141990000057
Figure BDA0002362141990000058
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)
由于传感器攻击及执行器攻击的估计信号
Figure BDA0002362141990000059
能较好地追踪到au(t)、
ay(t)，所以针对公式(25)对系统进行补偿，即执行器的输入为：
Figure BDA00023621419900000510
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：
Figure BDA0002362141990000061
Figure BDA0002362141990000062
其中
Figure BDA0002362141990000071
Figure BDA0002362141990000072
Figure BDA0002362141990000073
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：
Figure BDA0002362141990000074
Figure BDA0002362141990000075
其中E1、E2为模为1的常数矩阵，
Figure BDA0002362141990000076
Figure BDA0002362141990000081
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：
Figure BDA0002362141990000082
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
由于传感器攻击及执行器攻击的估计信号
Figure BDA0002362141990000083
能较好地追踪到au(t)、ay(t)，所以将估计信号进行反馈对系统进行补偿，即执行器的输入为：
Figure BDA0002362141990000084
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：
Figure FDA0002362141980000011
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：
Figure FDA0002362141980000012
其中Δfi是区域i的频率偏差，ΔPci是参考点的负荷，Tgi是第i个调速器的时间常数,Ri是转速下降系数，
Figure FDA0002362141980000013
且αi代表的是转速下降系数的不确定度；
负荷动态方程：
Figure FDA0002362141980000014
其中
Figure FDA0002362141980000015
是第i个区域联络线的网系潮流，ΔPLi是负荷偏差，Hi是区域i的等效惯性常数，Di是区域i的等效阻尼系数；
联络线潮流动态方程：
Figure FDA0002362141980000016
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：
Figure FDA0002362141980000017
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201，系统的状态为
Figure FDA0002362141980000021
根据上述动态方程，得到电力系统的状态空间模型为：
Figure FDA0002362141980000022
Figure FDA0002362141980000023
其中
Figure FDA0002362141980000024
Figure FDA0002362141980000025
ui＝ΔPci，wi＝ΔPLi，
Figure FDA0002362141980000026
Figure FDA0002362141980000027
Figure FDA0002362141980000028
i∈{1,…n}
Figure FDA0002362141980000029
Figure FDA00023621419800000210
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：
Figure FDA00023621419800000211
其中Kpi和Kli表示控制器的增益系数；
步骤203，在步骤202的基础上，定义
Figure FDA00023621419800000212
并且
Figure FDA00023621419800000213
则多区域的控制输入可以表示为
u(t)＝-Ky(t) (9)
其中K＝[Kpi Kli]；
步骤204，定义
Figure FDA0002362141980000031
则yi(t)＝Cixi(t)，
Figure FDA0002362141980000032
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：
Figure FDA0002362141980000033
y(t)＝Cx(t)+E2ay(t) (11)
其中A＝[Aij]n×n，
Figure FDA0002362141980000034
B＝diag[B1 … Bn]T，
Figure FDA0002362141980000035
Bw＝diag[Bw1 … Bwn]T，
Figure FDA0002362141980000036
E1、E2为设定维数的常数矩阵，au表示的是执行器攻击，ay表示的是传感器攻击；
对上述模型进行扩维，有：
Figure FDA0002362141980000037
Figure FDA0002362141980000038
其中
Figure FDA0002362141980000039
Figure FDA00023621419800000310
且需要满足以下条件：
①、执行器攻击及传感器攻击
Figure FDA00023621419800000311
θ1≥0，θ2≥0；
②BE1的维数与au保持一致，E2的维数与ay保持一致；
③对于任意的复数λ，
Figure FDA00023621419800000312
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：
Figure FDA00023621419800000313
根据公式(12)公式(14)，如下表示：
Figure FDA00023621419800000314
由电力系统的状态空间模型及中间变量的方程，有：
Figure FDA0002362141980000041
Figure FDA0002362141980000042
Figure FDA0002362141980000043
Figure FDA0002362141980000044
Figure FDA0002362141980000045
其中
Figure FDA0002362141980000046
Figure FDA0002362141980000047
是z(t)，τ(t)，y(t)，au(t)，ay(t)的估计值；
步骤402，状态观测增益矩阵的确定，定义
Figure FDA0002362141980000048
Figure FDA0002362141980000049
所以有：
Figure FDA00023621419800000410
Figure FDA00023621419800000411
Figure FDA00023621419800000412
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：
Figure FDA00023621419800000413
其中：
Figure FDA00023621419800000414
Figure FDA00023621419800000415
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)
由于传感器攻击及执行器攻击的估计信号
Figure FDA0002362141980000051
能较好地追踪到au(t)、ay(t)，所以针对公式(25)对系统进行补偿，即执行器的输入为：
Figure FDA0002362141980000052
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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