CN112769127B - 分布式中间观测器的交流微电网频率攻击检测及恢复方法 - Google Patents

分布式中间观测器的交流微电网频率攻击检测及恢复方法 Download PDF

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Abstract

一种基于分布式中间观测器的交流微电网频率攻击检测及恢复方法，首先对微电网系统的进行建模分析；构建中间观测器；并对微网所受攻击信号进行实时估计；最后设计弹性控制器对系统进行补偿；达到系统频率同步恢复以及有功功率精确分配的目的。本发明的方法考虑了交流微电网系统中发生网络攻击的现象，能对系统所受攻击进行实时观测，从而提高了微网系统整体可靠性。

Description

分布式中间观测器的交流微电网频率攻击检测及恢复方法
技术领域
本发明属于微电网安全领域，具体涉及一类基于分布式中间观测器的交流微电网频率攻击的检测及恢复方法。
背景技术
随着传统能源供应短缺以及对用电可靠性的提高，以高效、清洁的分布式电源(distributed generation，DG)为基础，结合储能单元、负荷和相关控制装置的微电网成为一种灵活、先进的新型供电方式，是近年来国内外研究的热点。微电网既可以与大电网并联运行，也可以在电网故障下进行孤岛运行，独立为本地负载供电，具有较高的供电安全性和可靠性。
当前，受传统电力系统控制的启发，孤岛式微电网主要采用分层控制结构：底层分散式下垂控制实现功率分配问题，二层控制旨在消除由底层下垂控制导致的电压和频率偏差问题，第三层控制则是经济调度以及优化问题。而对于二层控制中，主要有三种类型的控制策略：集中式、分散式以及分布式。集中式控制采用一个集成控制器来控制整个网络；分散式控制则采用了许多子控制器对每个DG进行控制，子控制器之间不存在信息的交互；分布式控制则使用子控制器及其邻居的信息进行控制，具有较高的灵活性和可靠性。
近年来，微电网控制系统与物联网、互联网呈现高度融合的趋势，不仅提升了微电网智能化、信息化的程度，也带来了一系列的安全问题。由于电力系统运行中，许多的组成部分都直接或间接的依赖系统的运行状态，所以，一旦系统受到攻击，其他子系统必然会受到不同程度的影响，从而导致其他问题的出现。而相比于集中式控制，分布式控制仅需要邻居之间的通信进行控制，但缺少用于监视参与的发电单元活动的中央控制器从而导致分布式控制在电网网络安全方面面临较为严重的问题。
对于受到的安全威胁，及时对系统运行状态进行检测，实时发现可疑行为，并对入侵行为进行观测补偿就变得尤为重要。现有的许多检测措施都是基于观测器的匹配条件，对于许多实际系统都是无法满足的；一些没有观测器匹配条件的方法则是基于性能优化提出的，则无法通过理论分析明确得到误差范围。
发明内容
基于上述问题，本发明提供了一种基于分布式中间观测器的微电网攻击检测方式，该方法能较为准确快速的跟踪攻击信号，在保证功率按比例分配的同时，进而实现系统频率恢复，通过构造中间观测器的方法，来同时观测状态量以及攻击量，并证明了误差系统的状态是一致最终有界。
本发明为解决上述技术问题提供了如下解决方案：
一种分布式中间观测器的交流微电网频率攻击检测及恢复方法，包括以下步骤：
1)建立攻击下交流微电网模型，过程如下：
1.1)基于下垂控制策略，获得输出频率表达式如式(1)所示：
Figure GDA0003516822410000021
其中τP为滤波时间常数，ω为输出频率，ωd为频率设计值，KP为下垂系数，P为输出有功功率，Pd为输出有功功率设计值；
1.2)为实现频率跟踪，定义局部频率邻域跟踪误差定义为式(2)所示：
Figure GDA0003516822410000022
其中ωi为第i个DG的输出频率，ωj为第j个DG的输出频率，ωref为基准频率，
Figure GDA0003516822410000023
为第i个DG的频率增益系数；
1.3)为满足功率进一步精确按需分配，定义最优有功功率分配误差，表示如式(3)所示：
Figure GDA0003516822410000024
其中Pi为第i个DG的输出有功功率，Pj为第j个DG的输出有功功率，χi为第i个DG的有功功率分配比，χj为第j个DG的有功功率分配比；
进一步，假设输入控制器中测量频率受到如下攻击信号：
Figure GDA0003516822410000025
其中
Figure GDA0003516822410000026
为输入第i个控制器的频率攻击信号，为时变有界信号，当ηi＝1时，第i个DG受到攻击；ηi＝0时，第i个DG不受攻击；
对受攻击后的系统进行重新建模，得到攻击后的全局方程如(5)所示：
Figure GDA0003516822410000031
其中
Figure GDA0003516822410000032
为攻击后的频率输出值，α为分布式控制器增益，β为积分环节系数，γ为比例环节系数，LC为系统通信拉普拉斯矩阵；
2)建立中间观测器，过程如下：
2.1)定义中间变量如式(6)所示：
Figure GDA0003516822410000033
其中
Figure GDA0003516822410000034
λ为可调参数；
从而设计中间观测器如下：
Figure GDA0003516822410000035
其中
Figure GDA0003516822410000036
为
Figure GDA0003516822410000037
的观测值，
Figure GDA0003516822410000038
为ι的观测值，
Figure GDA0003516822410000039
为ξ的观测值；
Mi＝(αi-1)ωref+ωd，
Figure GDA00035168224100000310
Figure GDA00035168224100000311
且F为中间观测器增益。通过构造矩阵不等式从而获得观测器增益；
3)设计分布式弹性控制器对频率进行恢复，由上述所构造的观测器以及观测误差分析，对于第i个DG，其弹性控制器可设计如下：
Figure GDA00035168224100000312
其中Ki为第i个控制器增益，Zi＝kPiPi-Mi。
所述步骤2)中构建中间变量对攻击信号实时估计，所述步骤3)中构造分布式弹性控制器对攻击后系统频率进行同步恢复的同时让保持功率的按需分配，在改变负载等扰动下，频率仍能准确跟踪基准值50Hz，具有较强的抗扰能力，进一步提高了微电网的可靠性。
本发明的工作原理如下：先对受攻击后微电网系统重新建模，获得全局闭环方程模型；再根据网络中的攻击信号，进行中间观测器构建，对攻击进行实时估计，最后设计一种分布式二层弹性控制器，实现频率的恢复。
本发明的有益效果主要表现在：相较于传统微电网二层弹性控制，不仅能实现常值攻击检测，对于时变攻击信号仍能进行估计并补偿，在不影响原系统的功率精确分配条件下，受攻击后微电网频率仍能准确跟踪频率基准值。而所采用的中间观测器不受观测器匹配条件的限制，对攻击进行实时估计，保证系统安全运行，而且所需的参数均可通过传感器测得。
附图说明
图1是微网网络通讯拓扑图；
图2是攻击模型结构框图；
图3是加入攻击信号后，原二次控制前后，频率以及输出有功功率对比图；
图4是加入攻击信号后，本发明所提出的弹性控制前后，频率以及输出有功功率对比图；
图5是加入攻击信号，额外负载接入前后，频率以及输出有功功率对比图；
图6是加入攻击信号，断开额外负载前后，频率以及输出有功功率对比图；
图7是本发明实施的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图和实际实验对本发明的技术方案作进一步描述。
参照图1～图7，一种分布式中间观测器的交流微电网频率攻击检测及恢复方法，包括以下步骤：
1)建立攻击下交流微电网模型，过程如下：
1.1)基于下垂控制策略，获得输出频率表达式如式(1)所示：
Figure GDA0003516822410000051
其中τP为滤波时间常数，ω为输出频率，ωd为频率设计值，KP为下垂系数，P为输出有功功率，Pd为输出有功功率设计值；
1.2)为实现频率跟踪，定义局部频率邻域跟踪误差定义为式(2)所示：
Figure GDA0003516822410000052
其中ωi为第i个DG的输出频率，ωj为第j个DG的输出频率，ωref为基准频率，
Figure GDA0003516822410000053
为第i个DG的频率增益系数；
1.3)为满足功率进一步精确按需分配，定义最优有功功率分配误差，表示如式(3)所示：
Figure GDA0003516822410000054
其中Pi为第i个DG的输出有功功率，Pj为第j个DG的输出有功功率，χi为第i个DG的有功功率分配比，χj为第j个DG的有功功率分配比；
进一步，假设输入控制器中测量频率受到如下攻击信号：
Figure GDA0003516822410000055
其中
Figure GDA0003516822410000056
为输入第i个控制器的频率攻击信号，为时变有界信号，当ηi＝1时，第i个DG受到攻击；ηi＝0时，第i个DG不受攻击；
对受攻击后的系统进行重新建模，得到攻击后的全局方程如(5)所示：
Figure GDA0003516822410000057
其中
Figure GDA0003516822410000058
为攻击后的频率输出值，α为分布式控制器增益，β为积分环节系数，γ为比例环节系数，LC为系统通信拉普拉斯矩阵；
2)建立中间观测器，过程如下：
2.1)定义中间变量如式(6)所示：
Figure GDA0003516822410000061
其中
Figure GDA0003516822410000062
λ为可调参数；
从而设计中间观测器如下：
Figure GDA0003516822410000063
其中
Figure GDA0003516822410000064
为
Figure GDA0003516822410000065
的观测值，
Figure GDA0003516822410000066
为ι的观测值，
Figure GDA0003516822410000067
为ξ的观测值；
Mi＝(αi-1)ωref+ωd，
Figure GDA0003516822410000068
Figure GDA0003516822410000069
且F为中间观测器增益；通过构造矩阵不等式从而获得观测器增益；
3)设计分布式弹性控制器对频率进行恢复，由上述所构造的观测器以及观测误差分析，对于第i个DG，其弹性控制器可设计如下：
Figure GDA00035168224100000610
其中Ki为第i个控制器增益，
Figure GDA00035168224100000611
从而由中间观测器(7)实现对攻击信号的实时估计，由弹性控制器(8)实现对系统频率的补偿恢复，并维持输出有功功率按需分配。
为了能直观的验证本发明所提策略的效果，下面分别通过实例实验效果进行说明：
表1给出了主要的电气参数和控制器参数。
Figure GDA00035168224100000612
Figure GDA0003516822410000071
表1
本发明设置了由4个DG组成的220V，50Hz孤岛式交流微电网系统，其物理连接及其相应的通信拓扑结构。采用的的实验平台主要包括两个部分：整个MG系统的物理连接以及DG的主控制器在实时模拟器OP5600中进行建模和仿真，而本文所提的分布式二层控制器在数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)控制器板上实现。Modbus TCP/IP通信协议用于分布式DSP控制器之间的通信。
当对系统注入数值为
Figure GDA0003516822410000072
的攻击信号时，在原分布式二层控制策略下，有功功率虽能保持按既定比例分配，但频率出现明显的稳态误差，4个DG的同步频率为49.71Hz，仍偏离基准频率50Hz，其结果如图3所示。
图4给出了采用本发明中的弹性控制策略实验结果图。可以看到当系统采用本发明中提出的控制策略后，仅经过0.21s的调节时间，系统频率就能达到基准50Hz，并且每个DG仍能按原先的比例进行有功功率精确分配。以上两个实验结果表明，本发明中的控制策略，能对受攻击后的微电网系统进行补偿，从而在不影响有功功率分配精度的条件下，使得系统频率能同步恢复至基准频率。
进一步的，在改变负载情况下，对本发明所提出的控制策略的性能做进一步检验。图5给出了，在微网系统中加入额外负载，频率及功率的波形图。由图可知，当加入额外负载时，系统功率有一定幅度的增加，但整体比值仍能按给定比例进行分配，保持比例分配不变的同时，频率始终维持在50Hz。接下来，将额外负载从网络中断开，其实验波形图如图6所示，在负载减少时，有功功率也响应降低至原来的大小，并且功率分配比仍按P1＝P2＝P3＝P4＝1:2:3:6的比例进行分配，同时系统频率仍然保持50Hz不变。以上实验结果表明，本发明所提出的控制策略能实现频率恢复以及有功功率精确分配的同时，在改变系统负载的情况下也能进行有效的控制响应。
从以上实验结果可以看出，本发明所提出的一种基于分布式中间观测器的交流微电网频率攻击检测及恢复策略，能有效的实时估计攻击信号并将其补偿，从而使得微网系统实现在受攻击情况下的频率恢复以及功率精确分配。
以上结合附图详细说明和陈述了本发明的实施方式，但并不局限于上述方式。在本领域的技术人员所具备的知识范围内，只要以本发明的构思为基础，还可以做出多种变化和改进。

Claims (2)

1.一种分布式中间观测器的交流微电网频率攻击检测及恢复方法,其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)建立攻击下交流微电网模型，过程如下：
1.1)基于下垂控制策略，获得输出频率表达式如式(1)所示：
Figure FDA0003493180210000011
其中τP为滤波时间常数，ω为输出频率，ωd为频率设计值，KP为下垂系数，P为输出有功功率，Pd为输出有功功率设计值；
1.2)为实现频率跟踪，定义局部频率邻域跟踪误差定义为式(2)所示：
Figure FDA0003493180210000012
其中ωi为第i个DG的输出频率，ωj为第j个DG的输出频率，ωref为基准频率，
Figure FDA0003493180210000013
为第i个DG的频率增益系数；
1.3)为满足功率进一步精确按需分配，定义最优有功功率分配误差，表示如式(3)所示：
Figure FDA0003493180210000014
其中Pi为第i个DG的输出有功功率，Pj为第j个DG的输出有功功率，χi为第i个DG的有功功率分配比，χj为第j个DG的有功功率分配比；
进一步，假设输入控制器中测量频率受到如下攻击信号：
Figure FDA0003493180210000015
其中
Figure FDA0003493180210000016
为输入第i个控制器的频率攻击信号，为时变有界信号，当ηi＝1时，第i个DG受到攻击；ηi＝0时，第i个DG不受攻击；
对受攻击后的系统进行重新建模，得到攻击后的全局方程如(5)所示：
Figure FDA0003493180210000021
其中
Figure FDA0003493180210000022
为攻击后的频率输出值，α为分布式控制器增益，β为积分环节系数，γ为比例环节系数，LC为系统通信拉普拉斯矩阵；
2)建立中间观测器，过程如下：
2.1)定义中间变量如式(6)所示：
Figure FDA0003493180210000023
其中
Figure FDA0003493180210000024
λ为可调参数；
从而设计中间观测器如下：
Figure FDA0003493180210000025
其中
Figure FDA0003493180210000026
为
Figure FDA0003493180210000027
的观测值，
Figure FDA0003493180210000028
为ι的观测值，
Figure FDA0003493180210000029
为ξ的观测值；
Mi＝(αi-1)ωref+ωd，
Figure FDA00034931802100000210
Figure FDA00034931802100000211
且F为中间观测器增益，通过构造矩阵不等式从而获得观测器增益；
3)设计分布式弹性控制器对频率进行恢复，由所构造的观测器分析，对于第i个DG，其弹性控制器可设计如下：
Figure FDA00034931802100000212
其中Ki为第i个控制器增益，
Figure FDA00034931802100000213
2.按照权利要求1所述的分布式中间观测器的交流微电网频率攻击检测及恢复方法，其特征在于，所述步骤2)中构建中间变量对攻击信号实时估计，所述步骤3)中构造分布式弹性控制器对攻击后系统频率进行同步恢复的同时让保持功率的按需分配，在改变负载等扰动下，频率仍能准确跟踪基准值50Hz，具有较强的抗扰能力，进一步提高了微电网的可靠性。
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