CN113315129B - DoS攻击和欺骗攻击下多区域电力系统负载频率控制方法 - Google Patents

DoS攻击和欺骗攻击下多区域电力系统负载频率控制方法 Download PDF

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CN113315129B CN202110459356.1A CN202110459356A CN113315129B CN 113315129 B CN113315129 B CN 113315129B CN 202110459356 A CN202110459356 A CN 202110459356A CN 113315129 B CN113315129 B CN 113315129B
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Abstract

本发明公开了DoS攻击和欺骗攻击下多区域电力系统负载频率控制方法，包括以下步骤：S1、建立基于负载频率控制的多区域电力系统模型；S2、设计分散式负载频率控制器S3、考虑DoS攻击设计动态事件触发策略；S4、考虑DoS攻击和欺骗攻击设计基于负载频率控制的闭环多区域电力系统模型；S5、设计基于DoS攻击和欺骗攻击的分散式负载频率控制器。本发明针对具有DoS攻击和欺骗攻击的多区域电力系统提出了一种新颖的动态事件触发机制，在保证多区域电力系统控制性能的同时可以抵抗一定程度的DoS攻击和欺骗攻击，减少传输次数并根据DoS攻击的频率趋势自动更改释放频率，占用更少的网络资源。

Description

DoS攻击和欺骗攻击下多区域电力系统负载频率控制方法
技术领域
本发明涉及多区域电力系统负载频率控制技术领域，尤其涉及一种DoS攻击和欺骗攻击下多区域电力系统负载频率控制方法。
背景技术
多年来负载频率控制一直被应用于多区域电力系统中，当负载变化时，自动调整发电参考值，以维持电网频率和区域间交换功率保持在预定值。传统的电力系统采用集中式的控制方法，然而分散式负载频率控制方式具有计算复杂度低和对单点故障鲁棒性好的优点，应用范围更广。在现代电力系统中常使用开放式的通信通道在原动机和本地控制器之间完成信号传输，相较于传统的专用通信通道的传输方式，有着低成本和便于检修的优点，同时突破了物理区域的限制。然而，由于共享网络的脆弱性和攻击者的恶意威胁，网络安全问题越来越严重，例如虚假数据注入攻击、拒绝服务攻击等。攻击者甚至会同时发起不同的攻击策略，也就是混合型网络攻击，极大地影响传输过程中数据的完整性和可用性，进而影响电力系统控制性能。因此，设计一种有效的通信和控制方法来解决网络化多区域电力系统中存在的各种网络攻击问题越来越受到人们的关注。
近年来，事件触发机制已经有效地应用于网络化控制系统中，特别是在资源有限的共享网络中，因为它可以减少数据包传输的数量，同时确保系统性能。事件生成器仅在违反预先设计的条件时才释放信号，因此它可以减少不必要数据传输并进一步降低被攻击的可能性。但现有的事件触发条件都是基于采样信号，而并没有利用网络攻击的特征，并且只应用于单个网络攻击，不足以应对复杂多变的网络攻击。因此，设计一种能够处理多种网络攻击的动态事件触发策略显得尤为重要。
发明内容
本发明主要解决现有的多区域电网系统无法应对复杂多变的网络攻击的技术问题；提供DoS攻击和欺骗攻击下多区域电力系统负载频率控制方法，针对具有DoS攻击和欺骗攻击的多区域电力系统提出了一种新颖的动态事件触发机制，在保证多区域电力系统控制性能的同时可以抵抗一定程度的DoS攻击和欺骗攻击，减少传输次数并根据DoS攻击的频率趋势自动更改释放频率，占用更少的网络资源。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括以下步骤：
S1、建立基于负载频率控制的多区域电力系统模型；
S2、设计分散式负载频率控制器；
S3、考虑DoS攻击设计动态事件触发策略；
S4、考虑DoS攻击和欺骗攻击设计基于负载频率控制的闭环多区域电力系统模型；
S5、设计基于DoS攻击和欺骗攻击的分散式负载频率控制器。
本发明针对具有DoS攻击和欺骗攻击的多区域电力系统提出了一种新颖的动态事件触发机制，在保证多区域电力系统控制性能的同时可以抵抗一定程度的DoS攻击和欺骗攻击，减少传输次数并根据DoS攻击的频率趋势自动更改释放频率，占用更少的网络资源。
作为优选，所述的步骤S1具体包括：
定义电网频率偏差量为Δfj，联络线功率变化量为ΔPmj，联络线功率偏差为ΔPtie-j，负载扰动ΔPdj、发电机阀门位置偏差ΔPgj、汽轮机时间系数Ttj、调速器时间系数TGj、发电机组阻尼常数Dj、发电机惯性Mj、频率偏置常数βj、速度下降系数Rj、i区和j区之间的联络线同步模数Tij、第j个区域控制误差为ACEj，令xj(t)＝[Δfj ΔPtie-j ΔPmj ΔPgj]T，yj(t)＝ACEj，则基于负载频率控制的多区域电力系统模型为：
Figure GDA0003668245400000021
其中，
Figure GDA0003668245400000022
Figure GDA0003668245400000023
ACEj＝βjΔfj+ΔPtie-j,
Figure GDA0003668245400000024
作为优选，所述的步骤S2中基于输出反馈信号ACEj设计分散式负载频率控制器，如下所示：
uj(t)＝Kjyj(t)。
作为优选，所述的步骤S3中具体包括：
DoS攻击是由一种能量有限的周期性干扰信号引起的，所述干扰信号表示为：
Figure GDA0003668245400000031
其中，Toff表示干扰器的休眠事件，在间隔[0,Toff)内，干扰器处于休眠状态，在间隔[Toff,T)内，干扰器处于激活状态；
动态控制策略为：
Figure GDA0003668245400000036
σj(n)＝σjm-σjmtanh(f(l(n))),0＜σjm＜0.5,Φj＞0
Figure GDA0003668245400000032
其中，tk,jh+lh表示第j区域中第k个释放时刻之后的第l次采样时刻，σj(n)表示第j区域的第n个DoS攻击周期中的阈值，由公式(3)确定；
动态事件触发策略如下：
第j区域的释放时刻表示为
Figure GDA0003668245400000033
在第j区域中，网络中成功传输的数据为
Figure GDA0003668245400000034
其中，k∈{0,1,...,l(n)},
Figure GDA0003668245400000035
作为优选，对所述网络中成功传输的数据的表达式进行简化：
定义以下符号：
Figure GDA0003668245400000041
设计以下子间隔：
Figure GDA0003668245400000042
其中，k∈r(n),
Figure GDA0003668245400000043
定义：
Figure GDA0003668245400000044
Figure GDA0003668245400000045
定义l∈r(n),
Figure GDA0003668245400000046
的函数：
Figure GDA0003668245400000047
Figure GDA0003668245400000048
其中，
Figure GDA0003668245400000049
结合
Figure GDA00036682454000000410
和
Figure GDA00036682454000000411
网络中成功传输的数据的表达式简化为：
Figure GDA00036682454000000412
作为优选，所述的步骤S4具体包括：
在定义
Figure GDA0003668245400000051
和
Figure GDA0003668245400000052
的基础上，考虑欺骗攻击，负载频率的实际控制信号为：
Figure GDA0003668245400000053
结合公式(11)和步骤S1中的多区域电力系统模型，得到面向混合网络攻击的基于负载频率控制的闭环多区域电力系统模型：
Figure GDA0003668245400000054
xj(t)＝ψj(t),t∈[-h,0]
其中，ψj(k)为第j区域的初始状态。
作为优选，所述的步骤S5具体包括：
选取合适的维度矩阵Pij＞0,Qij＞0,Sij＞0,Zij＞0,Φj＞0(j＝1,2),Yjψj(k)和Nij,Wij(i＝1,2,3,4)，使得下列不等式成立：
Figure GDA0003668245400000055
Figure GDA0003668245400000056
P1j≤μ2jP2j
Figure GDA0003668245400000061
Qij≤μ(3-i)jQ(3-i)j
Sij≤μ(3-i)jR(3-i)j
Zij≤μ(3-i)jZ(3-i)j
Figure GDA0003668245400000062
其中，
Figure GDA0003668245400000063
Figure GDA0003668245400000064
Figure GDA0003668245400000065
得到基于DoS攻击和欺骗攻击的分散式负载频率控制器：
Figure GDA0003668245400000066
本发明的有益效果是：针对具有DoS攻击和欺骗攻击的多区域电力系统提出了一种新颖的动态事件触发机制，在保证多区域电力系统控制性能的同时可以抵抗一定程度的DoS攻击和欺骗攻击，减少传输次数并根据DoS攻击的频率趋势自动更改释放频率，占用更少的网络资源。
附图说明
图1为三区域电力系统受到多重网络攻击图；
图2为周期性DoS的时序图；
图3为三区域系统输出仿真图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的DoS攻击和欺骗攻击下多区域电力系统负载频率控制方法，如图1～3所示，包括以下步骤：
S1、建立基于负载频率控制的多区域电力系统模型：
定义电网频率偏差量为Δfj，联络线功率变化量为ΔPmj，联络线功率偏差为ΔPtie-j，负载扰动ΔPdj、发电机阀门位置偏差ΔPgj、汽轮机时间系数Ttj、调速器时间系数TGj、发电机组阻尼常数Dj、发电机惯性Mj、频率偏置常数βj、速度下降系数Rj、i区和j区之间的联络线同步模数Tij、第j个区域控制误差为ACEj，令xj(t)＝[Δfj ΔPtie-j ΔPmj ΔPgj]T，yj(t)＝ACEj，则基于负载频率控制的多区域电力系统模型为：
Figure GDA0003668245400000071
其中，
Figure GDA0003668245400000072
Figure GDA0003668245400000081
ACEj＝βjΔfj+ΔPtie-j,
Figure GDA0003668245400000082
S2、设计分散式负载频率控制器：
基于输出反馈信号ACEj设计分散式负载频率控制器，如下所示：
uj(t)＝Kjyj(t)。
S3、考虑DoS攻击设计动态事件触发策略：
DoS攻击是由一种能量有限的周期性干扰信号引起的，所述干扰信号表示为：
Figure GDA0003668245400000083
其中，Toff表示干扰器的休眠事件，在间隔[0,Toff)内，干扰器处于休眠状态，在间隔[Toff,T)内，干扰器处于激活状态；
动态控制策略为：
Figure GDA0003668245400000084
σj(n)＝σjm-σjm tanh(f(l(n))),0＜σjm＜0.5,Φj＞0
Figure GDA0003668245400000085
其中，tk,jh+lh表示第j区域中第k个释放时刻之后的第l次采样时刻，σj(n)表示第j区域的第n个DoS攻击周期中的阈值，由公式(3)确定；
动态事件触发策略如下：
第j区域的释放时刻表示为
Figure GDA0003668245400000086
在第j区域中，网络中成功传输的数据为
Figure GDA0003668245400000091
其中，k∈{0,1,…,l(n)},
Figure GDA0003668245400000092
对网络中成功传输的数据的表达式进行简化：
定义以下符号：
Figure GDA0003668245400000093
设计以下子间隔：
Figure GDA0003668245400000094
其中，k∈r(n),
Figure GDA0003668245400000095
定义：
Figure GDA0003668245400000096
Figure GDA0003668245400000097
定义l∈r(n),
Figure GDA0003668245400000098
的函数：
Figure GDA0003668245400000099
Figure GDA00036682454000000910
其中，
Figure GDA00036682454000000911
结合
Figure GDA0003668245400000101
和
Figure GDA0003668245400000102
网络中成功传输的数据的表达式简化为：
Figure GDA0003668245400000103
S4、考虑DoS攻击和欺骗攻击设计基于负载频率控制的闭环多区域电力系统模型:
在定义
Figure GDA0003668245400000104
和
Figure GDA0003668245400000105
的基础上，考虑欺骗攻击，负载频率的实际控制信号为：
Figure GDA0003668245400000106
结合公式(11)和步骤S1中的多区域电力系统模型，得到面向混合网络攻击的基于负载频率控制的闭环多区域电力系统模型：
Figure GDA0003668245400000107
xj(t)＝ψj(t),t∈[-h,0]
其中，ψj(k)为第j区域的初始状态。
S5、设计基于DoS攻击和欺骗攻击的分散式负载频率控制器:
选取合适的维度矩阵Pij＞0,Qij＞0,Sij＞0,Zij＞0,Φj＞0(j＝1,2),Yjψj(k)和Nij,Wij(i＝1,2,3,4)，使得下列不等式成立：
Figure GDA0003668245400000108
Figure GDA0003668245400000109
P1j≤μ2jP2j
Figure GDA0003668245400000111
Qij≤μ(3-i)jQ(3-i)j
Sij≤μ(3-i)jR(3-i)j
Zij≤μ(3-i)jZ(3-i)j
Figure GDA0003668245400000112
其中，
Figure GDA0003668245400000113
Figure GDA0003668245400000114
Figure GDA0003668245400000115
面向混合网络攻击的基于负载频率控制的闭环多区域电力系统模型在均方意义上是指数稳定的并且具有给定的H∞性能水平γj，得到基于DoS攻击和欺骗攻击的分散式负载频率控制器：
Figure GDA0003668245400000121
结合图3，三区域电网参数选取如下所示：
区域1：Tt1＝0.31s，Tg1＝0.05s，M1＝0.2308p.u.·s，D1＝0.016p.u./Hz，R1＝3Hz/p.u.，
Figure GDA0003668245400000122
区域2：Tt2＝0.35s，Tg2＝0.06s，M2＝0.2408p.u.·s，D2＝0.018p.u./Hz，R2＝2.87Hz/p.u.，
Figure GDA0003668245400000123
区域3：Tt3＝0.30s，Tg3＝0.08s，M3＝0.2372p.u.·s，D3＝0.013p.u./Hz，R3＝2.92Hz/p.u.，
Figure GDA0003668245400000124
T12＝0.52p.u./Hz，T23＝0.47p.u./Hz，T31＝0.55p.u./Hz
选取α1j＝0.5,α2j＝0.35,μ1j＝μ2j＝1.01,h＝0.02s,σjm＝0.4,γj＝2,j∈1,2,3，同时，考虑DoS时，假设Tj＝1,
Figure GDA0003668245400000125
对于欺骗攻击，假设被攻击的期望
Figure GDA0003668245400000126
攻击信号描述为g(yj(t))＝-tanh(Gjyj(t)),Gj＝3。仿真假设电力系统具有一定初始频率偏差，利用基于动态事件触发输出反馈控制算法使得系统输出信号收敛。
本发明的技术构思为：首先，给出多区域电力系统的数学模型，并使用时延系统的分析方法，提出了一个结合网络攻击、动态事件触发机制和输出反馈控制的闭环时延系统。然后，利用Lyapunov理论分析系统的渐近稳定性和鲁棒性，并导出控制器的设计方法。最后，设计一个基于动态事件触发输出反馈控制算法，利用线性矩阵不等式工具箱获得控制器参数。
本发明的优越性主要表现在：提出了一种新颖的动态事件触发机制，以减少传输次数并根据DoS攻击的频率趋势自动更改释放频率，占用更少的网络资源；针对多区域电力系统中分散式LFC方案，提出了一种动态事件触发机制同时处理DoS和欺骗攻击的统一框架；在此框架下，保证多区域电力系统在均方意义上是指数稳定的，并且控制器的增益可以通过求解一组线性矩阵不等式来获得。

Claims (6)

1.一种DoS攻击和欺骗攻击下多区域电力系统负载频率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立基于负载频率控制的多区域电力系统模型；
S2、设计分散式负载频率控制器；
S3、考虑DoS攻击设计动态事件触发策略；具体包括：
DoS攻击是由一种能量有限的周期性干扰信号引起的，所述干扰信号表示为：
Figure FDA0003668245390000011
其中，Toff表示干扰器的休眠事件，在间隔[0,Toff)内，干扰器处于休眠状态，在间隔[Toff,T)内，干扰器处于激活状态；
动态控制策略为：
Figure FDA0003668245390000012
σj(n)＝σjm-σjmtanh(f(l(n))),0＜σjm＜0.5,Φj＞0
Figure FDA0003668245390000013
其中，tk,jh+lh表示第j区域中第k个释放时刻之后的第l次采样时刻，σj(n)表示第j区域的第n个DoS攻击周期中的阈值，由公式(3)确定；
动态事件触发策略如下：
第j区域的释放时刻表示为
Figure FDA0003668245390000014
在第j区域中，网络中成功传输的数据为
Figure FDA0003668245390000015
其中，
Figure FDA0003668245390000016
S4、考虑DoS攻击和欺骗攻击设计基于负载频率控制的闭环多区域电力系统模型；
S5、设计基于DoS攻击和欺骗攻击的分散式负载频率控制器。
2.根据权利要求1所述的DoS攻击和欺骗攻击下多区域电力系统负载频率控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
定义电网频率偏差量为Δfj，联络线功率变化量为ΔPmj，联络线功率偏差为ΔPtie-j，负载扰动ΔPdj、发电机阀门位置偏差ΔPgj、汽轮机时间系数Ttj、调速器时间系数TGj、发电机组阻尼常数Dj、发电机惯性Mj、频率偏置常数βj、速度下降系数Rj、i区和j区之间的联络线同步模数Tij、第j个区域控制误差为ACEj，令xj(t)＝[Δfj ΔPtie-j ΔPmj ΔPgj]T，yj(t)＝ACEj，则基于负载频率控制的多区域电力系统模型为：
Figure FDA0003668245390000021
其中，
Figure FDA0003668245390000022
Figure FDA0003668245390000023
Figure FDA0003668245390000024
3.根据权利要求1所述的DoS攻击和欺骗攻击下多区域电力系统负载频率控制方法，其特征在于，所述步骤S2中基于输出反馈信号ACEj设计分散式负载频率控制器，如下所示：
uj(t)＝Kjyj(t)。
4.根据权利要求1所述的DoS攻击和欺骗攻击下多区域电力系统负载频率控制方法，其特征在于，对所述网络中成功传输的数据的表达式进行简化：
定义以下符号：
Figure FDA0003668245390000031
设计以下子间隔：
Figure FDA0003668245390000032
其中，
Figure FDA0003668245390000033
定义：
Figure FDA0003668245390000034
Figure FDA0003668245390000035
定义
Figure FDA0003668245390000036
的函数：
Figure FDA0003668245390000037
Figure FDA0003668245390000038
其中，
Figure FDA0003668245390000039
结合
Figure FDA00036682453900000310
和
Figure FDA00036682453900000311
网络中成功传输的数据的表达式简化为：
Figure FDA00036682453900000312
5.根据权利要求1所述的DoS攻击和欺骗攻击下多区域电力系统负载频率控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
在定义
Figure FDA0003668245390000041
和
Figure FDA0003668245390000042
的基础上，考虑欺骗攻击，负载频率的实际控制信号为：
Figure FDA0003668245390000043
结合公式(11)和步骤S1中的多区域电力系统模型，得到面向混合网络攻击的基于负载频率控制的闭环多区域电力系统模型：
Figure FDA0003668245390000044
xj(t)＝ψj(t),t∈[-h,0]
其中，ψj(k)为第j区域的初始状态。
6.根据权利要求1所述的DoS攻击和欺骗攻击下多区域电力系统负载频率控制方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
选取合适的维度矩阵Pij＞0,Qij＞0,Sij＞0,Zij＞0,Φj＞0(j＝1,2),Yjψj(k)和Nij,Wij(i＝1,2,3,4)，使得下列不等式成立：
Figure FDA0003668245390000045
Figure FDA0003668245390000046
P1j≤μ2jP2j
Figure FDA0003668245390000051
Qij≤μ(3-i)jQ(3-i)j
Sij≤μ(3-i)jR(3-i)j
Zij≤μ(3-i)jZ(3-i)j
Figure FDA0003668245390000052
其中，
Figure FDA0003668245390000053
Figure FDA0003668245390000054
Figure FDA0003668245390000055
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Figure FDA0003668245390000057
Figure FDA0003668245390000058
Figure FDA0003668245390000059
Figure FDA00036682453900000510
Figure FDA00036682453900000511
Figure FDA00036682453900000512
Figure FDA00036682453900000513
得到基于DoS攻击和欺骗攻击的分散式负载频率控制器：
Figure FDA00036682453900000514
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