CN113488980A - 拒绝服务攻击下直流微电网的攻击容忍控制方法 - Google Patents

拒绝服务攻击下直流微电网的攻击容忍控制方法 Download PDF

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Abstract

拒绝服务攻击下直流微电网的攻击容忍控制方法，包括：建立在DoS攻击下的直流微电网控制系统模型，所述直流微电网包括Q个恒功率负载系统和一个储能系统；获取使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件；求解注入电流控制器增益矩阵，确定注入电流控制器增益；以及构建注入电流控制器，并根据所述控制器对所述直流微电网进行控制。本申请在可能出现DoS攻击的情况下，保证系统能安全、平稳的运行。

Description

拒绝服务攻击下直流微电网的攻击容忍控制方法
技术领域
本发明属于电力系统控制器设计技术领域，特别涉及一种拒绝服务攻击下直流微电网的攻击容忍控制方法。
背景技术
近年来，随着用户对供电可靠性以及电能质量的关注度不断提高，直流微电网系统的研究和发展得到了国内外学者的广泛关注。微电网内的各类分布式电源，如光伏电池、风力发电机和燃料电池等产生的电能大部分为直流电(或者非工频交流电)；并且常用的电器设备，如个人电脑、电动汽车、手机和变空调等本质上也都需要通过适配器转变成直流电驱动。因此，如果微电网以直流作为电能的传输形式，将省去部分交直流变换装置，减少成本、降低损耗。直流微电网中，多种电力电子变流器通过不同的控制方式连接在直流母线上以实现母线电压的稳定。其中有一类功率变流器表现为恒功率特征，呈现负阻抗和非线性特性，对直流微电网的稳定性产生不利影响。因此，对恒功率负载的失稳效应最小化是有效控制直流微电网的必要条件，为此需要对控制功率缓冲器进行设计来稳定直流微电网。
随着恒功率负载数量的增加，从每个恒功率负载到功率缓冲器的点对点通信是不经济的。因此，优选通过通信网络来控制大型分布式直流微电网。然而，随着网络的开放性越来越高，微电网系统更加容易遭受恶意的网络攻击，例如欺骗攻击和拒绝服务攻击(DoS攻击)等。拒绝服务攻击会占用通信通道，消耗网络带宽，导致正常的通信被阻断，这对直流微电网系统的正常运行造成极大的威胁，甚至使系统失稳。因此，如何在有攻击时保障系统稳定运行，设计有效的控制策略显得尤为重要。
现有技术中，如专利CN110277780A非线性直流微电网弹性控制方法，考虑了应对DoS攻击的直流微电网控制，但对于非线性项采用增广矩阵的方法进行处理，同时为了节省带宽资源而增加了事件触发机制，并且仅基于时不变李雅普诺夫分析技术得出系统模型稳定运行的条件，而无法适用于时变李雅普诺夫的条件，另外直接基于矩阵合同变换求得控制器增益矩阵，导致该专利最终实施时运算结构复杂、运算速度慢、效果并不理想。
发明内容
本发明针对上述背景技术中存在的问题，提出一种拒绝服务攻击下直流微电网的攻击容忍控制方法，包括如下步骤：
步骤S1，建立包括Q个恒功率负载系统和一个储能系统的直流微电网模型，并引入DoS攻击模型，建立在拒绝服务攻击下的直流微电网控制系统模型，该模型表示为：
Figure BDA0003151531600000021
其中，
Figure BDA0003151531600000022
Figure BDA0003151531600000023
表示系统的状态信号，
Figure BDA0003151531600000024
是零初始状态，
Figure BDA0003151531600000025
是非线性矩阵，A、Bes、D是常数矩阵，K是待求解的控制增益矩阵；
步骤S2，获取使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件，即直流微电网控制系统模型在攻击休眠/活跃切换点进行切换时必须满足的切换条件；
步骤S3，根据DoS攻击参数，通过建立线性矩阵不等式求解注入电流控制器增益矩阵，确定注入电流控制器增益；
步骤S4，根据计算得出的注入电流控制器增益、构建注入电流控制器，并根据所述控制器对所述直流微电网进行控制。
进一步地，步骤S1中，包括如下分步骤：
步骤S101，建立具有个恒功率负载系统和一个储能系统的直流微电网模型；
步骤S102，在所述直流微电网模型中引入DoS攻击模型；其中DoS攻击模型包括DoS信号，为一组占用有限通道阻断通信的能量有限的攻击信号，获得DoS攻击影响下的直流微电网模型的控制输入，得到考虑存在DoS攻击的直流微电网控制系统模型。
进一步地，步骤S2中，在DoS攻击下为保障直流微电网系统稳定需满足条件：
Figure BDA0003151531600000031
Qi2≤η3-iQ3-i,1，
其中，
Figure BDA0003151531600000032
正定矩阵Qij为待求解矩阵，I为适当维数的单位矩阵，*是矩阵中与之对应的转置项，εij∈(0,+∞)，ηi∈(0,+∞)为满足条件的任意常数，F为满足条件
Figure BDA0003151531600000041
的适当维数的矩阵。
进一步地，步骤S3中，包括如下分步骤：
步骤S301，对给定的DoS攻击的参数μik(i,k＝1,2)，设定存在正定对称矩阵Pij(i,j＝1,2)和适当维数的矩阵F，构建使直流微电网控制系统模型正常运行的线性矩阵不等式；
步骤S302，根据线性矩阵不等式及使直流微电网控制系统模型稳定运行的切换条件，计算出待求矩阵
Figure BDA0003151531600000042
P0；
步骤S303，计算出注入电流控制器增益矩阵
Figure BDA0003151531600000043
进一步地，步骤S301中，构建的使直流微电网控制系统模型正常运行的线性矩阵不等式包括：
Figure BDA0003151531600000044
Figure BDA0003151531600000045
Ψ21k＜0，
Figure BDA0003151531600000046
P11≤η1P22,P21≤η2P12，
式中，
k＝{1,2}，ζ＝[I 0 0]，
Figure BDA0003151531600000047
Figure BDA0003151531600000051
Figure BDA0003151531600000052
Figure BDA0003151531600000053
Figure BDA0003151531600000054
Figure BDA0003151531600000055
矩阵P0，
Figure BDA0003151531600000056
均为待求解矩阵，ηi(i＝1,2)，
Figure BDA0003151531600000057
δi(i＝1,2)，
Figure BDA0003151531600000058
均为给定的正标量，I为适当维数的单位矩阵，*是矩阵中与之对应的转置项，且ζT为ζ的转置项。
进一步地，步骤S4中，构建的注入电流控制器表示为：
Figure BDA0003151531600000059
本申请针对现有的技术不足，提供了拒绝服务攻击下直流微电网的攻击容忍控制方法。该申请采用的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术优势：考虑到安全控制问题而引入非周期性DoS攻击建立切换系统模型，保障系统在遇到攻击时仍能正常稳定运行；且所提出的控制方法可用于直流微电网系统，为系统在DoS攻击下的稳定性与可靠性提供了一种安全的控制方法，具有一定的创新和使用价值。
附图说明
图1是本发明的直流微电网在拒绝服务攻击下的攻击容忍控制方法的一实施方式的流程图。
图2是本发明实施例中的直流微电网控制系统结构图。
图3是本发明实施例中的直流微电网的电路图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
由于恒功率负载呈现的负阻抗和非线性特性，对其失稳效应进行最小化是有效控制直流微电网的必要条件。为此，本发明提供了一种拒绝服务攻击下直流微电网的攻击容忍控制方法，首先，考虑系统安全，设计了一种非周期性DoS干扰下的通信方案，利用切换系统建模方法，建立了分段系统模型。其次，基于该模型，采用李雅普诺夫泛函法和线性矩阵不等式技术，设计了一种攻击容忍控制方法，以保证系统的控制性能，如图1所示，所述方法主要包括如下步骤。
步骤S1，建立在DoS攻击下的直流微电网控制系统模型，所述直流微电网包括Q个恒功率负载系统和一个储能系统，该模型可以表示为：
Figure BDA0003151531600000061
其中，
Figure BDA0003151531600000062
Figure BDA0003151531600000063
表示系统的状态信号，
Figure BDA0003151531600000064
是零初始状态，
Figure BDA0003151531600000065
是非线性矩阵，A、Bes、D是常数矩阵，K是待求解的控制增益矩阵。
上述模型的构建过程主要包括三个步骤，分别为：
步骤S101，建立具有Q个恒功率负载系统和一个储能系统的直流微电网模型。
直流微电网的电路图如图3所示，可以将其分解为Q+1个子系统：Q个恒功率负载系统和一个储能系统。Q个恒功率负载系统的形式是：
Figure BDA0003151531600000071
式中，j＝{1,2,...,Q}，s＝Q+1，xj(t)＝[iL,j vC,j]T，iL,j和vC,j分别是在第j个CPL中电感器的电流和电容器的电压，rL,j，Lj分别为源变换器到恒功率负载j的线路电阻及滤波器的电感，Cj为恒功率负载j的输入电容，
Figure BDA0003151531600000072
而储能系统可以写为：
Figure BDA0003151531600000073
其中，xs＝[iL,s vC,s]T，iL,s和vC,s分别是储能系统中电感器的电流和电容器的电压，rs，Ls分别为储能系统中线路电阻及滤波器的电感，Cs为源变换器的输出电容，Vdc为直流电源，
Figure BDA0003151531600000074
通过增广Q个恒功率负载系统和储能系统可以得出直流微电网的整体公式：
Figure BDA0003151531600000081
其中，
x(t)＝[x1 T(t) x2 T(t) … xQ T(t) xs T(t)]T，
H(x(t))＝[h1(x1(t)) h2(x2(t)) …hQ(xQ(t))]T，
且，
Figure BDA0003151531600000082
通过坐标变换将系统(1)的平衡点移至原点，以储能电流
Figure BDA0003151531600000083
为控制输入，新的直流微电网形式为：
Figure BDA0003151531600000084
其中，
Figure BDA0003151531600000085
Figure BDA0003151531600000086
且，
Figure BDA0003151531600000087
x0是直流微电网的平衡点，vC0,j是vC,j的平衡点。
步骤S102，在所述直流微电网模型中引入DoS攻击模型。
DoS攻击模型的引入如图2所示，图2是直流微电网控制系统结构图，其主要用来建立系统数学模型。步骤S102中，构建DoS攻击模型，DoS信号是一组能量有限的攻击信号，会占用有限通道阻断通信，其表达式为：
Figure BDA0003151531600000091
其中，n是攻击次数，集合T1,n＝[mn,mn+hn)表示攻击休眠期，mn代表第n次无攻击区间的开始位置，此时信号能够正常传输；而T2,n＝[mn+hn,mn+1)表示攻击活跃期，hn代表第n次无攻击区间的长度，mn+1表示第n次攻击结束，此时信号被阻断，没有数据包传输。令bn＝mn+1-mn-hn，表示第n次有攻击区间的长度。
注意，
Figure BDA0003151531600000092
其中，μ11和μ12分别表示攻击休眠期的最小值和最大值，μ21和μ22分别表示攻击活跃期的最小值和最大值，且μik＞0(i,k＝1,2)。
因此，在DoS攻击的影响下，表达式(2)中的控制输入
Figure BDA0003151531600000093
可写成如下形式：
Figure BDA0003151531600000094
综合以上所述，考虑存在攻击的直流微电网系统表达式为：
Figure BDA0003151531600000095
步骤S102的目的是引入非周期性DoS攻击来建立最终模型(4)。与传统的网络控制系统设计相比，上述步骤S102构建的模型考虑到安全控制问题，引入一种具体的网络攻击，并完成了攻击模型的建立。
步骤S2，获取使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件。
在DoS攻击下为保障直流微电网系统稳定应满足条件：
Figure BDA0003151531600000101
Qi2≤η3-iQ3-i,1，
其中，
Figure BDA0003151531600000102
正定矩阵Qij为待求解矩阵，I为适当维数的单位矩阵，*是矩阵中与之对应的转置项，εij∈(0,+∞)，ηi∈(0,+∞)为满足条件的任意常数，F为满足条件
Figure BDA0003151531600000103
的适当维数的矩阵。
本发明采用切换系统，在攻击休眠/活跃切换点进行切换时需满足以上条件，所求解的注入电流控制器可以在出现非周期性DoS攻击时，保障直流微电网系统稳定运行，不被攻击信号所破坏。
该步骤S2中的切换条件引入到直流微电网控制系统中，切换条件是攻击休眠期和攻击活跃期之间进行切换时必须满足的条件，满足条件电力系统才会稳定运行。
步骤S3、求解注入电流控制器增益矩阵，确定注入电流控制器增益，具体包括：
步骤S301、对给定的DoS攻击的参数μik(i,k＝1,2)，设定存在正定对称矩阵Pij(i,j＝1,2)和适当维数的矩阵F，构建使直流微电网控制系统模型正常运行的线性矩阵不等式；
步骤S302、根据所述线性矩阵不等式及使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件，计算出待求矩阵
Figure BDA0003151531600000104
P0；以及
步骤S303、计算出注入电流控制器增益矩阵
Figure BDA0003151531600000105
在步骤S301中，构建的使直流微电网控制系统模型正常运行的线性矩阵不等式包括：
Figure BDA0003151531600000111
Figure BDA0003151531600000112
Ψ21k＜0，
Figure BDA0003151531600000113
P11≤η1P22,P21≤η2P12，
式中，
k＝{1,2}，ζ＝[I 0 0]，
Figure BDA0003151531600000114
Figure BDA0003151531600000115
Figure BDA0003151531600000116
Figure BDA0003151531600000117
Figure BDA0003151531600000118
Figure BDA0003151531600000119
矩阵P0，
Figure BDA00031515316000001110
均为待求解矩阵，ηi(i＝1,2)，
Figure BDA00031515316000001111
δi(i＝1,2)，
Figure BDA00031515316000001112
均为给定的正标量，I为适当维数的单位矩阵，*是矩阵中与之对应的转置项，且ζT为ζ的转置项。
之后在步骤S302及步骤S303中，根据上述的矩阵不等式计算出待求矩阵
Figure BDA0003151531600000121
P0，然后计算出注入电流控制器增益矩阵
Figure BDA0003151531600000122
步骤S4、构建注入电流控制器，并根据所述控制器对所述直流微电网进行控制。该步骤所构建的注入电流控制器即为公式(3)所示。
本发明考虑到安全控制问题，从而引入非周期性DoS攻击模型来建立数学模型，保障系统在遇到攻击时仍能正常稳定运行。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (6)

1.拒绝服务攻击下直流微电网的攻击容忍控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤S1，建立包括Q个恒功率负载系统和一个储能系统的直流微电网模型，并引入DoS攻击模型，建立在拒绝服务攻击下的直流微电网控制系统模型，该模型表示为：
Figure FDA0003151531590000011
其中，
Figure FDA0003151531590000012
Figure FDA0003151531590000013
表示系统的状态信号，
Figure FDA0003151531590000014
是零初始状态，
Figure FDA0003151531590000015
是非线性矩阵，A、Bes、D是常数矩阵，K是待求解的控制增益矩阵；
步骤S2，获取使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件，即直流微电网控制系统模型在攻击休眠/活跃切换点进行切换时必须满足的切换条件；
步骤S3，根据DoS攻击参数，通过建立线性矩阵不等式求解注入电流控制器增益矩阵，确定注入电流控制器增益；
步骤S4，根据计算得出的注入电流控制器增益、构建注入电流控制器，并根据所述控制器对所述直流微电网进行控制。
2.根据权利要求1所述的拒绝服务攻击下直流微电网的攻击容忍控制方法，其特征在于：步骤S1中，包括如下分步骤：
步骤S101，建立具有个恒功率负载系统和一个储能系统的直流微电网模型；
步骤S102，在所述直流微电网模型中引入DoS攻击模型；其中DoS攻击模型包括DoS信号，为一组占用有限通道阻断通信的能量有限的攻击信号，获得DoS攻击影响下的直流微电网模型的控制输入，得到考虑存在DoS攻击的直流微电网控制系统模型。
3.根据权利要求1所述的拒绝服务攻击下直流微电网的攻击容忍控制方法，其特征在于：步骤S2中，在DoS攻击下为保障直流微电网系统稳定需满足条件：
Figure FDA0003151531590000021
Qi2≤η3-iQ3-i,1，
其中，
Figure FDA0003151531590000022
正定矩阵Qij为待求解矩阵，I为适当维数的单位矩阵，*是矩阵中与之对应的转置项，εij∈(0,+∞)，ηi∈(0,+∞)为满足条件的任意常数，F为满足条件
Figure FDA0003151531590000023
的适当维数的矩阵。
4.根据权利要求1所述的拒绝服务攻击下直流微电网的攻击容忍控制方法，其特征在于：步骤S3中，包括如下分步骤：
步骤S301，对给定的DoS攻击的参数μik(i,k＝1,2)，设定存在正定对称矩阵Pij(i,j＝1,2)和适当维数的矩阵F，构建使直流微电网控制系统模型正常运行的线性矩阵不等式；
步骤S302，根据线性矩阵不等式及使直流微电网控制系统模型稳定运行的切换条件，计算出待求矩阵
Figure FDA0003151531590000031
P0；
步骤S303，计算出注入电流控制器增益矩阵
Figure FDA0003151531590000032
5.根据权利要求4所述的拒绝服务攻击下直流微电网的攻击容忍控制方法，其特征在于：步骤S301中，构建的使直流微电网控制系统模型正常运行的线性矩阵不等式包括：
Figure FDA0003151531590000033
Figure FDA0003151531590000034
Ψ21k＜0，
Figure FDA0003151531590000035
P11≤η1P22,P21≤η2P12，
式中，
Figure FDA0003151531590000036
Figure FDA0003151531590000037
Figure FDA0003151531590000038
Figure FDA0003151531590000039
Figure FDA00031515315900000310
Figure FDA0003151531590000041
矩阵P0，
Figure FDA0003151531590000042
均为待求解矩阵，ηi(i＝1,2)，
Figure FDA0003151531590000043
δi(i＝1,2)，
Figure FDA0003151531590000044
均为给定的正标量，I为适当维数的单位矩阵，*是矩阵中与之对应的转置项，且ζT为ζ的转置项。
6.根据权利要求1所述的拒绝服务攻击下直流微电网的攻击容忍控制方法，其特征在于：步骤S4中，构建的注入电流控制器表示为：
Figure FDA0003151531590000045
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