CN113972698A - 一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，首先对分布式电力系统经济调度进行建模，构建信息网络拓扑及各发电机组间的交互模式，进一步地，建立攻击检测机制，构建基于信誉值的发电机组隔离机制；最后，基于分布式一致性算法，使得系统中未受攻击影响的发电机组在满足功率平衡下的成本最优输出功率。本发明考虑了信息网络攻击的影响，构建了一种弹性机制，能够检测并隔离受到网络攻击的发电机组，确保信息网络攻击下经济调度的有效性，实现信息网络攻击下电力系统经济稳定运行。

Description

一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法

技术领域

本发明属于电力系统经济调度领域，尤其是涉及一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法。

背景技术

经济调度是电力系统的基本问题之一，目的是在满足供需平衡的基础上，使发电机组的发电总成本达到最小。目前已有相关的优化技术对经济调度问题进行求解，例如：当燃料成本函数是凸函数时，可运用λ迭代法和梯度搜索法。而面对非凸函数时，通常会使用诸如遗传算法，粒子群优化以及最近的改进粒子群优化来解决。这些优化技术一定程度上提高了经济调度的性能和适用性，然而这些技术的实施都依赖于一个能够获取系统全局状态的单一控制中心，即所谓集中控制中心。这种集中控制的框架可能会在未来的电网中造成一些性能限制，进而使得传统的集中控制框架在经济调度工程应用中遇到严峻的挑战。首先，电力系统中的每个发电机组都需要将自身的状态信息传递给集中控制中心，当控制中心发生故障时，整个系统就会出现瘫痪，容错性较差。其次，集中式控制中心处理时计算量大、构建成本高。随着社会的发展，电力系统的拓扑结构愈发复杂化。在此基础上，分布式经济调度方案应运而生，分布式经济调度方案不需要集中控制中心，各发电机组与相邻发电机组相互通信，基于分布式一致性算法进行经济调度。相比于传统集中式调度方法，分布式调度方法具有效率高、通信成本低、容错性高、灵活性高等优势。

需要注意的是，分布式经济调度的执行高度依赖于连接各发电机组的信息网络，由于信息网络的开放性与脆弱性等特征，使得其易受各种网络攻击。已有研究表明，针对信息网络的攻击将对工业发展甚至军事机密造成毁灭性的影响。近期出现的工业控制系统恶意软件Stuxnet和Flame进一步引起了人们对网络攻击的密切关注，常见的信息网络攻击包括Dos攻击、虚假信息注入和重放攻击等行为。其中，Dos攻击即拒绝服务攻击，是通过消耗目标网络资源，影响数据的传输，使系统无法提供服务；虚假信息注入指攻击者将恶意虚假信息注入至系统中的一种攻击形式，以达到破坏数据完整性的目的。数据重放攻击通过不断地重复发送以往以达到阻碍最新信息传输的目的，破坏系统运行。鉴于信息网络攻击的恶劣影响，各国政府及学术界均对此问题给予高度重视。

由于分布式经济调度的框架缺乏监控中心来监控网络中所有发电机组的活动，且随着信息网络、嵌入式技术、无线通信技术在分布式经济调度中的广泛使用，调度算法受到信息网络攻击的可能性将大幅提高。运行于信息网络攻击下的分布式经济调度算法会产生电网供需失衡及成本欠优等问题，破坏电网的经济稳定运行，为避免信息网络攻击下对分布式经济调度造成不利的影响，有必要研究一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法,然而现有技术中尚未记载针对信息网络攻击下的分布式经济调度的稳定性和成本控制方法，且现有技术中基于信道噪声的分布式事件驱动电力经济调度并不能解决上述网络攻击下的分布式经济调度的稳定性和成本问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，适用于采用二次成本函数的电力系统经济调度问题，在满足电力系统功率供需平衡的前提下使得总发电成本达到最优，且能够在信息网络攻击下，将受到网络攻击的发电机组隔离并停止其运行，保证性能良好的发电机组能正常运行。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，用于采用二次成本函数且发电机组之间具有连通通信网络拓扑的电力系统，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：给定系统参数，所述系统参数包括电力系统中发电机组个数n、总功率需求P_D、参数α_i、参数β_i、参数γ_i，其中α_i、β_i、γ_i为二次成本函数的系数，i表示发电机组，i＝1,2,3...n；正常数ε决定着发电机组的收敛速度，信誉系数η，异常阈值rep_th决定着发电机组受到信息网络攻击是否需要隔离并停止工作，功率偏差容忍值θ，|θ|＜1；

步骤2：根据各发电机组之间的信息交互能力，选择出一个发电机组作为领导者发电机组，其他发电机组作为跟随者发电机组，设置通信连接系数a_ij，j＝1,2,3...n，i≠j；计算权值d_ij(k)；

步骤3：设定初始时刻为k₀，令k＝k₀,并对第i台发电机组的增量成本λ_i(k)赋予初值；

步骤4：根据增量成本λ_i(k)计算k时刻的发电机组的功率P_Gi(k)；

步骤5：根据步骤4的发电机功率P_Gi(k)计算出功率偏差ΔP(k)；

步骤6：计算发电机组i对邻居发电机组j在监控步长k前的正确状态次数G_ij(k)，根据G_ij(k)计算出信誉值rep_ij(k)；

步骤7：对于发电机组i，判断与其相邻的发电机组j的信誉值rep_ij(k)是否低于异常阈值rep_th，如果低于异常阈值rep_th，转步骤8，否则转步骤9；

步骤8：检测出发电机组j受到网络攻击，将发电机组j从系统中隔离，转步骤9；

步骤9：根据步骤6中的信誉值rep_ij(k)重新更新权值d_ij(k)；

步骤10：运用增量成本一致性算法，计算(k+1)时刻的增量成本λ_i(k+1)；

步骤11：判断|ΔP(k)|是否满足给定的功率偏差容忍值θ，若|ΔP(k)|≤θ转步骤12，反之，将k+1的值赋于k再跳转至步骤4；

步骤12：根据步骤11得出的λ_i(k+1)，计算得出发电机组i的最优输出功率

进一步地，本发明所述的一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，所述步骤2中设置通信连接系数a_ij的方法具体为：若第i个发电机组与第j个发电机组之间能够进行信息交互，则设置a_ij＝1；反之，设置a_ij＝0，计算权值d_ij(k)为：

其中

进一步地，本发明所述的一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，所述步骤4中k时刻的发电机组的输出功率为：

进一步地，本发明所述的一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，所述步骤5中供需偏差ΔP(k)为：

进一步地，本发明所述的一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，所述步骤6中G_ij(k)，rep_ij(k)的计算方法为：

其中z_j(k)＝λ_j(k),

N_j是发电机组j的邻居发电机组的集合，r_j(k)是发电机组i对邻居发电机组j所估计的增量成本，z_j(k)是发电机组i从接收到邻居发电机组j的增量成本，γ(k,δ)是阈值函数,依赖于时间步长k及扰动δ，信誉值rep_ij(k)的计算方法为：

进一步地，本发明所述的一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，所述步骤9中d_ij(k)的更新计算方法为：

进一步地，本发明所述的一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，所述步骤10中，第i个发电机组的增量成本的一致性算法为：

领导型发电机组的增量成本为：

跟随型发电机组的增量成本为：

其中a_i(k)表示发电机组i所受到的信息网络攻击信号。

进一步地，本发明所述的一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，所述步骤12中,每台发电机的最优功率：

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明解决了分布式经济调度的问题，相比于传统集中式调度方法，分布式调度方法具有效率高、通信成本低、容错性高、灵活性高等优势；

2.本发明提出了一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度，考虑了信息网络攻击的影响，构建了一种弹性机制，能够检测并隔离受到信息网络攻击的发电机组，确保信息网络攻击下经济调度的有效性，实现信息网络攻击下电力系统经济稳定运行。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述各发电机组之间的通信网络拓扑图；

图2是本发明具体实施方式中各发电机组的增量成本变化图；

图3是本发明具体实施方式中各发电机组的输出功率变化图；

图4是本发明具体实施方式中电力系统总输出功率变化图；

图5是本发明具体实施方式中所有发电机组对发电机组1的信誉值示意图；

图6是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明以一个由5个发电机组构成的系统为例，其通信网络拓扑关系如图1所示，具体实现步骤如图6所示：

1)设置系统参数：给定电力系统中发电机组个数n＝5，总功率需求P_D＝1050MW，正常数ε＝0.002，信誉系数η＝0.3，异常阈值rep_th＝0.3，功率偏差容忍值θ＝10MW。

2)设第i台发电机组的成本函数为：

其中，P_Gi为第i台发电机组的输出功率，参数α_i、β_i、γ_i如下表所示：

发电机组	α<sub>i</sub>	β<sub>i</sub>	γ<sub>i</sub>
				1	561	7.92	0.001561
2	310	7.85	0.00194
				3	78	7.8	0.00482
4	561	7.92	0.001562
				5	78	7.8	0.00482

3)描述电力系统通信网络拓扑：设置一个通信连接系数a_ij，若第i台发电机组与第j台发电机组之间能够进行信息交互，则设置a_ij＝1；反之，设置a_ij＝0，其中，i＝1,2...,n，j＝1,2...,n，i≠j。邻接矩阵{a_ij}如下表所示：

经计算权值矩阵{d_ij}如下表所示:

4)设定初始时刻为k₀，令k＝k₀,并对第i台发电机组的增量成本λ_i(k)赋予初始值：

i	发电机组i的增量成本λ<sub>i</sub>(k)
		1	8.5444
2	8.8200
		3	8.7640
4	8.0762
		5	8.7684

5)计算k时刻的发电机组功率：

6)计算电力系统功率需求与功率供应偏差：

7)发电机组i对邻居发电机组j在监控步长k前的正确状态计算：

其中，z_j(k)＝λ_j(k),

r_j(k)是发电机组i对邻居发电机组j所估计的增量成本，z_j(k)是发电机组i从接受到的邻居发电机组的增量成本，本示例中γ(k,δ)＝0.05，令初始G_ij[k]如下表所示：

8)计算发电机组的信誉值为:

其中，rep_ij表示对于发电机组i，其相邻发电机组j的信誉值，若j的信誉值低于异常阈值rep_th，则将发电机组j从电力系统中隔离出。

9)计算更新后的权值矩阵：

10)选取第4台发电机组作为领导者发电机组，其它4台发电机组则为追随者发电机组。第i台发电机组的增量成本一致性更新算法：

领导型发电机组的增量成本为：

跟随型发电机组的增量成本为：

其中

ΔP表示整个电力系统功率需求与功率供应的偏差，a_i(k)表示发电机组i所受到的信息网络攻击信号，本示例中a_i(k)＝1。

11)判断|ΔP|是否满足给定供需偏差的容忍误差θ，若满足|ΔP|≤θ，则转到步骤12，反之，将(k+1)的值赋予k再跳转至步骤5。

12)系统中个发电机组根据其增量成本按如下公式动态调整自身的功率输出：

为了验证本发明的有效性，基于以下假设进行了仿真实验，假设领导发电机组4不会受到信息网络的攻击，而发明可以同时多个发电机组受到信息网络的攻击，为了方便描述，假设其中发电机组1受到信息网络攻击，其它发电机组正常工作。

图2表示5个发电机组各自的增量成本变化情况，可以看出未受攻击的发电机组的增量成本趋于一致，符合经济调度最优化发电成本需求。

图3表示5个发电机组组各自功率的变化情况，可以看出受到网络攻击的发电机组将从系统中被隔离并停止其工作，其它性能良好的发电机组的功率趋于稳定，符合功率供给需求。

图4表示发电机组的总输出功率变化情况，其最终趋于电力系统需求功率1050MW，符合功率供需平衡需求。

图5反映了所有发电机组对发电机组1的信誉值。可以看出在所述方法中，发电机组1在受到网络攻击的情况下，信誉值逐渐降低，最终降为0，将受网络攻击的发电机组1从电力系统中隔离。其他性能良好的发电机组正常工作，实现电力系统的正常运行。本发明的方法能够将受攻击的发电机组从系统中隔离并使其停止工作，保障电力系统的经济稳定运行。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，用于采用二次成本函数且发电机组之间具有连通通信网络拓扑的电力系统，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：设置电力系统中各个系统参数值，所述系统参数包括发电机组个数n、总功率需求P_D、参数α_i、参数β_i、参数γ_i，其中α_i、β_i、γ_i为常数，i表示发电机组，i＝1,2,3...n；正常数ε，信誉系数η，异常阈值rep_th，功率偏差容忍值θ；

步骤2：根据各发电机组之间的信息交互能力，选择一个发电机组作为领导者发电机组，其他发电机组作为跟随者发电机组，设置通信连接系数a_ij，j＝1,2,3...n，i≠j；计算权值d_ij(k)；

步骤3：设定初始时刻为k₀，令k＝k₀,并对第i台发电机组的增量成本λ_i(k)赋予初值；

步骤4：根据所述增量成本λ_i(k)计算k时刻的发电机组的功率P_Gi(k)；

步骤5：根据步骤4中所述发电机功率P_Gi(k)计算出功率偏差ΔP(k)；

步骤6：计算发电机组i对邻居发电机组j在监控步长k前的正确状态次数G_ij(k)，根据G_ij(k)计算出信誉值rep_ij(k)；

步骤7：对于发电机组i，判断与其相邻的发电机组j的信誉值rep_ij(k)是否低于异常阈值rep_th，若低于异常阈值rep_th，转步骤8；否则转步骤9；

步骤8：检测出发电机组j受到网络攻击，将发电机组j从系统中隔离，转步骤9；

步骤9：根据步骤6中的信誉值rep_ij(k)重新更新权值d_ij(k)；

步骤10：运用增量成本一致性算法，计算(k+1)时刻的增量成本λ_i(k+1)；

步骤11：判断|ΔP(k)|是否满足给定的功率偏差容忍值θ，若|ΔP(k)|≤θ转步骤12；反之，将k+1的值赋予k再跳转至步骤4；

步骤12：根据步骤11得出的λ_i(k+1)，计算得出发电机组i的最优输出功率

2.根据权利要求1所述的一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，其特征在于，所述步骤2中设置通信连接系数a_ij的方法为：若第i个发电机组与第j个发电机组之间能够进行信息交互，则设置a_ij＝1；反之，设置a_ij＝0，计算权值d_ij(k)为：

其中

3.根据权利要求2所述的一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，其特征在于，所述步骤4中k时刻的发电机组的输出功率为：

4.根据权利要求3所述的一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，其特征在于，所述步骤5中供需偏差ΔP(k)为：

5.根据权利要求4所述的一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，其特征在于，所述步骤6中G_ij(k)的计算方法为：

其中

r_j(k)是发电机组i对邻居发电机组j所估计的增量成本，z_j(k)是发电机组i从接收到的邻居发电机组j增量成本，γ(k,δ)是阈值函数,依赖于时间步长k及扰动δ，信誉值rep_ij(k)的计算方法为：

6.根据权利要求5所述的一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，，其特征在于，所述步骤9中d_ij(k)的更新计算方法为：

7.根据权利要求6所述的一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，其特征在于，所述步骤10中，第i个发电机组的增量成本的一致性算法为：领导型发电机组的增量成本为：

跟随型发电机组的增量成本为：

其中a_i(k)表示发电机组i所受到的信息网络攻击信号。

8.根据权利要求7所述的一种信息网络攻击下的电力系统弹性分布式经济调度方法，其特征在于，所述步骤12中,每台发电机组的最优输出功率为：

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