CN114336674B - 一种交流微电网分布式韧性频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交流微电网分布式韧性频率控制方法。该方法包括：建立交流微电网的分布式二次频率控制器；建立交流微电网的基于不同攻击位置和攻击形式的虚假数据注入攻击模型；根据所述分布式二次频率控制器和所述虚假数据注入攻击模型得到交流微电网的分布式韧性频率控制方法。本发明设计了一种微电网韧性频率控制器，以实现有效地抵御交流微电网的不同攻击位置和攻击形式的虚假数据注入攻击，对应对网络攻击具有重要意义。

Description

一种交流微电网分布式韧性频率控制方法

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，尤其涉及一种交流微电网分布式韧性频率控制方法。

背景技术

微电网(microgrid，MG)作为分布式电源(distributed generation，DG)的有效组织利用形式，能够实现并网运行和孤岛运行。合理的控制策略是实现微电网稳定运行的关键，无论是集中式控制还是分布式控制，均需要依托通信网络。因此，微电网中的分布式电源、储能、负荷、逆变器及其控制所依托的通信网络形成了一个典型的信息物理系统。

近年来，电力系统韧性受到了广泛关注。具有良好韧性的电力系统应能够有效应对电网内外部的各类威胁和扰动。对于电力系统中的信息物理系统而言，相比于破坏电力系统物理设备的传统攻击，随着网络技术的推进，面向电力系统的各种高级网络攻击手段层出不穷，对电力系统韧性造成巨大威胁。

对于微电网，尤其在孤岛运行状态时，由于其容量小、抗扰动能力弱，在受到网络攻击后，更容易受到影响，导致系统的频率和有功功率偏离既定控制目标，甚至发生失稳。网络攻击包括披露攻击、虚假数据注入攻击和中断攻击等，相比于其他攻击形式，虚假数据注入攻击具有较高的灵活性和较强的导向性，是较典型也是攻击者常用的一种网络攻击手段，本发明主要应对的是虚假数据注入攻击。

因此，如何设计一种微电网韧性频率控制器，以应对网络攻击具有重要意义。

发明内容

本发明的实施例提供了一种交流微电网分布式韧性频率控制方法，以实现有效地抵御交流微电网的不同攻击位置和攻击形式的虚假数据注入攻击。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种交流微电网分布式韧性频率控制方法，包括：

建立交流微电网的分布式二次频率控制器；

建立交流微电网的基于不同攻击位置和攻击形式的虚假数据注入攻击模型；

根据所述分布式二次频率控制器和所述虚假数据注入攻击模型得到交流微电网的分布式韧性频率控制方法。

优选地，所述建立交流微电网的分布式二次频率控制器，包括：

建立基于一致性算法的如式(1)和(2)所示的交流微电网的分布式二次频率控制器；

ω_i＝ω_ref-m_iP_i+Ω_i (1)

式中，ω_i为第i个DG的频率，ω_ref为DG的参考额定频率,m_i为第i个DG的下垂系数，P_i为第i个DG的有功功率，Ω_i为二次频率控制器的输出；

式中，c_ωi为控制参数，表示节点i的所有邻居集合，a_ij表示节点i和邻居j的通信关系，ω_j为第j个DG的频率，m_j为第j个DG的下垂系数，P_j为第j个DG的有功功率，g_i表示领导节点到第i个分布式电源DG的固定增益。

优选地，所述建立交流微电网的基于不同攻击位置和攻击形式的虚假数据注入攻击模型，包括：

1)令建立不同攻击位置虚假数据注入攻击后的交流微电网模型：

当攻击者对交流微电网的二次控制器进行攻击时，建模为：

式中，δ_i表示对二次控制器输出的网络攻击，表示被攻击后的频率二次控制器输出，μ_i为0-1变量，当μ_i＝1时，表示攻击者实施了攻击；当μ_i＝0时，表示攻击者未实施攻击；

当攻击者对交流微电网的下垂控制器进行攻击时，建模为：

式中，δ_i表示对下垂控制器输出的网络攻击，表示被攻击后逆变器的频率参考值，η_i为0-1变量，当η_i＝1时，表示受到攻击；当η_i＝0时，表示没有受到攻击；

2)建立不同攻击形式的攻击模型；

δ_i表示为式(5)：

δ_i＝a+bf(t)+cg(t) (5)

其中，δ_i的导数是有界的；a、b和c均为常数，a表示有界恒定攻击，f(t)表示一个无界函数，g(t)表示一个有界非常数函数。

优选地，所述根据所述分布式二次频率控制器和所述虚假数据注入攻击模型得到交流微电网的分布式韧性频率控制方法，包括：

基于自适应控制原理，设计分布式韧性频率控制附加补偿项将所述附加补偿项/>加在交流微电网的分布式二次频率控制器的中间环节输出上，得到韧性频率控制器，如式(6)、(7)和(8)所示：

的具体表达式如式(7)和(8)所示，

式中，为二次频率控制器的输出，/>为分布式韧性频率控制附加补偿项，c_ωi为控制参数，/>表示节点i的所有邻居集合，a_ij表示节点i和邻居j的通信关系，ω_j为第j个DG的频率，ω_i为第i个DG的频率，ω_ref为DG的参考额定频率，g_i表示领导节点到第i个DG的固定增益，m_j为第j个DG的下垂系数，m_i为第i个DG的下垂系数，P_i为第i个DG的有功功率，P_j为第j个DG的有功功率，θ_i是自适应更新的变量，α_i和γ_i都是正的常数，γ_i≥1，exp(-α_it)为一个均匀连续函数；

利用所述韧性频率控制器抵御交流微电网的不同攻击位置和攻击形式的虚假数据注入攻击。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例设计了一种微电网韧性频率控制器，以实现有效地抵御交流微电网的不同攻击位置和攻击形式的虚假数据注入攻击，对应对网络攻击具有重要意义。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种交流微电网物理拓扑图；

图2是本发明实施例提供的一种的系统通信网络连通图和对应的关联矩阵；

图3是本发明实施例提供的一种DGi的控制结构图；

图4是本发明实施例提供的一种加入附加韧性频率控制器整体示意图；

图5是本发明实施例提供的一种两种攻击位置示意图；

图6是本发明实施例提供的一种系统稳态运行时多目标控制仿真结果图；

图7是本发明实施例提供的一种所有DG二次频率控制受到不同形式攻击时的仿真结果图；

图8是本发明实施例提供的一种所有DG下垂控制器频率受到攻击时的仿真结果图；

图9是本发明实施例提供的一种DG4受到攻击的仿真结果图。

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。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

为实现有效抵御虚假数据注入攻击，本发明实施例提供的一种交流微电网分布式韧性频率控制方法包括如下的处理步骤：

步骤1：建立交流微电网分布式二次频率控制器。

本发明采用的交流微电网分布式二次控制器如式(1)和(2)所示。

ω_i＝ω_ref-m_iP_i+Ω_i (1)

式中，ω_i为第i个DG的频率，ω_ref为DG的参考额定频率,m_i为第i个DG的下垂系数，P_i为第i个DG的有功功率，Ω_i为二次频率控制器的输出。

式中，c_ωi为控制参数，表示节点i的所有邻居集合，a_ij表示节点i和邻居j的通信关系，ω_j为第j个DG的频率，g_i表示领导节点到第i个DG的固定增益m_j为第j个DG的下垂系数，P_j为第j个DG的有功功率。

步骤2：建立虚假数据注入攻击模型。

本发明主要针对虚假数据注入攻击对微电网控制的影响，基于攻击位置和攻击形式的不同，分别建立不同的虚假数据注入攻击模型。为便于表示，令

1)建立不同攻击位置时攻击后的模型。

当攻击者对执行器进行攻击时，即攻击二次控制器时，可以建模为：

式中，δ_i表示对二次控制器输出的网络攻击，表示被攻击后的频率二次控制器输出。μ_i为0-1变量。当μ_i＝1时，表示攻击者实施了攻击；当μ_i＝0时，表示攻击者未实施攻击。

当攻击者对传感器进行攻击时，即攻击下垂控制器时，可以建模为

式中，δ_i表示对下垂控制器输出的网络攻击，表示被攻击后逆变器的频率参考值。η_i为0-1变量。当η_i＝1时，表示受到攻击；当η_i＝0时，表示没有受到攻击。

2)建立不同攻击形式的攻击模型。

δ_i可以表示为式(5)。

δ_i＝a+bf(t)+cg(t) (5)

其中，δ_i的导数是有界的；a、b和c均为常数，a表示有界恒定攻击，f(t)表示一个无界函数，g(t)表示一个有界非常数函数。

步骤3：设计一种分布式韧性频率控制方法，抵御虚假数据注入攻击。

基于自适应控制原理，设计了分布式韧性频率控制附加补偿项将分布式韧性频率控制附加补偿项/>加在分布式二次频率控制器的中间环节输出上.得到韧性频率控制器，如式(6)所示:

的具体表达式如式(7)和(8)所示:

式中，为二次频率控制器的输出，/>为分布式韧性频率控制附加补偿项，c_ωi为控制参数，/>表示节点i的所有邻居集合，a_ij表示节点i和邻居j的通信关系，ω_j为第j个DG的频率，ω_i为第i个DG的频率，ω_ref为DG的参考额定频率，g_i表示领导节点到第i个DG的固定增益，m_j为第j个DG的下垂系数，m_i为第i个DG的下垂系数，P_i为第i个DG的有功功率，P_j为第j个DG的有功功率，θ_i是自适应更新的变量，α_i和γ_i都是正的常数，γ_i≥1，exp(-α_it)为一个均匀连续函数。

以下通过本发明的一种抵御虚假数据注入攻击的交流微电网分布式韧性频率控制方法应用到图1所示的实例系统中。

图1是本发明实施例提供的一种交流微电网物理拓扑图，在图1所示的实例系统中，共有4台DG组成380V/50Hz孤岛交流微电网系统作为研究对象，每台DG都通过线路阻抗连接到公共连接点(point of common coupling,PCC)母线上，并通过PCC母线与主网相连，将与主网连接的联络开关CB断开，使微电网运行在孤岛模式。为说明实例系统负荷变动的影响，在PCC母线上接入负荷1(40kW+10kVar)和负荷2(20kW+10kVar)。图2为4台DG的通信网络拓扑图和对应的关联矩阵示意图。表1和表2分别为实例的线路参数和各台DG的控制系数。其中，设置四台DG的功率容量比例为2:3:2:3，由于下垂系数与容量成反比，所以四台DG的下垂系数比例为3:2:3:2。设置系统ω_n＝2π×50rad/s。

表1系统中各线路的阻抗参数

表2系统中各DG的控制参数

具体实施方式主要包括以下五个步骤：

步骤1：搭建基础孤岛交流微电网仿真模型。

基于图3所示的DG_i控制结构图，搭建4台DG有功/频率下垂控制，并将4台DG通过PCC互联，再根据式(1)和式(2)，通过图2所示的通信拓扑，加入4台DG的分布式二次频率控制器，构成图1所示的孤岛交流微电网。

步骤2：在基础仿真模型上加入附加韧性频率控制器，并验证系统的多目标稳态运行效果。

系统在t＝0s时与主网断开，以孤岛模式运行，此时，如图4的韧性频率控制器整体示意图所示，将式(7)和式(8)组成的附加补偿项加在每一个DG的二次频率控制的输出位置，构成分布式韧性频率控制器，仅投入负荷1稳定运行，运行至t＝0.5s时，再继续投入负荷2。运行结果如图6所示。从图6可以看出，在投入负荷2前后，各DG的频率均维持在50Hz；此外，系统中各DG的有功功率可以按照容量比例2:3:2:3精确分配。因此可知，在未受到攻击的情形下，引入分布式韧性频率控制器后，不会改变既有控制器的控制效果。

步骤3：多攻击形式下的韧性控制效果验证。

本步骤针对图5中的攻击位置1，设置不同的攻击形式，以验证所提韧性控制器的有效性。系统在t＝0s时与主网断开，以孤岛模式运行，此时投入负荷1，未引入韧性控制器。系统稳定运行至t＝0.4s时，根据式(5)，分别遭受0.6s时长的三种FDI(false datainjection attacks，虚假数据注入攻击)攻击形式：

(i)4台DG的二次频率控制器输出遭受无界的FDI攻击δ_i＝5000t；

(ii)4台DG的二次频率控制器输出遭受有界恒定的FDI攻击δ_i＝1000；

(iii)4台DG的二次频率控制器输出遭受有界时变的FDI攻击δ_i＝1000sin100t。t＝0.7s时，引入韧性频率控制器。运行结果如图7所示。从图7(a)可以看出，系统在t＝0.4s之前正常运行，二次控制器遭受无界攻击后，频率在没有控制措施的情况下均持续增加，偏离了额定值，4台DG的有功略有下降；在t＝0.7s投入韧性频率控制器后，系统的频率均可恢复到额定值，并且有功功率可以按比例精确分配。从图7(b)可以看出，正常运行的二次控制器遭受有界恒定攻击后，频率立即偏离额定值，且恒定有界，同图7(a)一样，功率小范围变动；在t＝0.7s投入韧性频率控制器后，系统的频率均可迅速恢复到额定值，并且有功功率可以按比例精确分配。从图7(c)可以看出，二次控制器遭受有界时变攻击后，频率均发生持续有界的振荡，有功也产生了一定振荡；在t＝0.7s投入所提的频率韧性控制器后，系统的频率恢复到额定值，并且有功功率可以按比例精确分配。由此可以看出，本发明的分布式韧性频率控制器可以有效抵御不同形式的FDI攻击，保障系统的安全稳定运行。

步骤4：多攻击位置下的韧性控制效果验证。

系统在t＝0s时与主网断开，投入负荷1以孤岛模式运行，未引入韧性控制器。运行至t＝0.4s时，如图5中的攻击位置2所示，4台DG的频率下垂控制器输出分别受到0.6s时长的有界时变FDI攻击δ_i＝10sin100t，在t＝0.7s时加入所提频率韧性控制器。运行结果如图8所示。从图8可以看出，系统在t＝0.4s之前正常运行，在t＝0.4s时4台DG的频率下垂控制输出遭受有界时变FDI攻击后，频率偏离额定值，发生明显的波动，有功功率受到的影响较小，只在小范围波动。在t＝0.7s时投入所提的韧性频率控制器后，可补偿系统频率由于受到攻击后产生的偏差，控制在额定值50Hz，并且有功功率也可以按容量比例精确分配。由此可以看出，所提出的分布式韧性频率控制器可以有效抵御不同位置的FDI攻击，保障系统的安全稳定运行。

步骤5：单台DG受到攻击时的韧性控制验证。

系统在t＝0s时与主网断开，投入负荷1以孤岛模式运行，未引入韧性控制器。运行至t＝0.4s时，仅DG4的频率二次控制器输出受到有界时变攻击δ₄＝100sin100t；t＝0.7s时投入韧性频率控制器。运行结果如图9所示。从图9可以看出，在t＝0.4s时DG4的频率二次控制器输出遭受有界非恒定攻击后，由于所有DG之间相互通信，因此其输出频率都偏离了额定值，并且由于DG4直接受攻击，其频率偏离额定值的程度最大；由于仅DG4受到攻击，其他DG未受到攻击，因此各DG输出有功的振荡情况并不相同；在t＝0.7s时投入所提的韧性频率控制器后，所有DG的输出频率都可以恢复到额定值，并且输出有功功率恢复正常，也可以按容量比例精确分配。由此可以看出，所提出的分布式韧性频率控制器可以有效抵御不对称的FDI攻击，保障系统安全稳定运行。

综上所述，本发明实施例设计了一种微电网韧性频率控制器，以实现有效地抵御交流微电网的不同攻击位置和攻击形式的虚假数据注入攻击，对应对网络攻击具有重要意义。

本发明旨在应对交流微电网受到虚假数据注入攻击后，微电网的频率偏离额定值、功率无法按照比例分配的情况，该发明能够使得微电网受到不同攻击形式和攻击位置后，依然可以实现频率稳定在额定值，功率按照比例精确分配的效果，并具有良好的动态性能，提升微电网的稳定性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种交流微电网分布式韧性频率控制方法，其特征在于，包括：

建立交流微电网的分布式二次频率控制器；

建立交流微电网的基于不同攻击位置和攻击形式的虚假数据注入攻击模型；

根据所述分布式二次频率控制器和所述虚假数据注入攻击模型得到交流微电网的分布式韧性频率控制方法；

所述建立交流微电网的分布式二次频率控制器，包括：

建立基于一致性算法的如式(1)和(2)所示的交流微电网的分布式二次频率控制器；

ω_i＝ω_ref-m_iP_i+Ω_i (1)

式中，ω_i为第i个分布式电源DG的频率，ω_ref为DG的参考额定频率,m_i为第i个DG的下垂系数，P_i为第i个DG的有功功率，Ω_i为二次频率控制器的输出；

式中，c_ωi为控制参数，N_i表示节点i的所有邻居集合，a_ij表示节点i和邻居j的通信关系，ω_j为第j个DG的频率，m_j为第j个DG的下垂系数，P_j为第j个DG的有功功率，g_i表示领导节点到第i个DG的固定增益；

所述根据所述分布式二次频率控制器和所述虚假数据注入攻击模型得到交流微电网的分布式韧性频率控制方法，包括：

基于自适应控制原理，设计分布式韧性频率控制附加补偿项将所述附加补偿项/>加在交流微电网的分布式二次频率控制器的中间环节输出上，得到韧性频率控制器，如式(6)、(7)和(8)所示：

的具体表达式如式(7)和(8)所示，

式中，为二次频率控制器的输出，/>为分布式韧性频率控制附加补偿项，c_ωi为控制参数，N_i表示节点i的所有邻居集合，a_ij表示节点i和邻居j的通信关系，ω_j为第j个DG的频率，ω_i为第i个DG的频率，ω_ref为DG的参考额定频率，g_i表示领导节点到第i个DG的固定增益，m_j为第j个DG的下垂系数，m_i为第i个DG的下垂系数，P_i为第i个DG的有功功率，P_j为第j个DG的有功功率，θ_i是自适应更新的变量，α_i和γ_i都是正的常数，γ_i≥1，exp(-α_it)为一个均匀连续函数；

利用所述韧性频率控制器抵御交流微电网的不同攻击位置和攻击形式的虚假数据注入攻击。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立交流微电网的基于不同攻击位置和攻击形式的虚假数据注入攻击模型，包括：

1)令建立不同攻击位置虚假数据注入攻击后的交流微电网模型：

当攻击者对交流微电网的二次控制器进行攻击时，建模为：

式中，δ_i表示对二次控制器输出的网络攻击，表示被攻击后的频率二次控制器输出，μ_i为0-1变量，当μ_i＝1时，表示攻击者实施了攻击；当μ_i＝0时，表示攻击者未实施攻击；

当攻击者对交流微电网的下垂控制器进行攻击时，建模为：

式中，δ_i表示对下垂控制器输出的网络攻击，表示被攻击后逆变器的频率参考值，η_i为0-1变量，当η_i＝1时，表示受到攻击；当η_i＝0时，表示没有受到攻击；

2)建立不同攻击形式的攻击模型；

δ_i表示为式(5)：

δ_i＝a+bf(t)+cg(t) (5)

其中，δ_i的导数是有界的；a、b和c均为常数，a表示有界恒定攻击，f(t)表示一个无界函数，g(t)表示一个有界非常数函数。