CN115036935A - 一种微电网频率分布式协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微电网频率分布式协同控制方法,属于电力系统技术领域,在基于信息物理系统的虚假数据注入攻击下,包括基于RT‑LAB实时仿真工具OPAL‑RT建立微电网频率分布式协同控制模型,基于DSP设计虚假数据注入攻击下的微电网分布式协同控制算法及二次控制算法,基于OPNET模拟各分布式电源之间实时通讯,模拟虚假数据常值注入,实现微电网中各分布式电源频率最终严格跟踪到参考频率。本发明是实现信息物理融合的虚假数据注入攻击下的微电网频率分布式协同控制方法,达到虚假数据注入攻击下对分布式微电网频率的协同控制,实现微电网频率最终控制到给定频率的目的,从而提高电网的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域,更具体地,涉及一种微电网频率控制方法。
背景技术
随着分布式电源(distributed generator,DG)的广泛接入和智能化电网建设的持续发展,有源配电网已逐渐变成一种有源、可控、灵活的信息物理系统(Cyber-physicalsystem,CPS)的配电网。由物理侧电力设备和信息侧网络通信设备组成的有源配电信息物理系统,是实现新能源消纳、可靠稳定地输配电的重要途径。有源配电网信息物理系统的网络安全对于其进一步发展至关重要。然而智能电力设备构筑的感知层和控制层因涉及面广、应用量大的特点,受到网络攻击的风险高。具体表现为全球电力二次系统网络安全事件频发。
微电网作为有源配电网信息物理系统的重要组成部分,也继承了相关特征,存在网络安全风险。在微电网的运行控制中,由于涉及较多控制决策和信息通信技技术,分布式控制非常容易受到网络攻击,网络攻击轻则会使控制算法无法达到控制目标,导致微电网频率和电压发生偏差,重则会导致微电网崩溃,带来严重的后果。
为消除攻击对系统的破坏,研究能够抵御攻击的分布式控制算法具有重要的现实意义。在众多的攻击类型中,虚假数据注入攻击可以在不引起分布式控制器跟踪误差的前提下施加攻击,很难被控制器直接检测并消除,而现实中往往通过建立复杂的评估机制和状态观测器等复杂过程来应对微电网的安全性,如注入量为常值的虚假数据注入攻击(False Data Injection Attacks,FDI),但是这类方案很难解决分布式微电网的稳定性。经查中国专利文献库,未找到相应的解决方案。
发明内容
针对现有技术的问题,本发明提供一种基于信息物理系统的虚假数据注入攻击下的微电网频率分布式协同控制方法,以达到虚假数据注入攻击下对分布式微电网频率的协同控制,实现微电网频率最终控制到给定频率的目的。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种微电网频率分布式协同控制方法,包括以下步骤:
S1:基于RT-LAB实时仿真工具OPAL-RT建立微电网频率分布式协同控制模型;
S2:基于DSP设计虚假数据注入攻击下的微电网分布式协同控制算法及二次控制算法;
S3:基于OPNET模拟各分布式电源之间实时通讯;
S4:模拟虚假数据常值注入,最终严格跟踪到参考频率,进行微电网频率分布式协同控制。
其中,RT_LAB为实时仿真平台软件包,OPAL-RT是实时仿真器,DSP是数字信号处理,OPNET是网络仿真技术软件包。
进一步地,步骤S1所述微电网频率分布式协同控制模型包括两部分:第一部分由通过含电压源换流器的分布式电源、微电网的三相交流负载组成的一次电路模块;第二部分由电压源换流器的脉冲宽度调制脉冲二次控制模块。
进一步地,步骤S1具体包括:在RT-LAB中完成分布式发电集群的仿真模型搭建,实现其物理镜像,并使用目标机拓展其信号输出端口。
其中,电压源换流器为Voltage Source Converter,即VSC。脉冲宽度调制为PWM。
进一步地,步骤S2具体包括:使用DSP对底层控制单元的RT-LAB信号输出端口进行模拟量采集,实现虚假数据注入攻击下的微电网分布式协同控制算法,将数字信号通过相应通讯规约上传至RT-LAB中运行控制单元。
进一步地,步骤S2中,所述微电网分布式协同控制算法包括:
在微电网中,分布式电源通过电压源换流器VSC接入微电网,向微电网供电,采用下垂控制方法控制电压源换流器VSC输出的有功功率和无功功率。
式中:ωi和Umag,i分别为逆变器i输出角频率和电压;Pi和Qi分别为逆变器i的输出有功功率和无功功率;mp,i和nq,i分别为逆变器i的有功和无功下垂系数,其可通过逆变器的额定值获得;ωn,i和Un,i分别为逆变器i的角频率和电压设定点。
进一步地,下垂控制会导致频率和电压偏差,因此需要二次控制来进行补偿。二次控制的目标是通过调节角频率和电压设定点将频率和电压恢复到正常工作范围。控制目标具体为:在存在攻击的情况下,设计二次控制算法使下式成立。
式中:i=1,2,…,n,其中n为分布式电源的个数;ωref为参考角频率。
为了利用分布式协同控制实现上述控制目标,需设计辅助控制器来获取式(2)中的控制输入ωn,i。将式(1)进行微分为:
该控制率的设计能够消除虚假数据注入为常值时对二次控制的影响。
进一步地,步骤S3中,OPNET起到路由器的作用,用于模拟分布式电源控制器DSP之间信号收发实现物理拓扑结构仿真,实现分布式电源单元频率协同控制信号的交互。
进一步的,步骤S4具体包括:
通过微电网频率分布式协同控制模型给定微电网频率二次控制攻击值,模拟虚假数据注入,频率波动值通过RT-LAB仿真模型传给DSP控制器,通过DSP控制器中的分布式电源频率二次控制算法计算后,将控制信号传回RT-LAB仿真模型,实现虚假数据注入攻击下的微电网频率分布式协同控制。
本发明具有的有益效果是:
相对现有技术,本发明不需要设计复杂的参数评估邻居信息的可信性,不依赖额外的估计器和通信网络,能够完全消除虚假数据注入攻击时微电网频率分布式控制的影响,且能够应对所有分布式电源受到攻击的情况,提高微电网的稳定性。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的微电网频率分布式协同控制模型图。
图3为本发明的实施例的评估结果图。
具体实施方式
有源配电网信息物理系统提高对微电网的控制能力,有源配电网的网络安全对于其至关重要。信息物理系统主要由RT-LAB仿真模型、DSP控制器、OPNET网络仿真单元组成。通过对各电力模型进行数学建模从而在RT-LAB中完成其模型搭建,实现其物理镜像,并使用目标机拓展其信号输出端口;DSP控制器ADC端口对信号输出端口进行模拟量采集,并通过分布式光伏功率控制协同控制算法进行运算,输出以及通过PWM端口发送至RT_LAB仿真模型实现协同控制;OPNET网络仿真模块起到交换机的作用,并对网络传输各种场景进行模拟。
在以注入量为常值的FDI攻击(简称常值攻击)为研究对象,本发明基于常值微分为0的性质,设计一种抵御FDI攻击的分布式协同控制方法应对微电网的安全性。
本发明是基于信息物理系统设计基于信息物理融合的虚假数据注入攻击下的微电网频率分布式协同控制方法,可验证虚假数据注入攻击下的微电网分布式协同控制的有效性。
实施例1:
如图2所示,本实例中,四个分布式电源和交流负载组合的微电网。通过直流电源逆变成三相交流模拟分布式电源,由DSP控制变流控制模块的PWM脉冲输入,进而控制分布式输出的有功功率。直流-交流逆变模块中逆变器将700V直流电压逆变成220V交流电压,系统稳定时四个分布式电源交流母线频率都为50Hz。
如图1所示,本实施例示出一种微电网频率分布式控制方法,包括以下步骤:
步骤一,基于RT_LAB实时仿真工具OPAL-RT建立微电网分布式发电集群仿真模型。
具体的,本实施例中,在RT-LAB中完成微电网分布式发电集群的仿真模型搭建,实现其物理镜像,并使用目标机拓展其信号输出端口;所述仿真模型包括两部分,第一部分由直流电源逆变三相交流的分布式电源模拟单元并联接入微电网的一次电路模块,第二部分由各分布式电源PWM脉冲二次控制系统组成。
本实施例中,用直流电源逆变三相交流的电路模拟分布式电源,四个分布式电源并联形成分布式发电集群。其中分布式电源功率控制由逆变器变流控制模块的PWM脉冲控制,脉冲信号由二次控制模块产生。
步骤二,基于DSP设计抗虚假数据注入的微电网分布式协同控制算法。
具体的,在微电网中,分布式电源通过VSC接入微电网,向微电网供电,采用传统的下垂控制方法控制VSC输出的有功功率和无功功率。
式中:ωi和Umag,i分别为逆变器i输出角频率和电压。Pi和Qi分别为逆变器i的输出有功功率和无功功率;mp,i和nq,i分别为逆变器i的有功和无功下垂系数,其可通过逆变器的额定值获得;ωn,i和Un,i分别为逆变器i的角频率和电压设定点。
下垂控制会导致频率和电压偏差,因此需要二次控制来进行补偿。二次控制的目标是通过调节角频率和电压设定点将频率和电压恢复到正常工作范围。本实施例只对攻击下的分布式协同控制进行分析,因此控制目标为:在存在攻击的情况下,设计二次控制算法使下式成立。
式中:i=1,2,…,n,其中n为分布式电源的个数;ωref为参考角频率。
为了利用分布式协同控制实现上述控制目标,需设计辅助控制器来获取式(2)中的控制输入ωn,i。将式(1)进行微分为:
该控制率的设计能够消除虚假数据注入为常值时对二次控制的影响。
具体的,步骤S3中,OPNET起到路由器的作用,用于模拟分布式电源控制器DSP之间信号收发实现物理拓扑结构仿真,实现分布式电源单元频率协同控制信号的交互。
步骤三,基于OPNET模拟分布式电源之间实时通讯。
具体的,本实施例中,OPNET起到路由器的作用,用于模拟分布式电源控制器DSP之间信号收发实现物理拓扑结构仿真,实现分布式电源频率信号的交互。
根据含分布式电源的微电网结构,设计OPNET通信拓扑结构如图2所示。
利用OPNET软件搭建分布式电源间通信网络,并设置相应的通信节点,这些节点是指分布式电源中实际运行设备的通讯节点;然后,交换机实时接收DSP控制器中的运行状态数据,通过通信板卡将数据送入OPNET,并作为实际节点参与含分布式电源的微电网的网络通信过程,进而完成OPNET模拟分布式电源之间实时通讯。通信网络数据流主要包括各分布式电源单元向相邻分布式电源单元发送实际频率。
步骤四,模拟虚假数据注入攻击,实现虚假数据注入攻击下的微电网频率分布式协同控制。
具体的,本实施例中,通过平台模型给定微电网频率二次控制攻击值,模拟虚假数据注入,各分布式电源交流频率通过RT-LAB仿真模型传给DSP控制器,通过DSP控制器中的分布式电源频率二次控制算法计算后,将控制信号传回RT-LAB仿真模型,实现虚假数据注入攻击下的微电网频率分布式协同控制。
下面通过具体实例对本发明的方案作进一步验证。
基于RT-LAB半实物仿真平台、DSP控制器、OPNET网络仿真软件通过如图2所示的构建信息物理系统,对本发明提出的虚假数据注入攻击下的微电网频率分布式协同控制方法进行了实验验证。
评估结果如图3所示,为本实例中基于信息物理系统的虚假数据注入攻击下的微电网频率分布式协同控制的结果,是系统启动时四个分布式电源三相交流侧频率的从启动到稳定运行和从稳定运行到虚假数据注入两个状态下变化曲线。从图中可知,1秒时分布式微电网收到虚假数据注入攻击,很快控制系统消除了攻击,四个分布式电源频率都恢复50Hz稳定运行。
如以上实施例所述,提供的一种微电网频率分布式协同控制方法,不需要建立复杂的评估机制,不依赖状态观测器,能够完全消除常值攻击对系统的影响,且能够应对所有分布式电源受到攻击的情况,消除了虚假数据注入攻击时微电网频率分布式控制的影响,从而提高电网的稳定性。
Claims (8)
1.一种微电网频率分布式协同控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:基于RT-LAB实时仿真工具OPAL-RT建立微电网频率分布式协同控制模型;
S2:基于DSP设计虚假数据注入攻击下的微电网分布式协同控制算法及二次控制算法;
S3:基于OPNET模拟分布式电源之间实时通讯;
S4:模拟虚假数据常值注入,进行微电网频率分布式协同控制。
2.根据权利要求1所述的一种微电网频率分布式协同控制方法,其特征在于,步骤S1所述微电网频率分布式协同控制模型包括两部分:
第一部分由通过含电压源换流器的分布式电源、微电网的三相交流负载组成的一次电路模块;第二部分由电压源换流器的脉冲宽度调制脉冲二次控制模块。
3.根据权利要求1所述的一种微电网频率分布式协同控制方法,其特征在于,所述步骤S1具体包括:
在RT-LAB中搭建分布式发电集群的仿真模型,实现物理镜像,并使用目标机拓展信号输出端口。
4.根据权利要求1所述的一种微电网频率分布式协同控制方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括:
使用DSP对底层控制单元的RT-LAB信号输出端口采集模拟量,实现虚假数据注入攻击下的微电网分布式协同控制算法,将数字信号通过通讯规约上传至RT-LAB中运行控制单元。
7.根据权利要求1所述的一种微电网频率分布式协同控制方法,其特征在于,所述步骤S3具体为:OPNET模拟分布式电源控制器与DSP之间的信号收发,实现物理拓扑结构仿真,交互分布式电源单元频率协同控制信号。
8.根据权利要求1所述的一种微电网频率分布式协同控制方法,其特征在于,所述步骤S4具体包括:
利用所述微电网频率分布式协同控制模型给定微电网频率二次控制攻击值,模拟虚假数据注入,频率波动值通过RT-LAB仿真的微电网频率分布式协同控制模型传给DSP控制器,利用DSP控制器中的分布式电源频率二次控制算法计算后,将控制信号传回RT-LAB仿真的微电网频率分布式协同控制模型,实现虚假数据注入攻击下的微电网频率分布式协同控制。
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CN202210409710.4A CN115036935A (zh) | 2022-04-19 | 2022-04-19 | 一种微电网频率分布式协同控制方法 |
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CN116224867A (zh) * | 2022-11-14 | 2023-06-06 | 江苏工程职业技术学院 | 一种多智能体系统的二分包容控制方法 |
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2022
- 2022-04-19 CN CN202210409710.4A patent/CN115036935A/zh active Pending
Cited By (2)
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CN116224867A (zh) * | 2022-11-14 | 2023-06-06 | 江苏工程职业技术学院 | 一种多智能体系统的二分包容控制方法 |
CN116224867B (zh) * | 2022-11-14 | 2024-03-08 | 江苏工程职业技术学院 | 一种多智能体系统的二分包容控制方法 |
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