CN116800463A - 一种切换型自适应事件触发控制方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统安全控制技术领域，特别涉及一种切换型自适应事件触发控制方法、系统及存储介质，包括以下步骤：建立电力系统模型；根据测量通道受拒绝服务攻击，结合确认字符技术给出检测测量通道的拒绝服务攻击模型；构造分散型切换型自适应事件触发机制；根据控制通道受到拒绝服务攻击和欺骗攻击组成的混合网络攻击，建立混合网络攻击模型；基于分散型切换型自适应事件触发机制，设置攻击测量通道的拒绝服务攻击模型，攻击控制通道的混合网络攻击模型，进而建立多重网络攻击下的电力系统模型；构造分散线性状态观测器估计未测量状态，获得状态观测误差系统；采用非递推方法设计输出反馈控制器，得到电力系统的安全控制方案。

Description

一种切换型自适应事件触发控制方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及电力系统安全控制技术领域，具体为一种切换型自适应事件触发控制方法、系统及存储介质。

背景技术

近年来，电力系统的网络安全隐患日益突出，网络攻击引发了更严重的信息不确定性，对电力系统的安全稳定控制构成了新的威胁。网络攻击通过破坏信息的完整性和可用性，造成电力系统运行不稳定，导致停电事故并且引发社会经济损失。因此，研究网络攻击下电力系统安全控制问题具有重要的现实意义。

此外，随着电力系统的复杂度不断增加，通信网络中的数据传输量也不断增大，这使得通信网络的负荷越来越大。事件触发机制能够有效减少冗余数据传输，但目前的事件触发机制极少有考虑网络攻击的影响。

因此，如何在保证电力系统稳定的前提下，节约有限的通信资源并且补偿网络攻击的影响受到了广泛关注。另一方面，非递推控制方法相较于反步法更能减少控制器设计的复杂度。然而，在电力系统受到多重网络攻击的情况下，非递推控制方法仍然是一个难题。所以，多重网络攻击下电力系统的分散切换型自适应事件触发非递推控制显然是一项具有挑战性的工作。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对受到多重网络攻击的电力系统，提供一种分散切换型自适应事件触发非递推控制方法，有效降低拒绝服务攻击和混合网络攻击对电力系统的影响，实现系统稳定，提高电力系统防御能力，并能节约通信资源。

为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种切换型自适应事件触发控制方法，该方法包括：

(1)建立电力系统模型；根据测量通道受拒绝服务攻击，结合确认字符技术给出检测测量通道的拒绝服务攻击模型；构造分散型切换型自适应事件触发机制；根据控制通道受到拒绝服务攻击和欺骗攻击组成的混合网络攻击，建立混合网络攻击模型；基于分散型切换型自适应事件触发机制，设置攻击测量通道的拒绝服务攻击模型，攻击控制通道的混合网络攻击模型，进而建立多重网络攻击下的电力系统模型；

(2)构造分散线性状态观测器估计未测量状态，获得状态观测误差系统；

(3)采用非递推方法设计输出反馈控制器，得到电力系统的安全控制方案。

在第一方面的一些实现方式中，建立电力系统模型为：

其中i＝1,2，Δδ_i,Δω_i,ΔP_mi和ΔP_ei分别为转子角的偏差、转子相对转速的偏差、机械输入功率的偏差和有功功率的偏差，是外部扰动，控制信号/>是阀门开度的偏差，ω₀,T_i,D_i,H_i,k_i是恒定的系统参数，有功功率的偏差ΔP_ei定义如下：

ΔP_e2＝-ΔP_e1, (1.2)

其中δ₁₀和δ₂₀是第一和第二个发电机的稳态角，X,E₁和E₂是常数，δ_i,i＝1,2为各发电机的转子角度，

定义状态变量等效控制输入/>则可转化为

y_i＝x_i,1 i＝1,2, (1.3)

其中x_i＝[x_i,1,x_i,2,x_i,3]^T,x＝[x₁,x₂]^T分别代表系统部分和全部状态向量，y_i是系统输出，/>和f_i,3(x₁,x₂)代表系统非线性函数且

d_i,j和表示外部扰动，d_i,1＝0,d_i,2＝0,/>且满足/> 其中/>是正常数。

在第一方面的一些实现方式中，根据拒绝服务攻击位于测量通道，引入确认字符技术检测测量通道的拒绝服务攻击模型为：

其中∏_n表示第n个攻击睡眠周期的开始时刻，s_n表示第n个攻击睡眠周期长度，Π₀表示起始时刻并且满足0≤Π₀<Π₁<Π₁+s₁<∏₂<…<П_n<П_n+s_n<…，定义Λ_n,1∈[∏_n,∏_n+s_n)和Λ_n,0∈[∏_n+s_n,Π_n+1)。

在第一方面的一些实现方式中，构造分散型切换型自适应事件触发机制，包括：

其中∈_i>0是一个常数，/>是第k个触发时刻，/>是采样触发的输出信号，/>是一个随时间变化的正的切换型阈值函数

其中 和/>是给定的正常数，且

(1+η_i,0(t))^μ+1-1≤η_i,1(t), (3.3)

其中μ是一个正常数与最大丢包数Y之间满足Y≤μ。

在第一方面的一些实现方式中，根据由服从伯努利分布的拒绝服务攻击和欺骗攻击组成的混合网络攻击位于控制通道，建立混合网络攻击模型，其输出信号描述如下：

U_i＝ω_i(t)u_i+(1-ω_i(t))ρ_i(t)g_i(u_i), (4.1)

其中g_i(u_i)表示欺骗攻击信号；随机变量ω_i(t)和ρ_i(t)服从伯努利分布

Pr{ω_i(t)＝1}＝ω_i,Pr{ω_i(t)＝0}＝1-ω_i；

Pr{ρ_i(t)＝1}＝ρ_i,Pr{ρ_i(t)＝0}＝1-ρ_i, (4.2)

在第一方面的一些实现方式中，所述基于分散型切换型自适应事件触发机制，设置攻击测量通道的拒绝服务攻击模型，攻击控制通道的混合网络攻击模型，进而建立多重网络攻击下的电力系统模型，系统(1.3)描述为：

y_i＝x_i,1 i＝1,2, (5.1)

在第一方面的一些实现方式中，所述构造分散线性状态观测器估计未测量状态，获得状态观测误差系统，包括构造分散线性状态观测器：

其中h_i,1,h_i,2和h_i,3(i＝1,2)为待设计参数，分别是x_i,1,x_i,2,x_i,3的估计，

定义为状态观测误差，则状态观测误差系统为：

其中

在第一方面的一些实现方式中，基于观测器输出值，采用非递推方法设计输出反馈控制器，得到电力系统的安全控制方案，包括：

定义如下坐标变换

其中L_i>1是待设计的控制增益，那么系统可以改写为

系统的控制律设计如下：

其中r_i,j>0是一个常数，i＝1,2,j＝1,2,3，将代入可得

其中z_i＝[z_i,1,z_i,2,z_i,3]^T，并且

第二方面，提供一种切换型自适应事件触发控制系统，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的程序数据时实现第一方面以及第一方面的实现方式中任一项所述的一种切换型自适应事件触发控制方法。

第三方面，提供一种可读存储介质，用于存储控制程序数据，其中，所述控制程序数据被处理器执行时实现第一方面以及第一方面的实现方式中任一项所述的一种切换型自适应事件触发控制方法。

本发明的有益效果在于：

(1)多重网络攻击分别攻击不同的通信通道：由服从伯努利分布的拒绝服务攻击和欺骗攻击组成的混合网络攻击位于控制通道，测量通道受到拒绝服务攻击，并引入确认字符技术检测。

(2)与切换型静态事件触发机制和非切换型事件触发机制相比，构造的切换型自适应事件触发机制既能补偿测量通道拒绝服务攻击的影响，同时能提高带宽利用率。每个通道中的切换型自适应事件触发机制都有一个独立的自适应律来调整其阈值系数，从而允许控制器调整不确定性参数以保持系统性能。

(3)构造分散线性状态观测器估计未测量状态，基于观测器输出值，采用非递推方法设计输出反馈控制器，保证了闭环系统所有信号有界性。

(4)本方法可以有效降低拒绝服务攻击和混合网络攻击对电力系统的影响，实现系统稳定，提高电力系统防御能力，并能节约通信资源，适用于电力系统的安全控制。

附图说明

图1为本发明一种切换型自适应事件触发控制方法流程图；

图2为一种切换型自适应事件触发控制系统结构示意图；

具体实施方式

下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。

实施例

如图1所示，本发明提供了一种切换型自适应事件触发控制方法，具体实现步骤如下：

步骤一：首先，建立电力系统模型为，

其中i＝1,2，Δδ_i,Δω_i,ΔP_mi和ΔP_ei分别为转子角的偏差、转子相对转速的偏差、机械输入功率的偏差和有功功率的偏差，是外部扰动，控制信号/>是阀门开度的偏差，ω₀,T_i,D_i,H_i,k_i是恒定的系统参数，/>表示任意参数■的导数，有功功率的偏差ΔP_ei定义如下：

ΔP_e2＝-ΔP_e1, (1.2)

其中δ₁₀和δ₂₀是第一和第二个发电机的稳态角，X,E₁和E₂是常数，δ_i,i＝1,2为各发电机的转子角度，

定义状态变量等效控制输入/>则可转化为

y_i＝x_i,1 i＝1,2, (1.3)

其中x_i＝[x_i,1,x_i,2,x_i,3]^T,x＝[x₁,x₂]^T分别代表系统部分和全部状态向量，y_i是系统输出，/>和f_i,3(x₁,x₂)代表系统非线性函数且

d_i,j和表示外部扰动，d_i,1＝0,d_i,2＝0,/>且满足/> 其中/>是正常数，监测器直接测量各发电机的转子角度为

选择ω₀＝314.159rad/s，δ₁₀＝1rad，δ₂₀＝1.2rad，T_i＝15s，D_i＝3，H_i＝12，k_i＝0，E₁＝2，E₂＝3，X＝15，d_i,1＝d_i,2＝0，d_i,3＝sin(t)，[x_i,1(0),x_i,2(0),x_i,3(0)]＝[-0.2,-0.2,-0.2]，i＝1,2为状态变量的初始值。

进一步的，根据测量通道受拒绝服务攻击，结合确认字符技术给出检测测量通道的拒绝服务攻击模型如下所示：

其中∏_n表示第n个攻击睡眠周期的开始时刻，s_n表示第n个攻击睡眠周期长度，П₀表示起始时刻并且满足0≤П₀<П₁<Π₁+s₁<Π₂<…<П_n<П_n+s_n<…，定义Λ_n,1∈[Π_n,Π_n+s_n)和Λ_n,0∈[∏_n+s_n,Π_n+1)，选择Λ_1,1∈[0,2.4)，Λ_1,0∈[2.4,2.7)，Λ_2,1∈[2.7,3.1)，Λ_2,0∈[3.1,3.4)，Λ_3,1∈[3.4,5.6)，Λ_3,0∈[5.6,5.9)，Λ_4,1∈[0,2.4)，Λ_4,0∈[0,2.4)，Λ_5,1∈[5.9,8.9)，Λ_5,0∈[8.9,9.3)，Λ_6,1∈[9.3,11.2)，Λ_6,0∈[11.2,11.4)，Λ_7,1∈[11.4,13.2)，Λ_7,0∈[8.9,9.3)，Λ_8,1∈[9.3,11.2)，Λ_8,0∈[13.2,13.5)，Λ_9,1∈[13.5,15.5)，Λ_9,0∈[15.5,15.9)，Λ_10,1∈[15.9,21.3)，Λ_10,0∈[21.3,21.7)，Λ_11,1∈[21.7,24.6)，Λ_11,0∈[24.6,24.9)，Λ_12,1∈[24.9,30)。

进一步的，为了补偿测量通道拒绝服务攻击的影响同时提高带宽利用率，构造分散型切换型自适应事件触发机制为：

其中是一个常数，/>是第k个触发时刻，/>是采样触发的输出信号，/>是一个随时间变化的正的切换型阈值函数

其中和/>是给定的正常数，且

(1+η_i,0(t))^μ+1-1≤η_i,1(t), (3.3)

其中μ是一个正常数与最大丢包数Y之间满足Y≤μ，选择η_i,1(0)＝0.3，η_i,0(0)＝0.3，∈_i＝0.1,i＝1,2,μ＝12。

进一步的，根据控制通道受到拒绝服务攻击和欺骗攻击组成的混合网络攻击，建立混合网络攻击模型，其输入信号描述如下：

U_i＝ω_i(t)u_i+(1-ω_i(t))ρ_i(t)g_i(u_i), (4.1)

其中g_i(u_i)表示欺骗攻击信号；随机变量ω_i(t)和ρ_i(t)服从伯努利分布

pr{ω_i(t)＝1}＝ω_i,Pr{ω_i(t)＝0}＝1-ω_i；

Pr{ρ_i(t)＝1}＝ρ_i,Pr{ρ_i(t)＝0}＝1-ρ_i, (4.2)

进一步的，基于分散型切换型自适应事件触发机制，设置攻击测量通道的拒绝服务攻击模型，攻击控制通道的混合网络攻击模型，进而建立多重网络攻击下的电力系统模型，系统(1.3)描述为：

y_i＝x_i,1 i＝1,2, (5.1)

选择ω_i(t)＝0.3,ρ_i(t)＝0.7,g_i(u_i)＝tanh(u_i(t)),i＝1,2。

步骤二：构造分散线性状态观测器估计未测量状态，获得状态观测误差系统，包括构造分散线性状态观测器：

其中h_i,1,h_i,2和h_i,3(i＝1,2)为待设计参数，分别是x_i,1,x_i,2,x_i,3的估计。选择观测器初始值为/>

定义为状态观测误差，则状态观测误差系统为：

其中

B_i,3＝[0,0,1]^T,d_i＝[d_i,1,d_i,2,d_i,3]^T，选择L_i＝30,h_i,1＝4,h_i,2＝5,h_i,3＝2,i＝1,2。

步骤三：采用非递推方法设计输出反馈控制器，得到电力系统的安全控制方案，具体包括：

定义如下坐标变换

其中L_i>1是待设计的控制增益，那么系统可以改写为

系统的控制律设计如下：

其中r_i,j>0是一个常数，i＝1,2,j＝1,2,3，将代入可得

其中z_i＝[z_i,1,z_i,2,z_i,3]^T，并且

选择r_i,1＝1.2,r_i,2＝0.5,r_i,3＝0.6,i＝1,2。

此外，本发明提供一种切换型自适应事件触发控制系统，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的程序数据时实现所述的一种切换型自适应事件触发控制方法。

最后，本发明提供一种可读存储介质，用于存储控制程序数据，其中，所述控制程序数据被处理器执行时实现所述的一种切换型自适应事件触发控制方法。

需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

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增减替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种切换型自适应事件触发控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立电力系统模型；根据测量通道受拒绝服务攻击，结合确认字符技术给出检测测量通道的拒绝服务攻击模型；构造分散型切换型自适应事件触发机制；根据控制通道受到拒绝服务攻击和欺骗攻击组成的混合网络攻击，建立混合网络攻击模型；基于分散型切换型自适应事件触发机制，设置攻击测量通道的拒绝服务攻击模型，攻击控制通道的混合网络攻击模型，进而建立多重网络攻击下的电力系统模型；

(2)构造分散线性状态观测器估计未测量状态，获得状态观测误差系统；

(3)采用非递推方法设计输出反馈控制器，得到电力系统的安全控制方案。

2.根据权利要求1所述的一种切换型自适应事件触发控制方法，其特征在于，所述建立电力系统模型为：

其中i＝1，2，Δδ_i，Δω_i，ΔP_mi和ΔP_ei分别为转子角的偏差、转子相对转速的偏差、机械输入功率的偏差和有功功率的偏差，是外部扰动，控制信号/>是阀门开度的偏差，ω₀，T_i，D_i，H_i，k_i是恒定的系统参数，有功功率的偏差ΔP_ei定义如下：

ΔP_e2＝-ΔP_e1， (1.2)

其中δ₁₀和δ₂₀是第一和第二个发电机的稳态角，X，E₁和E₂是常数，δ_i，i＝1，2为各发电机的转子角度，

定义状态变量等效控制输入/>则可转化为

y_i＝x_i，1i＝1，2， (1.3)

其中x_i＝[x_i，1，x_i，2，x_i，3]^T，x＝[x₁，x₂]^T分别代表系统部分和全部状态向量，y_i是系统输出，/>和f_i，3(x₁，x₂)代表系统非线性函数且

d_i，j和表示外部扰动，d_i，1＝0，d_i，2＝0，/>且满足/> 其中/>是正常数。

3.根据权利要求1所述的一种切换型自适应事件触发控制方法，其特征在于，所述根据拒绝服务攻击位于测量通道，引入确认字符技术检测测量通道的拒绝服务攻击模型为：

其中Π_n表示第n个攻击睡眠周期的开始时刻，s_n表示第n个攻击睡眠周期长度，Π₀表示起始时刻并且满足0≤Π₀＜Π₁＜Π₁+s₁＜Π₂＜…＜Π_n＜Π_n+s_n＜…，定义Λ_n，1∈[Π_n，Π_n+s_n)和Λ_n，0∈[Π_n+s_n，Π_n+1)。

4.根据权利要求1所述的一种切换型自适应事件触发控制方法，其特征在于，所述构造分散型切换型自适应事件触发机制，包括：

其中是一个常数，/>是第k个触发时刻，/>是采样触发的输出信号，/>是一个随时间变化的正的切换型阈值函数

其中 和Ξ_i是给定的正常数，且

(1+η_i，0(T))^μ+1-1≤η_i，1(T)， (3.3)

其中μ是一个正常数与最大丢包数Y之间满足Y≤μ。

5.根据权利要求1所述的一种切换型自适应事件触发控制方法，其特征在于，所述根据由服从伯努利分布的拒绝服务攻击和欺骗攻击组成的混合网络攻击位于控制通道，建立混合网络攻击模型，其输出信号描述如下：

U_i＝ω_i(t)u_i+(1-ω_i(t))ρ_i(t)g_i(u_i)， (4.1)

其中g_i(u_i)表示欺骗攻击信号；随机变量ω_i(t)和ρ_i(t)服从伯努利分布

Pr{ω_i(T)＝1}＝ω_i，Pr{ω_i(t)＝0}＝1-ω_i；

Pr{ρ_i(t)＝1}＝ρ_i，Pr{ρ_i(t)＝0}＝1-ρ_i， (4.2)

6.根据权利要求1所述的一种切换型自适应事件触发控制方法，其特征在于，所述基于分散型切换型自适应事件触发机制，设置攻击测量通道的拒绝服务攻击模型，攻击控制通道的混合网络攻击模型，进而建立多重网络攻击下的电力系统模型，系统(1.3)描述为：

y_i＝x_i，1i＝1，2， (5.1)

7.根据权利要求1所述的一种切换型自适应事件触发控制方法，其特征在于，所述构造分散线性状态观测器估计未测量状态，获得状态观测误差系统，包括构造分散线性状态观测器：

其中h_i，1，h_i，2和h_i，3(i＝1，2)为待设计参数，分别是x_i，1，x_i，2，x_i，3的估计，

定义为状态观测误差，则状态观测误差系统为：

其中

H_i＝[h_i，1，h_i，2，h_i，3]，/>B_i，3＝[0，0，1]^T，d_i＝[d_i，1，d_i，2，d_i，3]^T。

8.根据权利要求1所述的一种切换型自适应事件触发控制方法，其特征在于，所述基于观测器输出值，采用非递推方法设计输出反馈控制器，得到电力系统的安全控制方案，包括：

定义如下坐标变换

其中L_i＞1是待设计的控制增益，那么系统可以改写为

系统的控制律设计如下：

其中r_i，j＞0是一个常数，i＝1，2，j＝1，2，3，将代入可得

其中z_i＝[z_i，1，z_i，2，z_i，3]^T，并且

9.一种切换型自适应事件触发控制系统，其特征在于包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的程序数据时实现所述权利要求1-8中任一项所述的一种切换型自适应事件触发控制方法。

10.一种可读存储介质，其特征在于，用于存储控制程序数据，其中，所述控制程序数据被处理器执行时实现所述权利要求1-8中任一项所述的一种切换型自适应事件触发控制方法。