一种切换事件触发的微电网系统负荷频率安全控制方法

技术领域

本发明属于新型电力系统安全控制技术领域，具体涉及一种切换事件触发的微电网系统负荷频率安全控制方法。

背景技术

微电网能够有效提高电力系统运行的安全性与可靠性，有利于电力系统抗攻击、抗灾害能力的建设。当前，我国的电力行业发展处于大电网、高电压、长距离和大容量阶段，各区域电网之间已实现互联互通，网络架构也日益复杂。但是较大范围的电力交换容易产生低频振荡与系统不稳定，其动态性能难以控制。另一方面，与传统集中式电力系统相比，微电网能够与现有各种能源形式构成一种更高效、灵活的新系统。在电力系统中，功率平衡和频率稳定是系统正常运行最基本的要求。在现代电力互联网中，负荷频率控制通过调节区域内的调频发电机的功率维持和负载的实时平衡来维持电力系统的功率稳定和频率稳定。但未来电力系统的量测与控制数据传输借助于开放的网络空间，更容易暴露在恶意网络攻击下。

随着微电网的逐步发展，传统的电力系统信息化进程驱使信息空间和物理实体的融合更加紧密，这一发展一方面便捷了电力系统的管控，同时也造成了冗余数据的传输、存储与计算。这些冗余数据的对提高系统稳定性的作用微乎其微，如果此时仍使用传统的周期采样机制，将会造成微电网系统中存在诸多不必要信息的交互，由此将增加系统的通信成本。相反，如果不法分子借助信息拥塞对系统发出拒绝服务攻击，则更容易造成控制系统崩溃。因此微电网系统在网络攻击下的安全控制方法成为现阶段亟需研究的重要问题。

文献[Heemels W,Donkers M,Teel A.Periodic Event-Triggered Control forLinear Systems[C].2013IEEE 52nd Annual Conference on Decision and Control(CDC)]提出了一种针对线性系统的周期性事件触发控制方法，以周期性的验证事件触发条件来决定每个采样时刻是否计算和发送新的量测数据和控制信号。

文献[Peng C,Li J,Fei M.Resilient Event-Triggering H∞Load FrequencyControl for Multi-Area Power Systems With Energy-Limited DoS Attacks[J].IEEETransactions on Power Systems,2017,32(5):4110-4118]提出了一种针对多区域电力系统遭受拒绝服务攻击时的弹性事件触发控制方法，该方法精细地构造了区域控制误差相关时滞模型，并提出一种弹性事件触发通信方案，该方案允许一定程度的拒绝服务攻击导致的数据包丢失，并有效节约通信带宽资源。最后利用李雅普诺夫理论推导出拒绝服务攻击下的多区域电力系统稳定性判据。

文献[Yan S,Gu Z,Park J H.Memory-Event-Triggered H∞Load FrequencyControl of Multi-Area Power Systems With Cyber-Attacks and CommunicationDelays[J].IEEE Transactions on Network Science and Engineering,2021,8(2):1571-1583]提出了一种自适应事件触发通信方案，该方案可以动态调整事件触发阈值。在保证维持期望控制性能的前提下节省更多有限的网络通信资源。

文献[Peng C,Zhang J,Yan H.Adaptive Event-Triggering H∞Load FrequencyControl for Network-Based Power Systems[J].IEEE Transactions on IndustrialElectronics,2018,65(2):1685-1694]提出一种针对网络攻击与通信时延下多域电力系统负荷频率H控制器设计方法。

文献[Peng C,Sun H.Switching-Like Event-Triggered Control forNetworked Control Systems Under Malicious Denial of Service Attacks[J].IEEETransactions on Automatic Control,2020,65(9):3943-3949.后文实验对比研究]利用基于TCP/IP通信协议的确认字符技术提出了一种类切换事件通信控制方法，该方法通过判定是否存在由拒绝服务攻击导致的数据包丢失来切换事件触发阈值，以缓解拒绝服务攻击对系统稳定性的影响。

现有技术记载的前三个方案中均基于量测信号变换程度来决定是否触发量测传输动作，在保证系统稳定的前提下节约了通信带宽资源，但这些方法所采用的阈值为固定阈值，不能满足系统状态在各个场景下的需求，即这些方法的场景适应性较低。第四个方案的阈值切换是根据系统状态而非攻击情景而动作的，因此当系统遭受拒绝服务攻击时，该方法不能有效抵御攻击对系统造成的影响。第五个方案中李雅普诺夫能量泛函的构造以及积分不等式放缩方法存在一定的保守性，因此推导出的系统的稳定性判据不能得到相对更大的时延系统最大允许时延上界。且该方法没有有效的与微电网系统结合。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种切换事件触发的微电网系统负荷频率安全控制方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种切换事件触发的微电网系统负荷频率安全控制方法，包括：

步骤1，获取根据微电网系统实际结构设计的微电网系统模型，在所述微电网系统模型中通过加入储能装置以及拒绝服务攻击的方式，构建新型微电网系统模型；

步骤2，依据所述新型微电网系统模型中的DoS攻击环节，将时间区间划分为有攻击区间和无攻击区间，并将依据划分的不同区间设计对应的切换事件触发策略；

步骤3，利用不同区间对应的切换事件触发策略，对所述新型微电网系统模型进行转换，构造出闭环微电网系统模型；

步骤4，结合切换事件触发策略与划分的不同区间，构造包含时延三次多项式的Lyapunov-Krasovskii泛函；

步骤5，对所构造Lyapunov-Krasovskii泛函沿系统轨迹求导，结合三次矩阵多项式正/负定判定准则与积分高次不等式放缩技术得到微电网时延系统的稳定性判据；

步骤6，对所述稳定性判据系统确定微电网系统对时延的耐受程度，并根据耐受程度对微电网系统进行时延控制。

本发明的有益效果：

本发明提出一种切换事件触发的微电网系统负荷频率安全控制方法，该方法分别构建出DoS攻击情景下和无攻击下微电网负荷频率控制方案，能够使得系统稳定的前提下节约更多的带宽资源。针对受时延影响的算法模型，通过构造高阶的Lyapunov能量泛函，求取导数并放缩，将遭受拒绝服务攻击的微电网系统建模为时延系统，将时变时延稳定性判据应用其中，并保证更小的保守性获得了兼顾保守性与复杂性的时滞依赖收敛判据，可依次判断算法对时延的耐受程度，最后通过实验证明本发明所提控制器设计方法能够在DoS攻击发生时保证系统的渐近稳定。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明提供的一种切换事件触发的微电网系统负荷频率安全控制方法的流程示意图；

图2a是本发明提供的DoS攻击下的微电网负荷频率控制结构图；

图2b是本发明提供的拒绝服务攻击下的切换事件触发时序图；

图3是本发明提供的DoS攻击下的切换事件触发策略示意图；

图4是本发明提供的场景1的状态相应曲线及简易事件触发通信释放时刻示意图；

图5是本发明提供的场景2的状态相应曲线及简易事件触发通信释放时刻(系统不稳定)示意图；

图6是本发明提供的场景3的状态相应曲线及弹性事件触发通信释放时刻示意图；

图7是本发明提供的场景4的状态相应曲线及自适应事件触发通信释放时刻示意图；

图8是本发明提供的场景5的状态相应曲线及切换事件触发通信释放时刻示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明的方案应用在微电网的中心控制器上，由于微电网本地控制器与中心控制器的控制参数是相互耦合的，如此中心控制器的控制方案可以具有直接应用在中心控制器上。

如图1所示，本发明提供了一种切换事件触发的微电网系统负荷频率安全控制方法包括：

步骤1，获取根据微电网系统实际结构设计的微电网系统模型，在所述微电网系统模型中通过加入储能装置以及拒绝服务攻击的方式，构建新型微电网系统模型；

步骤2，依据所述新型微电网系统模型中的DoS攻击环节，将时间区间划分为有攻击区间和无攻击区间，并将依据划分的不同区间设计对应的切换事件触发策略；

步骤3，利用不同区间对应的切换事件触发策略，对所述新型微电网系统模型进行转换，构造出闭环微电网系统模型；

步骤4，结合切换事件触发策略与划分的不同区间，构造包含时延三次多项式的Lyapunov-Krasovskii泛函；

步骤5，对所构造Lyapunov-Krasovskii泛函沿系统轨迹求导，结合三次矩阵多项式正/负定判定准则与积分高次不等式放缩技术得到微电网时延系统的稳定性判据；

步骤6，对所述稳定性判据系统确定微电网系统对时延的耐受程度，并根据耐受程度对微电网系统进行时延控制。

参考图2a所示，图2a为含储能装置的微电网系统的系统结构示意图，新型的微电网系统模型表示为：

图2a中各符号物理描述如下：

表1微电网系统中符号及其物理含义

表中，向量中的某个元素用小写字母携带下角标表示。

F为系统矩阵，/>

由于外部扰动不能影响系统内部稳定性，因此扰动项在时延微电网信息物理系统稳定性分析过程中可以被忽略，式(1)中t表示系统运行时刻，

a

ΔP

K

ΔP

本发明考虑的模型为了实现以微电网系统期望频率动态稳定的控制目标，本发明模型使用分层控制结构，该结构包括微电网中央控制器和微电网本地控制器。

根据拒绝服务攻击的有无划分攻击有效区间：

步骤21，依据所述新型微电网系统模型中的DoS攻击环节，将成功传输序列的时间区间划分为有攻击的D区间和无攻击的S区间；

假设基于周期触发的传感器采样周期为h，则传感器采样序列可以描述为

s

式中，s

为了构造在DoS攻击下的事件触发策略，将成功传输序列进行下述区分。在每个成功传输序列区间

综上所述，在每个成功传输区间中，依据DoS攻击情况可以将其分类为两类区间：

S区间：在时间区间[t

D区间：在时间区间[t

其中，取

步骤22，引入时间触发通信策略，并分别设计D区间和S区间切换事件触发策略触发阈值参数；

步骤23，根据事件触发策略触发阈值参数以及所述时间触发通信策略，构造事件触发策略。

在图3中根据ACK的不同，阈值参数可以从和自行切换，以满足系统在不同阶段的数据传输需求。以上的切换事件触发策略可以构造为以下形式：

式中，i

在一种具体的实施例中，步骤3包括：

为了完成进一步分析：定义η(t)＝t-i

结合新型微电网系统模型和不同区间的切换事件触发策略，构造闭环微电网系统模型：

其中，系统状态x(t)的初始状态φ(t

在一种具体的实施例中，步骤4包括：

结合切换事件触发策略与划分的不同区间，构造包含时延三次多项式的Lyapunov-Krasovskii泛函：

其中：

式中，

其中υ

中的2个积分项/>

在一种具体的实施例中，步骤5包括：

沿着系统轨迹对

其中：

在

在一种具体的实施例中，步骤5中时延三次多项式的LKF时延项表示为：

其中K

K

对于n＝1，当θ

为了导出K

i)对于

ii)对于K

式中，

所述的步骤6要对步骤5的泛函求导结果进行整合，并最终形成一个关于时延四次多项式的结果，即可导出微电网系统时延稳定性判据。

在一种具体的实施例中步骤6包括：

对于给定常数μ

其中α为由

式中，M为DoS攻击诱导最大连续丢包数：

式中：

/>

其中，C

C

C

C

D

/>

D

ρ

/>

依据如果存在Q

微电网系统对时延的耐受程度，在时延允许的范围对闭环微电网系统通过控制传输数据包数量进行时延控制。

可以依据上述条件判断系统对时延的耐受程度，在时延允许的范围内，上述安全控制方法可以保证收敛性。在保证系统稳定的前提下，本发明所提出的稳定性判据具有更低的保守性，可以得到更大的最大允许实验上界，同时利用事件触发方案，可以传输相对更少的数据包，节约更多的带宽资源。

本申请属于网络化控制系统领域，具体涉及拒绝服务攻击下微电网基于切换事件触发的负荷频率控制安全控制方法，包括：设计新型微电网系统模型，构建时延高次Lyapunov-Krasovskii泛函，构造微电网系统切换事件触发策略，设计基于高次矩阵值正/负定判定准则和高次积分不等式放缩方法的时延系统稳定性判据，保证系统在保证稳定的情况下节约更多的带宽资源并对时延有更大的忍耐力。具体的创新点如下：

(1)设计了一种具有拒绝服务攻击感知能力的切换事件触发控制策略，该策略能够切换触发阈值参数以节约通信资源。相比于已有研究，所设计的事件触发策略通过在不同阶段选择更适合的触发阈值，有效减少了拒绝服务攻击引起的数据传输丢包带来的影响。

(2)本设计将遭受拒绝服务攻击的微电网系统建模为时延系统，将时变时延稳定性判据应用其中，并保证更小的保守性。由于微电网本地控制器与中心控制器的控制参数是相互耦合的，因此本设计确定本地控制器，提出中心控制器设计方法。

(3)本发明利用数值示例和拒绝服务攻击下的微电网系统示例来验证所提出切换事件触发策略的有效性，并对简易事件触发策略、弹性事件触发策略和自适应事件触发策略进行仿真，本发明触发控制方法与现有方法的事件释放间隔与数据包传输量。

下面结合实际仿真数据说明本发明的效果。

示例1：

验证依据拒绝服务攻击情景下李雅普诺夫能量泛函而设计的新型时延稳定性判据相比于现有研究的优越性，首先需要利用数值实例进行验证进行验证，并求得相应的最大允许时延上界。系统模型取如下形式：

在该场景下，给定μ＝-μ1＝μ2∈{0.1，0.3，0.5，0.7，0.8}，与已有方法仿真结果相比较，所能得出的最大允许时延上界

表2最大允许时延上界对比(μ＝-μ

.

根据上表不难看出：本章所设计的李雅普诺夫能量函数与高阶积分不等式放缩方法对于各时延区间的描述更为准确，那么所得到的时延稳定性判据的保守性更小，因此能够在该数值示例仿真中得到更大的最大允许时延上界h。

示例2

本发明通过遭受DoS攻击的微电网系统示例来验证所提出切换事件触发策略的有效性，并与简易事件触发策略、弹性事件触发策略和自适应事件触发策略进行对比。取微电网系统动态模型为：

/>

微电网信息物理系统参数根据已有研究可以定义为：M＝10,D＝1,R

场景1：无DoS攻击且不使用事件触发通信策略

本场景模拟了在未遭受DoS攻击的情景下简易事件触发控制策略的控制效果，根据步骤3)可以计算出ε

K

系统响应曲线和简易事件触发机制的动作时刻绘制在图4中。

场景2：发生DoS攻击并使用简易事件触发策略：

本场景模拟了系统因遭受DoS攻击从而产生通信时延情景下，简易事件触发控制机制的控制效果与触发通信效果。假定由DoS攻击引起的最大允许连续丢包数M＝2，得到ε

场景3：发生DoS攻击并使用弹性事件触发策略：

本场景模拟了现有技术提出的弹性事件触发策略对DoS攻击下微电网系统的控制效果。取DoS攻击导致的最大连续丢包数M＝2,可以得到ε

K

系统响应曲线和弹性事件触发策略的动作时刻绘制在图6中。

场景4：发生DoS攻击并使用自适应事件触发策略：

本场景模拟现有技术提出的自适应事件触发策略对DoS攻击下微电网系统的控制效果。取DoS攻击导致的最大连续丢包数M＝2,σ

K

系统响应曲线和自适应事件触发策略的动作时刻绘制在图7中。

场景5：发生DoS攻击并使用切换事件触发策略：

本场景模拟了本章主要结论，即基于ACK确认机制的切换事件触发控制策略对DoS攻击下微电网系统的控制效果。该方法能够在保持预期控制性能的基础上，更大程度地节省有限的通信资源。设定遭受与以上场景相同的DoS攻击长度与攻击频率且M＝2，当发生DoS攻击时，ACK＝1，取ε＝ε

K

系统响应曲线和自适应事件触发策略的释放时刻与间隔绘制在图8中。

以上场景仿真中的各事件触发策略参数、数据包传输数量与微电网系统稳定性可总结于表3：

表3事件触发参数与各触发控制策略下系统稳定性

比对可知，在保证微电网系统稳定性的前提下，使用不同类型的事件触发策略所触发数据包传输数量在上表中，总结如下：

简易事件触发策略不能有效地抵御DoS攻击，即在微电网系统中如果发生DoS攻击，此类触发控制策略不能保证系统的稳定。

弹性事件触发策略能够一定程度上保证系统稳定，但其代价是需要传输更多的量测数据，因此不能很好得节约带宽资源。

相比于弹性事件触发策略和自适应事件触发策略，切换事件触发控制策略在保证系统稳定的前提下节约了更多的通信资源。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。