应对非周期DoS攻击的风电系统控制器设计方法及系统

技术领域

本发明属于多区域风电系统控制器技术领域，尤其涉及一种应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计方法。

背景技术

大规模互联电力系统是一个广泛的能源输送和分配网络，它涵盖了大片区域或整个国家，用于将电力从发电站传输到终端用户。该系统由多个发电厂、输电线路、变电站和配电网络组成，它们通过高压输电线路和变压器相互连接，以确保电力的高效、稳定和可靠传输。由于能源的广域分布、供需平衡要求的提高、电力系统可靠性要求增强和经济效益等原因，对广域互联电力系统的测量与控制成为重要的研究课题。随着现代技术的发展，电力电子、广域测量技术和信息通信技术等越来越多地部署在系统中以满足控制需求。

现代电力系统的稳定性面临越来越严峻的挑战，这是由于电网的深度互联、市场开放竞争和限制、分布式能源资源的高渗透等原因所致。大规模互联电力系统的通信通道发展经历了从专用通信通道到开放式通信通道的转变。早期，为了满足精确的数据采集需求，电力系统采用专用通信通道，如专用电缆和私有网络，以确保高精度的数据传输和频率控制。然而，随着智能电网的发展和信息通信技术的进步，开放式通信通道逐渐应用于大规模互联电力系统。开放式通信通道可以实现更加高效、灵活和经济的数据传输，但也引入了网络安全和数据隐私等新挑战。相量测量单元(PMU)的应用和发展对其产生深远影响，PMU作为高精度的数据采集装置，对数据传输的时效性和准确性要求极高，推动了通信通道技术的创新和优化，促进了从专用通信通道到开放式通信通道的转变。开放式通信网络和分布式控制给电力系统带来好处，但同时也带来危险。大规模互联电力系统面临着开放式通信网络的风险，如网络攻击和数据隐私泄露。因此，基于复杂网络控制系统进行建模成为一种应对这些风险的有效方法。复杂网络控制系统能够模拟电力系统中多区域、多节点的相互连接与交互，帮助理解和优化系统稳定性。它能够考虑电力系统的动态特性和复杂性，更全面地反映各个子系统的互联关系，从而提高系统的鲁棒性和应对不确定性。此外，复杂网络控制系统模型也有助于设计分布式控制策略和优化电力系统的运行，使得系统更加灵活、高效、可靠。通过基于复杂网络控制系统的建模，可以更好地应对开放式通信网络带来的风险，并优化大规模互联电力系统的运行和管理。

频率稳定性是衡量电力系统稳定性的关键指标之一。频率过度偏离是大多数停电的主要原因，直接由于电力发电与负载之间的不平衡造成。同时，联络线上的电力交换偏差可能导致系统性能恶化甚至系统崩溃。为了维持现代电力系统的稳定性，负荷频率控制(LFC)被广泛应用来维持频率和电力交换的预定值。在一篇文献中提出了一种基于系数图方法的LFC策略，用于一个由混合能源源供应的孤立电力系统，同时考虑了热泵和插电式混合动力电动汽车的安装。在相邻电力网之间的互联环境下，提出了一种动态内存事件触发的LFC方案，以确保多区域互联电力系统的稳定性。

近年来出现了许多研究成果，针对高度互联的大规模互联电力系统的稳定性控制，多种现代控制方法在LFC中被应用，如鲁棒控制、最优控制、模型预测控制、滑模控制等。然而，这些现代控制方法一般要求复杂的控制过程或高阶控制器，这在实际操作中很难实现。经典的比例-积分-微分型控制方因为可操作性强、控制性能好，在LFC控制策略中得到了广泛的应用。在各种比例-积分-微分型控制器中，比例-积分(PI)控制器是应用最广泛的LFC。

考虑到恶意DoS网络攻击。一些学者研究了互联风电系统中，当DoS攻击被考虑时，采取周期性触发机制的方法。一些学者为了保证系统在DoS攻击下的稳定运行，提出了一种基于采样数据的事件触发控制方法。此外，考虑到外部的未知扰动，也有一些专家讨论了DoS攻击下将事件触发方法与时间触发方法相结合，设计了非周期事件触发控制方法。但是他们都没有考虑过本发明的这种具有记忆特性的自适应事件触发机制算法。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：针对高度互联的大规模互联电力系统的稳定性控制，多种现代控制方法在LFC中被应用，这些现代控制方法一般要求复杂的控制过程或高阶控制器，这在实际操作中很难实现。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计方法，提出了一种新的具有记忆特性的自适应事件触发比例-积分(PI)负载频率控制策略。

本发明是这样实现的，一种应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计方法，首先，建立隐马尔可夫跳变模型，描述风电系统的动态特性。然后，引入自适应事件触发机制和记忆性机制，减少控制器的更新频率和通信开销，提高系统的效率。接着，采用PID控制策略，控制系统的频率，保持其稳定。同时，引入非周期性拒绝服务攻击检测机制，检测网络攻击，保证系统的安全性。最后，建立指数稳定性准则，保证系统的稳定性，提高系统的可靠性。通过数值仿真验证该方案的有效性和可行性。

进一步，根据该方案的功能，可以将其划分为以下模块：

1.隐马尔可夫跳变模型模块：用于描述风电系统的动态特性。

2.自适应事件触发模块：用于减少控制器的更新频率和通信开销，提高系统的效率。

3.记忆性机制模块：用于记录系统的历史状态，以便更好地预测未来状态。

4.PID控制模块：用于控制系统的频率，保持其稳定。

5.非周期性拒绝服务攻击检测模块：用于检测网络攻击，保证系统的安全性。

6.指数稳定性准则模块：用于保证系统的稳定性，提高系统的可靠性。

这些模块共同作用，构成了该方案的完整功能。

进一步，应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计方法包括以下步骤：

步骤一，控制负载频率：通过一次调频和二次调频调整系统的频率达到额定值或维持区域联络线交换功率为计划值；

步骤二，建立大规模互联电力系统LFC模型第i个控制区域的动态模型，根据模型的传递函数和变量之间的逻辑关系，推出如下表达式：

通过定义新的状态变量，并将状态变量离散化，得到离散后的电力系统的状态空间表达式；

步骤三，设计分布式离散PI控制器，根据如下表达式：

步骤四，基于隐马尔可夫跳变模型的拓扑切换，系统层的拓扑切换参数为

步骤五，引入随机变量D(k)模拟通信信道上的随机DoS攻击，建立以下模型：

步骤六，设计控制器：先构造区域相关的跳变李雅普诺夫方程，再求差分的期望，最后求解控制器。

进一步，步骤一中所述一次调频中当系统中有功功率产生和消耗不平衡时引起频率偏差Δf，首先负荷特性和发电机旋转能量产生的有功功率变动来消纳Δf，当Δf超过调速器死区时，发电机组按各自调差率(R)调整出力，拟制频率偏差Δf，这时系统中达到一个新的平衡。

进一步，步骤一中所述二次调频中首先计算各区域控制偏差ACE，各区域根据负荷频率控制器得到调整量，通过调整量调整发电机组出力使频率和联络线交换功率恢复到规定值，此过程为分钟级。

进一步，所述步骤一中一次调频和二次调频相互联系在一起，任意时刻发电机组输出的有功功率变化量为一、二次调频发出有功功率的总和；负荷频率控制主要通过二次调频控制控制区域的控制偏差ACE使系统达到动态稳定。

进一步，步骤二所述表达式中

表示区域i的调速阀位置变化量的导数，未特别说明变量参数均为区域i下的变量参数，/>

进一步，步骤二中所述定义新的状态变量：

以此得到了多个区域互联的DFIG型风力发电系统的状态空间表达式：

将状态变量离散化，定义：

得到离散后的电力系统的状态空间表达式：

进一步，步骤三中表达式中k是第k个离散周期，

进一步，步骤四中系统层的拓扑切换参数表达式中θ(k)表示系统当前的模态分布，θ(k+1)表示系统下一个时间节点的模态分布，

进一步，步骤四中重写后的控制方法中

进一步，步骤六中设计控制器的步骤具体包括：

(1)构造区域相关的跳变李雅普诺夫方程：

(2)求差分的期望：

E{ΔV

E{V

E{ΔV

(3)求解控制器，PID控制策略中的控制增益Kp、Ki推导为：

进一步，所述(1)的的跳变李雅普诺夫方程中：

进一步，通过(3)关系式以及MATLAB的LMI工具箱求出异步分布式PI控制器之后，将增益代入之前建立的系统模型，验证设计的控制器。

本发明的另一目的在于提供一种应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计方法的应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计系统，所述系统包括：

负载频率控制模块，用于使系统达到动态稳定；

大规模互联电力系统建模模块，用于建立大规模互联电力系统的动态模型；

分布式离散PI控制器设计模块，用于设计分布式离散PI控制器；

基于隐马尔可夫跳变模型的拓扑切换模块，用于将系统层和控制层的拓扑结构设为时变的；

DoS攻击模式模块，用于实现系统稳定性和安全性；

控制器设计模块，用于设计控制器。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计系统。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，本发明提供了一种新型的具有记忆特性的自适应事件触发机制算法。该算法的主要思想是根据系统状态的变化情况，动态地调整事件触发的时刻，从而减少事件触发的次数，降低网络通信的负载。现有技术中，频繁的控制器更新和通信开销会导致系统效率低下，本发明引入自适应事件触发机制和记忆性机制，减少控制器的更新频率和通信开销，提高了系统的效率。现有技术中，缺乏有效的拒绝服务攻击检测机制，容易受到网络攻击，本发明引入非周期性拒绝服务攻击检测机制，检测网络攻击，保证系统的安全性。现有技术中，控制策略不够稳定，容易导致系统频率波动，本发明采用PID控制策略，控制系统的频率，保持其稳定。现有技术中，缺乏有效的稳定性准则，无法保证系统的稳定性，本发明建立指数稳定性准则，保证系统的稳定性，提高系统的可靠性。现存的研究多考虑电力系统的耦合，但未考虑控制器网络的耦合性；或者同时考虑了子系统和控制器的耦合，但将系统网络和控制器网络的拓扑结构设为定常，这在实际应用中具有很大的局限性。本发明同时考虑电力系统和控制器网络的耦合，并将二者的拓扑结构设为时变的。

综上所述，本发明通过引入自适应事件触发机制、非周期性拒绝服务攻击检测机制、PID控制策略和指数稳定性准则等技术手段，有效地解决了现有技术中存在的问题，提高了风电系统的控制性能和可靠性。

第二，本发明提出了一种新的具有记忆属性的自适应事件触发机制算法。在实现系统稳定性和安全性要求的同时，减少网络通信带宽的占用，以应对非周期DOS攻击。该机制可以减少系统的能耗和运行成本。具有高效性、安全性、稳定性、可靠性和适用性等优点，可以更好地应用于风电系统的控制中，提高风电系统的控制性能和可靠性。

其中，分布式控制系统与集中式、分散式控制相比，在处理大规模、复杂的控制任务时具有较大优势，尤其适用于需要高可靠性、灵活性和实时响应的应用场景。PI控制器在很多实际应用中表现良好，特别是对于一些常见的稳态误差问题，如温度控制、速度控制、液位控制等。对于一些动态性能要求较高的系统，在PI控制器的基础上加入了微分环节，以进一步提高控制系统的性能。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

随着电力系统的发展和需求变化，为了适应新的能源形式、负荷需求和设备更新，电力系统的拓扑结构需要不断调整和优化，以确保电力系统的稳定运行和可靠供电。在本文中主要考虑拓扑结构变化对基于复杂网络控制系统的大规模互联电力系统的影响。现存的研究多考虑电力系统的耦合，但未考虑控制器网络的耦合性；或者同时考虑了子系统和控制器的耦合，但将系统网络和控制器网络的拓扑结构设为定常，这在实际应用中具有很大的局限性。在实际系统中，拓扑的连接关系是动态变化的。与现存的文献不同，本发明同时考虑电力系统和控制器网络的耦合，并将二者的拓扑结构设为时变的，有效拓展了实际应用场景。

第四，针对多区域风电系统的控制器设计具有以下显著的技术进步：

1)隐马尔可夫跳变模型的引入：利用隐马尔可夫跳变模型来描述风电系统的动态特性使得控制器设计更能准确地捕捉风电系统的行为。这增加了控制器的准确性和对不确定性的鲁棒性。

2)自适应事件触发机制与记忆性机制：这两种机制的结合可以显著地减少控制器的更新频率和通信开销，从而提高整体系统的效率和减少能耗。

3)非周期性拒绝服务攻击检测机制：在风电系统控制器中引入DoS攻击检测机制可以提高系统的安全性，确保在网络攻击的情况下系统可以继续稳定运行。

4)动态调频策略：通过一次调频和二次调频的结合，确保了在有功功率产生和消耗不平衡时系统的频率能够维持在稳定的状态。

5)分布式离散PI控制器设计：此方法不仅适应了风电系统的分布式特性，而且提供了一个更加精确和快速的控制策略，确保了系统的稳定运行。

6)拓扑切换与控制方法重写：基于隐马尔可夫模型的拓扑切换和控制方法重写为整个系统提供了更高的适应性和鲁棒性。

7)引入了随机变量模拟DoS攻击：这增加了系统对真实世界攻击的适应能力，可以更好地预测和应对可能的网络攻击。

8)控制器设计的细化：通过构建跳变李雅普诺夫方程、求差分的期望和求解控制器的步骤，提供了一个更加精确和全面的方法来设计控制器。

这套设计方法结合了风电系统的特性、网络安全、动态控制策略和先进的数学工具来提供一个全面、高效和安全的控制器设计方案，为风电系统的稳定运行和安全性提供了重要的技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计方法流程图；

图2是本发明实施例提供的大规模互联互联电力系统LFC框图；

图3是本发明实施例提供的基于复杂网络控制的大规模电力系统结构示意图；

图4是本发明实施例提供的DoS网络攻击下的区域1状态轨迹图；

图5是本发明实施例提供的DoS网络攻击下的区域2状态轨迹图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计方法包括以下步骤：

S101，控制负载频率；

S102，建立大规模互联电力系统模型；

S103，设计分布式离散PI控制器；

S104，基于隐马尔可夫跳变模型的拓扑切换；

S104，DoS攻击模式；

S106，设计控制器。

作为优选实施例，本发明实施例提供的应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1，控制负载频率：通过一次调频和二次调频调整系统的频率达到额定值或维持区域联络线交换功率为计划值；

步骤2，建立大规模互联电力系统LFC模型第i个控制区域的动态模型(如图2)，根据模型的传递函数和变量之间的逻辑关系，推出如下表达式：

通过定义新的状态变量，并将状态变量离散化，得到离散后的电力系统的状态空间表达式；

步骤3，设计分布式离散PI控制器，根据如下表达式：

步骤4，基于隐马尔可夫跳变模型的拓扑切换，系统层的拓扑切换参数为

如图3所示，由N个离散的子系统耦合而成为复杂网络结构。每个子系统由一个电厂(节点)和一个控制器组成。这些节点和控制器分别通过系统网络和控制器网络进行耦合；

步骤5，引入随机变量D(k)模拟通信信道上的随机DoS攻击，建立以下模型：

如图4所示，在遭受DoS网络攻击时控制器能够实现大规模多区域互联电力系统的H∞稳定，深度互联的两个电力系统中，第一个区域电力系统的状态变化曲线均能达到系统的控制目标中的能量均衡目的；

如图5所示，在遭受DoS网络攻击时控制器能够实现大规模多区域互联电力系统的H∞稳定，深度互联的两个电力系统中，第二个区域电力系统的状态变化曲线均能达到系统的控制目标中的能量均衡目的；

步骤6，设计控制器：先构造区域相关的跳变李雅普诺夫方程，再求差分的期望，最后求解控制器。

进一步，步骤一中所述一次调频中当系统中有功功率产生和消耗不平衡时引起频率偏差Δf，首先负荷特性和发电机旋转能量产生的有功功率变动来消纳Δf，当Δf超过调速器死区时，发电机组按各自调差率(R)调整出力，拟制频率偏差Δf，这时系统中达到一个新的平衡。

进一步，步骤1中所述二次调频中首先计算各区域控制偏差ACE，各区域根据负荷频率控制器得到调整量，通过调整量调整发电机组出力使频率和联络线交换功率恢复到规定值，此过程为分钟级。

进一步，所述步骤1中一次调频和二次调频相互联系在一起，任意时刻发电机组输出的有功功率变化量为一、二次调频发出有功功率的总和；负荷频率控制主要通过二次调频控制控制区域的控制偏差ACE使系统达到动态稳定。

进一步，步骤2所述表达式中

表示区域i的调速阀位置变化量的导数，未特别说明变量参数均为区域i下的变量参数，/>

进一步，步骤2中所述定义新的状态变量：(θ是系统的模态)

以此得到了多个区域互联的DFIG型风力发电系统的状态空间表达式：

将状态变量离散化，定义：

得到离散后的电力系统的状态空间表达式：

进一步，步骤3中表达式中k是第k个离散周期，

进一步，步骤4中系统层的拓扑切换参数表达式中k是第k个离散周期，θ(k)表示系统当前的模态分布，θ(k+1)表示系统下一个时间节点的模态分布，

进一步，步骤4中重写后的控制方法中

进一步，步骤6中设计控制器的步骤具体包括：

(1)构造区域相关的跳变李雅普诺夫方程：

(2)求差分的期望：

E{ΔV

E{V

E{ΔV

(3)求解控制器，PID控制策略中的控制增益Kp、Ki推导为：

进一步，所述(1)的的跳变李雅普诺夫方程中：

进一步，通过(3)关系式以及MATLAB的LMI工具箱求出异步分布式PI控制器之后，将增益代入之前建立的系统模型，验证设计的控制器。

本发明的另一目的在于提供一种应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计方法的应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计系统，所述系统包括：

负载频率控制模块，用于使系统达到动态稳定；

大规模互联电力系统建模模块，用于建立大规模互联电力系统的动态模型；

分布式离散PI控制器设计模块，用于设计分布式离散PI控制器；

基于隐马尔可夫跳变模型的拓扑切换模块，用于将系统层和控制层的拓扑结构设为时变的；

DoS攻击模式模块，用于实现系统稳定性和安全性；

控制器设计模块，用于设计控制器。

二、应用实施例。

本发明的应用实施例提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计方法的步骤。

本发明的应用实施实例提供一种跨地区能源管理系统，用一个集中的控制系统来监视和管理风电和其他能源资源的分配，保证数据的完整性、机密性和可用性，以应对来自不同地区的潜在非周期DoS网络攻击。

本发明的应用实施例提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计方法的步骤。

本发明的应用实施例提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现应对非周期DoS攻击的多区域风电系统控制器设计系统。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

建立一个大规模多区域互联电力系统，通过本发明的实施方式，在遭受DoS网络攻击时控制器能够实现系统的H∞稳定。其中，在深度互联的两个电力系统中，两个区域电力系统的状态变化曲线均能达到系统的控制目标中的能量均衡目的，第一个区域的仿真结果如图4所示，第二个区域的仿真结果如图5所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。