电网惯量模拟的弹性控制方法、装置、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及电网控制技术领域，尤其涉及一种电网惯量模拟的弹性控制方法、装置、系统及存储介质。

背景技术

随着风电和光伏等分布式可再生能源的大量并网，电网已成为集成分布式可再生能源的一种有效手段，分布式可再生能源通常通过电力电子变换器与电网耦合。为增加电网系统的整体惯性，降低出现频率失稳的风险，往往在分布式可再生能源中加入惯量模拟控制(INEC)，使电网具备同步机惯量响应的外特性。电网的分布式控制完全依赖于先进的信息和通信技术，对于网络攻击事件非常敏感。以拒绝服务(Denial of Service，DoS)攻击为代表的网络攻击会中断通信服务，引发分布式可再生能源系统惯量模拟控制的失效，削弱甚至进一步恶化系统的频率调节性能。

目前，往往通过弹性控制方法来应对电网的DoS攻击，但已有方法普遍需要在DoS攻击期间利用状态空间模型对系统进行状态估计，当状态空间模型所需的输入信号受到攻击影响时，模型性能可能会显著恶化；还有一种弹性控制方法则在遭受攻击时将输入信号保持在攻击事件发生前的状态，然而长时间保持控制信号不变可能会恶化系统控制能力。

发明内容

本发明实施例提供了一种电网惯量模拟的弹性控制方法、装置、系统及存储介质，以解决当电网遭受拒绝服务攻击时，电网内分布式能源惯量模拟功能失效而引发的电网频率稳定性恶化的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种电网惯量模拟的弹性控制方法，包括：

实时获取并存储电网的频率变化率和频率偏移量，并实时检测电网是否遭受拒绝服务攻击；

当检测到电网遭受拒绝服务攻击时，基于历史时刻的历史频率变化率和历史频率偏移量，对电网的当前频率变化率和当前频率偏移量进行预测，得到频率变化率预测值和频率偏移量预测值；

根据频率变化率预测值和频率偏移量预测值，对处于拒绝服务攻击下的电网进行惯量模拟控制。

在一种可能的实现方式中，基于历史时刻的历史频率变化率和历史频率偏移量，对电网的当前频率变化率和当前频率偏移量进行预测，得到频率变化率预测值和频率偏移量预测值，包括：

基于历史频率变化率和历史频率偏移量，通过预先训练的自回归信号预测模型对电网的当前频率变化率和当前频率偏移量进行预测，得到频率变化率预测值和频率偏移量预测值；其中，自回归信号预测模型包括频率变化率自回归模型和频率偏移量自回归模型。

在一种可能的实现方式中，自回归信号预测模型为：

其中，

在一种可能的实现方式中，自回归信号预测模型的训练方法包括：

基于训练样本和预设的萤火虫算法，同时对频率变化率自回归模型的权重参数和频率偏移量自回归模型的权重参数进行整定，得到训练后的自回归信号预测模型；其中，训练样本包括多个历史时刻的频率变化率和频率偏移量。

在一种可能的实现方式中，萤火虫算法的目标函数如下式所示：

其中，ΔR表示通过仿真获得的实际频率变化率，

在一种可能的实现方式中，基于训练样本和预设的萤火虫算法，同时对频率变化率自回归模型的权重参数和频率偏移量自回归模型的权重参数进行整定，包括：

初始化萤火虫算法参数，随机生成初始的萤火虫种群；基于初始的萤火虫种群，对频率变化率自回归模型和频率偏移量自回归模型进行初始化，得到初始化后的自回归信号预测模型；

将训练样本输入到自回归信号预测模型，获得频率变化率预测值和频率偏移量预测值；

基于频率变化率预测值、频率偏移量预测值和目标函数，对初始的萤火虫种群进行更新，并基于更新后的萤火虫种群，对频率变化率自回归模型的权重参数和频率偏移量自回归模型的权重参数进行更新。

第二方面，本发明实施例提供了一种电网惯量模拟的弹性控制装置，包括：

获取检测模块，用于实时获取并存储电网的频率变化率和频率偏移量，并实时检测电网是否遭受拒绝服务攻击；

预测模块，用于当检测到电网遭受拒绝服务攻击时，基于历史时刻的历史频率变化率和历史频率偏移量，对电网的当前频率变化率和当前频率偏移量进行预测，得到频率变化率预测值和频率偏移量预测值；

控制模块，用于根据频率变化率预测值和频率偏移量预测值，对处于拒绝服务攻击下的电网进行惯量模拟控制。

第三方面，本发明实施例提供了一种控制装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述的弹性控制方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供了一种弹性控制系统，该系统包括微电网控制中心和第三方面所述的控制装置，微电网控制中心通过通信通道向控制装置发送电网的频率变化率和频率偏移量；控制装置在检测到电网遭受拒绝服务攻击时，计算得到频率变化率预测值和频率偏移量预测值，并基于频率变化率预测值和频率偏移量预测值，对处于拒绝服务攻击下的电网进行惯量模拟控制。

第五方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述的弹性控制方法的步骤。

本发明实施例提供一种电网惯量模拟的弹性控制方法、装置、系统及存储介质，通过实时获取并存储电网的频率变化率和频率偏移量，并实时检测电网是否遭受拒绝服务攻击，当检测到电网遭受拒绝服务攻击时，基于历史时刻的历史频率变化率和历史频率偏移量，对电网的当前频率变化率和当前频率偏移量进行预测，得到频率变化率预测值和频率偏移量预测值，从而对处于拒绝服务攻击下的电网进行惯量模拟控制。本发明实施例能够在电网遭受拒绝服务攻击时，对惯量模拟控制所需的频率变化率和频率偏移量进行预测，有效进行系统频率调节，避免了惯量模拟功能的失效，适用性良好，鲁棒性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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弹性控制方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的自回归信号预测模型的训练过程图；

图3是本发明实施例提供的一种系统的数据流图；

图4是本发明实施例提供的DoS攻击检测流程图；

图5(a)是本发明实施例提供的频率变化率的对比图；

图5(b)是本发明实施例提供的频率偏移量的对比图；

图6是本发明实施例提供的弹性控制装置的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的控制装置的示意图；

图8是本发明实施例提供的弹性控制系统的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

随着风电、光伏等分布式可再生能源的大量并网，微电网已成为集成分布式可再生能源的一种有前景的手段。分布式可再生能源通常通过电力电子变换器与微电网耦合，电力电子变换器虽能快速响应微电网的需求，但却不具备惯量响应特性，这导致电网系统整体惯性减少，增加了电网出现频率失稳的风险。目前，可以通过在分布式可再生能源中加入惯量模拟控制，使其具备同步机惯量响应的外特性，来缓解上述问题。

然而，微电网的分布式控制完全依赖于先进的信息和通信技术，它们对于网络攻击事件非常敏感。以DoS攻击为代表的网络攻击会中断通信服务，引发分布式可再生能源系统惯量模拟的失效，削弱甚至进一步恶化系统的频率调节性能。

为避免网络攻击事件的负面影响，有关研究提出了弹性控制方法，但已有方法普遍需要在DoS攻击期间利用系统状态空间模型对系统进行状态估计，当状态空间模型所需的输入信号也遭受攻击时其模型性能可能会显著恶化；还有一种弹性控制方法则在遭受攻击时将输入信号保持在攻击事件发生前的状态，然而长时间保持控制信号不变可能会恶化系统控制能力。

本发明实施例通过对攻击期间的控制信号的变化情况(即频率变化率和频率偏移量)进行预测，保证了电网内的可再生能源系统在DoS攻击下仍具备有效的惯量模拟能力。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。

图1为本发明实施例提供的电网惯量模拟的弹性控制方法的实现流程图，详述如下：

步骤101，实时获取并存储电网的频率变化率和频率偏移量，并实时检测电网是否遭受拒绝服务攻击。

步骤102，当检测到电网遭受拒绝服务攻击时，基于历史时刻的历史频率变化率和历史频率偏移量，对电网的当前频率变化率和当前频率偏移量进行预测，得到频率变化率预测值和频率偏移量预测值。

在一些实施例中，可以基于历史频率变化率和历史频率偏移量，通过预先训练的自回归信号预测模型对电网的当前频率变化率和当前频率偏移量进行预测，得到频率变化率预测值和频率偏移量预测值；其中，自回归信号预测模型包括频率变化率自回归模型和频率偏移量自回归模型。

在一些实施例中，自回归信号预测模型为：

其中，

需要说明的是，自回归信号预测模型的权重参数和阶数受下式约束：

其中，a

在一些实施例中，自回归信号预测模型的训练方法包括：基于训练样本和预设的萤火虫算法，同时对频率变化率自回归模型的权重参数和频率偏移量自回归模型的权重参数进行整定，得到训练后的自回归信号预测模型；其中，训练样本包括多个历史时刻的频率变化率和频率偏移量。

在一些实施例中，训练方法的目标函数如下式所示：

其中，ΔR表示通过仿真获得的实际频率变化率，

需要说明的是，可以搭建电网的仿真模型，并通过运行该仿真模型来获取电网的实际频率变化率ΔR和实际频率偏移量Δf。

在一些实施例中，在基于训练样本和预设的萤火虫算法，同时对频率变化率自回归模型的权重参数和频率偏移量自回归模型的权重参数进行整定时，可以包括以下步骤：

步骤201，初始化萤火虫算法参数，随机生成初始的萤火虫种群。

在一些实施例中，萤火虫算法参数可以包括随机项系数α、最大吸引力β

在一些实施例中，可以通过初始化后的萤火虫算法生成位置随机、发光强度随机的初始的萤火虫种群。

步骤202，基于初始的萤火虫种群，对频率变化率自回归模型和频率偏移量自回归模型进行初始化，得到初始化后的自回归信号预测模型。

在一些实施例中，可以根据初始的萤火虫种群，对自回归信号预测模型中的权重参数进行初始化，即{a

步骤203，将训练样本输入到自回归信号预测模型，获得频率变化率预测值和频率偏移量预测值。

在一些实施例中，可以将历史时刻的历史频率变化率和历史频率偏移量输入到初始化后的自回归信号预测模型，得到频率变化率预测值

步骤204，基于频率变化率预测值、频率偏移量预测值和目标函数，对初始的萤火虫种群进行更新，并基于更新后的萤火虫种群，对频率变化率自回归模型的权重参数和频率偏移量自回归模型的权重参数进行更新。

在一些实施例中，可以将仿真获取的电网的实际频率变化率ΔR和实际频率偏移量Δf，以及计算得到的频率变化率预测值

在一些实施例中，可以判断是否达到步骤201中设置的最大迭代次数，若还未到达最大迭代次数，则跳转至步骤203并执行后续步骤；若已经到达最大迭代次数，则输出训练过程中目标函数最小值对应的萤火虫种群，来获得自回归信号预测模型的权重参数。

步骤103，根据频率变化率预测值和频率偏移量预测值，对处于拒绝服务攻击下的电网进行惯量模拟控制。

图3为本发明实施例提供的一种系统的数据流图。如图3所示，微电网控制中心通过通信通道将电网的频率变化率ΔR和频率偏移量Δf实时发送至具有惯量模拟功能的子系统，在检测到通信通道受到DoS攻击后，本发明实施例可以检测到DoS攻击，并根据存储的历史时刻的历史频率变化率ΔR

图4为本发明实施例提供的DoS攻击检测流程图。如图4所示，实时检测通信通道是否遭受DoS攻击，若未遭受DoS攻击，则将控制中心下发的频率变化率t时刻的频率变化率

本发明实施例在检测到电网是否遭受拒绝服务攻击后，基于历史时刻的历史频率变化率和历史频率偏移量，通过自回归信号预测模型对电网的当前频率变化率和当前频率偏移量进行预测，得到频率变化率预测值和频率偏移量预测值，从而对处于拒绝服务攻击下的电网进行惯量模拟控制。其中，自回归模型的权重参数采用萤火虫算法进行整定，以达到最优的频率预测效果。

本发明实施例能够有效避免电网遭受DoS攻击期间惯量模拟功能的失效，保证其仍具备有效的系统频率调节能力，且适用性广泛，鲁棒性良好。

下面结合一个具体实施例来对本发明实施例提供的弹性控制方法的惯量模拟效果进行说明。该弹性控制过程包括以下步骤：

S1，设定萤火虫算法的初始参数以及自回归信号预测模型的权重参数搜索范围和阶数。具体的，将萤火虫算法的参数设定为：随机项系数α＝0.5，最大吸引力β

S2，根据设定的初始参数进行训练，获得训练后的自回归信号预测模型。具体的，由此获得的自回归信号预测模型的权重参数的整定值为：a

S3，在DoS攻击期间通过获得的自回归信号预测模型进行预测，并基于得到的频率变化率预测值

具体的，在DoS攻击期间通过不同的惯量模拟控制(INEC)方法与本发明实施例提供的新型弹性INEC进行效果对比。将无INEC、传统INEC、弹性INEC下的频率变化率和频率偏移量，与本发明实施例提供的新型弹性INEC下的频率变化率和频率偏移量进行比较。

需要说明的是，传统INEC未计及DoS攻击的影响，因此不会检测电网是否遭受DoS攻击，也不会对当前频率变化率和当前频率偏移量进行预测；弹性INEC在传统INEC的基础上加入了DoS攻击检测模块，但在电网遭受DoS攻击后保持攻击前接收到的控制信号恒定不变；本发明实施例提供的新型弹性INEC则会检测电网是否遭受DoS攻击，并在检测到DoS攻击后对当前频率变化率和当前频率偏移量进行预测。

图5(a)为本发明实施例提供的频率变化率的对比图，图5(b)为本发明实施例提供的频率偏移量的对比图。

如图5(a)及图5(b)所示，在50s-100s的正常运行阶段，无INEC下的频率变化率和偏移量比其他三种方法显著要高；在100s-120s对应的DoS攻击期间，传统INEC在112.5s时无法将系统频率变化率维持在保护阈值范围内，而弹性INEC和本发明实施例提供的新型弹性INEC可以将频率变化率和频率偏移量维持在安全范围内；在150s-180s对应的DoS攻击发电损失期间，本发明实施例提供的新型弹性INEC下系统的频率变化率和偏移量的波动程度相比于弹性INEC和无INEC显著要低，弹性INEC在152s时下的系统频率变化率显然超出了保护阈值，而新型弹性INEC始终能保持频率的稳定运行。

本发明实施例提供的弹性控制方法的调频性能显著优于其他惯量模拟控制方法，具有良好的抵御系统扰动和通信攻击的能力。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以下为本发明的装置实施例，对于其中未详尽描述的细节，可以参考上述对应的方法实施例。

图6示出了本发明实施例提供的电网惯量模拟的弹性控制装置的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

如图6所示，弹性控制装置装置600包括：获取检测模块601、预测模块602和控制模块603。

获取检测模块601，用于实时获取并存储电网的频率变化率和频率偏移量，并实时检测电网是否遭受拒绝服务攻击；

预测模块602，用于当检测到电网遭受拒绝服务攻击时，基于历史时刻的历史频率变化率和历史频率偏移量，对电网的当前频率变化率和当前频率偏移量进行预测，得到频率变化率预测值和频率偏移量预测值；

控制模块603，用于根据频率变化率预测值和频率偏移量预测值，对处于拒绝服务攻击下的电网进行惯量模拟控制。

预测模块602，用于：

基于历史频率变化率和历史频率偏移量，通过预先训练的自回归信号预测模型对电网的当前频率变化率和当前频率偏移量进行预测，得到频率变化率预测值和频率偏移量预测值；其中，自回归信号预测模型包括频率变化率自回归模型和频率偏移量自回归模型。

本发明实施例通过在检测到电网是否遭受拒绝服务攻击后，基于历史时刻的历史频率变化率和历史频率偏移量，通过自回归信号预测模型对电网的当前频率变化率和当前频率偏移量进行预测，得到频率变化率预测值和频率偏移量预测值，从而对处于拒绝服务攻击下的电网进行惯量模拟控制，具有良好的抵御系统扰动和通信攻击的能力。

图7是本发明实施例提供的控制装置的示意图。如图7所示，该实施例的控制装置700包括：处理器701、存储器702以及存储在所述存储器702中并可在所述处理器701上运行的计算机程序703。所述处理器701执行所述计算机程序703时实现上述各个弹性控制方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤101至步骤103。或者，所述处理器701执行所述计算机程序703时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图6所示模块/单元601至603的功能。

示例性的，所述计算机程序703可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器702中，并由所述处理器701执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序703在所述控制装置700中的执行过程。例如，所述计算机程序703可以被分割成图6所示的模块/单元601至603。

所述控制装置700可包括，但不仅限于，处理器701、存储器702。本领域技术人员可以理解，图7仅仅是控制装置700的示例，并不构成对控制装置700的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器701可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器702可以是所述控制装置700的内部存储单元，例如控制装置700的硬盘或内存。所述存储器702也可以是所述控制装置700的外部存储设备，例如所述控制装置700上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(SecureDigital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器702还可以既包括所述控制装置700的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器702用于存储所述计算机程序以及所述终端所需的其他程序和数据。所述存储器702还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

图8为本发明实施例提供的弹性控制系统的示意图，该系统包括微电网控制中心801和图7所述的控制装置700。微电网控制中心通过通信通道802向控制装置700发送电网的频率变化率和频率偏移量；控制装置在检测到电网遭受拒绝服务攻击时，计算得到频率变化率预测值和频率偏移量预测值，并基于频率变化率预测值和频率偏移量预测值，对处于拒绝服务攻击下的电网进行惯量模拟控制，生成功率增量指令值，驱动分布式能源系统向电网注入具备惯量响应特性的有功功率。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

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单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个弹性控制方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。