一种基于置信因子的微电网分布式弹性控制方法

本公开属于微电网运行控制技术领域，具体涉及一种基于置信因子的微电网分布式弹性控制方法。

背景技术：

随着地球资源的日渐衰竭以及人们对环境问题的关注，可再生能源的接入越来越受到世界各国的重视。微电网是一种在能量供应系统中增加可再生能源和分布式能源渗透率的新兴能量传输模式，其组成部分包括不同种类的分布式能源(包括微型燃气轮机、风力发电机、光伏、燃料电池、储能设备等)、各种电负荷和/或热负荷的用户终端以及相关的监控、保护装置。

微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必须的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。微电网与大电网之间通过公共连接点进行能量交换，双方互为备用，从而提供了供电的可靠性。由于微电网是规模较小的分散系统，与负荷的距离较近，可以增加本地供电的可靠性、降低网损，大大增加了能源利用效率，是一种符合未来智能电网发展要求的新型供电模式。

大量缺乏有效安全防护的传感测控装置接入微电网，同时公共通信网络中第三方应用程序可以灵活访问微电网的信息系统以提供辅助服务，为微电网信息系统带来了更多潜在的网络攻击接入点，增大了信息系统受到恶意网络攻击的风险。影响微电网网络安全的网络攻击类型众多，虚假数据注入攻击通过将含有攻击信号的状态变量作为测量和通信信息，严重威胁了电力系统的安全。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本公开的目的在于提供一种基于置信因子的微电网分布式弹性控制方法，提高微电网的运行弹性，进而提高了电力系统的安全性。

本公开的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于置信因子的微电网分布式弹性控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

s1：微电网一次下垂控制；

s2：虚假数据注入攻击的本地检测；

s3：基于本地检测更新本地置信因子；

s4：基于邻居平均值更新邻居置信因子；

s5：建立分布式二次电压无功控制率，实现正常情况和网络攻击下微电网无功功率均分及平均电压恢复。

进一步地，所述s1中微电网一次下垂控制，通过如下公式控制：

式中，ωi和vi分别表示第i个分布式电源输出交流电压的角频率和幅值，ω0和v0分别表示设计的输出交流电压的角频率和幅值的额定值，mi和ni分别表示角频率和电压的下垂系数，pi和qi分别表示分布式电源输出的有功功率和无功功率。

进一步地，所述s2包括：确定分布式电源对虚假数据注入攻击的本地检测结果，按照下式进行确定：

式中，li表示分布式电源i的本地检测信号；表示分布式电源i一次控制中q轴电流分量的参考值，通过逆变器双环控制器获取。如果分布式电源i没有被攻击，则li＝0，说明本地信息是可信的；若分布式电源i被攻击则li>0，说明本地信息是不可信的。

进一步地，所述s3中更新分布式电源的本地置信因子，按照下式更新：

式中，表示本地置信因子ci对时间的导数；α>0表示收敛参数，用于调整本地置信因子ci的更新速度；δi表示检测阈值，用于区分攻击信号和其他扰动。如果本地检测结果没有攻击发生，则系统达到稳态时li＝0，ki＝1，从而ci＝1，微电网中分布式控制正常进行；如果本地检测到攻击信号，则li>0，ki(t)<1，从而ci<1且取决于攻击信号的大小，逐渐减小本地无功功率控制偏差；如果ci小于设定阈值cth,i，则ci＝0。

进一步地，所述s4中更新分布式电源的邻居置信因子，按照下式进行；

式中，表示邻居置信因子tij对时间的导数；βj>0表示收敛参数，用于调整邻居置信因子tij的更新速度；σi表示更新阈值，用于区分攻击信号和其他扰动；|ni|表示分布式电源i的邻居个数；表示分布式电源i的邻居无功功率估计值的平均值。如果邻居分布式电源j的数据可信，则系统达到稳态时sij＝1，从而tij＝1，微电网中分布式控制正常进行；如果邻居分布式电源j的数据被注入攻击信号，则从而tij<1且取决于的大小，该值越大，tij越小，邻居分布式电源的无功功率信息估计值越不可信，需要逐渐减少该邻居信息对本地无功功率控制偏差的影响；如果tij小于设定阈值tth,ij，则邻居分布式电源j的信息退出本地一致性协同过程，以防系统失稳。

进一步地，所述s5中分布式二次控制通过以下公式进行控制：

式中，ui表示分布式电源i二次电压控制量；和分别表示分布式电源i的电压幅值和无功功率的控制量；vref和qref分别表示微电网电压幅值和无功功率控制偏差的参考值；hv＝(kpv+kiv/s)和hq＝(kpq+kiq/s)分别表示分布式电源i的电压幅值和无功功率的pi控制器，kpv、kpq、kiv和kiq分别表示pi控制器的比例和积分参数；表示分布式电源i的平均电压估计值；表示分布式电源i的无功功率控制偏差；表示分布式电源i的平均电压控制偏差；aij表示通信耦合增益参数，若分布式电源i和分布式电源j通过通信线路连接，aij≠0，否则，aij＝0；表示分布式电源j的平均电压估计值；ni表示第i个代理的邻居的集合；ci表示分布式电源i的本地置信因子；tij表示分布式电源i对邻居分布式电源j的置信因子；表示分布式电源j的无功功率估计值。

本公开的有益效果：通过虚假数据注入攻击的本地检测更新本地置信因子，确定本地信息的可信度；通过邻居平均值更新邻居置信因子，确定邻居信息的可信度；进而基于弹性一致性建立微电网分布式二次电压无功控制，实现系统无功功率均分和平均电压恢复的弹性运行；该控制方法基于多代理系统的一致性控制，首次引入本地检测和置信因子的定义，兼顾正常通信场景和网络攻击场景，为分布式二次控制的控制结构设计提供依据，进而提高微电网的运行弹性。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，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，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是本发明的流程图；

图2是本发明实施例中采用的微电网仿真系统；

图3是实施例中微电网遭受虚假数据注入攻击后分布式电源并网电压和输出无功功率的曲线图；

图4是实施例中微电网遭受虚假数据注入攻击后，采用本发明的方法下分布式电源并网电压和输出无功功率的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。

如图1所示，一种基于置信因子的微电网分布式弹性控制方法用于孤岛微电网在虚假数据注入攻击下对无功功率和平均电压实现弹性控制，实际应用当中，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1)按照式(1)进行一次控制，维持微电网的功率平衡：

式中，ωi和vi分别表示第i个分布式电源输出交流电压的角频率和幅值，ω0和v0分别表示设计的输出交流电压的角频率和幅值的额定值，mi和ni分别表示角频率和电压的下垂系数，pi和qi分别表示分布式电源输出的有功功率和无功功率。

步骤2)按照式(2)确定确定分布式电源i对虚假数据注入攻击的本地检测结果：

式中，li表示分布式电源i的本地检测信号；表示分布式电源i一次控制中q轴电流分量的参考值，通过逆变器双环控制器获取。如果分布式电源i没有被攻击，则li＝0，说明本地信息是可信的；若分布式电源i被攻击则li>0，说明本地信息是不可信的。

步骤3)按照式(3)更新分布式电源i的本地置信因子：

式中，表示本地置信因子ci对时间的导数；α>0表示收敛参数，用于调整本地置信因子ci的更新速度；δi表示检测阈值，用于区分攻击信号和其他扰动。如果本地检测结果没有攻击发生，则系统达到稳态时li＝0，ki＝1，从而ci＝1，微电网中分布式控制正常进行；如果本地检测到攻击信号，则li>0，ki(t)<1，从而ci<1且取决于攻击信号的大小，逐渐减小本地无功功率控制偏差；如果ci小于设定阈值cth,i，则ci＝0。

步骤4)按照式(4)更新分布式电源i的邻居置信因子：

式中，表示邻居置信因子tij对时间的导数；βj>0表示收敛参数，用于调整邻居置信因子tij的更新速度；σi表示更新阈值，用于区分攻击信号和其他扰动；|ni|表示分布式电源i的邻居个数；表示分布式电源i的邻居无功功率估计值的平均值。如果邻居分布式电源j的数据可信，则系统达到稳态时sij＝1，从而tij＝1，微电网中分布式控制正常进行；如果邻居分布式电源j的数据被注入攻击信号，则sij<1，从而tij<1且取决于的大小，该值越大，tij越小，邻居分布式电源的无功功率信息估计值越不可信，需要逐渐减少该邻居信息对本地无功功率控制偏差的影响；如果tij小于设定阈值tth,ij，则邻居分布式电源j的信息退出本地一致性协同过程，以防系统失稳。

步骤5)按照式(5)进行分布式二次控制，实现无功功率均分和平均电压恢复：

式中，ui表示分布式电源i二次电压控制量；和分别表示分布式电源i的电压幅值和无功功率的控制量；vref和qref分别表示微电网电压幅值和无功功率控制偏差的参考值；hv＝(kpv+kiv/s)和hq＝(kpq+kiq/s)分别表示分布式电源i的电压幅值和无功功率的pi控制器，kpv、kpq、kiv和kiq分别表示pi控制器的比例和积分参数；表示分布式电源i的平均电压估计值；表示分布式电源i的无功功率控制偏差；表示分布式电源i的平均电压控制偏差；aij表示通信耦合增益参数，若分布式电源i和分布式电源j通过通信线路连接，aij≠0，否则，aij＝0；表示分布式电源j的平均电压估计值；ni表示第i个代理的邻居的集合；ci表示分布式电源i的本地置信因子；tij表示分布式电源i对邻居分布式电源j的置信因子；表示分布式电源j的无功功率估计值。

将上述所设计技术方案应用到实际当中，仿真系统如图2所示，微电网由5个分布式电源，dg1，dg2，dg3，dg4和dg5通过各自的连接阻抗连接于并网节点，其中dg2和dg4带有本地负荷。5个分布式电源的额定有功无功容量相等，每个分布式电源配置一个代理，分别用a1，a2，a3，a4和a5表示，系统中负载采用阻抗型负载。根据本发明实施例的微电网分布式通讯拓扑设计方法对通讯拓扑进行设计选择，并基于matlab/simulink平台搭建仿真微电网模型，针对孤岛运行微电网在虚假数据注入攻击下的控制效果进行仿真，验证本发明方法的控制效果。

仿真开始时，微电网运行在一次下垂控制下，在t＝0.5s时分布式二次电压控制启动。在t＝2s时，负荷load1增加10kw+5kvar，并在t＝4s时切除。在t＝3s时，攻击者通过对图2中信息节点a1的无功功率信息实施虚假数据注入攻击，并在t＝5s时停止攻击。不采用本发明方法的仿真结果如图3所示，采用本发明方法的仿真结果如图4所示。

图3中，在t＝3s时，由于a1直接遭受破坏攻击，被攻击的分布式电源dg1输出的无功功率急剧降低，甚至吸收无功功率，造成其他分布式电源输出的无功功率跟随变化，另外分布式电源的并网电压也持续降低，造成系统电压跌落。

图4中，运行状态与未被攻击时基本相同，a1的本地检测成功识别出虚假数据注入攻击并通过更新本地置信因子c1＝0使dg1的二次无功功率控制退出工作，保障了微电网的网络安全。此时a1相当于系统中的领导者，其他分布式电源输出的无功功率跟随dg1，因此微电网中所有的分布式电源输出无功功率仍能实现均分。

从本实施例可以看出，采用本发明的控制方法后，实现系统无功功率均分和平均电压恢复的弹性运行，兼顾正常通信场景和网络攻击场景，为分布式二次控制的控制结构设计提供依据，进而提高微电网的运行弹性。本发明提出的方法有很好的控制效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。