一种微电网分布式事件驱动弹性控制方法

1.本发明涉及微电网安全技术领域，尤其是一种微电网分布式事件驱动弹性控制方法。


背景技术：

2.随着常规能源的逐渐衰竭和环境污染问题的日益加重，世界各国纷纷开始关注以风电、光伏发电为代表的环保、灵活的分布式发电方式。将分布式发电单元以微电网的形式接入大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电效能的最佳方式。微电网技术代表了未来分布式电力能源供应系统的发展趋势，是未来智能配用电系统的重要组成和支撑部分。
3.微电网存在两种典型的运行模式：正常情况下与常规配电网并网运行，称为联网模式；当检测到电网故障或电能质量不满足要求时，微电网将及时与电网断开而独立运行，称为孤岛模式。孤岛微电网动态特性由于失去主电网的支撑，通常采用分层控制结构在不同时间尺度上进行控制。其中，近几年提出并发展的分布式二次控制框架中，分布式发电单元仅和邻居单元进行交互信息，相比于集中式和分散式控制框架，具有通信成本低、可靠性强、扩展性好等优势。
4.随着微电网信息侧和物理侧的深度融合，一方面带来了微电网信息化、智能化的提升，但与此同时，电力电子设备的大规模应用也增加了微电网遭受网络攻击的可能性。由于微电网信息物理系统的特殊性，攻击者在窃取信息之外，将可能造成电力供应中断等大型事故和严重的经济损失。其中，坏数据注入攻击根据攻击者目的来篡改传输数据，破坏系统中信息的完整性和可靠性，严重威胁微电网系统及整个电力系统的稳定性和安全性。
5.已有一些分布式二次安全控制的工作，其中文献[1](详见s.abhinav,h.modares,f.l. lewis,f.ferrese,and a.davoudi,synchrony in networked microgrids under attacks,ieeetransactions on smart grid,vol.9,no.6,pp.6731-6741,nov.2018)提出了基于逆变器的微电网在攻击下的分布式弹性同步控制。但其中假设分布式发电单元之间的信息为连续传输，这与实际网络传输情况不符，且随着网络规模的不断扩大，网络带宽资源受限的问题持续凸显。文献[2](详见m.zhai,q.sun,b.wang,r.wang,z.liu,and h.zhang,distributed secondaryvoltage control of microgrids with actuators bias faults and directed communication topologies: event-triggered approaches,international journal of robust and nonlinear control,vol.32,no.7, pp.4422-4437,feb.2022)考虑了分布式事件驱动电压控制问题，其中分布式发电单元执行器受到已知上界的故障影响。该策略中所假设的故障需要提前知晓其上界，无法应用于未知上界的恶意坏数据攻击场景中。文献[3](详见x.meng,n.zhou,and q.wang,improveddistributed event-triggered control for inverter-based ac microgrids under deceptive cyberattacks, international journal of electrical power&energy systems,vol.120,art.no.106000,sept.2020) 研究了欺骗攻击下孤岛交流微电网的分布
式事件触发控制，其中分布式控制协议中的交互信息受到具有伯努利概率分布的有界攻击信号的影响，给出了分布式事件触发协议得到均方意义上误差的有界性。但实际中的攻击信号由攻击者精心设计，往往不满足特定的概率分布。针对如上问题，如何在减少通讯量的情况下，设计更高效的微电网分布式弹性控制协议，有着重要的现实意义。


技术实现要素：

[0006]
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种微电网分布式事件驱动弹性控制方法，在减少通讯负担的同时，及时检测并隔离出坏数据注入攻击，并保证从攻击中恢复的节点可以重新加入微电网，提升微电网的运行弹性性能，从而提高电力系统的安全性。
[0007]
为解决上述技术问题，本发明提供一种微电网分布式事件驱动弹性控制方法，包括如下步骤：
[0008]
步骤1、微电网一次下垂控制；
[0009]
步骤2、确定分布式发电单元交互电压及频率状态过程中坏数据注入攻击是否发生；
[0010]
步骤3、基于一致性合作指标更新本地信任值；
[0011]
步骤4、基于信任传播机制得到综合信任值，基于此，更新分布式发电单元之间通讯连边权重；
[0012]
步骤5、基于动态通讯连接边权，建立事件驱动的分布式弹性控制协议，实现网络攻击情形下的微电网频率和电压恢复。
[0013]
优选的，步骤1中，微电网一次下垂控制，按照下式进行：
[0014][0015][0016][0017]
式中，vi,ωi分别为分布式发电单元i输出的交流电压幅值和角频率，和分别为电压和角频率的下垂系数，pi和qi分别为分布式发电单元i的有功功率和无功功率，ω
ni
,v
ni
分别为一次调频角频率和幅值的额定值。
[0018]
优选的，步骤2中，确定分布式发电单元交互电压及频率状态过程中坏数据注入攻击是否发生，按照下式进行：
[0019][0020][0021][0022][0023]
其中，为发电单元i持有的对发电单元j是否发生电压坏数据攻击的一致性合作指标，为发电单元i持有的对发电单元j是否发生频率坏数据攻击的一致性合作
指标，为发电单元i的事件驱动时刻，为发电单元j在事件驱动时刻传输给i的电压状态信息，为发电单元j在事件驱动时刻传输给i的频率状态信息，若或则表明发电单元j到i的传输过程受到坏数据注入攻击。
[0024]
优选的，步骤3中，基于一致性合作指标更新本地信任值，按照下式进行：
[0025][0026][0027][0028][0029]
其中，t
ij
(t)为发电单元i持有的对发电单元j的本地信任值，分别为发电单元j无网络攻击和遭受网络攻击的计数变量，为发电单元i持有的对发电单元 j在触发时刻是否遭受攻击的指标变量，若发电单元j在触发时刻未遭受攻击，则否则φ∈[0,1],ψ∈[0,1]为遗忘因子，γ为攻击指标中的衰减速率。
[0030]
优选的，步骤4中，基于信任传播机制得到综合信任值，进而更新分布式发电单元之间通讯连边权重，按照下式进行：
[0031][0032][0033]
其中，a(t)＝a
ij
(t)为微电网中各分布式发电单元通信网络的邻接矩阵，r
ij
(t)为结合本地信任值和公共邻居m信任值所确定的分布式发电单元i对j的综合信任值，r
min
为信任阈值，χi＞0,i＝1,2分别为本地信任值和邻居信任值对综合信任值的权重，权重χ1的值越大，说明本地信任值对综合信任值的影响越大，反之，则公共邻居对综合信任值的影响越大，设置初始值r
ij
(0)＝1。
[0034]
优选的，步骤5中，基于事件驱动和动态通讯连边的分布式弹性控制协议，按照如下公式进行：
[0035][0036][0037][0038]
[0039]
或
[0040][0041][0042][0043]
式中，为发电单元i的电压控制输入，为发电单元i的频率控制输入，i＝1,2为相应的控制增益，表示t时刻分布式发电单元i的邻居集合，pi(t)为发电单元i的牵制增益，pi(t)≠0表示发电单元i可以获取参考电压v
ref
和参考频率ω
ref
，否则pi(t)＝0.为发电单元i事件驱动时刻的时间间隔，υi＞0为事件驱动控制中避免zeno现象的一个小的正常数，σi＞0,i＝1,2为事件驱动参数，inf表示对一个集合中的元素取下界。
[0044]
本发明的有益效果为：本发明通过一致性合作指标检测邻居分布式发电单元是否遭受网络攻击，结合共同邻居的信任值和本地信任值，给出邻居发电单元的综合信任值，反映邻居发电单元的可靠性，基于此，设计了邻居通讯连接边权的动态更新策略；根据该动态通讯连边更新策略，设计了无zeno现象的事件驱动分布式控制协议，在能够有效在减少通讯负担的同时，及时检测并隔离出坏数据注入攻击，且可以保证从攻击中恢复的节点能重新加入微电网，具有一定的主动防御性和可扩展性，具备一定的理论和实际应用价值。
附图说明
[0045]
图1为本发明的方法流程示意图。
[0046]
图2为本发明采用的微电网分布式发电单元初始通讯拓扑图。
[0047]
图3为本发明微电网遭受坏注入攻击后发电单元1,2,4对发电单元3的本地信任值。
[0048]
图4为本发明微电网遭受坏注入攻击后发电单元1,2,4对发电单元3的综合信任值。
[0049]
图5为本发明各分布式发电单元电压变化曲线图。
[0050]
图6为本发明各分布式发电单元频率变化曲线图。
具体实施方式
[0051]
如图1所示，一种微电网分布式事件驱动弹性控制方法，包括如下步骤：
[0052]
步骤1：微电网一次下垂控制；
[0053]
步骤2：分布式发电单元交互过程坏数据注入攻击的本地检测；
[0054]
步骤3：基于一致性合作指标更新本地信任值；
[0055]
步骤4：基于信任传播机制得到综合信任值，基于此，更新分布式发电单元之间通讯连边权重；
[0056]
步骤5：基于动态通讯连接边权，建立事件驱动的分布式弹性控制协议，实现网络
攻击情形下的微电网频率和电压恢复。
[0057]
具体地，步骤1中微电网一次下垂控制，按照下式进行：
[0058][0059][0060][0061]
式中，vi,ωi分别为分布式发电单元i输出的交流电压幅值和角频率，和分别为电压和角频率的下垂系数，pi和qi分别为分布式发电单元i的有功功率和无功功率，ω
ni
,v
ni
分别为一次调频角频率和幅值的额定值。
[0062]
具体地，步骤2中，确定分布式发电单元交互电压及频率状态过程中坏数据注入攻击是否发生，按照下式进行：
[0063][0064][0065]
其中，为发电单元i持有的对发电单元j是否发生电压坏数据攻击的一致性合作指标，为发电单元i持有的对发电单元j是否发生频率坏数据攻击的一致性合作指标，为发电单元i的事件驱动时刻，为发电单元j在事件驱动时刻传输给 i的电压状态信息，为发电单元j在事件驱动时刻传输给i的频率状态信息。若或则表明发电单元j到i的传输过程受到坏数据注入攻击。
[0066]
具体地，步骤3中，基于一致性合作指标更新本地信任值，按照下式进行：
[0067][0068][0069][0070][0071]
其中，t
ij
(t)为发电单元i持有的对发电单元j的本地信任值，分别为发电单元j无网络攻击和遭受网络攻击的计数变量，为发电单元i持有的对发电单元j在触发时刻是否遭受攻击的指标变量，若发电单元j在触发时刻未遭受攻击，则否则φ∈[0,1],ψ∈[0,1]为遗忘因子，γ为攻击指标中的衰减速率。
[0072]
具体地，步骤4中，基于信任传播机制得到综合信任值，进而更新分布式发电单元之间通讯连边权重，按照下式进行：
[0073][0074][0075]
其中，a(t)＝a
ij
(t)为微电网中各分布式发电单元通信网络的邻接矩阵，r
ij
(t)为结合本地信任值和公共邻居m信任值所确定的分布式发电单元i对j的综合信任值，r
min
为信誉阈值，χi＞0,i＝1,2分别为本地信任值和邻居信任值对综合信任值的权重，权重χ1的值越大，说明本地信任值对综合信任值的影响越大，反之，则公共邻居对综合信任值的影响越大。设置初始值r
ij
(0)＝1.
[0076]
具体地，步骤5中，基于事件驱动和动态通讯连边的分布式弹性控制协议，通过如下公式进行：
[0077][0078][0079][0080][0081]
或
[0082][0083][0084][0085]
式中，为发电单元i的电压控制输入，为发电单元i的频率控制输入，i＝1,2为相应的控制增益，表示t时刻分布式发电单元i的邻居集合，pi(t)为发电单元i的牵制增益，pi(t)≠0表示发电单元i可以获取参考电压v
ref
和参考频率ω
ref
的信息，否则为发电单元i事件驱动时刻的时间间隔，υi＞0 为事件驱动控制中避免zeno现象的一个小的正常数，σi＞0,i＝1,2为事件驱动参数，inf 表示对一个集合中的元素取下界。
[0086]
将上述所设计技术方案应用到实际当中，考虑4个分布式发电单元，dg1，dg2， dg3，dg4，分布式发电单元之间初始通讯拓扑如图2所示，其中连边上的数值表示 dg之间通讯连边的初始连接权重，设置dg1和dg2可以接收到参考信号v
ref
和ω
ref
, p1(t)＝p2(t)＝1。基于matlab搭建仿真模型，针对微电网在坏数据注入攻击下的控制和隔离效果进行仿真，验证本发明方法的有效性。4个dg的电压和频率初始值设置为： v1(0)＝377v,v2(0)＝371v,v3(0)＝383v,v4(0)＝388v,ω1(0)＝49.4hz,ω2(0)＝49hz, ω3(0)＝50.2hz,ω4(0)49.8hz.控制参数设置如下：事件驱动参数设置为：σ1＝σ2＝
0.05,υi＝0.0012s,信任值更新参数设置为：φ＝0.5,ψ＝0.5, γ＝1,χ1＝20,χ2＝18。
[0087]
在仿真实例中，攻击者在1s时对dg3发动攻击，在3s时结束。在t∈[1,3]s，dg 3 发送给dg 1的频率状态信息被攻击者篡改为60+5t hz，电压状态信息被篡改为390+5tv,dg 3发送给dg 4的频率状态信息被篡改为40-5t hz，电压状态信息被篡改为 370-5t v,dg 3发送给dg2的为真实频率和电压信息。
[0088]
图3中，攻击在1s时发生，基于一致性合作指标的dg 1，4对dg 3的本地信任值 t
13
(t),t
43
(t)迅速下降。图4中，基于信任传播机制所得的dg 1、4对dg 3的综合信任值r
13
(t),r
43
(t)迅速下降，低于所设定阈值r
min
＝0.93，从而dg1、4将与dg3之间的通讯连边权重置于0，隔离攻击的影响。同时，由于dg3已被攻击者挟持，dg2通过综合其公共邻居信息，基于信任传播机制得到综合信任值r
23
(t)，可以及时有效断开和受攻击dg3的通讯连边，防止潜在的攻击影响。当攻击在t＝3s时结束，dg 1、4对 dg 3的综合信任值将恢复至1，dg 3可以重新加入微电网中。
[0089]
图5及图6中，在基于事件驱动的弹性控制下，分别展示了攻击场景下分布式发电单元的电压和频率可恢复至参考值，减轻了坏数据攻击对整个微电网的影响，提高了微电网运行的弹性和安全性。本发明提出的方法有很好的控制效果。
[0090]
采用本发明的控制方法后，可以实现微电网中发电单元的电压和频率恢复，在减少通讯负担的同时，有效检测并隔离出网络攻击，并保证从攻击中恢复的节点可以重新加入微电网，兼顾正常通信和网络攻击场景，进一步提高微电网运行的安全性。