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网络攻击下电力系统弹性频率控制和主动防御控制研究

程子豪  
【摘要】:近年来,网络攻击已导致全球范围内多起电力系统停电事故,严重影响了社会生产活动甚至威胁到国家安全。造成停电事故的主要原因之一是网络攻击通过对信息层的破坏渗透影响物理电力系统的稳定性。特别地,当自动发电控制系统(AGC)遭受网络攻击时,将破坏电力系统有功功率平衡,造成频率不稳定。因此,维持电力系统在网络攻击下的频率稳定性具有重要研究意义。频率控制,例如负荷频率控制(LFC),是一种重要的控制策略能够维持电力系统有功功率平衡,实现频率稳定。为保证网络攻击下的频率控制性能,本文将研究电力系统的安全频率控制,具体解决如下三个问题:第一,从频率控制系统信物安全性角度挖掘攻击场景和量化攻击行为;第二,分析频率控制系统的弹性条件,即可容忍的攻击上界;第三,研究主动防御控制策略以提高频率控制系统的自主安全性。针对上述三个问题,主要研究思路为:首先,建立攻击模型和构建攻击下频率控制系统模型;然后,进行系统弹性分析和设计;进一步,提出主动防御控制策略。根据研究思路,主要取得以下五个方面的研究成果。1.研究拒绝服务(DoS)攻击下多区域负荷频率控制(LFC)系统的弹性分析和设计问题。首先提出了基于输入延时的攻击检测机制,从时间尺度上辨别了 DoS攻击和网络诱导时延,并采用平均驻留时间(ADT)和攻击时长占空比约束DoS攻击的频率和时长上界。然后,将DoS攻击下的负荷频率控制系统建模为切换时滞系统,结合分段Lyapunov-Krasoviskii functional(LKF)和切换系统理论,分析系统的加权H∞性能,得到了含有时滞界、DoS攻击参数和系统性能参数的弹性条件。最后,基于线性矩阵不等式(LMIs)技术,将弹性条件转化为LFC弹性控制设计条件,并给出弹性LFC控制参数的设计算法。2.研究DoS攻击、时延、饱和约束和参数不确定情况下双控制回路LFC系统的弹性分析和设计问题。针对发生在LFC系统附加控制回路的DoS攻击场景。首先,通过平均驻留时间,休眠区间的一致下界和攻击区间的一致上界建立DoS攻击的数学模型,并将双控制回路LFC系统建模为切换时滞系统。然后,结合时滞系统方法和切换系统理论,建立了含有时滞界、攻击参数和系统分析参数的弹性条件。最后,基于LMIs技术和虚拟输出向量法,提出了弹性附加控制参数的设计方法。3.研究DoS攻击下含新能源电力系统的频率控制问题。首先,建立了基于负荷频率控制(LFC)和虚拟惯性控制(VIC)的频率控制系统状态空间模型。进一步,提出了基于模态依赖平均驻留时间(MDADT)的DoS攻击模型,并引入动态触发机制降低系统通信负荷。其次,将DoS攻击下的频率控制系统建模为含触发约束条件的切换时滞系统,通过系统分析获取了保证频率控制系统稳定的MDADT弹性条件。进一步,利用分段LFK方法和LMIs技术,提出了动态触发机制参数和LFC-VIC控制参数的一体化设计方法。最后,提出了基于MDADT弹性条件的主动防御控制策略—动态预测窗口机制。4.研究混合网络攻击下基于多智能体协同的低惯性电力系统频率控制问题。首先,提出了混合攻击模型:将DoS攻击的影响视为时变切换拓扑,其切换特征由MDADT模型表示;基于符号函数建立了虚假数据注入攻击模型。其次,将基于多智能体协同的频率控制系统建模为非线性切换系统。进一步,利用切换系统理论和非线性系统处理方法,建立了频率控制系统的弹性条件,即系统容忍残留拓扑的平均驻留时间下界和虚假数据注入攻击的恶意程度上界。最后,基于LMIs技术,提出了分布式LFC-VIC控制增益的设计方法。5.研究DoS攻击下LFC系统的主动防御控制方法。为应对DoS攻击造成的反馈通信通道中断,提出了基于带宽分配的主-冗控制结构,同时为刻画有限带宽资源分配对主-冗通道通信质量的影响,引入了相关延时概念。进一步,提出了主-冗通道切换律的设计方法,保证系统自主安全性和提高冗余通道的隐蔽性。然后,将DoS攻击下含主-冗控制结构的LFC系统建模为具有三模态的切换时滞系统。最后,基于分段LKF方法和LMIs技术,提出了控制参数,触发参数和切换律参数的联合设计方法。


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