周期性拒绝服务攻击下单向并网逆变器的攻击容忍控制器设计方法

摘要

周期性拒绝服务攻击下单向并网逆变器的攻击容忍控制器设计方法，应用于能源发电环境并网过程中遭受到外部恶意攻击时，包括以下步骤：建立单向并网逆变器的拓扑结构和数学模型；引入周期性拒绝服务攻击的数学模型且对系统遭受到周期性拒绝服务攻击时的稳定性进行分析；建立单向并网逆变器在周期性拒绝服务攻击下的最终数学模型并设计一种在周期性拒绝服务攻击下的单向并网逆变器的攻击容忍控制器。本方法使得单向并网逆变器可以有效抵御周期性拒绝服务攻击；与现有技术相比能有效抵御拒绝服务攻击，保证系统在外界存在恶意攻击时也能安全、稳定运行，增强了系统运行的稳定和可靠性，对安全发电提供了新的解决方案。

说明书

技术领域

本发明涉及网络化控制系统技术领域，应用于新能源发电电网系统的并网逆变器中，尤其涉及一种周期性拒绝服务攻击下单向并网逆变器的攻击容忍控制器设计方法

背景技术

在2019年，全球新增风电装机量超过60GW，比2018年增长19％，总装机容量达到650GW，随着我国大型风电机组的不断面世，变流技术也不断发展。在风力发电系统中，变流技术主要有三种：直驱式风电系统网侧变换器、输出电流控制模式下风电并网系统变换器控制、输出电压控制模式下风电并网系统的逆变器控制。

由于风力资源的不可预测性、随机性和间歇性等特点，使得将风电场输出的功率送入电网系统中存在较大的不确定量，这严重影响电网的平稳运行，所以对于电网控制提出了更高的要求。目前，许多学者已经提出了他们的频率控制方法，并创造了许多不俗的阶段性成果，邹祖冰等(邹祖冰,蔡丽娟,甘辉霞.电压型PWM逆变器的自抗扰控制策略[J].电工技术学报,2004,19(2):84-88.)提出了将自抗扰控制应用于风电逆变器中，从实验效果看到这种方法队强耦合、多变量、非线性的复杂系统的控制效果不俗。刘波等(刘波,金昊.永磁直驱风电系统双PWM变换器前馈补偿控制[J].电力系统保护与控制, 2014,42(15):52-57.)利用功率前馈的控制方法，直接应用电流内环对有功功率进行调节，减小了直流母线电压的调节时间。考虑到开放的通信基础设施嵌入到并网风电机组系统中，拒绝服务攻击会占用通信通道，导致正常的通信被阻断，降低通信信道使用率，这将对能源发电系统及并网逆变器造成极大的恶意损耗和破坏。因此，如何保证能源发电中的并网逆变器在外界恶意的拒绝服务攻击存在的情况下，能够最小程度的降低能耗损失并且让系统能够正常的运转下去是一个潜在的研究课题。能源发电环境中并网过程在受到拒绝服务攻击时，如何描述逆变器的数学模型具有很大的实际意义，同时，当考虑到攻击时如何设计一款控制器保证系统的稳定运行也是眼下急需解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种周期性拒绝服务攻击下单向并网逆变器的攻击容忍控制器设计方法，通过此方法可使单向并网逆变器在运行中即便在遭受到拒绝服务攻击时，也能最大程度保证系统稳定运行。

一种周期性拒绝服务攻击下单向并网逆变器的攻击容忍控制器设计方法，应用于能源发电环境并网过程中遭受到外部恶意攻击时，具体方法包括以下步骤：

S1：建立单向并网逆变器的拓扑结构和数学模型；

S2：引入周期性拒绝服务攻击的数学模型且对系统遭受到周期性拒绝服务攻击时的稳定性进行分析；

S3：建立单向并网逆变器在周期性拒绝服务攻击下的最终数学模型并设计一种在周期性拒绝服务攻击下的单向并网逆变器的攻击容忍控制器。

本发明的进一步改进在于，还包括步骤，建立能源发电系统中单向并网逆变器的拓扑结构和数学模型。

本发明的进一步改进在于，还包括步骤，设计周期性拒绝服务攻击模型，并引入至所述单向并网逆变器系统模型中，建立周期性拒绝服务攻击下单向并网逆变器系统的数学模型。

本发明的进一步改进在于，还包括步骤，建立周期性拒绝服务攻击下单向并网逆变器系统的攻击容忍控制器设计准则，使系统满足稳定性判据，确定周期性拒绝服务攻击下单向并网逆变器系统模型的攻击容忍控制器增益矩阵。

本发明达到的有益效果为：本发明的一种周期性拒绝服务攻击下单向并网逆变器的攻击容忍控制器，应用于能源发电系统中的单向并网逆变器中，使得单向并网逆变器可以有效抵御周期性拒绝服务攻击；与现有技术相比，本发明能有效抵御拒绝服务攻击，保证系统在外界存在恶意攻击时也能安全、稳定运行，增强了系统运行的稳定和可靠性，对安全发电提供了新的解决方案。

附图说明

图1为本发明实施例中的攻击容忍控制器设计方法流程示意图。

图2为本发明实施例中的能源发电环境中的单向并网逆变器系统在周期性拒绝服务攻击下的系统框图。

图3为本发明实施例中的单向并网逆变器的拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

从图2中可知，在本发明实施例中，交流电网在接收到单向并网逆变器发送来的数据后通过锁相环反馈信息从而达到对并网过程的控制效果，这个并网通信链路易遭受到周期性拒绝服务攻击，使该服务器无法提供正常服务，甚至完全瘫痪，这种行为对用电安全以及电网稳定运行带来很大的威胁。本发明由此设计了一种周期性拒绝服务攻击下单向并网逆变器的攻击容忍控制器，具体的方法包括以下步骤：

S1：建立能源发电环境中单向并网逆变器的数学模型。

实际情况中，电力系统是一个具有多时间尺度的大规模非线性系统，其稳定性分析非常复杂，所以对电力系统的由繁化简非常重要，利用奇异摄动系统来实现系统化降阶。因此，负载频率控制系统的动力学化简为线性方程表示。考虑线性化的单向并网逆变器电力系统模型的拓扑结构如图2和3所示。图3中，根据基尔霍夫定律，单向 LCL型并网逆变器的微分方程为：

其中v

单向并网逆变器的系统模型为：

其中x(t)＝[v

其中系统矩阵中使用的参数可取值：开关频率f为10kHz，电网电压为220V，电网电流为10A，逆变桥侧电感L

S2：引入周期性拒绝服务攻击模型，建立周期性拒绝服务攻击下的并网逆变器的系统模型。

本发明实施例为了充分了解周期性拒绝服务攻击对单向并网逆变器电力系统的影响，通过建立数学模型的方式，实现在周期性拒绝服务攻击情况下系统的一些具体情况，其建立的具体过程如下：

考虑周期性拒绝服务攻击的影响，建立周期性拒绝服务攻击模型，并将拒绝服务攻击引入至单向并网逆变器电力系统中，具体的，拒绝服务攻击信号是一组能量有限的攻击信号，会恶意占用通信通道，具体数学模型为：

其中，S

由图2的控制模型图可以看出当拒绝服务攻击存在时，系统的控制输入为零，所以需要设计一个控制器使系统在攻击存在时也能稳定运行，即系统的控制输入在时间域上表示为

本发明通过攻击容忍控制器可以保证能源发电系统中单向并网逆变器的运行稳定性，因此考虑周期性拒绝服务攻击下单向并网逆变器的数学模型：

式中系统状态向量x(t)＝[v

S3：建立周期性拒绝服务攻击下单向并网逆变器的攻击容忍控制器设计准则，使系统满足稳定的性能指标，确定周期性拒绝服务攻击下单向并网逆变器的攻击容忍控制器增益矩阵。

在本发明实施例中，针对周期性拒绝服务攻击下的单向并网逆变器，如果对于正定常数ι

O

其中

当系统稳定时，对于给定的正标量ι

E

Π

U

其中，β＝[I 0 0]，

那么根据上述线性矩阵不等式可以计算出控制器增益矩阵为

本发明意在为处于拒绝服务攻击下的单向并网逆变器电力系统设计一种攻击容忍控制器，保证单向并网逆变器电力系统可以在遭受周期性的拒绝服务攻击时安全、稳定运行。

本发明的拒绝服务攻击下攻击容忍控制器的设计方法，应用于单向并网逆变器电力系统中，首先建立单向并网逆变器电力系统的拓扑结构并构建数学模型；同时构建周期性的拒绝服务攻击模型引入至单向并网逆变器系统模型；最后设计一种攻击容忍控制器，保证单向并网逆变器系统可以在遭受周期性的拒绝服务攻击时安全、稳定运行并且满足相信稳定性能指标。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。