DoS攻擊下基于自觸發(fā)一致性的微電網(wǎng)電壓無(wú)功控制

馬 良,許 剛

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206)

0 概述

微電網(wǎng)能夠促進(jìn)可再生能源分布式發(fā)電并網(wǎng),實(shí)現(xiàn)多種類(lèi)型負(fù)荷的高可靠供給,對(duì)降低化石能源消耗、提高供電可靠性具有重要意義。在多臺(tái)分布式電源(Distributed Generation,DG)通過(guò)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的孤島微電網(wǎng)中,傳統(tǒng)下垂控制策略導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值與額定值間存在偏差、線(xiàn)路阻抗不匹配以及DG低慣性、缺乏靜態(tài)補(bǔ)償裝置等因素造成無(wú)功功率難以均分,影響微電網(wǎng)的供電質(zhì)量[1-2]。

分層控制結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)多DG協(xié)調(diào)控制的有效途徑[3],即一次控制層維持微電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定,二次控制層對(duì)一次控制層產(chǎn)生的頻率和電壓偏差進(jìn)行補(bǔ)償,三次控制層實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)輸出功率的經(jīng)濟(jì)調(diào)度。文獻(xiàn)[4-5]采用微電網(wǎng)中央控制器(MGCC)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓和功率的二次控制,但集中式的控制結(jié)構(gòu)導(dǎo)致單一節(jié)點(diǎn)失效可能引起整個(gè)微電網(wǎng)失穩(wěn)。分布式的協(xié)同控制策略由于具有組織靈活、高可擴(kuò)展性的特點(diǎn),成為微電網(wǎng)分層控制結(jié)構(gòu)研究的主流。文獻(xiàn)[6-8]基于多智能體一致性算法解決微電網(wǎng)二次控制層的電壓恢復(fù)和功率分配問(wèn)題,但上述文獻(xiàn)均未考慮智能體間的通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)一致性算法性能的影響。在分布式協(xié)同控制策略中,各DG通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與其鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換。在傳統(tǒng)的基于采樣信號(hào)的通信方式中,各DG間周期性地傳遞信息,其采樣頻率需要滿(mǎn)足最壞可能發(fā)生的極端情況的要求,加重通信帶寬的負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[9-10]基于事件觸發(fā)的通信方式,根據(jù)各DG的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)合理地設(shè)置觸發(fā)函數(shù),從而達(dá)到按需進(jìn)行非周期性信號(hào)傳遞的目的,在提高微電網(wǎng)供電質(zhì)量的同時(shí)有效降低通信次數(shù)。但是,由于事件觸發(fā)通信需要對(duì)觸發(fā)函數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控,因此對(duì)控制器的運(yùn)算處理能力構(gòu)成挑戰(zhàn)。

通信網(wǎng)絡(luò)及多智能體技術(shù)的引入使得微電網(wǎng)具有信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems,CPS)的特征。在CPS環(huán)境下,網(wǎng)絡(luò)入侵者可根據(jù)各DG的IP地址實(shí)施拒絕服務(wù)(Denial of Service,DoS)攻擊,阻斷各DG間的信息傳遞,從而使得基于多智能體一致性的微電網(wǎng)二次控制策略失效,危害微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)基于事件觸發(fā)彈性控制的微電網(wǎng)二次電壓恢復(fù)策略,但是控制器設(shè)計(jì)過(guò)程要求系統(tǒng)具有指數(shù)穩(wěn)定的約束條件,適用范圍較小;文獻(xiàn)[12]將斷續(xù)DoS攻擊建模為系統(tǒng)延時(shí),并分析了其對(duì)微電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響,但是缺乏相應(yīng)的防御措施;文獻(xiàn)[13]通過(guò)在DoS攻擊時(shí)建立基于DG下垂系數(shù)調(diào)節(jié)的電力對(duì)話(huà)通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)攻擊的檢測(cè),但是該方法對(duì)負(fù)荷的變化較為敏感。

本文針對(duì)DoS攻擊下的孤島微電網(wǎng)電壓-無(wú)功控制問(wèn)題,提出基于自觸發(fā)通信方式的分布式分層控制策略。在微電網(wǎng)的二次控制層設(shè)計(jì)基于多智能體一致性算法的電壓及無(wú)功功率全局均值估計(jì)器,根據(jù)電壓和無(wú)功功率的偏差量對(duì)一次控制層的參考輸入進(jìn)行調(diào)節(jié)?？紤]到通信網(wǎng)絡(luò)的引入增加了網(wǎng)絡(luò)入侵者實(shí)施DoS攻擊的可能,造成DG智能體間信息交換的阻斷,設(shè)計(jì)基于三元組自觸發(fā)通信方式的一致性算法,并通過(guò)引入檢測(cè)函數(shù)克服對(duì)DoS攻擊頻率的約束。

1 孤島微電網(wǎng)建模及二次控制設(shè)計(jì)

1.1 基于逆變器的DG控制模型

(1)

(2)

(3)

1.2 基于電壓-無(wú)功全局均值估計(jì)量的二次控制

基于下垂的一次控制導(dǎo)致DG的輸出電壓幅值存在偏差,并造成無(wú)功功率分配不均,因此需要設(shè)計(jì)二次控制層進(jìn)行補(bǔ)償。傳統(tǒng)的基于全局平均值的微電網(wǎng)二次控制策略,需要設(shè)置星形通信鏈路獲取全部DG的電壓和無(wú)功信息求取平均值[14],但其數(shù)據(jù)量大,易發(fā)生阻塞。如圖2所示,本文基于一致性算法和全局均值估計(jì)器求取電壓和無(wú)功功率的平均值,進(jìn)而通過(guò)PI控制器得到電壓和無(wú)功功率的補(bǔ)償量,設(shè)計(jì)分布式分層控制策略實(shí)現(xiàn)電壓的恢復(fù)與無(wú)功功率的合理均分。

圖2 基于一致性算法及全局均值估計(jì)量的微電網(wǎng)二次控制Fig.2 Microgrid secondary control based onconsensus algorithm and global mean estimator

(4)

在二次控制層根據(jù)全局平均值的估計(jì)量設(shè)計(jì)PI控制器,得到電壓和無(wú)功功率的補(bǔ)償量,并將得到的補(bǔ)償量傳遞給一次控制層,以消除由于下垂控制引起的電壓偏差并實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率均分。經(jīng)PI控制器得到的電壓補(bǔ)償量δVi和無(wú)功功率補(bǔ)償量δQi可表示為:

(5)

2 DoS攻擊下基于自觸發(fā)的一致性算法

微電網(wǎng)的二次控制層基于多智能體一致性算法確保全局均值估計(jì)量的收斂。在CPS環(huán)境中,多智能體間的通信網(wǎng)絡(luò)可能遭受DoS攻擊,造成各DG間信息傳輸?shù)闹袛?。因?設(shè)計(jì)基于自觸發(fā)通信的多智能體一致性控制策略,在降低鏈路通信負(fù)擔(dān)的同時(shí),提高微電網(wǎng)對(duì)DoS攻擊的抵御能力。

2.1 圖論及DoS攻擊建模

如圖3所示,在多智能體系統(tǒng)中每個(gè)DG與一個(gè)智能體相對(duì)應(yīng),并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與其鄰居節(jié)點(diǎn)交換狀態(tài)信息。通信網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)向連通圖G=(V,Ξ)表示,其中,V={1,2,…,N}表示N個(gè)DG所對(duì)應(yīng)的智能體節(jié)點(diǎn)集合,Ξ?V×V表示邊集合且與智能體間的通信鏈路相對(duì)應(yīng)。對(duì)于第i個(gè)智能體DGi,其鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為Ni,該節(jié)點(diǎn)的度為di。

圖3 二次控制層通信網(wǎng)絡(luò)及DoS攻擊場(chǎng)景Fig.3 Scenario of secondary control layer communicationnetwork and DoS attack

(6)

其中,參數(shù)μij∈(0,1)用以確定DoS攻擊在[t-0,t]時(shí)間間隔內(nèi)所占的比例的上界,對(duì)參數(shù)λij,由式(6)可知,總的DoS攻擊時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)應(yīng)小于λij/(1-μij),因此λij可用來(lái)調(diào)節(jié)總的DoS攻擊時(shí)長(zhǎng)。

2.2 基于自觸發(fā)通信的一致性算法設(shè)計(jì)

(7)

定義通信鏈路{i,j}∈Ξ上針對(duì)DoS攻擊的檢測(cè)函數(shù)為δij(t)∈{0,1},且有如下假設(shè):

假設(shè)1當(dāng)通信鏈路{i,j}∈Ξ上發(fā)生DoS攻擊時(shí),檢測(cè)函數(shù)δij(t)可檢測(cè)到攻擊發(fā)生,且其值從1變?yōu)?并一直保持,記作δij(t):1→0;當(dāng)DoS攻擊進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí),δij(t)可檢測(cè)到攻擊休眠,且其值從0變?yōu)?并一直保持,記作δij(t):0→1。

在微電網(wǎng)的二次控制層,各DG間的通信網(wǎng)絡(luò)采用光纖、電力載波、CAN總線(xiàn)等有線(xiàn)方式或WiFi、Zigbee等無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行組網(wǎng),并基于TCP/IP、IEC61850標(biāo)準(zhǔn)等通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)[17-18]。各DG的本地控制器采用具有一定運(yùn)算與數(shù)據(jù)處理能力的DSP實(shí)現(xiàn),可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量及丟包率異常等特征及時(shí)發(fā)現(xiàn)DoS攻擊的存在[19-20]。當(dāng)檢測(cè)到通信鏈路上發(fā)生DoS攻擊后,智能體DGi可循環(huán)向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包,并采用類(lèi)似于Ping命令的方式,測(cè)試通信鏈路的連通性,從而及時(shí)檢測(cè)到DoS攻擊進(jìn)入休眠狀態(tài)的時(shí)刻。因此,假設(shè)1是合理的,且在工程上具有可實(shí)現(xiàn)性。

分別定義觸發(fā)函數(shù)為S1(t)和S2(t),當(dāng)滿(mǎn)足式(8)的觸發(fā)條件時(shí),智能體DGi將向DGj發(fā)送請(qǐng)求獲取其狀態(tài)信息,并更新控制量:

(8)

其中,觸發(fā)條件S1(t)表明,當(dāng)通信鏈路(i,j)∈Ξ上的時(shí)鐘變量θij(t)遞減為0,且鏈路未遭受DoS攻擊時(shí),DGi將獲取其鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息,觸發(fā)條件S2(t)表明,當(dāng)檢測(cè)到DoS攻擊進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí),DGi立即獲取其鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息。

(9)

其中,signε(·)表示符號(hào)函數(shù),參數(shù)ε>0用于確定智能體最終收斂區(qū)域的范圍,參數(shù)Υ>0決定一致性算法的收斂速度。

為提高多DG智能體網(wǎng)絡(luò)對(duì)DoS攻擊的魯棒性,根據(jù)觸發(fā)條件及檢測(cè)函數(shù),控制變量uij及本地時(shí)鐘變量θij(t)的更新律設(shè)計(jì)為:

(10)

(11)

其中:

(12)

式(10)～式(12)表明,當(dāng)通信鏈路{i,j}∈Ξ正常工作且時(shí)鐘變量θij(t)為0,或檢測(cè)到DoS攻擊進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí),智能體DGi向其鄰居節(jié)點(diǎn)DGj發(fā)送請(qǐng)求以獲取其狀態(tài)信息,根據(jù)DGj與DGi間的狀態(tài)偏差量devij同步更新控制變量uij與時(shí)鐘變量θij的值;一旦檢測(cè)到通信鏈路{i,j}∈Ξ上發(fā)生DoS攻擊,則將uij和θij(t)置為0。由于智能體DGi與DGj僅在滿(mǎn)足觸發(fā)條件S1(t)或S2(t)的時(shí)刻進(jìn)行通信,因此其發(fā)生通信的時(shí)間序列是離散的,且有:

(13)

DoS攻擊下基于自觸發(fā)通信的多DG智能體一致性算法如下:

算法1DoS攻擊下基于自觸發(fā)的一致性算法

/*設(shè)置外層循環(huán):從DG1開(kāi)始遍歷至DGN;設(shè)置內(nèi)層循環(huán):遍歷DGi的鄰居節(jié)點(diǎn)*/

for i=1,2,…,N

for j=1,2,…,Ni

/*當(dāng)時(shí)鐘變量未歸零時(shí),DGi根據(jù)控制量uij(t)更新?tīng)顟B(tài)*/

end while

/*當(dāng)觸發(fā)條件S1(t)或S2(t)滿(mǎn)足時(shí),DGi獲取DGj的狀態(tài)信息,并更新控制變量和時(shí)鐘變量 */

if {i,j}∈S1(t) or {i,j}∈S2(t)

更新uij(t)=δij(t)signε(devij),θij(t)=fij(x(t));

end if

/*根據(jù)檢測(cè)函數(shù)判斷是否發(fā)生DoS攻擊,若發(fā)生則更新控制變量和時(shí)鐘變量,并持續(xù)檢測(cè)DoS是否休眠*/

if δij(t):1→0

更新uij(t)=0,θij(t)=0;

end if

if δij(t)=0

DGi向DGj循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)包,檢測(cè)DoS是否休眠;若休眠,則δij(t):0→1 ;

end if

/*內(nèi)層循環(huán)結(jié)束;外層循環(huán)結(jié)束 */

end for

end for

2.3 穩(wěn)定性分析

定義Lyapunov函數(shù):

(14)

(15)

(16)

?{i,j}∈Ξa(chǎn)ndt>T*}

(17)

其中,N為DG智能體個(gè)數(shù)。通過(guò)選取ε的值,可使得最終收斂域的范圍足夠小,從而提高對(duì)本文一致性算法的控制精度。

本文方法相較于文獻(xiàn)[16]方法的最大優(yōu)勢(shì)在于克服了DoS攻擊頻率對(duì)自觸發(fā)通信的影響,提高了一致性算法的魯棒性。如圖4所示,當(dāng)檢測(cè)到通信鏈路{i,j}∈Ξ上發(fā)生DoS攻擊時(shí),文獻(xiàn)[16]采用每隔Δ時(shí)間進(jìn)行通信觸發(fā)試探的方法,當(dāng)DoS攻擊的頻率高于1/Δ時(shí),該方法將失效。本文利用DG智能體對(duì)DoS攻擊的感知能力,循環(huán)測(cè)試通信鏈路的連通性,確保DoS攻擊進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)能夠完成智能體間的通信,克服了一致性算法對(duì)DoS攻擊頻率的約束。

圖4 本文方法與文獻(xiàn)[16]方法比較Fig.4 Comparison between method in this paper andliterature[16] method

3 仿真結(jié)果與分析

在Matlab/Simulink平臺(tái)下搭建仿真模型,對(duì)本文所設(shè)計(jì)的基于自觸發(fā)一致性算法的孤島微電網(wǎng)控制方法及其在DoS攻擊下的有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。如圖5所示,微電網(wǎng)仿真模型由4個(gè)DG組成,各DG間通過(guò)RL型電力線(xiàn)路相聯(lián);在二次控制層,各DG智能體間的通信鏈路如圖5中虛線(xiàn)所示。各DG、電力線(xiàn)路、負(fù)荷及相關(guān)控制參數(shù)如表1所示。

圖5 微電網(wǎng)及其通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.5 Microgrid and its communication network topology

表1 仿真相關(guān)參數(shù)Table 1 Simulation related parameters

線(xiàn)路1參數(shù)為:Rl1=0.23 Ω ,Ll1=0.318 mH;線(xiàn)路2參數(shù)為:Rl2=0.35 Ω ,Ll1=1.847 mH;線(xiàn)路3參數(shù)為:Rl3=0.23 Ω,Ll3=0.318 mH。

負(fù)載1參數(shù)為:12 kW+15 kVar;負(fù)載2參數(shù)為:15.6 kW+7.6 kVar。

1)電壓恢復(fù)及負(fù)荷均分性能驗(yàn)證

圖6 電壓恢復(fù)及無(wú)功功率均分結(jié)果

圖7 自觸發(fā)一致性算法電壓和無(wú)功控制量Fig.7 Self-triggered consensus algorithm voltage andreactive power control

從圖6的電壓和無(wú)功功率仿真結(jié)果可以看出,微電網(wǎng)黑啟動(dòng)時(shí)間段內(nèi)由于未施加二次控制,在下垂控制作用下,各DG的輸出電壓均低于參考電壓,且無(wú)功功率的分配很不均衡。在t=1 s時(shí)加入二次控制,可實(shí)現(xiàn)各DG電壓的恢復(fù)與無(wú)功功率的均分,且當(dāng)t=4 s負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),二次控制仍能實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。由圖7的仿真結(jié)果可以看出,本文基于自觸發(fā)通信的一致性算法可根據(jù)各DG間的電壓與無(wú)功功率偏差更新控制量,且在算法收斂后控制量更新為零并保持不變。

2)DoS攻擊下所提算法有效性驗(yàn)證

圖8 DoS攻擊下電壓恢復(fù)及無(wú)功功率均分結(jié)果Fig.8 Voltage recovery and reactive power equalizationresults under DoS attack

圖9 DoS攻擊下自觸發(fā)一致性算法電壓和無(wú)功控制量Fig.9 Self-triggered consensus algorithm voltage andreactive power control amount under DoS attack

由圖8的仿真結(jié)果可知,本文方法可以確保在DoS攻擊下實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和無(wú)功功率全局平均值的精確估計(jì),從而達(dá)成電壓恢復(fù)和無(wú)功功率均分的控制目標(biāo),且與圖6對(duì)比可知,DoS攻擊使得各DG智能體控制量的作用減弱,引起收斂速度降低,從而導(dǎo)致一致性算法的收斂時(shí)間略有增加。由圖9的仿真結(jié)果可以看出,在發(fā)生DoS攻擊時(shí),DG1與DG4間的通信被阻斷,從而造成電壓和無(wú)功功率控制量的變化。當(dāng)DoS攻擊休眠時(shí),檢測(cè)函數(shù)δ(t)可檢測(cè)到通信鏈路恢復(fù)正常,從而確?？刂屏康牧⒓锤?最終實(shí)現(xiàn)一致性算法的收斂。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)DoS攻擊下孤島微電網(wǎng)電壓和無(wú)功功率控制問(wèn)題,本文提出基于自觸發(fā)通信的一致性控制算法。在微電網(wǎng)一次控制層,通過(guò)全局均值估計(jì)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和無(wú)功功率均值的估計(jì),并基于補(bǔ)償量設(shè)計(jì)PI控制器對(duì)電壓和無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。在二次控制層,提出基于三元組自觸發(fā)通信的多智能體一致性算法,并構(gòu)造檢測(cè)函數(shù)克服算法對(duì)DoS攻擊頻率的約束。仿真結(jié)果表明,本文算法可確保孤島微電網(wǎng)電壓的恢復(fù)和無(wú)功功率的均分,且在DoS攻擊下仍然有效。下一步將從網(wǎng)絡(luò)攻擊者與防御者間的博弈策略等角度進(jìn)行研究,以提高微電網(wǎng)在CPS環(huán)境下對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊的魯棒性能。