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网络攻击下电力系统的有限时间自触发控制

网络攻击下电力系统的有限时间自触发控制

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作者：谭文迪曲阜师范大学

学位级别：硕士

电力系统作为电能生产和消费系统,由发电、变电、输电、配电、用电组成。现代电力系统是支撑社会生活的基础能源产业,其可靠运行对于交通系统、通讯系统等相互依存的关键基础设施至关重要。由此可见,电力系统已经成为人类社会的心脏,不... 详细信息

电力系统作为电能生产和消费系统,由发电、变电、输电、配电、用电组成。现代电力系统是支撑社会生活的基础能源产业,其可靠运行对于交通系统、通讯系统等相互依存的关键基础设施至关重要。由此可见,电力系统已经成为人类社会的心脏,不断为人类提供源动力。在享受电力系统所带来的巨大便利和舒适的同时,如何保护电力系统免受灾难性事故,一直是研究人员必须直面的挑战。近年来,多起由网络攻击导致的灾难性停电事故严重影响了依赖电力的社会活动。在电力系统中最常见的两种典型的网络攻击为:欺骗攻击和拒绝服务(denial-of-service,dos)攻击。同时,在电网互联程度和复杂程度不断提高的格局下,网络攻击的影响进一步扩大,制定针对网络攻击特性的控制方法,对于保障电力系统安全运行具有重要意义。本文针对联网电力系统,设计自触发协议,使被控系统在实现暂态性能的前提下,能够节省有限的网络资源。主要工作内容可以概括为以下三部分:第一,研究了理想环境下电力系统在自触发协议下有限时间控制问题。首先,在理想环境下对系统进行建模,得到了电力系统动态模型。此外,提出与误差信号和输出信号相关联的自适应事件触发方案,它可以自适应调整通信阈值。在此基础上,开发了不需要通过额外的硬件设备来实时检测触发条件以及更符合实际应用的自触发协议,避免了芝诺现象的发生,更节省了有限的网络资源。最后,对电力系统的有限时间控制进行分析。采用Lyapunov函数和有限时间有界理论来获得理想环境下闭环系统有限时间有界的充分条件,并且进一步设计了控制器以及给出了理想环境下电力系统仿真。第二,研究了欺骗攻击下电力系统在自触发协议下有限时间控制问题。首先,采用伯努利分布来描述电力系统中随机发生的欺骗攻击,建立了具有欺骗攻击的电力系统模型。其次,在自触发协议实现的基础上,建立了电力系统在欺骗攻击下有限时间有界的充分条件。针对不可避免的外部扰动,分析了系统的H∞性能。此外,利用奇异值分解策略来设计有限时间H∞控制器,同时得到了有限时间输出反馈控制器增益和自触发参数。最后,借助于电力系统实例验证了所提方案的有效性。第三,研究了 dos攻击下电力系统在自触发协议下有限时间控制问题。首先,建立了具有dos攻击的电力系统模型,所采用的dos攻击是非周期性的。其次,在自适应自触发协议实现的基础上,利用分段Lyapunov函数和迭代技术保证了 dos攻击下电力系统有限时间有界的充分判据,并分析了系统的H∞性能。然后,基于优化算法来设计dos攻击下有限时间H∞控制器,得到了期望的自触发参数和输出反馈增益。最后,借助于三区域电力系统实例证实了所提出方案的可行性。

关键词：电力系统欺骗攻击非周期性dos攻击自触发控制有限时间有界

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基于数据驱动的安全控制研究及车辆队列应用

基于数据驱动的安全控制研究及车辆队列应用

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作者：岳柏帆青岛大学

学位级别：硕士

随着信息科学技术的发展,化工、电力电子、运输等实际过程发生着巨大的转变。这些行业的技术难度较高、设备规模较大、生产工艺更加复杂,使用第一性原理或基于识别的过程建模变得更加困难。因此,需要实现模型信息不足甚至没有模型信息... 详细信息

随着信息科学技术的发展,化工、电力电子、运输等实际过程发生着巨大的转变。这些行业的技术难度较高、设备规模较大、生产工艺更加复杂,使用第一性原理或基于识别的过程建模变得更加困难。因此,需要实现模型信息不足甚至没有模型信息情况下的复杂系统控制,而传统的基于模型的控制理论与方法难以应对此类情况,所以针对这些复杂过程,发展模型信息依赖度更低的数据驱动控制理论已然成为亟待解决的课题。作为数据驱动控制方法的一种,无模型自适应控制近年来受到了较多学者的关注并取得了丰硕的研究成果,为难以建模的复杂系统提供了成熟的控制算法设计框架和稳定性分析方法。另外,随着道路车辆数量的快速增加,不可避免地产生了一系列问题,如交通堵塞,能源短缺和道路安全威胁等。协调控制技术是一个解决交通与安全问题的有效方法,但车辆的控制是一个复杂的过程,如何在车辆系统中借助控制方法来保证道路交通的安全正常运行将会是一个严峻的挑战。车辆队列系统作为一种协调车辆运行过程的智能模型,在提高车辆安全性和道路通行能力方面具有广阔的前景,受到了广泛的关注。然而在车队运行过程中,将会面临许多来自内部与外部的挑战,如通信网络带来的网络攻击风险问题、车辆物理与电子部件故障、车辆复杂结构导致的模型复杂性与不确定性等诸多因素。这些问题会影响车辆队列系统的正常运转,甚至威胁系统安全。因此,本文分别考虑了在网络攻击和传感器故障下的数据驱动安全控制算法以及车辆队列位置和速度追踪控制问题,并且基于动态线性化技术和补偿机制,实现了数据驱动安全追踪控制。本文主要研究内容如下:(1)研究了随机拒绝服务(Denial of Service,Do S)攻击下的数据驱动车辆队列控制问题。为了实现非线性车辆队列的位置、速度同步追踪,提出了一种数据驱动车辆队列控制算法。针对通信网络遭受随机Do S攻击的问题,设计补偿算法并在此基础上开发了一种新的无模型自适应车辆队列弹性追踪控制框架,在减小攻击对系统影响的同时,保证了车辆队列追踪误差的有界性。最后借助仿真对比示例说明了所提出算法的有效性。(2)研究了非周期Do S攻击和传感器故障下车辆队列系统的数据驱动控制问题。针对系统传感器发生故障和传感器至控制器通道受非周期Do S攻击的情况,考虑了非线性车辆队列系统的数据驱动控制问题并建立了一种容错无模型自适应控制方案。在所设计的控制方案下,使用切换证明的方法推导系统的稳定性分析,并通过仿真说明了所提出算法的可行性。(3)构建了基于观测器的数据驱动攻击补偿算法。针对遭受非周期Do S攻击的未知非线性系统,设计了观测器并在此基础上设计新的攻击补偿机制,从而提出了具有攻击补偿的弹性数据驱动控制器。所提出算法能够消除目前无模型自适应控制算法中关于伪偏导(Pseudo-partial derivative,PPD)参数符号的保守限制以及关于攻击补偿信号有界的假设。最后,基于仿真对比示例说明了该算法的有效性。

关键词：数据驱动控制随机dos攻击非周期性dos攻击车辆队列系统传感器故障

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