| dc.description.abstract | Denne masteroppgaven sammenfatter modellering og design av komplekse cyber-physical (CP) mikro-nettverk (MGs) som tidligere presentert i tilhørende prosjektoppgave. Port Hamiltonian teori er brukt i modelleringsprosessen, altså modellert ved å studere systemets energi strømninger og - bevaring, med hensikt å etablere grunnlaget for å designe et kontrollsystem ved bruk av energi-basert kontroll design. Nettverket er først presentert som en sammenkobling av distribuerte genererende enheter, omformere, overføringslinjer med resistans og induktans, kondensatorer, strøm-forbrukende enheter og individuell induktans assosiert til de ulike enhetene. Deretter er nettverkets kontrollsystem formet ut ifra et hierarkisk kontroll perspektiv der de generende enhetene først vil bli utstyrt med primær lokal spenningsfall-kontroll. Formålet er å begrense spenningsfallet fra den forhåndsdefinerte nominelle spenningen, ved måle de genererte strømmene som deretter brukes til å regulere spenningen og differansen. Den primære kontrollkonfigurasjonen sørger for suboptimal drift av micronettverket, bekreftet til å tilfredsstille global asymptotisk stabilitet omkring systemets likevektspunkt. Spenningskontrolleren er derimot ikke kapabel til å rekonstruere de opprinnelige og optimale system-betingelsene, og evnen til å styre nettverket til ønsket likevektspunkt, er enda ikke oppnåelig. Dette motiverer videreutviklingen av kontrollsystemet som innebærer implementering av en sekundær ytre kontrollsløyfe med et distribuert kontrollsystem, for å sikre optimal drift av nettverket.
Nettverkets sekundære kontrollsystem består av fysiske- og online forbindelser mellom de genererende enhetene som respektivt danner det fysiske nivået (physical layer) og online nivået (cyber layer) av CP MGs. Det fysiske nivået karakteriserer det elektriske kraftnettverket og er først modellert ved å koble de genererende enhetene, overføringslinjene og strøm-forbrukende enheter gjennom skjev-symmetriske kraftbevarende forbindelser. De kombinerte CP MGs er deretter bevist å komplimentere pH system representasjon, som er en viktig forutsetning når sekundær kontrolleren skal modelleres. Sekundær kontrolleren implementeres med hensikt om å rekonstruere de initiale system-betingelsene, definert i likevektspunktet når kontrollmålene: proporsjonal strøm-fordeling og gjennomsnittlig spennings regulering er møtt. Proporsjonal strøm-fordeling er oppnådd når kontrollsystemet er designet slik at det tilfredsstiller løsningen av det konvekse optimeringsproblemet, formulert med objektiv funksjon som summerer genereringskostnadene. Lagrange dualitet er deretter brukt for å omskrive problemet slik at optimerings algoritmen kan løses med Karush-Kuhn-Tucker (KKT) betingelsene. Kontrollsystemet kan deretter modelleres for å tilfredsstille denne løsningen og dermed sikre proporsjonal strøm-fordeling. Gjennomsnittlig spenningsregulering er sikret ved å legge til vektinger i forbindelsene mellom online nivået og det fysiske nivået. Den vektede summen av alle de generende enhetenes spenninger vil da tilsvare den forhåndsbestemte nominelle spenningen slik at gjennomsnittlig spenningsregulering er møtt.
De to kontrollmålene er nå etablert, og dynamikken til det distribuerte kontrollsystemet kan implementeres heretter. En konsensus-protokoll er brukt for å modellere hvordan de genererende enhetene kommuniserer online med sine nabo-enheter med mål om å etablere en felles enighet om det optimale driftsnivået. Mot slutten av denne seksjonen er det bevist at online kontrolleren komplimenterer pH system-representasjonen på lik linje med det fysiske nivået, og de to nettverkene kan kobles gjennom vektede forbindelser og modifisert energi-basert sekundær kontroll. For å ferdigstille modellen av det sammenkoblede nettverket må dynamikken til den modifiserte energi-baserte sekundær kontrolleren innføres. Den ytre kontrollsløyfen blir dermed lukket og kontrollsystemet er vist å inneholde både primær og sekundær-kontrollere. En stabilitetsanalyse er deretter utført og det blir konkludert at nettverket stabiliserer seg rundt det optimale likevektspunket ved bruk av teoriene inkrementell energi modellering og Lyapunov stabilitets teorem. Stabilitetsanalysen sertifiserer et generalisert stabilitetssertifikat som er verifisert for alle nettverk som bevilger lineær dynamikk.
Ulempen med at den sekundære kontrolleren bruker online kommunikasjon er at kontrolleren derfor er utsatt for cyber-angrep. Angrepene truer kontrollprestasjonen som kan forhindre optimal drift av nettverket. Cyberangrepene kan infiltrere flere steder i dynamikken til kontrollsystemet og vil dermed påvirke kontrollytelsen på ulike måter. I denne oppgaven vil CP MGs bli analysert som et forstyrret nettverk med hensyn til tre potensielle cyber-angrep som kan ødelegge optimal drift. Ulempene forårsaket av disse angrepene er deretter analysert med tanke på evnen til å oppnå stabil–og optimal–drift av nettverket, altså stabilitet samtidig som de to definerte kontrollmålene er møtt. Det er vist, i denne masteren, at den foreslåtte kontrollstrukturen ikke alltid evner å overholde de ønskede kontrollmålene når systemet er under angrep. På bakgrunn av denne konklusjonen forsøkes det å modellere et motstandsdyktig kontrollsystem kapabel i å tilnærmet fullstendig fjerne effekten av cyber-angrepene og dermed sikre optimal drift uavhengig av potensielle angrep.
Det endelige kontrollsystemet er vist motstandsdyktig med hensyn til et mangfold av cyber-angrep uavhengig av hvor, når eller hvordan de infiltrerer sekundær-kontrolleren. Unntaket av de veldig diskret implementerte stealth angrepene og det foreslåtte kontrollsystemet må derfor videre modifiseres for å oppnå fullstendig robusthet mot alle typer cyber angrep. | |
| dc.description.abstract | This master’s thesis presents an overview of the modelling and design of complex cyber-physical (CP) microgrids (MGs), further extending the work carried out in the associated specialization project. More precisely, the closed loop CP microgrid is first modelled with the port Hamiltonian (pH) formalism, emphasizing the energy preservation and dissipation within the system dynamics, as a starting point for an energy-based control design. The dynamics of the electrical network are first presented as a network consisting of distributed generating units, converters, RL-transmission lines, capacitors, power consuming loads and associated inductance of the devices. Following a hierarchical control perspective, the power generating units have a decentralized primary control behaving according to a droop characteristic, measuring the current and regulating the voltage in order to limit the deviations from the pre-defined nominal voltage. Consequently, the primary controller ensures sub-optimal operation of the MG and is shown to be globally asymptotically stable with respect to a new equilibrium point. However, the controller is not able to restore the initial operating conditions and the ability to steer the MG to desired optimal operation is stymied. Motivated by this shortcoming, an outer loop distributed secondary controller is proposed, allowing for optimal operation of the MG.
The physical layer of the CP MG is first mathematically modelled by interconnecting generating units, transmission lines and power consuming loads through (skew-symmetric) power preserving interconnections. This model of the physical network characterizes the electrical power system and is shown to admit a pH representation, facilitating the secondary outer loop control design and interconnected MG.
Secondly, the distributed control network dynamics are characterized by the consensus protocol. It is by exploiting the communication between the neighbouring generating units that the MG is able to operate as desired. Hence, this additional distributed control network constitutes the cyber layer of the cyber-physical MG due to the use of communication. It is shown that the cyber network admits a pH representation – in a similar fashion as the electrical network.
The control objectives are then defined, and the MGs secondary controller is implemented with the intention of bringing the system to desired optimal stable operations while satisfying the two control objectives: proportional current-sharing and average voltage regulation. Proportional current-sharing is ensured by solving a convex optimization problem, formulated with the objective function summarizing the cost of generation. Lagrangian duality is then applied in order to rewrite the problem formulation and solve the convex optimization problem with the Karush-Kuhn-Tucker conditions. The secondary controller is then implemented with dynamics based on the stationary conditions of the optimization problem, thereby providing proportional current-sharing. Average voltage regulation is guaranteed by adding weightings in the interconnections between the two networks, ensuring that the weighted sum of all the generating unit’s voltages is equal to the pre-defined nominal voltage of the MG.
The two layers (cyber and physical) are then interconnected through an interconnection pattern–including the added weightings and modified dissipation–constituting the final cyber-physical MG. The overall system in closed loop–with the primary and secondary controllers–is shown to globally asymptotically stabilize to an optimal equilibrium point. This is concluded by using an incremental energy modelling and Lyapunov’s stability method to obtain a generalized stability certificate valid for any CP MG admitting linear dynamics.
However, the use of communication links in the cyber layer makes the control system prone to cyber attacks. Cyber attacks perturbing the power systems may threaten the control performance and thereby the optimal operations of the MG. The cyber attacks may be infiltrating the control dynamics in different locations, thereby causing different operational problems depending on where the attack intrudes. In this thesis, the cyber-physical microgrid is analysed with respect to three different types of cyber attacks maligning the control operations of the MG. The problems emerging from these attacks are then studied with respect to the system’s ability to still achieve the desired optimal equilibrium, and capacity to always guarantee stable operations of the MG. Unfortunately, the initial control structure could not always comply with the desired objectives, when subject to a cyber attack. Motivated by this drawback, a resilient control modification is proposed as the main result of this thesis, capable of almost completely mitigating the negative consequences of the attacks.
The final secondary controller is concluded resilient with respect to a variety of cyber threats, regardless of where, when and how the attacks intrude. However, the controller is not robust against the very discrete implemented stealth attacks, and the controller needs to be further modified in order to ensure complete novel robustness, while simultaneously ensuring optimal steady state operation. | |
