一种隔离式风柴混合电力系统的控制器的设计方法与流程

本申请属于网络化控制系统设计技术领域，具体涉及一种隔离式风柴混合电力系统的控制器的设计方法。

背景技术：

开放的通信基础设施被嵌入到隔离式风柴混合电力系统中，以支持大量的数据交换，然而，在网络资源有限的情况下，开放通信网络容易受到外界恶意的dos攻击(denialofservice，拒绝服务攻击)，dos攻击会占用通信通道，消耗网络带宽，导致正常的通信被阻断，这将对隔离式风柴混合电力系统的正常运行造成极大的威胁甚至使系统失稳。

鉴于现有技术的上述缺陷提出本申请。

申请内容

本申请的目的是提供一种隔离式风柴混合电力系统的控制器的设计方法，以于克服或减轻现有技术至少一方面的缺陷。

本申请的技术方案是：

一种隔离式风柴混合电力系统的控制器的设计方法，包括以下步骤：

s1：建立隔离式风柴混合电力系统的数学模型；

s2：引入dos攻击模型，以得到遭受dos攻击影响下的隔离式风柴混合电力系统的数学模型；

s3：建立遭受dos攻击影响下的隔离式风柴混合电力系统的控制器的设计准则，确定控制器增益矩阵。

根据本申请的至少一个实施例，s2中还包括引入弹性事件触发机制，以得到基于弹性事件触发机制遭受dos攻击影响下的隔离式风柴混合电力系统的数学模型；

s3中为建立基于弹性事件触发机制遭受dos攻击影响下的隔离式风柴混合电力系统的控制器的设计准则，以及还包括确定事件触发矩阵。

根据本申请的至少一个实施例，s1中建立的隔离式风柴混合电力系统的数学模型为：

其中，

x(t)为系统状态向量；y(t)为系统输出；u(t)∈r^2×1为控制输入；ω(t)∈r^2×1为扰动向量；a∈r^11×11，b∈r^11×2，d∈r^11×2为系统矩阵；c∈r^1×11为输出矩阵。

根据本申请的至少一个实施例，

c＝[10000000000]；

其中，

kig＝0.272(pukw/hz)，ktp＝0.0014(pukw/hz)，tω＝4.0(s)，kpc＝0.08(pukw/hz)，kp1＝1.25，kp2＝1.0，kp3＝1.4，tp1＝0.60(s)，tp2＝0.041(s)，tp3＝1.0(s)，kpt＝81.3(pukw/hz)，tpt＝16.3(s)，kd1＝0.64(pukw/hz)，td1＝1.0(s)，td2＝2.0(s)，td3＝0.025(s)，td4＝3.0(s)，rd＝5.0(pukw/hz)，tbes＝0.05(s)。

根据本申请的至少一个实施例，x(t)＝[x1,…,x11]^t；其中，

x1是频率的增量变化，x2为柴油发电机有功功率增量变化量，x3为调速阀位置增量变化量，x5是风力发电机频率的增量变化，x6为风电有功功率增量变化，x7是液压螺距作动器输出增量变化x9是电池有功功率的增量变化，x4和x8是虚拟状态变量，x10和x11是用于稳定系统的增广状态。

根据本申请的至少一个实施例，s2中的dos攻击模型为：其中，

为无dos攻击的区间，fn代表第n次无攻击区间的开始位置，此时信号正常传输；

为有dos攻击的区间，dn代表第n次无攻击区间的长度，fn+1代表第n次攻击结束，此时信号被阻断，没有数据包传输。

根据本申请的至少一个实施例，s2中的弹性事件触发机制由以下公式确定：

其中，

δk,n(t)是误差向量；w为待求触发矩阵；σ是有界正实数；ηk,n(t)∈[0,h),t∈ik,n∩fn，h为采样周期，k(n)∈sup{k∈n|tk,n+1h＜fn+1+dn+1}，tk,n+1h表示第n+1次弹性事件触发机制产生的触发时间序列，dn+1代表第n+1次无攻击区间的长度。

根据本申请的至少一个实施例，s2中得到的基于弹性事件触发机制遭受dos攻击影响下的隔离式风柴混合电力系统的数学模型为：

根据本申请的至少一个实施例，s3中建立基于弹性事件触发机制遭受dos攻击影响下的隔离式风柴混合电力系统的控制器的设计准则具体为通过李雅普诺夫泛函方法推导出。

根据本申请的至少一个实施例，s3中建立的基于弹性事件触发机制遭受dos攻击影响下的隔离式风柴混合电力系统的控制器的设计准则，使系统满足h∞性能指标。

本申请至少存在以下有益技术效果：

提供了一种隔离式风柴混合电力系统的控制器的设计方法，其通过引入dos攻击模型得到遭受dos攻击影响下的隔离式风柴混合电力系统的数学模型，使基于该方法设计的隔离式风柴混合电力系统的控制器能够在遭受dos攻击的情况下保证隔离式风柴混合电力系统的网络安全性，从能够有效抵御外界恶意的dos攻击。

附图说明

图1是本申请实施例提供的隔离式风柴混合电力系统的控制器的设计方法的流程图；

图2是本申请实施例提供的带有电池储能的隔离式风柴混合电力系统框图；

图3是本申请实施例提供的遭受dos攻击的隔离式风柴混合电力系统的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的事件触发器的工作原理示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例。本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

s1：建立隔离式风柴混合电力系统的数学模型；

实际情况中，隔离式风柴混合电力系统是一个具有不确定性的复杂非线性系统，在稳定运行过程中，有功功率的变化通常是缓慢的，因此，负载频率控制系统的动力学通常由线性方程表示。如图3所示的电池储能隔离式风柴混合电力系统模型，由一个带俯仰角控制器的风力发电机、一个带调速装置的柴油发电机和蓄电池储能装置组成，这里考虑的电池储能和风力发电机的一阶动力模型足以分析频率调节问题，风力发电机产生电力，并对波动进行补偿，有源功率由柴油机组和蓄电池组成，风力发电机在四个地区工作，当风速低于截割速度或高于截割速度时，风力发电机与电网断开，仅由柴油发电机供电，当风速在截断和额定风速之间时，跟踪最大功率，从风力发电机获得最大效益，剩余功率由柴油发电机提供。在额定风速和截断风速之间，风力机以螺距控制方式工作，产生额定功率。

隔离式风柴混合电力系统的模型可以用状态空间的形式描述，得到隔离式风柴混合电力系统的数学模型：

式中系统状态向量

x(t)＝[x1,…,x11]^t＝[δfδpgdx3x4δftx6x7x8δpbesx10x11]^t，控制输入u(t)∈r^2×1，扰动向量ω(t)∈r^2×1，系统矩阵a∈r^11×11，b∈r^11×2，d∈r^11×2，输出矩阵c∈r^1×11，a、b、c、d表示如下：

c＝[10000000000]

x(t)＝[x1,…,x11]^t＝[δfδpgdx3x4δftx6x7x8δpbesx10x11]^t

u(t)＝[u1(t)u2(t)]^t，w(t)＝[w1(t)w2(t)]^t＝[δplδpiw]^t，y(t)＝x1(t)＝δf

其中，x1＝δf是频率的增量变化，x2＝δpgd为柴油发电机有功功率增量变化量，x3为调速阀位置增量变化量，x5＝δft是风力发电机频率的增量变化，x6为风电有功功率增量变化，x7是液压螺距作动器输出增量变化x9＝δpbes是电池有功功率的增量变化，x4和x8是虚拟状态变量，x10和x11是用于稳定系统的增广状态，y(t)为系统输出，u1(t)、u2(t)为控制输入向量，w1(t)＝δpl、w2(t)＝δpiw为扰动向量。其中，kig＝0.272(pukw/hz)，ktp＝0.0014(pukw/hz)，tω＝4.0(s)，kpc＝0.08(pukw/hz)，kp1＝1.25，kp2＝1.0，kp3＝1.4，tp1＝0.60(s)，tp2＝0.041(s)，tp3＝1.0(s)，kpt＝81.3(pukw/hz)，tpt＝16.3(s)，kd1＝0.64(pukw/hz)，td1＝1.0(s)，td2＝2.0(s)，td3＝0.025(s)，td4＝3.0(s)，rd＝5.0(pukw/hz)，tbes＝0.05(s)。s2：引入dos攻击模型，以及引入弹性事件触发机制，以得到基于弹性事件触发机制遭受dos攻击影响下的隔离式风柴混合电力系统的数学模型；

本申请通过建立数学模型的方式，充分了解dos攻击和弹性事件触发机制对隔离式风柴混合电力系统的影响，其建立的具体过程如下：

首先，在上述隔离式风柴混合电力系统中，系统的状态方程为：

其次，考虑dos攻击的影响，建立dos攻击模型，并将dos攻击引入至隔离式风柴混合电力系统中，具体的，dos攻击信号是一组能量有限的攻击信号，会占用有限通道阻断通信，通过公式来表示；其中，集合表示无dos攻击的区间，fn代表第n次无攻击区间的开始位置，此时信号正常传输；而表示有dos攻击的区间，dn代表第n次无攻击区间的长度，fn+1代表第n次攻击结束，此时信号被阻断，没有数据包传输。系统的控制输入通过式表示，k是控制增益，tk,n+1h表示第n+1次弹性事件触发机制产生的触发时间序列，x(tk,n+1h)表示控制器成功触发时刻的状态向量。根据文献中的条件：条件1：给定参数和td∈r>0，对于所有的t∈r≥0，dos攻击频率n(t)满足关系式其中，是单位时间内dos攻击开关平均频率的一个上限。

条件2：给定参数ν∈r≥0和t∈r>1，对于所有的t∈r≥0，dos攻击总时间m(t)满足关系式其中，是单位时间内dos攻击平均持续时间的一个上限。

本申请针对dos攻击引入弹性事件触发机制，在减少网络通讯压力的同时能有效抵御外界恶意的dos攻击，所用到的弹性事件触发机制是通过公式来确定的，其中，k,l为正整数，ηk,n(t)∈[0,h),t∈ik,n∩fn，δk,n(t)＝x(tk,n+1h)-x(t-ηk,n(t))，w是具有适当维数的正定加权矩阵，σ是有界正实数，并且划分事件区间定义w为待求触发矩阵，δk,n(t)是误差向量，tk,n+1h表示第n+1次弹性事件触发机制产生的触发时间序列，dn+1代表第n+1次无攻击区间的长度。本申请通过引入弹性事件触发机制，能够有效的节省宽带资源，减少网络的传输压力，这样就可以在有限的宽带资源内实现功能的最大化。

本申请通过引入dos攻击可以保证隔离式风柴混合电力系统的网络安全性，考虑的dos攻击的影响并设计弹性事件触发机制节约网络资源，得到基于弹性事件触发机制遭受dos攻击影响下的隔离式风柴混合电力系统的数学模型：

式中系统状态向量

x(t)＝[x1,…,x11]^t＝[δfδpgdx3x4δftx6x7x8δpbesx10x11]^t，

控制输入u(t)∈r^2×1，扰动向量ω(t)∈r^2×1，系统矩阵a∈r^11×11，b∈r^11×2，d∈r^11×2，输出矩阵c∈r^1×11，a,b,c,d是已知的适当维数的矩阵；

s3：建立基于弹性事件触发机制遭受dos攻击影响下的隔离式风柴混合电力系统的控制器的设计准则，确定事件触发矩阵w，以及确定控制器增益矩阵k。

在本申请实施例中，对给定的dos攻击的参数v∈r≥0，t∈r＞1，td∈r＞0和扰动抑制水平以及可调参数αi,μi,σ,si,fi,εi,ρi使得在dos攻击下基于弹性事件触发机制的隔离式风柴混合电力系统是指数稳定的并满足h∞性能指标如果存在正定对称矩阵和适当维数的矩阵满足下列线性矩阵不等式：

公式中，i为适当维数的单位矩阵，*是矩阵中与之对应的转置项。其中，

λ1＝[c∏10000]，λ2＝[c∏2000]，

根据上述线性矩阵不等式可以计算出控制器增益矩阵

在dos攻击下，隔离式风柴混合电力系统中设计基于弹性事件触发机制的控制器，保证隔离式风柴混合电力系统不仅可以减少冗余信号的传输量，还可以在遭受的dos攻击时安全、稳定运行。

上述实施例公开的隔离式风柴混合电力系统的控制器设计方法，首先建立隔离式风柴混合电力系统的数学模型，然后引入事件触发机制至控制器中，从而达到节省网络宽带资源的效果；同时构建的dos攻击模型引入至隔离式风柴混合电力系统模型中，从而实现隔离式风柴混合电力系统模型可以在节约网络资源的同时有效抵御外界恶意的dos攻击；最后设计基于弹性事件触发机制的控制器，保证隔离式风柴混合电力系统可以在遭受的dos攻击时安全、稳定运行并且满足h∞性能指标。与现有技术相比，基于上述实施例公开的隔离式风柴混合电力系统的控制器设计方法设计的控制器，不仅能使隔离式风柴混合电力系统抵御一定程度的dos攻击，保证系统安全、稳定运行，而且减少了冗余信号的传输量，减轻了网络传输压力，节省了带宽资源以及通信所需的能量。

以上仅为本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。