申请/专利权人：南京邮电大学

申请日：2019-07-18

公开（公告）日：2022-08-12

公开（公告）号：CN110277780B

主分类号：H02J1/00

分类号：H02J1/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2022.08.12#授权;2019.10.22#实质审查的生效;2019.09.24#公开

摘要：本申请提供了一种非线性直流微电网弹性控制方法，涉及电力系统控制器设计技术领域。所述方法包括：建立在DoS攻击下基于事件触发机制的直流微电网控制系统模型，所述直流微电网包括Q个恒功率负载系统和一个储能系统；获取使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件；求解触发矩阵及增益矩阵，确定控制器增益；以及构建控制器，并根据所述控制器对所述非线性直流微电网进行弹性控制。本申请在可能出现DoS攻击的情况下，保证系统能安全、平稳的运行，同时减少了冗余信号的传输数量，减轻了网络传输压力，节省了通信所需的能源。

主权项：1.非线性直流微电网弹性控制方法，其特征在于，包括：建立在DoS攻击下基于事件触发机制的直流微电网控制系统模型，所述直流微电网包括Q个恒功率负载系统和一个储能系统；所述建立在DoS攻击下基于事件触发机制的直流微电网控制系统模型包括：建立具有Q个恒功率负载系统和一个储能系统的直流微网模型；在所述直流微网模型中引入DoS攻击模型；以及在具有DoS攻击模型的直流微网模型中引入事件触发机制；所述引入事件触发机制包括：所述事件触发机制的触发条件被配置成只与当前采样信号和前一次触发信号有关，当满足预设触发条件时，则将当前采样信号发送至控制器端，并由控制器更新一次控制信号；获取使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件，包括：确定在切换点进行切换时的条件参数，以使所述直流微电网控制系统模型能够稳定运行，所述切换点是指DoS攻击区间和无攻击区间的切换点；求解触发矩阵及增益矩阵，确定控制器增益；以及构建控制器，并根据所述控制器对所述非线性直流微电网进行弹性控制；所述在DoS攻击下基于事件触发机制的直流微电网控制系统模型包括： 其中，Dn为非攻击区间，Gn为攻击区间，ηk，nt满足如下关系0＜σ＜1，表示系统的状态信号，θt是零初始状态，是非线性矩阵，A、Bes、D是常数矩阵，K是待求解的控制增益矩阵，Ω是待求解的触发矩阵，ΔA、ΔD和ΔBes是反应系统模型中参数不确定性的未知实矩阵，具有以下形式：[ΔAΔDΔBes]＝CE[H1H2H3]，式中E是满足ETE≤I的不确定矩阵，C、H1、H2和H3是用于反映不确定参数结构信息的已知常数矩阵；使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件包括：P1≤u2P2，Q1i≤u3-iQ13-i，Q2i≤u3-iQ23-I，Ri≤u3-iR3-i，Tωi≤u3-iTω3-i，式中，i＝{1，2+，正定矩阵Pi、正定矩阵Q1i、正定矩阵Q2i、正定矩阵Ri、正定矩阵Tωi均为待求解矩阵，ui∈1，∞，ai∈0，∞，τD，ΓD为满足条件的任意常数，h是采样周期；所述求解触发矩阵及增益矩阵包括：对给定的DoS攻击的参数τD、ΓD以及可调参数ai、ui、σ、h、εi、ψi、设定存在正定对称矩阵Yi、和适当维数的矩阵S、i＝{1，2}，构建使直流微电网控制系统模型正常运行的线性矩阵不等式；根据所述线性矩阵不等式及使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件，计算出触发参数σ，Ω和待求矩阵Yi，S；以及计算出控制器增益矩阵所述控制器包括：

全文数据：非线性直流微电网弹性控制方法技术领域本申请属于电力系统控制器设计技术领域，特别涉及一种非线性直流微电网弹性控制方法。背景技术随着用户对供电可靠性和电能质量的关注度不断提高，以及太阳能、风能等各种形式的可再生能源大量利用，微电网作为分布式电源接入电网的有效途径得到了国内外学者的广泛关注。微电网中的各类分布式电源，如光伏电池、超级电容和风力发电机等，大多都是输出直流电或者存在直流的中间环节；而且众多的家用电器和办公设备等本质上也都需要直流电源才能正常工作。因此，如果微电网以直流作为电能的传输形式，能够减少转化环节，提高能源利用效率。直流微电网中，多种电力电子变流器通过不同的控制方式连接在直流母线上以实现母线电压的稳定。其中有一类功率变流器表现为恒功率特征，呈现负阻抗和非线性特性，对直流微网的稳定性产生不利影响。因此，对恒功率负载的失稳效应最小化是有效控制直流微网的必要条件，为此需要对控制功率缓冲器进行设计来稳定直流微网。随着恒功率负载数量的增加，从每个恒功率负载到功率缓冲器的点对点通信是不经济的。因此，优选通过通信网络来控制大型分布式直流微网。然而，随着网络的开放性越来越高，这就势必会增加网络攻击的可能性。例如，欺骗攻击和拒绝服务攻击DoS攻击等，拒绝服务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；信号传输被阻断就可能导致整个电力系统不稳定。如何在有攻击时稳定系统，保障运行，增加控制器的弹性控制性能尤为重要。与此同时，在直流微网系统中，多个节点共用同一有限的带宽资源，如何节省带宽，避免拥堵，增加控制的时效性也很重要。传统的周期采样方式会产生大量的冗余信号，增加网络压力，如何设计有效的控制策略，在保证系统稳定以及人们期望的性能条件下，减少数据包的发送数量，节省宝贵的带宽资源也是眼下急需解决的问题。发明内容为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种非线性直流微电网弹性控制方法，包括：建立在DoS攻击下基于事件触发机制的直流微电网控制系统模型，所述直流微电网包括Q个恒功率负载系统和一个储能系统；获取使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件；求解触发矩阵及增益矩阵，确定控制器增益；以及构建控制器，并根据所述控制器对所述非线性直流微电网进行弹性控制。根据本申请的至少一个实施方式，所述建立在DoS攻击下基于事件触发机制的直流微电网控制系统模型包括：建立具有Q个恒功率负载系统和一个储能系统的直流微网模型；在所述直流微网模型中引入DoS攻击模型；以及在具有DoS攻击模型的直流微网模型中引入事件触发机制。根据本申请的至少一个实施方式，在所述直流微网模型中引入DoS攻击模型之前进一步包括：对具有Q个恒功率负载系统和一个储能系统的直流微网模型转换，包括将模型的平衡点移动到原点，构建以储能电流ies为控制输入的新模型。根据本申请的至少一个实施方式，所述DoS攻击模型为非周期DoS攻击模型，包括：其中，dn表示第n个无攻击区间开始，信号传输正常，gn表示无攻击区间长度，dn+gn是第n个攻击开始时刻，攻击时序满足dn+1dn+gn。根据本申请的至少一个实施方式，所述引入事件触发机制包括：所述事件触发机制的触发条件被配置成只与当前采样信号和前一次触发信号有关，当满足预设触发条件时，则将当前采样信号发送至控制器端，并由控制器更新一次控制信号。根据本申请的至少一个实施方式，获取使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件包括：确定在切换点进行切换时的条件参数，以使所述直流微电网控制系统模型能够稳定运行，所述切换点是指DoS攻击区间和无攻击区间的切换点。根据本申请的至少一个实施方式，所述在DoS攻击下基于事件触发机制的直流微电网控制系统模型包括：其中，Dn为非攻击区间，Gn为攻击区间，ηk,nt满足如下关系0＜σ＜1，表示系统的状态信号，θt是零初始状态，是非线性矩阵，A、Bes、D是常数矩阵，K是待求解的控制增益矩阵，Ω是待求解的触发矩阵，ΔA、ΔD和ΔBes是反应系统模型中参数不确定性的未知实矩阵，具有以下形式：[ΔAΔDΔBes]＝CE[H1H2H3]，式中E是满足ETE≤I的不确定矩阵，C、H1、H2和H3是用于反映不确定参数结构信息的已知常数矩阵。根据本申请的至少一个实施方式，使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件包括：P1≤u2P2，Q1i≤u3-iQ13-i，Q2i≤u3-iQ23-i，Ri≤u3-iR3-i，Tωi≤u3-iTω3-i，式中，i＝{1,2}，正定矩阵Pi，Q1i，Q2i，Ri，Tωi为待求解矩阵，ui∈1，∞，ai∈0，∞，τD，ΓD为满足条件的任意常数，h是采样周期。根据本申请的至少一个实施方式，所述求解触发矩阵及增益矩阵包括：对给定的DoS攻击的参数τD、ΓD以及可调参数ai、ui、σ、h、εi、ψi、设定存在正定对称矩阵Yi、和适当维数的矩阵S、构建使直流微电网控制系统模型正常运行的线性矩阵不等式；根据所述线性矩阵不等式及使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件，计算出触发参数σ,Ω和待求矩阵Yi，S；以及计算出控制器增益矩阵根据本申请的至少一个实施方式，所述控制器包括：本申请针对现有的技术不足，提供了一种DoS攻击下含恒功率负载与参数不确定性的非线性直流微网的弹性控制器设计方法。该申请采用的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术优势：考虑到安全控制问题而引入非周期DoS攻击模型；考虑到带宽资源有限的现状而引入事件触发机制，结合两者建立的数学模型。在电力系统没有遇到攻击时，系统正常运行；当遇到攻击时，切换点进行切换保障系统正常运行；事件触发机制只与当前采样信号和上一次触发信号有关，当采样信号满足触发条件时，将采样信号发送到控制器端，否则，不发送当前采样信号。在可能出现DoS攻击的情况下，保证系统能安全、平稳的运行，同时减少了冗余信号的传输数量，减轻了网络传输压力，节省了通信所需的能源。附图说明图1是本申请非线性直流微电网弹性控制方法的一实施方式的流程图。图2是直流微网控制系统结构图。图3是事件触发器工作原理图。图4是包含多个恒功率负载的直流微网电路图。具体实施方式为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。由于恒功率负载呈现的负阻抗和非线性特性，对其失稳效应进行最小化是有效控制直流微网的必要条件。为此，本申请提供了一种非线性直流微电网弹性控制方法，首先，考虑系统安全和节省通信资源，设计了一种非周期DoS干扰下的事件触发通信方案，利用时滞建模和切换系统建模方法，建立了具有时滞的分段增广系统模型。其次，基于该模型，采用分段李雅普诺夫泛函法和线性矩阵不等式技术，设计了一种弹性控制器，以保证系统的控制性能，如图1所示，所述方法主要包括：步骤S1、建立在DoS攻击下基于事件触发机制的直流微电网控制系统模型，所述直流微电网包括Q个恒功率负载系统和一个储能系统，该模型可以表示为：其中，Dn为非攻击区间，Gn为攻击区间，ηk,nt满足如下关系0＜σ＜1，表示系统的状态信号，θt是零初始状态，是非线性矩阵，A、Bes、D是常数矩阵，K是待求解的控制增益矩阵，Ω是待求解的触发矩阵，ΔA、ΔD和ΔBes是反应系统模型中参数不确定性的未知实矩阵，具有以下形式：[ΔAΔDΔBes]＝CE[H1H2H3]，式中E是满足ETE≤I的不确定矩阵，C、H1、H2和H3是用于反映不确定参数结构信息的已知常数矩阵。上述模型的构建过程主要包括三个步骤，分别为：步骤S101、建立具有Q个恒功率负载系统和一个储能系统的直流微网模型。包含多个恒功率负载的直流微电网的电路图如图4所示，可以将其分解为Q+1个子系统：Q个恒功率负载系统和一个储能系统。Q个恒功率负载系统的形式是：式中j＝{1,2,…,Q}，s＝Q+1。xj＝[iL,jvC,j]T，iL,j和vC,j分别是在第j个CPL中电感器的电流和电容器的电压，rL,j，Lj分别为源变换器到恒功率负载j的线路电阻及滤波器的电感，Cj为恒功率负载j的输入电容，假设恒功率负载是理想的，即功率值是常数。储能系统可以写为：其中xs＝[iL,svC,s]T，iL,s和vC,s分别是储能系统中电感器的电流和电容器的电压，rL,s，Ls分别为储能系统中线路电阻及滤波器的电感，Cs为源变换器的输出电容，Vdc为直流电源通过增广Q个恒功率负载系统和储能系统可以得出直流微网的整体公式：其中，xt＝[x1tx2t，...，xQtxst]，Hxt＝[h1x1th2x2t，...，hQxQt]T，且通过改变坐标，系统1的平衡点可以移动到原点。以储能电流ies为控制输入，新的直流微电网形式为：其中：且x0是直流微电网的平衡点，vC0,j是vC,j的平衡点。步骤S102、在所述直流微网模型中引入DoS攻击模型。DoS攻击模型的引入如图2所示，图2是直流微网的控制系统结构图，其主要用来建立系统数学模型。步骤S102中，构建DoS攻击模型，DoS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，其表达式为：其中n是攻击次数，dn表示第n个无攻击区间开始，信号传输正常，gn表示无攻击区间长度。即dn+gn是第n个攻击开始时刻。攻击时序满足dn+1dn+gn，因此，不会有区间被覆盖。在DoS攻击的影响下，表达式2中的控制输入可写成如下形式：其中{tk,nh}表示一系列控制信号成功更新时刻即事件触发机制生成的控制信号，h是采样周期，和为了下面描述方便简洁，定义结合以上所述，考虑存在攻击的直流微网系统表达式为：步骤S103、在具有DoS攻击模型的直流微网模型中引入事件触发机制。针对DoS攻击设计如下的事件触发机制，保证系统2在控制器作用下渐进稳定的同时，减少网络通讯压力。事件触发条件为：式中，k为正整数，Ω是具有适当维数的正定加权矩阵，σ是有界正实数，h是采样周期，是当前采样信号，是触发器上一次传送给控制器的采样信号。若触发条件成立，则记录相量测量单元PhasorMeasurementUnit，PMU当前时刻的采样值，并将其传送给控制器。若不成立，则不记录当前时刻的采样值。但是，当有攻击信号出现时，此触发条件不能直接使用。为此本发明对上述触发条件进行了适当的调整，本发明定义当攻击信号出现时的事件触发时刻应满足定义两个分段方程：基于∈k,nt和ηk,nt的定义，并考虑参数的不确定性，最终系统模型为：事件触发机制可以表述为0σ1。3式表明：触发条件只与当前采样信号和前一次触发信号有关，当满足预先设定的触发条件时，则将当前采样信号发送至控制器端，并由控制器更新一次控制信号。步骤S102及步骤S103的目的是引入非周期DoS攻击以及事件触发机制而建立最终模型6。与传统的网络控制系统设计相比，上述步骤S102构建的模型考虑到安全控制问题，引入一种具体的网络攻击，并完成了攻击模型的建立。步骤S103构建了触发机制，如图3所示，在正常控制器中，加入触发模型，通过触发函数数值计算来决定何时对控制信号进行更新，与传统的周期采样相比，由于事件触发机制的引入，减少了采样信号的发送次数，进而减少了控制信号的更新频率，减轻了通信压力，节约了宝贵的带宽资源。步骤S2、获取使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件。在DoS攻击下为保障直流微电网系统稳定所应满足条件：P1≤u2P2，Q1i≤u3-iQ13-i，Q2i≤u3-iQ23-i，Ri≤u3-iR3-i，Tωi≤u3-iTω3-i，其中，i＝{1,2}，正定矩阵Pi，Q1i，Q2i，Ri，Tωi为待求解矩阵，ui∈1，∞，ai∈0，∞，τD，ΓD为满足条件的任意常数，h是采样周期。本发明采用切换系统，在切换点进行切换时需满足以上条件，所求解的弹性事件触发控制器可以在出现非周期拒绝服务攻击时，保障直流微电网系统稳定运行，不被攻击信号所破坏。该步骤S2中的切换条件引入到直流微电网控制系统中，切换条件是攻击区间和无攻击区间进行切换时必须满足的条件，满足条件电力系统才会稳定运行。步骤S3、求解触发矩阵及增益矩阵，确定控制器增益，具体包括：步骤S301、对给定的DoS攻击的参数τD、ΓD以及可调参数ai、ui、σ、h、εi、ψi、设定存在正定对称矩阵Yi、和适当维数的矩阵S、构建使直流微电网控制系统模型正常运行的线性矩阵不等式；步骤S303、根据所述线性矩阵不等式及使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件，计算出触发参数σ,Ω和待求矩阵Yi，S；以及步骤S303、计算出控制器增益矩阵在步骤S301中，构建的使直流微电网控制系统模型正常运行的线性矩阵不等式包括：其中且Yi，S均为待求矩阵，I为适当维数的单位矩阵，*是矩阵中与之对应的转置项。之后在步骤S302及步骤S303中，根据上述的矩阵不等式计算出触发参数σ,Ω和待求矩阵Yi，S，然后计算出控制器增益矩阵步骤S4、构建控制器，并根据所述控制器对所述非线性直流微电网进行弹性控制。该步骤所构建的弹性控制器可以表示为：本申请考虑到安全控制问题而引入非周期DoS攻击模型；考虑到带宽资源有限的现状而引入事件触发机制，结合两者建立的数学模型。在电力系统没有遇到攻击时，系统正常运行；当遇到攻击时，切换点进行切换保障系统正常运行；事件触发机制只与当前采样信号和上一次触发信号有关，当采样信号满足触发条件时，将采样信号发送到控制器端，否则，不发送当前采样信号。在可能出现DoS攻击的情况下，保证系统能安全、平稳的运行，同时减少了冗余信号的传输数量，减轻了网络传输压力，节省了通信所需的能源。以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

权利要求：1.非线性直流微电网弹性控制方法，其特征在于，包括：建立在DoS攻击下基于事件触发机制的直流微电网控制系统模型，所述直流微电网包括Q个恒功率负载系统和一个储能系统；获取使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件；求解触发矩阵及增益矩阵，确定控制器增益；以及构建控制器，并根据所述控制器对所述非线性直流微电网进行弹性控制。2.如权利要求1所述的非线性直流微电网弹性控制方法，其特征在于，所述建立在DoS攻击下基于事件触发机制的直流微电网控制系统模型包括：建立具有Q个恒功率负载系统和一个储能系统的直流微网模型；在所述直流微网模型中引入DoS攻击模型；以及在具有DoS攻击模型的直流微网模型中引入事件触发机制。3.如权利要求2所述的非线性直流微电网弹性控制方法，其特征在于，在所述直流微网模型中引入DoS攻击模型之前进一步包括：对具有Q个恒功率负载系统和一个储能系统的直流微网模型转换，包括将模型的平衡点移动到原点，构建以储能电流ies为控制输入的新模型。4.如权利要求2所述的非线性直流微电网弹性控制方法，其特征在于，所述DoS攻击模型为非周期DoS攻击模型，包括：其中，dn表示第n个无攻击区间开始，信号传输正常，gn表示无攻击区间长度，dn+gn是第n个攻击开始时刻，攻击时序满足dn+1dn+gn。5.如权利要求2所述的非线性直流微电网弹性控制方法，其特征在于，所述引入事件触发机制包括：所述事件触发机制的触发条件被配置成只与当前采样信号和前一次触发信号有关，当满足预设触发条件时，则将当前采样信号发送至控制器端，并由控制器更新一次控制信号。6.如权利要求1所述的非线性直流微电网弹性控制方法，其特征在于，获取使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件包括：确定在切换点进行切换时的条件参数，以使所述直流微电网控制系统模型能够稳定运行，所述切换点是指DoS攻击区间和无攻击区间的切换点。7.如权利要求1所述的非线性直流微电网弹性控制方法，其特征在于，所述在DoS攻击下基于事件触发机制的直流微电网控制系统模型包括：其中，Dn为非攻击区间，Gn为攻击区间，ηk,nt满足如下关系0σ1，表示系统的状态信号，θt是零初始状态，是非线性矩阵，A、Bes、D是常数矩阵，K是待求解的控制增益矩阵，Ω是待求解的触发矩阵，ΔA、ΔD和ΔBes是反应系统模型中参数不确定性的未知实矩阵，具有以下形式：[ΔAΔDΔBes]＝CE[H1H2H3]，式中E是满足ETE≤I的不确定矩阵，C、H1、H2和H3是用于反映不确定参数结构信息的已知常数矩阵。8.如权利要求7任一项所述的非线性直流微电网弹性控制方法，其特征在于，使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件包括：P1≤u2P2，Q1i≤u3-iQ13-i，Q2i≤u3-iQ23-i，Ri≤u3-iR3-i，Tωi≤u3-iTω3-i，式中，i＝{1,2}，正定矩阵Pi，Q1i，Q2i，Ri，Tωi为待求解矩阵，ui∈1，∞，ai∈0，∞，τD，ΓD为满足条件的任意常数，h是采样周期。9.如权利要求8所述的非线性直流微电网弹性控制方法，其特征在于，所述求解触发矩阵及增益矩阵包括：对给定的DoS攻击的参数τD、ΓD以及可调参数ai、ui、σ、h、εi、ψi、设定存在正定对称矩阵Yi、和适当维数的矩阵S、构建使直流微电网控制系统模型正常运行的线性矩阵不等式；根据所述线性矩阵不等式及使所述直流微电网控制系统模型稳定运行的条件，计算出触发参数σ,Ω和待求矩阵Yi，S；以及计算出控制器增益矩阵10.如权利要求9所述的非线性直流微电网弹性控制方法，其特征在于，所述控制器包括：

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