本發(fā)明涉及一種故障估計方法，具體涉及一種計及欺騙攻擊的永磁直驅(qū)風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)動態(tài)事件觸發(fā)迭代濾波與故障估計方法。

背景技術(shù)：

1、如今，政府和企業(yè)都在進一步努力推動可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，引導(dǎo)利用清潔能源生產(chǎn)電力。在這些能源中，與傳統(tǒng)的化石燃料和核能相比，風(fēng)能因其更高的成本效益而被公認為是一種清潔和可持續(xù)的能源解決方案。這一優(yōu)勢激發(fā)了研究人員對風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的興趣。風(fēng)力發(fā)電中最常用的發(fā)電機是永磁同步發(fā)電機，它具有直接驅(qū)動能力、低轉(zhuǎn)速和維護成本低等優(yōu)點。眾所周知，工業(yè)系統(tǒng)不可避免的會受到外部干擾、環(huán)境噪聲、部件故障等因素的影響。這些因素會導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)的不正常運行甚至停機。因此，開發(fā)有效的故障估計方法來檢測并補償故障的影響顯得尤為重要。此外，風(fēng)速具有隨機變化的特性，傳統(tǒng)的方法只能處理特定風(fēng)況下的系統(tǒng)。markov過程可以有效地建模風(fēng)速的這種隨機特性。因此，有必要應(yīng)用markov跳變系統(tǒng)理論和模糊控制理論開發(fā)永磁直驅(qū)風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)的濾波與故障估計方法。

2、此外，隨著通信技術(shù)的普及及其與工業(yè)系統(tǒng)的集成，網(wǎng)絡(luò)化控制已成為推動永磁直驅(qū)風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)發(fā)展的一個重要途徑。在網(wǎng)絡(luò)控制框架中，數(shù)據(jù)交換是通過采用時間觸發(fā)(周期性)模式的網(wǎng)絡(luò)通道進行的。然而，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大和冗余數(shù)據(jù)包的隨意釋放，網(wǎng)絡(luò)擁塞的陰影籠罩著整個系統(tǒng)。因此，迫切需要在永磁直驅(qū)風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)中采用有效的通信方案，以減少數(shù)據(jù)傳輸頻率，節(jié)約有限的網(wǎng)絡(luò)資源。然而，已有的研究工作主要集巾在靜態(tài)事件觸發(fā)策略，網(wǎng)絡(luò)負擔(dān)減少有限。并且，沒有考慮離群策略數(shù)據(jù)對事件發(fā)生器的影響。因此，有必要改進現(xiàn)有事件觸發(fā)策略來節(jié)省帶寬使用。

3、除了考慮有限的網(wǎng)絡(luò)資源外，暴露在外的數(shù)據(jù)傳輸還易收到黑客的攻擊。近年來，國外相繼發(fā)生因網(wǎng)絡(luò)攻擊導(dǎo)致大規(guī)模停電事件，網(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)成為擺在電力系統(tǒng)面前的新難題。因此，風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全策略還需要進一步研究。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提出一種計及欺騙攻擊的永磁直驅(qū)風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)動態(tài)事件觸發(fā)迭代濾波與故障估計方法，可有效提高在帶寬有限和欺騙攻擊下永磁直驅(qū)風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)的故障估計性能。

2、本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：一種計及欺騙攻擊的永磁直驅(qū)風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)動態(tài)事件觸發(fā)迭代濾波與故障估計方法，包括以下步驟：

3、設(shè)計一種基于環(huán)形事件的融合事件觸發(fā)機制和由系統(tǒng)輸出和誤差依賴觸發(fā)參數(shù)構(gòu)成的動態(tài)閾值更新律來平衡觸發(fā)性能與系統(tǒng)性能：

4、根據(jù)空氣動力學(xué)原理，風(fēng)能產(chǎn)生的功率表示如下：

5、

6、其中，表示空氣密度，其單位為kg/m3；π表示圓周率；表示渦輪機葉片長度，其單位為m；表示功率系數(shù)；vw表示風(fēng)速，其單位為m/s；表示葉尖速比；vt表示渦輪機轉(zhuǎn)速，其單位為rpm；表示俯仰角，其單位為rad；

7、相應(yīng)的機械扭矩計算如下：

8、

9、通常，變槳推桿的動態(tài)特性為：

10、

11、其中，是時間常數(shù)，是控制信號；

12、接著，將風(fēng)速拆分成低頻穩(wěn)定部分vws和高頻干擾部分vwp，并對機械扭矩在穩(wěn)定點進行泰勒展開：

13、

14、其中，vwd＝vw-vws表示偏差；

15、機械扭矩與永磁同步電機施加的電扭矩相互抵消，這種相互作用對電機轉(zhuǎn)速vt的影響如下所示：

16、

17、其中，表示慣性矩，表示摩擦系數(shù)；

18、對上式在操作點進行泰勒展開，可以得到如下的偏差方程：

19、

20、其中，變量上方的橫杠和波浪分別代表操作點和偏差；

21、接著，永磁直驅(qū)風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)的非線性模型建立如下：

22、

23、式中，表示定子電阻，其單位為ω；表示d軸上的定子電感，其單位為h；表示q軸上的定子電感，其單位為h；表示永磁體的磁通量，其單位為wb；表示極數(shù)；vd和vq分別表示q軸和d軸電壓；id和iq分別表示q軸和d軸電流；

24、永磁同步電機所施加的電轉(zhuǎn)矩可進一步改寫為：

25、

26、對于系統(tǒng)中存在的非線性項以，利用模糊控制理論進行處理；假設(shè)并選擇模糊隸屬度函數(shù)為：

27、

28、其中，η1，η2是可用前提變量，ηmax為已知上界；

29、接著，根據(jù)風(fēng)速設(shè)置個操作點并將風(fēng)速在的隨機變化建模成一個markov過程然后，永磁直驅(qū)風(fēng)力渦輪機的模型可以進一步表示成：

30、模糊規(guī)則i：如果是ηj，那么

31、

32、其中，d＝vwd，f，y和z分別是系統(tǒng)狀態(tài)、控制輸入、干擾、故障、系統(tǒng)輸出和調(diào)節(jié)輸出；此外，系統(tǒng)矩陣如下所示：

33、

34、其中，表示在第i個操作分區(qū)的也是如此；為了簡化符號，設(shè)

35、接下來，將采樣間隔設(shè)為t，并使用歐拉方法，將上述的連續(xù)時間t-s模糊markov跳變系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為如下的離散系統(tǒng)模型：

36、模糊規(guī)則i：如果是ηj，那么

37、

38、其中，

39、針對上述風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)，為了減少網(wǎng)絡(luò)傳輸負擔(dān)，設(shè)計一種基于環(huán)形事件的動態(tài)事件觸發(fā)機制和由系統(tǒng)輸出和誤差依賴觸發(fā)參數(shù)構(gòu)成的動態(tài)閾值更新律來平衡觸發(fā)性能與系統(tǒng)性能；首先通過事件準(zhǔn)則驗證估計信號，然后通過理想網(wǎng)絡(luò)將其傳輸?shù)娇刂破?；動態(tài)事件觸發(fā)機制構(gòu)造為：

40、

41、其中，表示輸出的觸發(fā)誤差，φi表示待設(shè)計的權(quán)重矩陣，ks表示上一次的觸發(fā)時刻，ks+1表示下一次的觸發(fā)時刻，動態(tài)閾值由下式更新：

42、

43、其中，q屬于集合{1，2}，μq是權(quán)重參數(shù)，γaq和γbq是敏感度參數(shù)，h為積分長度。

44、進一步，在欺騙攻擊下設(shè)計一個迭代濾波與故障估計算法來估計系統(tǒng)故障，具體步驟如下：

45、當(dāng)觸發(fā)輸出在不安全的網(wǎng)絡(luò)信道中傳輸時，敵方就可以通過篡改傳輸數(shù)據(jù)對其進行攻擊；這種攻擊模式被稱為欺騙攻擊；一旦攻擊成功，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就會被改寫為：

46、

47、其中，αk∈{0，1}是一個期望為的隨機變量，攻擊信號φk的能量被限制為||φk||≤κ||xk||，κ是一個正標(biāo)量；

48、接著，迭代濾波器與故障估計器設(shè)計如下：

49、

50、其中，[m]表示迭代次數(shù)，表示第m次迭代時濾波器的狀態(tài)，表示第m次迭代時故障的估計值；和是待設(shè)計的增益；表示由下列觀測器產(chǎn)生的第m次迭代的估計誤差信號：

51、

52、其中，表示第m次迭代時系統(tǒng)狀態(tài)的估計，表示第m次迭代時調(diào)節(jié)輸出的估計，是待設(shè)計的增益；

53、設(shè)可以得到如下的誤差系統(tǒng)：

54、

55、其中，h＝diag{ix；ix；ixf；0f×f}，e{a}表示a的數(shù)學(xué)期望；此外，系統(tǒng)矩陣分別為：

56、

57、該迭代濾波器與故障估計器可以保證欺騙攻擊下誤差系統(tǒng)的隨機穩(wěn)定性，證明過程如下：

58、d001：選取以下形式的復(fù)合能量函數(shù)：

59、

60、d002：其中，是正定對稱矩陣；

61、d003：接著，計算差分并考慮h∞性能可得：

62、

63、d004：式中，

64、d005：一方面，考慮對攻擊信號的能量限制可得：

65、

66、d006：式中，∈1是一個任意的正常數(shù)；

67、d007：接著，將事件觸發(fā)條件引入分析，

68、

69、d008：式中，∈2和∈3是正標(biāo)量；

70、d009：將d005和d007帶入d003，可得：

71、

72、d010：式中，∈5＝∈2-∈3；

73、d011：定義可得

74、

75、d012：接著，引入自由矩陣并應(yīng)用引理，可得

76、

77、d013：式中，

78、d014：注意到存在耦合，因此設(shè)可得

79、

80、d015：把d014帶入d012，可得

81、

82、d016：式中，

83、d017：然后，對d015重復(fù)使用舒爾補引理，可以得到如下的穩(wěn)定性條件：

84、

85、d018：若可以保證條件d017成立，那么成立；因此，誤差系統(tǒng)是隨機穩(wěn)定的。