孤岛交流微电网分布式二次隐私保护控制方法及系统

本发明属于孤岛交流微电网分布式发电控制，具体地，涉及一种孤岛交流微电网分布式二次隐私保护控制方法及系统，尤其是一种基于动态事件触发和状态分解的微电网分布式二次隐私保护控制方法。

背景技术：

1、交流微电网作为智能电网的重要组成部分，是一种平稳集成大量分布式能源的有效解决方案，其可在并网或孤岛模式下运行。在孤岛模式运行时，其最重要的问题是维持系统频率和电压的稳定，同时实现最优经济运行。而由于分布式控制具备灵活的即插即用能力和强鲁棒性，现已被广泛应用在孤岛交流微电网的频率电压控制。

2、现有的基于多智能体的分布式一致性算法，其实现要求相邻发电单元之间通过通信网络进行实时信息交换，但这不可避免地会引起隐私信息泄露问题。当外部入侵者试图通过通信网络频道窃取实时的敏感信息，并设计攻击信号来破坏一致性时，将严重影响微电网的安全运行，并有可能导致整个系统失稳。

3、为了解决信息交换引起的隐私泄露问题，现有技术主要通过包括差分隐私、同态加密以及仿射变换的方式处理。然而上述的解决方案存在通信负担大、收敛速度慢以及无法实现精准一致性等问题。

4、专利文献《基于加密策略的孤岛微电网隐私保护分布式经济调度方法》(cn115834022a)公开了组通过保密交互协议获取自身信息和通信网络中与其相邻的其它发电机组信息之间的信息加权差。但其加密策略是对使用同态加密策略对传输的状态进行加密，也即将传输的状态转换成密文，然后以密文的形式发送给邻居，需要对传输状态进行不断的加密和解密过程，会严重加大计算负担，并且效率低下。

5、此外，以上方法主要从隐私数据加密的角度进行考虑，很少从隐私数据通过通信网络传递的次数对隐私信息进行保护，因此难以解决存在外部攻击时的隐私保护信息问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种孤岛交流微电网分布式二次隐私保护控制方法及系统。

2、根据本发明提供的一种孤岛交流微电网分布式二次隐私保护控制方法，包括：

3、步骤s1：构建分布式发电机的动力学模型及微电网经济调度模型；

4、步骤s2：对孤岛交流微电网真实状态进行加密保护，得到加密后的子状态；

5、步骤s3：基于加密后的子状态，构建电压控制器和频率恢复控制器；

6、步骤s4：基于加密后的子状态，构建最优功率分配性控制器；

7、步骤s5：根据频率恢复控制器和最优功率分配控制器得到最优输出有功功率，电压控制器调节电压。

8、优选地，步骤s1中所述孤岛交流微电网包含分布式发电机。

9、所述步骤s1包括：

10、步骤s1.1：构建分布式发电机的动力学模型；

11、步骤s1.2：构建孤岛交流微电网的经济调度模型。

12、所述步骤s1.1包括：

13、步骤s1.1.1：构建频率的下垂控制方程ωi(t)＝ωni(t)-mipi(t)和电压的下垂控制方程voi(t)＝vni(t)-kiqi(t)；

14、其中，ωi(t)、ωni(t)分别表示第i个分布式发电机的输出角频率、初级控制参考角频率；

15、voi(t)、vni(t)分别表示第i个分布式发电机的输出电压幅值、初级控制参考电压幅值；

16、pi(t)、qi(t)分别表示第i个分布式发电机输出的有功功率、无功功率；

17、mi、ki分别表示第i个分布式发电机的有功下垂系数、无功下垂系数；

18、t表示时间。

19、步骤s1.1.2：坐标变换，得到改进的电压下垂控制方程vodi(t)＝vni(t)-kiqi(t)和voqi(t)＝0；

20、其中，vodi(t)、voqi(t)分别表示输出电压幅值voi(t)的直轴部分、交轴部分，

21、步骤s1.1.3：构建分布式发电机的频率动力学方程和电压动力学方程：

22、

23、其中，分别表示ωi(t)、ωni(t)、pi(t)的一阶导数；

24、分别表示vodi(t)、vni(t)、qi(t)的一阶导数；

25、uωi(t)、uvi(t)、upi(t)分别表示频率恢复、电压恢复、最优功率分配的二次控制输入信号；

26、表示低通滤波器的剪切频率；

27、iodi(t)、ioqi(t)分别表示输出电流幅值ioi(t)的直轴部分、交轴部分，

28、

29、步骤s1.1.4：计算初级控制参考角频率ωni(t)和初级控制参考电压幅值vni(t)；

30、

31、所述步骤s1.2包括：

32、步骤s1.2.1：构建发电成本函数模型ci(pi(t))＝ai(pi(t))2+cipi(t)+γi；

33、其中，ci(pi(t))为第i个分布式发电机的发电成本函数；

34、ai、ci、γi表示第i个分布式发电机的三个发电成本系数。

35、步骤s1.2.2：构建微电网的经济调度模型：

36、

37、pmin_i≤pi≤pmax_i；

38、其中，c(p(t))表示微电网系统的总发电成本；

39、pi(t0)表示第i个分布式发电机输出的初始有功功率；

40、t0表示初始时刻；

41、n表示共有n个分布式发电机；

42、pd表示微电网系统负荷总的有功功率；

43、pmin_i、pmax_i分别表示第i个分布式发电机能够输出的最小有功功率、最大有功功率。

44、优选地，步骤s2包括：

45、步骤s2.1：将分布式发电机的真实状态xi(t)分成两个子状态

46、其中，代表两个分解系数。

47、步骤s2.2：构建分布式发电机加密后的频率和电压动力学方程：

48、

49、其中，表示ωi(t)的两个子状态，分别表示的一阶导数；

50、表示vodi(t)的两个子状态，分别表示的一阶导数；

51、表示pi(t)的两个子状态，分别表示的一阶导数；

52、表示uωi(t)的两个子状态；

53、表示uvi(t)的两个子状态；

54、表示upi(t)的两个子状态。

55、优选地，步骤s3包括：

56、步骤s3.1：构建电压和频率恢复的动态事件触发一致性控制器：

57、频率恢复控制器

58、电压控制器

59、

60、其中，cg表示控制增益系数；

61、aij表示孤岛交流微电网通信拓扑的加权邻接矩阵a＝(aij)的第i行第j列元素，若第i个分布式发电机能够从第j个分布式发电机接收信息，则aij＝1,若不能，则aij＝0；

62、bi表示增益系数，若第i个分布式发电机能够获得参考值信息，则bi＝1，若不能，则bi＝0；

63、是第i个分布式发电机的两个子状态之间的增益系数；

64、ωnom、vnom分别表示频率、电压额定值；

65、表示第i台发电机频率子状态的估计状态；

66、表示第i台发电机频率子状态的估计状态；

67、表示第i台发电机电压子状态的估计状态；

68、表示第i台发电机电压子状态的估计状态；

69、表示第j台发电机频率子状态的估计状态；

70、表示j台发电机电压子状态的估计状态；

71、分别表示第i台发电机频率子状态在第kα个触发时刻的触发状态、频率子状态在第kβ个触发时刻的触发状态，kα，kβ＝0,1,2,…；

72、分别表示第i台发电机电压子状态在第kα个触发时刻的触发状态、电压子状态在第kβ个触发时刻的触发状态，kα，kβ＝0,1,2,…。

73、步骤s3.2：构建用于更新频率和电压子状态的触发函数：

74、

75、其中，表示局部测量误差，ξ∈(ω,v)；

76、表示跟踪误差；

77、表示一致性误差；

78、μξi、θξi、πξi为大于0的常数；

79、表示第i台发电机频率或者电压更新的第ki+1个触发时刻，ki＝0,1,2,…；

80、表示第i台发电机频率或者电压更新的第ki个触发时刻；

81、dξi(t)是内部自适应动态变量；

82、所述内部自适应动态变量dξi(t)满足

83、其中，lξ1，lξ2，dξi(0)均为大于0的常数；

84、表示dξi(t)的一阶导数。

85、优选地，所述步骤s4包括：

86、步骤s4.1：计算分布式发电机的增量成本子状态：

87、

88、其中，表示增量成本λi(t)的两个子状态；

89、表示ci(pi(t))的两个子状态。

90、步骤s4.2：构建最优有功分配的动态事件触发一致性控制器：

91、

92、

93、其中，cv是控制增益系数；

94、表示第i台发电机增量成本子状态的估计状态；

95、表示第i台发电机增量成本子状态的估计状态；

96、分别表示第i台发电机增量成本子状态在第kα个触发时刻的触发状态、成本子状态在第kβ个触发时刻的触发状态，kα，kβ＝0,1,2,…；

97、表示pi(t0)的两个子状态。

98、步骤s4.3：构建用于更新增量成本子状态的触发函数：

99、

100、其中，表示子状态的列向量；

101、表示估计状态的列向量；

102、表示有功功率子状态的列向量；表示局部测量误差；

103、表示跟踪误差；

104、表示一致性误差；

105、μλi，θλi，πλi均为大于0的常数；

106、dλi(t)是内部自适应动态变量；

107、所述内部自适应动态变量dλi(t)满足其中，lλ1，lλ2，dλi(0)均为大于0的常数；

108、表示dλi(t)的一阶导数。

109、步骤s4.4：求解经济调度模型：

110、

111、其中，λ★表示在同时考虑功率平衡约束和发电容量约束情况下的最优增量成本；

112、

113、其中，φ表示最优输出功率违背发电容量约束的分布式发电机的集合；

114、λ*表示在只考虑功率平衡约束情况下的最优增量成本。

115、步骤s4.5：构建两个辅助控制器实现最优有功功率分配。

116、步骤s4.6：更新ψi(t)、δi(t)子状态的两个估计状态：

117、

118、其中，表示局部测量误差；

119、表示一致性误差；

120、μδi，θδi，πδi均表示大于0的常数；

121、和dδi(t)是内部自适应动态变量；

122、lδ1，lδ2，dδi(0)均为大于0的常数；

123、分别表示dδi(t)的一阶导数。

124、所述步骤s4.5中，引入两个辅助变量ψi(t)和δi(t)，

125、构建两个辅助控制器用于实现存在功率发电约束下的最优有功功率分配：

126、

127、其中，表示子状态的列向量；

128、表示子状态的列向量；

129、表示估计状态的列向量；

130、表示估计状态的列向量；

131、

132、cψ、cδ表示控制增益系数；

133、表示ψi(t)的两个子状态；

134、代表δi(t)的两个子状态；

135、表示的估计状态；

136、表示的估计状态；

137、表示的估计状态；

138、表示的估计状态；

139、分别表示子状态在第kα个触发时刻的触发状态、子状态在第kβ个触发时刻的触发状态，kα，kβ＝0,1,2,…；

140、分别表示子状态在第kα个触发时刻的触发状态、子状态在第kβ个触发时刻的触发状态，kα，kβ＝0,1,2,…。

141、所述步骤s5中，分布式发电机的初级控制框图包含功率计算模块、低通滤波器、下垂控制器和电压电流控制器五个部分。

142、所述分布式发电机的主电路包含vsc逆变器、lc滤波器和lc输出连接单元。

143、最优功率分配控制器产生的控制输入信号与频率恢复控制器产生的控制输入信号叠加，通过积分器得到初级控制参考角频率ωni(t)，根据电压电流双闭环控制产生pwm信号，通过控制逆变器的开关求解得最终的最优输出有功功率

144、

145、其中，pi*表示第i台发电机的最优有功功率。

146、根据本发明提供的一种孤岛交流微电网分布式二次隐私保护控制系统，包括：

147、模块m1：构建分布式发电机的动力学模型及微电网经济调度模型；

148、模块m2：对孤岛交流微电网真实状态进行加密保护，得到加密后的子状态；

149、模块m3：基于加密后的子状态，构建电压控制器和频率恢复控制器；

150、模块m4：基于加密后的子状态，构建最优功率分配控制器；

151、模块m5：根据频率恢复控制器和最优功率分配控制器得到最优输出有功功率，电压控制器调节电压。

152、优选地，模块m1中所述孤岛交流微电网包含分布式发电机；

153、所述模块m1包括：

154、模块m1.1：建立分布式发电机的动力学模型；

155、模块m1.2：建立孤岛交流微电网的经济调度模型。

156、所述模块m1.1包括：

157、模块m1.1.1：建立频率的下垂控制方程ωi(t)＝ωni(t)-mipi(t)和电压的下垂控制方程voi(t)＝vni(t)-kiqi(t)；

158、其中，ωi(t)、ωni(t)分别表示第i个分布式发电机的输出角频率、初级控制参考角频率；

159、voi(t)、vni(t)分别表示第i个分布式发电机的输出电压幅值、初级控制参考电压幅值；

160、pi(t)、qi(t)分别表示第i个分布式发电机输出的有功功率、无功功率；

161、mi、ki分别表示第i个分布式发电机的有功下垂系数、无功下垂系数；

162、t表示时间；

163、模块m1.1.2：坐标变换，得到改进的电压下垂控制方程vodi(t)＝vni(t)-kiqi(t)和voqi(t)＝0；

164、其中，vodi(t)、voqi(t)分别表示输出电压幅值voi(t)的直轴部分、交轴部分，

165、

166、模块m1.1.3：构建分布式发电机的频率动力学方程和电压动力学方程：

167、

168、

169、其中，分别表示ωi(t)、ωni(t)、pi(t)的一阶导数；

170、分别表示vodi(t)、vni(t)、qi(t)的一阶导数；

171、uωi(t)、uvi(t)、upi(t)分别表示频率恢复、电压恢复、最优功率分配的二次控制输入信号；

172、表示低通滤波器的剪切频率；

173、iodi(t)、ioqi(t)分别表示输出电流幅值ioi(t)的直轴部分、交轴部分，

174、

175、模块m1.1.4：计算初级控制参考角频率ωni(t)和初级控制参考电压幅值vni(t)；

176、

177、

178、所述模块m1.2包括：

179、模块m1.2.1：构建发电成本函数模型ci(pi(t))＝ai(pi(t))2+cipi(t)+γi；

180、其中，ci(pi(t))为第i个分布式发电机的发电成本函数；

181、ai、ci、γi表示第i个分布式发电机的三个发电成本系数。

182、模块m1.2.2：构建微电网的经济调度模型：

183、

184、其中，c(p(t))表示微电网系统的总发电成本；

185、pi(t0)表示第i个分布式发电机输出的初始有功功率；

186、t0表示初始时刻；

187、n表示共有n个分布式发电机；

188、pd表示微电网系统负荷总的有功功率；

189、pmin_i、pmax_i分别表示第i个分布式发电机能够输出的最小有功功率、最大有功功率。

190、优选地，模块m2包括：

191、模块m2.1：将分布式发电机的真实状态xi(t)分成两个子状态

192、其中，代表两个分解系数。

193、模块m2.2：建立分布式发电机加密后的频率和电压动力学方程：

194、

195、其中，表示ωi(t)的两个子状态，分别表示的一阶导数；

196、表示vodi(t)的两个子状态，分别表示的一阶导数；

197、表示pi(t)的两个子状态，分别表示的一阶导数；

198、表示uωi(t)的两个子状态；

199、表示uvi(t)的两个子状态；

200、表示upi(t)的两个子状态。

201、优选地，模块m3包括：

202、模块m3.1：构建电压和频率恢复的动态事件触发一致性控制器：

203、频率恢复控制器

204、电压控制器

205、

206、其中，cg表示控制增益系数；

207、aij表示孤岛交流微电网通信拓扑的加权邻接矩阵a＝(aij)的第i行第j列元素，若第i个分布式发电机能够从第j个分布式发电机接收信息，则aij＝1,若不能，则aij＝0；

208、bi表示增益系数，若第i个分布式发电机能够获得参考值信息，则bi＝1，若不能，则bi＝0；

209、是第i个分布式发电机的两个子状态之间的增益系数；

210、ωnom、vnom分别表示频率、电压额定值；

211、表示第i台发电机频率子状态的估计状态；

212、表示第i台发电机频率子状态的估计状态；

213、表示第i台发电机电压子状态的估计状态；

214、表示第i台发电机电压子状态的估计状态；

215、表示第j台发电机频率子状态的估计状态；

216、表示j台发电机电压子状态的估计状态；

217、分别表示第i台发电机频率子状态在第kα个触发时刻的触发状态、频率子状态在第kβ个触发时刻的触发状态，kα，kβ＝0,1,2,…；

218、分别表示第i台发电机电压子状态在第kα个触发时刻的触发状态、电压子状态在第kβ个触发时刻的触发状态，kα，kβ＝0,1,2,…。

219、模块m3.2：构建用于更新频率和电压子状态的触发函数：

220、

221、其中，表示局部测量误差，ξ∈(ω,v)；

222、表示跟踪误差；

223、表示一致性误差；

224、μξi、θξi、πξi为大于0的常数；

225、表示第i台发电机频率或者电压更新的第ki+1个触发时刻，ki＝0,1,2,…；

226、表示第i台发电机频率或者电压更新的第ki个触发时刻；

227、dξi(t)是内部自适应动态变量；

228、所述内部自适应动态变量dξi(t)满足

229、其中，lξ1，lξ2，dξi(0)均为大于0的常数；

230、表示dξi(t)的一阶导数。

231、优选地，模块m4包括：

232、模块m4.1：计算分布式发电机的增量成本子状态：

233、

234、其中，表示增量成本λi(t)的两个子状态；

235、表示ci(pi(t))的两个子状态。

236、模块m4.2：构建最优有功分配的动态事件触发一致性控制器：

237、

238、

239、其中，cv是控制增益系数；

240、表示第i台发电机增量成本子状态的估计状态；

241、表示第i台发电机增量成本子状态的估计状态；

242、分别表示第i台发电机增量成本子状态在第kα个触发时刻的触发状态、成本子状态在第kβ个触发时刻的触发状态，kα，kβ＝0,1,2,…；

243、表示pi(t0)的两个子状态。

244、模块m4.3：构建用于更新增量成本子状态的触发函数：

245、

246、其中，表示子状态的列向量；

247、表示估计状态的列向量；

248、表示有功功率子状态的列向量；

249、表示局部测量误差；

250、表示跟踪误差；

251、表示一致性误差；

252、μλi，θλi，πλi均为大于0的常数；

253、dλi(t)是内部自适应动态变量；

254、所述内部自适应动态变量dλi(t)满足

255、其中，lλ1，lλ2，dλi(0)均为大于0的常数；

256、表示dλi(t)的一阶导数。

257、模块m4.4：求解经济调度模型：

258、

259、其中，λ★表示在同时考虑功率平衡约束和发电容量约束情况下的最优增量成本；

260、

261、其中，φ表示最优输出功率违背发电容量约束的分布式发电机的集合；

262、λ*表示在只考虑功率平衡约束情况下的最优增量成本。

263、模块m4.5：构建两个辅助控制器实现最优有功功率分配；

264、模块m4.6：更新ψi(t)、δi(t)子状态的两个估计状态：

265、

266、其中，表示局部测量误差；

267、表示一致性误差；

268、μδi，θδi，πδi均表示大于0的常数；

269、和dδi(t)是内部自适应动态变量；

270、lδ1，lδ2，dδi(0)均为大于0的常数；

271、分别表示dδi(t)的一阶导数。

272、所述模块m4.5中，引入两个辅助变量ψi(t)和δi(t)，

273、

274、构建两个辅助控制器用于实现存在功率发电约束下的最优有功功率分配：

275、

276、其中，表示子状态的列向量；表示子状态的列向量；

277、表示估计状态的列向量；

278、表示估计状态的列向量；

279、

280、cψ、cδ表示控制增益系数；

281、表示ψi(t)的两个子状态；

282、代表δi(t)的两个子状态；

283、表示的估计状态；

284、表示的估计状态；

285、表示的估计状态；

286、表示的估计状态；

287、分别表示子状态在第kα个触发时刻的触发状态、子状态在第kβ个触发时刻的触发状态，kα，kβ＝0,1,2,…；

288、分别表示子状态在第kα个触发时刻的触发状态、子状态在第kβ个触发时刻的触发状态，kα，kβ＝0,1,2,…。

289、所述模块m5中，分布式发电机的初级控制框图包含功率计算模块、低通滤波器、下垂控制器和电压电流控制器五个部分。

290、所述分布式发电机的主电路包含vsc逆变器、lc滤波器和lc输出连接单元。

291、最优功率分配控制器产生的控制输入信号与频率恢复控制器产生的控制输入信号叠加，通过积分器得到初级控制参考角频率ωni(t)，根据电压电流双闭环控制产生pwm信号，通过控制逆变器的开关求解得最终的最优输出有功功率

292、其中，pi*表示第i台发电机的最优有功功率。

293、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

294、1、本发明通过分布式发电机的频率电压动力学模型及微电网经济调度模型设计二次控制器，能够维持电压和频率稳定，实现最优经济运行。

295、2、本发明通过设计基于动态事件触发机制的控制器，通信负担小、收敛速度快，能够实现精准一致性。

296、3、本发明通过减少实时状态传输的次数以及状态分解机制对隐私信息进行保护，从而解决了存在外部攻击时的隐私保护信息问题。