一种计及欺骗攻击的永磁直驱风力涡轮机系统动态事件触发迭代滤波与故障估计方法

本发明涉及一种故障估计方法，具体涉及一种计及欺骗攻击的永磁直驱风力涡轮机系统动态事件触发迭代滤波与故障估计方法。

背景技术：

1、如今，政府和企业都在进一步努力推动可再生能源的大规模应用，引导利用清洁能源生产电力。在这些能源中，与传统的化石燃料和核能相比，风能因其更高的成本效益而被公认为是一种清洁和可持续的能源解决方案。这一优势激发了研究人员对风力涡轮机系统稳定性问题的兴趣。风力发电中最常用的发电机是永磁同步发电机，它具有直接驱动能力、低转速和维护成本低等优点。众所周知，工业系统不可避免的会受到外部干扰、环境噪声、部件故障等因素的影响。这些因素会导致风力涡轮机系统的不正常运行甚至停机。因此，开发有效的故障估计方法来检测并补偿故障的影响显得尤为重要。此外，风速具有随机变化的特性，传统的方法只能处理特定风况下的系统。markov过程可以有效地建模风速的这种随机特性。因此，有必要应用markov跳变系统理论和模糊控制理论开发永磁直驱风力涡轮机系统的滤波与故障估计方法。

2、此外，随着通信技术的普及及其与工业系统的集成，网络化控制已成为推动永磁直驱风力涡轮机系统发展的一个重要途径。在网络控制框架中，数据交换是通过采用时间触发(周期性)模式的网络通道进行的。然而，随着系统规模的扩大和冗余数据包的随意释放，网络拥塞的阴影笼罩着整个系统。因此，迫切需要在永磁直驱风力涡轮机系统中采用有效的通信方案，以减少数据传输频率，节约有限的网络资源。然而，已有的研究工作主要集巾在静态事件触发策略，网络负担减少有限。并且，没有考虑离群策略数据对事件发生器的影响。因此，有必要改进现有事件触发策略来节省带宽使用。

3、除了考虑有限的网络资源外，暴露在外的数据传输还易收到黑客的攻击。近年来，国外相继发生因网络攻击导致大规模停电事件，网络安全已经成为摆在电力系统面前的新难题。因此，风力涡轮机系统的网络安全策略还需要进一步研究。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一种计及欺骗攻击的永磁直驱风力涡轮机系统动态事件触发迭代滤波与故障估计方法，可有效提高在带宽有限和欺骗攻击下永磁直驱风力涡轮机系统的故障估计性能。

2、本发明的具体技术方案如下：一种计及欺骗攻击的永磁直驱风力涡轮机系统动态事件触发迭代滤波与故障估计方法，包括以下步骤：

3、设计一种基于环形事件的融合事件触发机制和由系统输出和误差依赖触发参数构成的动态阈值更新律来平衡触发性能与系统性能：

4、根据空气动力学原理，风能产生的功率表示如下：

5、

6、其中，表示空气密度，其单位为kg/m3；π表示圆周率；表示涡轮机叶片长度，其单位为m；表示功率系数；vw表示风速，其单位为m/s；表示叶尖速比；vt表示涡轮机转速，其单位为rpm；表示俯仰角，其单位为rad；

7、相应的机械扭矩计算如下：

8、

9、通常，变桨推杆的动态特性为：

10、

11、其中，是时间常数，是控制信号；

12、接着，将风速拆分成低频稳定部分vws和高频干扰部分vwp，并对机械扭矩在稳定点进行泰勒展开：

13、

14、其中，vwd＝vw-vws表示偏差；

15、机械扭矩与永磁同步电机施加的电扭矩相互抵消，这种相互作用对电机转速vt的影响如下所示：

16、

17、其中，表示惯性矩，表示摩擦系数；

18、对上式在操作点进行泰勒展开，可以得到如下的偏差方程：

19、

20、其中，变量上方的横杠和波浪分别代表操作点和偏差；

21、接着，永磁直驱风力涡轮机系统的非线性模型建立如下：

22、

23、式中，表示定子电阻，其单位为ω；表示d轴上的定子电感，其单位为h；表示q轴上的定子电感，其单位为h；表示永磁体的磁通量，其单位为wb；表示极数；vd和vq分别表示q轴和d轴电压；id和iq分别表示q轴和d轴电流；

24、永磁同步电机所施加的电转矩可进一步改写为：

25、

26、对于系统中存在的非线性项以，利用模糊控制理论进行处理；假设并选择模糊隶属度函数为：

27、

28、其中，η1，η2是可用前提变量，ηmax为已知上界；

29、接着，根据风速设置个操作点并将风速在的随机变化建模成一个markov过程然后，永磁直驱风力涡轮机的模型可以进一步表示成：

30、模糊规则i：如果是ηj，那么

31、

32、其中，d＝vwd，f，y和z分别是系统状态、控制输入、干扰、故障、系统输出和调节输出；此外，系统矩阵如下所示：

33、

34、其中，表示在第i个操作分区的也是如此；为了简化符号，设

35、接下来，将采样间隔设为t，并使用欧拉方法，将上述的连续时间t-s模糊markov跳变系统转化为如下的离散系统模型：

36、模糊规则i：如果是ηj，那么

37、

38、其中，

39、针对上述风力涡轮机系统，为了减少网络传输负担，设计一种基于环形事件的动态事件触发机制和由系统输出和误差依赖触发参数构成的动态阈值更新律来平衡触发性能与系统性能；首先通过事件准则验证估计信号，然后通过理想网络将其传输到控制器；动态事件触发机制构造为：

40、

41、其中，表示输出的触发误差，φi表示待设计的权重矩阵，ks表示上一次的触发时刻，ks+1表示下一次的触发时刻，动态阈值由下式更新：

42、

43、其中，q属于集合{1，2}，μq是权重参数，γaq和γbq是敏感度参数，h为积分长度。

44、进一步，在欺骗攻击下设计一个迭代滤波与故障估计算法来估计系统故障，具体步骤如下：

45、当触发输出在不安全的网络信道中传输时，敌方就可以通过篡改传输数据对其进行攻击；这种攻击模式被称为欺骗攻击；一旦攻击成功，传输的数据就会被改写为：

46、

47、其中，αk∈{0，1}是一个期望为的随机变量，攻击信号φk的能量被限制为||φk||≤κ||xk||，κ是一个正标量；

48、接着，迭代滤波器与故障估计器设计如下：

49、

50、其中，[m]表示迭代次数，表示第m次迭代时滤波器的状态，表示第m次迭代时故障的估计值；和是待设计的增益；表示由下列观测器产生的第m次迭代的估计误差信号：

51、

52、其中，表示第m次迭代时系统状态的估计，表示第m次迭代时调节输出的估计，是待设计的增益；

53、设可以得到如下的误差系统：

54、

55、其中，h＝diag{ix；ix；ixf；0f×f}，e{a}表示a的数学期望；此外，系统矩阵分别为：

56、

57、该迭代滤波器与故障估计器可以保证欺骗攻击下误差系统的随机稳定性，证明过程如下：

58、d001：选取以下形式的复合能量函数：

59、

60、d002：其中，是正定对称矩阵；

61、d003：接着，计算差分并考虑h∞性能可得：

62、

63、d004：式中，

64、d005：一方面，考虑对攻击信号的能量限制可得：

65、

66、d006：式中，∈1是一个任意的正常数；

67、d007：接着，将事件触发条件引入分析，

68、

69、d008：式中，∈2和∈3是正标量；

70、d009：将d005和d007带入d003，可得：

71、

72、d010：式中，∈5＝∈2-∈3；

73、d011：定义可得

74、

75、d012：接着，引入自由矩阵并应用引理，可得

76、

77、d013：式中，

78、d014：注意到存在耦合，因此设可得

79、

80、d015：把d014带入d012，可得

81、

82、d016：式中，

83、d017：然后，对d015重复使用舒尔补引理，可以得到如下的稳定性条件：

84、

85、d018：若可以保证条件d017成立，那么成立；因此，误差系统是随机稳定的。