基于逆向行为重构的负荷频率容错控制系统及方法技术方案

一种基于逆向行为重构的负荷频率容错控制系统，信息采集模块：利用设置在被控系统的传感器采集感知被控系统的运行参数，根据接收的运行参数产生对应的被控系统输出量y'(t)。控制器库模块针对预计的信息/物理故障，设计对应的控制器以保证故障系统的动态性能，形成控制器库，基本控制器库中控制器数量为M+N；逆向行为重构模块根据被控系统输出量y'(t)、控制指令u'(t)以及控制器库，以并行方式逆向重构被控系统的动态行为，并获得重构的参考输入性能指标计算模块将被控系统输出量y'(t)、重构的参考输入做均方根误差计算，以获得性能指标MSE；控制器选择模块选择与最小的性能指标MSE对应的控制器投入。本发明专利技术还提供一种基于逆向行为重构的负荷频率容错控制方法。方法。方法。

【技术实现步骤摘要】
基于逆向行为重构的负荷频率容错控制系统及方法

：
[0001]本申请涉及互联电网负荷频率主动容错控制
，特别涉及一种基于逆向行为重构的负荷频率容错控制系统及方法。

技术介绍
：
[0002]新型电力系统中不断并网的新能源装机容量显著，而其随机性和不确定性使得系统中各类显性和隐性故障增加，将导致送端电网有功出力显著下降，造成频率显著偏移额定运行点。此外，由于电网信息化程度的不断提高，网络传输过程中的各种不确定性因素(如延时、丢包、黑客攻击)给各类实时控制系统带来新的安全隐患。负荷频率控制(Load frequency control,LFC)通过控制区域联络线交换功率，实现系统频率输入偏差到控制器输出控制量之间稳定控制。
[0003]运行状态全面感知与实时稳定控制是电力物联网中各类实时控制系统的基本要求。然而，信息子系统与物理子系统的紧耦合，致使恶意网络攻击及突发物理故障，都将导致电力物联网发生结构性改变，此种不确定性已违背鲁棒控制理论中参数小范围波动的假设。传统基于硬件冗余或故障辨识的容错控制策略由于需要依赖精确先验的被控系统参数和大量的运行状态参数，有控制器与被控系统不匹配的风险，导致容错失败。

技术实现思路
：
[0004]有鉴于此，有必要提供一种不依赖故障辨识的基于逆向行为重构的负荷频率容错控制系统。
[0005]还有必要提供一种不依赖故障辨识的基于逆向行为重构的负荷频率容错控制的方法。
[0006]一种基于逆向行为重构的负荷频率容错控制系统，包括信息采集模块、控制器库模块、逆向行为重构模块、性能指标计算模块、控制器选择模块：
[0007]信息采集模块：利用设置在被控系统的传感器采集感知被控系统的运行参数，根据接收的运行参数产生对应的被控系统输出量y'(t)。
[0008]控制器库模块：针对预计的信息/物理故障，设计对应的控制器以保证故障系统的动态性能，形成基本控制器库，其中，基本控制器库中控制器数量为M+N，控制器库Σ
c
＝{Σ
c1
,Σ
c2
,
…
,Σ
c(M+N)
}，控制器库Σ
c
表示针对特定运行场景所设计的控制器集合，M是指被控系统具有M种正常工作场景，N是指被控系统具有N种典型故障场景；
[0009]逆向行为重构模块：根据被控系统输出量y'(t)、控制指令u'(t)以及已有的控制器库Σ
c
，以并行方式逆向重构被控系统的动态行为，并获得重构的参考输入重构的参考输入渐近收敛于理想的参考输入r(t)。
[0010]性能指标计算模块：将被控系统输出量y'(t)、重构的参考输入做均方根误差计算，以获得性能指标MSE；
[0011]控制器选择模块：选择与最小的性能指标MSE对应的控制器投入，从而实现零试错一次性精准投切。
[0012]一种基于逆向行为重构的负荷频率容错控制方法，其步骤如下：
[0013]针对预计的信息/物理故障，设计对应的控制器以保证故障系统的动态性能，形成基本控制器库，其中，基本控制器库中控制器数量为M+N，令Σ
c
＝{Σ
c1
,Σ
c2
,
…
,Σ
c(M+N)
}表示针对特定运行场景所设计的控制器集合，M是指被控系统具有M种正常工作场景，N是指被控系统具有N种典型故障场景；
[0014]接收通过传感器采集感知被控系统的运行参数，根据接收的运行参数产生对应的被控系统输出量y'(t)；
[0015]接收控制中心根据传感器采集感知被控系统的运行参数产生的控制指令u'(t)；
[0016]根据被控系统输出量y'(t)、控制指令u'(t)以及已有的控制器库Σ
c
，以并行方式逆向重构被控系统的动态行为，并获得重构的参考输入重构的参考输入渐近收敛于理想的参考输入r(t)；
[0017]将被控系统输出量y'(t)、重构的参考输入做均方根误差计算，以获得性能指标MSE；
[0018]选择与最小的性能指标MSE对应的控制器投入，从而实现零试错一次性精准投切。
[0019]上述基于逆向行为重构的负荷频率容错控制系统及方法中，提出了逆向行为重构策略，针对预计的信息/物理故障设计对应的控制器以保证故障系统的动态性能，其无需获取先验的故障信息，仅依赖于系统的输入与输出测量值，从而能够尽可能地实现对故障的容错，为信息/物理紧耦合的电力物联网在复杂多样故障情形下的稳定性控制和系统稳定运行提供更好的性能。
附图说明：
[0020]图1为基于逆向行为重构的负荷频率容错控制系统功能模块图；
[0021]图2为基于逆向行为重构的负荷频率容错控制系统框架示意图；
[0022]图3为控制器库框架示意图；
[0023]图4为三区域互联电力系统结构图；
[0024]图5为Area 1
‑
Area 3的正常通信延时；
[0025]图6为Area 2遭受延时攻击时的通信延时；
[0026]图7为Area 1
‑
Area 3负荷波动；
[0027]图8是不同故障情形下Δf1及ΔP
tie1
的均方误差。
[0028]图中：基于逆向行为重构的负荷频率容错控制系统10、信息采集模块20、控制器库模块30、逆向行为重构模块40、性能指标计算模块50、控制器选择模块60。
具体实施方式：
[0029]本申请的目的是针对电力物联网信息/物理故障，提供一种不依赖于故障辨识的负荷频率容错控制系统，其核心思想是将最匹配的控制器以零试错的方式投入到控制器回路中。首先，针对预计的信息/物理故障设计对应的控制器以保证故障系统的动态性能，形成基本控制器库。然后，设计控制器切换策略，根据性能评估结果将投入最优控制器，保证
系统的安全稳定运行。下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。
[0030]请同时参看图1至图3，基于逆向行为重构的负荷频率容错控制系统10，包括信息采集模块20、控制器库模块30、逆向行为重构模块40、性能指标计算模块50、控制器选择模块60：
[0031]信息采集模块20：利用设置在被控系统的传感器采集感知被控系统的运行参数，根据接收的运行参数产生对应的被控系统输出量y'(t)。
[0032]控制器库模块30：针对预计的信息/物理故障，设计对应的控制器以保证故障系统的动态性能，形成基本控制器库，其中，基本控制器库中控制器数量为M+N，控制器库Σ
c
＝{Σ
c1
,Σ
c2
,
…
,Σ
c(M+N)
}，控制器库Σ
c
表示针对特定运行场景所设计的控制器集合，M是指被控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于逆向行为重构的负荷频率容错控制系统，其特征在于：包括信息采集模块、控制器库模块、逆向行为重构模块、性能指标计算模块、控制器选择模块：信息采集模块：利用设置在被控系统的传感器采集感知被控系统的运行参数，根据接收的运行参数产生对应的被控系统输出量y'(t)；控制器库模块：针对预计的信息/物理故障，设计对应的控制器以保证故障系统的动态性能，形成基本控制器库，其中，基本控制器库中控制器数量为M+N，控制器库Σ
c
＝{Σ
c1
,Σ
c2
,
…
,Σ
c(M+N)
}，控制器库Σ
c
表示针对特定运行场景所设计的控制器集合，M是指被控系统具有M种正常工作场景，N是指被控系统具有N种典型故障场景；逆向行为重构模块：根据被控系统输出量y'(t)、控制指令u'(t)以及已有的控制器库Σ
c
，以并行方式逆向重构被控系统的动态行为，并获得重构的参考输入重构的参考输入渐近收敛于理想的参考输入r(t)；性能指标计算模块：将被控系统输出量y'(t)、重构的参考输入做均方根误差计算，以获得性能指标MSE；控制器选择模块：选择与最小的性能指标MSE对应的控制器投入，从而实现零试错一次性精准投切。2.如权利要求1所述的基于逆向行为重构的负荷频率容错控制系统，其特征在于：基本控制器库中的控制器集合通过如下方式获得：1)建立信息/物理故障的实时控制系统模型：给出正常情形下的被控系统中的被控对象模型：式中，x∈R
p
、u∈R
q
、ω∈R
r
和y∈R
v
分别为状态变量、输入变量、外部扰动变量和输出变量，矩阵A、B、H、C、D为适维矩阵；根据被控系统中出想的故障作用效果进行建模：(1)故障类型建模A.数据类故障建模,此类故障下，实际的控制量/量测量与真实之间满足如下关系：控制量：u
f
(t)＝Γ
P
Γ
C
u(t)量测量：y
f
(t)＝Ψ
C
Ψ
P
y(t)式中，下标f表示故障状态，Γ
P
＝diag(γP1,γP2,
…
,γPp)，表示执行器物理故障矩阵；Γ
C
＝diag(γC1,γC2,
…
,γCp)表示控制器与执行器间网络故障矩阵；Ψ
C
＝diag(ψC1,ψC2,
…
,ψCq),表示传感器与控制器间网络信息故障矩阵；Ψ
P
＝diag(ψP1,ψP2,
…
,ψPq)，表示传感器物理故障矩阵；B.时效类故障建模，令τ
sc
表示传感器至控制器的网络延时，τ
ca
为控制器至被控系统中的执行器的网络延时，控制器发出的控制指令为u'(t)，接收的被控系统输出量为y'(t)，与被控系统中的执行器实际接收的控制中心发出的控制指令u(t)以及被控系统实际输出量y(t)满足u(t)＝u'(t+τ
ca
)y'(t)＝y(t+τ
sc
)
进一步地，采用Pade逼近技术对上述纯时滞环节进行近似化处理，逼近后的状态空间表述为表述为式中，x
ca
(t)、x
sc
(t)为Pade近似引入的中间变量，A
k
,B
k
,C
k
,D
k
分别为分别为其中，k＝{sc,ca}，l
k
为逼近阶数，a
i
和b
i
(i＝1,2,
…
,l
k
)为逼近系数，由下式给出：C.组件类故障建模，此类故障下，被控系统原有的运行结构发生明显变化，表现为状态空间描述发生异常，即式中，A'、B'、H'、C'、D'表示故障发生后的被控系统矩阵；(2)信息/物理混合故障建模基于对三类故障的数学建模，令增广向量X＝[x,x
ca
,x
sc
]
T
，建立计及信息/物理混合故障的电力物联网实时控制系统状态方程为式中，A
f
＝A'，B
f
＝B'Γ
P
Γ
C
，H
f
＝H'，C
f
＝Ψ
C
Ψ
P
C'，D
f
＝Ψ
C
Ψ
P
D'Γ
P
Γ
C
；2)基本控制器库范式化设计方法：实时控制系统状态方程具有模型不确定性，因此控制器设计必须对模型不确定性具备优良的鲁棒性，本申请参照混合H2/H
∞
方法进行基本控制器设计实现对已知故障的鲁棒控制；考虑被控系统具有M种正常工作场景和N种典型故障场景，故基本控制器库中控制器数量为M+N，令Σ
c
＝{Σ
c1
,Σ
c2
,
…
,Σ
c(M+N)
}表示针对特定运行场景所设计的控制器集合，具有
如下一般形式：∑
cj
:式中，j＝1,2,
…
,M+N，x
uj
(t)为控制器引入的中间变量，A
uj
,B
uj
,C
uj
,D
uj
为控制器系统矩阵。3.如权利要求1或2所述的基于逆向行为重构的负荷频率容错控制系统，其特征在于：均方误差MSE定义为重构的参考输入被控系统输出量y'(t)两个变量之间差异程度的一种度量，即MSE这个指数可以从数值上准确表示在信息不确定情况下，不同控制器的控制偏差。4.一种基于逆向行为重构的负荷频率容错控制方法，其步骤如下：针对预计的信息/物理故障，设计对应的控制器以保证故障系统的动态性能，形成基本控制器库，其中，基本控制器库中控制器数量为M+N，令Σ
c
＝{Σ
c1
,Σ
c2
,
…
,Σ
c(M+N)
}表示针对特定运行场景所设计的控制器集合，M是指被控系统具有M种正常工作场景，N是指被控系统具有N种典型故障场景；接收通过传感器采集感知被控系统的运行参数，根据接收的运行参数产生对应的被控系统输出量y'(t)；接收控制中心根据传感器采集感知被控系统的运行参数产生的控制指令u'(t)；根据被控系统输出量y'(t)、控制指令u'(t)以及已有的控制器库Σ
c
，以并行方式逆向重构被控系统的动态行为，并获得重构的参考输入重构的参考输入渐近收敛于理想的参考输入r(t)；将被控系统输出量y'(t)、重构的参考输入做均方根误差计算，以获得性能指标MSE；选择与最小的性能指标MSE对应的控制器投入，从而实现零试错一次性精准投切。5.如权利要求4所述的基于逆向行为重构的负荷频率容错控制方法，其特征在于，“针对预计的信息/物理故障，设计对应的控制器以保证故障系统的动态性能，形成基本控制器库，其中，基本控制器库中控制器数量为M+N，令Σ
c
＝{Σ
c1
,Σ
c2
,
…
,Σ
c(M+N)
}表示针对特定运行场景所设计的控制器集合，M是指被控...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛飞，李宏强，李旭涛，李浩，张迪，杨挺，张爽，田蓓，马鑫，张汉花，任勇，焦龙，杨慧彪，吴玫蓉，韩旭涛，唐子慧，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：