【正文】 多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測，并且對算法進行仿真分析。上述幾種方法都可以用于電力系統(tǒng)的諧波檢測，但在檢測精度和實時性上都或多或少的有一定的局限性。頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，怎樣減小這些影響是研究的主要任務(wù)，通過選擇適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率和長度，加適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)，或進行插值，盡量將上述影響減到最小。(5)基于傅立葉變換的諧波檢測傅立葉變換是檢測諧波當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種方法，用于檢測基波和整數(shù)次諧波。(4)基于自適應(yīng)理論的諧波檢測Ashton、羅世國等人提出了一種補償電流的自適應(yīng)檢測方法。按 ip、iq 運算方式時，畸變電壓的諧波成分在運算中不出現(xiàn)，因而它在電源電壓畸變情況下也能準(zhǔn)確檢測出諧波電流，而 PQ 法在這種情況下則誤差較大[3]。(2)基于瞬時無功功率理論的諧波檢測日本學(xué)者 年提出了瞬時無功功率理論，以瞬時實功率 P 和瞬時虛功率 Q 的定義為基礎(chǔ)即 PQ 理論[2]。輸入信號經(jīng)放大后送入一組并行連接的濾波器，經(jīng)濾波器濾波后分成各次諧波的數(shù)據(jù)經(jīng)過檢波器檢波，然后送至多路顯示器顯示被測量中所包含的諧波成分及其幅值。一般電網(wǎng)中的諧波頻率為基波頻率的整數(shù)倍，但是有時電網(wǎng)中會出現(xiàn)間諧波和次諧波，間諧波是指頻率介于工頻諧波之間的諧波分量，次諧波則是指頻率低于工頻基波的分量。 諧波概念及檢測指標(biāo)有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在 18 世紀(jì)和 19 世紀(jì)就己經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。電力諧波帶來的嚴(yán)重影響己經(jīng)危害到用電設(shè)備、變電站設(shè)備和電力系統(tǒng)載波通訊。軟件實現(xiàn)以 Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)為平臺，設(shè)計了 Boot loader 程序、底層驅(qū)動程序以及上層應(yīng)用程序。如果能夠確切掌握電網(wǎng)中諧波的實際狀態(tài)，就可以采取相應(yīng)措施避免諧波導(dǎo)致的危害，有利于電網(wǎng)安全運行。隨著電網(wǎng)中大功率非線性負(fù)載的增加，諧波對各種電力設(shè)備、通信設(shè)備及線路產(chǎn)生的有害影響日益加深，成為智能電網(wǎng)建設(shè)的不利因素。根據(jù)仿真分析的結(jié)果，本文設(shè)計了諧波檢測系統(tǒng)實現(xiàn)方案，方案采用嵌入式技術(shù)以瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)，以 S3C2440 處理芯片為硬件核心，并設(shè)計了電源及通信電路、存儲電路、顯示電路以及諧波同步采樣電路。電力諧波已日益成為人們關(guān)注的問題。這些裝置到底需要補償多大的電力諧波，需要進行怎樣的補償配置，以及需要達到何種的補償效果都是以電力諧波檢測分析得到的結(jié)果為依據(jù)的，所以諧波檢測技術(shù)在電能質(zhì)量監(jiān)測以及改善上具有重要作用。諧波頻率與基波頻率的比值稱為諧波次數(shù)。(1)模擬濾波器最早的諧波測量是采用模擬濾波器實現(xiàn)的。對電力元件參數(shù)十分敏感，參數(shù)變化時檢測效果明顯變差，很難獲得理想的幅頻和相頻特性。它們都能準(zhǔn)確的檢測對稱三相電路的諧波值，實時性較好。通過小波變換可以較準(zhǔn)確的求出基波電流，進而求得諧波。但在電壓波形有畸變時，檢測精度無法保證。但是傅立葉變換會產(chǎn)生頻譜混疊。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于諧波測量主要的目的是解決諧波測量的精度和實時性問題，應(yīng)用時主要涉及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、樣本的確定和算法的選擇。 本文主要工作本論文的主要研究工作為：(1)分析比較了當(dāng)前電力系統(tǒng)的諧波問題，確定了本文研究方向和研究內(nèi)容。(5)基于 S3C2440 移植 操作系統(tǒng)，并編寫 Bootloader、底層驅(qū)動及應(yīng)用層軟件，軟件算法采用瞬時無功功率理論的檢測法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有以下特點：(1)可以充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系；(2)所有定量或定性的信息都等勢分布貯存于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各神經(jīng)元，故有很強的魯棒性和容錯性；(3)采用并行分布處理方法，使得大量運算的快速進行成為可能；(4)可學(xué)習(xí)和自適應(yīng)不確定的系統(tǒng)。一個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元模型和結(jié)構(gòu)描述了一個網(wǎng)絡(luò)如何將它的輸入矢量轉(zhuǎn)化為輸出矢量的過程。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用物理器件來模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某些結(jié)果和功能。其中可以是線性的也可以是非線性的[6]。(c)為 Sigmoid函數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元的連接具有一定規(guī)則，并使網(wǎng)絡(luò)中各種神經(jīng)元的連接權(quán)按一定規(guī)則變化，神經(jīng)元之間的連接方式不同，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不同。從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息傳遞方向來分，又可將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為前饋型網(wǎng)絡(luò)和反饋型網(wǎng)絡(luò)。例如，可利用橫向抑制機理把某層內(nèi)具有最大輸出的神經(jīng)元挑選出來，從而抑制其他神經(jīng)元，使之處于無輸出的狀態(tài)。信號進入這種網(wǎng)絡(luò)后，要在神經(jīng)元之間反復(fù)傳遞，網(wǎng)絡(luò)處于一種不斷改變狀態(tài)的動態(tài)之中。每一層神經(jīng)元只接受來自前一層神經(jīng)元的輸入，后面的層對前面層沒有信號反饋。 利用 ANN 檢測諧波 多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MLFNN）作為目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的一個熱點，本課題研究了多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在諧波檢測中的應(yīng)用。MLFNN結(jié)構(gòu)簡單而易于編程，從系統(tǒng)的觀點看，它是靜態(tài)非線性映射，通過簡單非線性處理單元的復(fù)合映射，可獲得復(fù)雜的非線性處理能力。電力系統(tǒng)中非線性負(fù)載產(chǎn)生的非正弦周期電流用傅里葉級數(shù)展開如下： (22)其中系數(shù)： (23) (24) (25) (26)由上式可知諧波的幅值和相位可間接由和來表示，而和是f(t)的非線性函數(shù)，要想建立輸入和輸出間合理的映射關(guān)系，就需要要訓(xùn)練 MLFNN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使得輸入一個周期的采樣值時，網(wǎng)絡(luò)輸出的各次諧波幅值和相位與實際值的誤差總保持在一定范圍內(nèi)，這樣訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可以用來預(yù)測諧波幅值和相位了。在圖 所示的多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)第 q(q=1,2, ,Q)層的神經(jīng)元個數(shù)為，輸入到第 q 層的第 i 個神經(jīng)元的連接權(quán)系數(shù)為。訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)由訓(xùn)練樣本來完成，訓(xùn)練樣本是若干組已知的輸入和輸出序列，每組輸入對應(yīng)一組輸出，對于諧波檢測系統(tǒng)而言，輸入是采樣點值構(gòu)成的向量，輸出則是式(23)和(24)中描述的待測諧波的 A 和 B。所以在實際測量時可以只測量其中的奇次諧波，這樣就可以把訓(xùn)練樣本的范圍縮小。按諧波幅值不會超過基波幅值 50%的原則合理構(gòu)建樣本集。 圖 導(dǎo)入輸入輸出向量圖 是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的 manager 界面，通過 inport 按鈕可以導(dǎo)入生成好的輸入和輸出向量。同樣方法建立輸出層，神經(jīng)元個數(shù)為 2，對應(yīng)式(236)中的和。下面介紹一種新的諧波檢測方法，這種檢測方法不僅實時性好，精度高而且容易利用現(xiàn)有軟硬件技術(shù)實現(xiàn)。對于電網(wǎng)電壓或電流有畸變時，pq 檢測法有很大的誤差，而檢測法能有效地避免電壓畸變和三相電壓不平衡帶來的影響[11]，本文設(shè)計的電網(wǎng)諧波檢測系統(tǒng)就是采用檢測法。即 圖 α β坐標(biāo)系和 abc 坐標(biāo)系位置關(guān)系 的瞬時功率理論定義三相電路瞬時有功電流 和瞬時無功電流 分別為電流合成矢量 i 在電壓合成矢量 e 及其法線上的投影。即： ()結(jié)合式(228)有 (2/30)分解、為直流分量和交流分量得： ()在三相電網(wǎng)電壓對稱無畸變的情況下，對應(yīng)于基波正序有功電流，對應(yīng)于基波正序無功電流，~和~則對應(yīng)于負(fù)序和諧波電流。提取、中的直流分量，經(jīng)過反變換，即可求得電網(wǎng)基波正序分量。clear。Im1=35*sqrt(2)。 % Sampling timet=0:dt:st。(3)C 轉(zhuǎn)換矩陣的實現(xiàn)，從而分離出有功與無功分量。izhiliu=filter(b,a,ip)。(6)的實現(xiàn)iafund=sqrt(2/3)*ialphafund。第一層為原始信號，中間層為基波信號，最后一層為分離出來的諧波成分。本章深入討論了利用瞬時無功功率法進行諧波檢測的原理，通過MATLAB 工具對算法的諧波檢測效果進行仿真分析，得到與傳統(tǒng)的傅立葉變換法相比瞬時無功功率法檢測實時性更好的結(jié)論。 嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)一般具備以下幾個特點：(1)專用性強。例如本文設(shè)計的諧波檢測系統(tǒng)對采樣頻率以及數(shù)據(jù)處理速度的要求就比較高，一般的處理器難以勝任。(3)可裁剪性好。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，從海底機器人到火星車都有嵌入式技術(shù)的存在，對于這些運行環(huán)境復(fù)雜的設(shè)備，可靠性就擺在了第一位，嵌入式技術(shù)是對計算機技術(shù)的一種裁剪，不論是硬件還是軟件上都早已成熟。為了降低系統(tǒng)的功耗，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般不存儲于磁盤等載體中，而是固化在存儲器芯片或單片系統(tǒng)的存儲器之中。本文中的嵌入式系統(tǒng)組成框圖如圖 所示。而現(xiàn)在新一代數(shù)字式諧波監(jiān)測系統(tǒng)不僅要求檢測速度快，而且對人機交互性能、系統(tǒng)平臺的擴展性能也有較高要求，只有采用性能更好的處理芯片才能實現(xiàn)。ARM 即 Advanced RISC Machines 的縮寫，既可以認(rèn)為是一個公司的名字，也可以認(rèn)為是對一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。目前，Motorola、IBM、TI、Philips、VLSI、Atmel 和 Samsung 等幾十家大的半導(dǎo)體公司都獲得了 ARM 公司的授權(quán)。S3C2440A是韓國三星電子公司最近推出的一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC嵌入式微處理器。S3C2440A 片上資源概括如下：Nand Flash 接口、Nor Flash 接口以及 SDRAM 接口。2 通道 SPI、IIC 總線。4 通道 PWM。多功能 IO 及多種電源管理。(3)本系統(tǒng)選用的 ARM 處理器芯片 S3C2440A 集成了 SDRAM 控制邏輯和 NandFlash 控制器，可以實現(xiàn)與片外存儲器的無縫連接，解決了數(shù)據(jù)的大容量存儲問題。常用作主存的存儲器有：SRAM、DRAM 和 SDRAM 等。SDRAM 是 DRAM 的一種，它是同步動態(tài)存儲器，利用一個單一的系統(tǒng)時鐘同步所有的地址數(shù)據(jù)和控制信號。常用的外部存儲器有：Nor Flash、Nand Flash、EPROM 和 PROM 等。S3C2440A 內(nèi)置 STN/ TFT LCD 控制器，為了方便了接口設(shè)計，增強系統(tǒng)整體兼容性，選用三星公司推薦的 256K 色 英寸 TFT 真彩觸摸液晶屏LTV350QVF0E，該液晶屏分辨率為 320240。 圖 顯示及采集方案本系統(tǒng)只檢測 A、B 相的電壓電流，根據(jù)三相對稱關(guān)系可以計算得到 C 相的電壓電流，諧波檢測對 AD 精度及速度都有較高要求，S3C2440 內(nèi)部 AD 不足以滿足，本系統(tǒng)選用 MAX125 芯片作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元的核心。而上層應(yīng)用程序只需通過接口函數(shù)發(fā)送采集命令和數(shù)據(jù)讀取命令，然后調(diào)用諧波分析算法模塊生成結(jié)果，不用考慮和底層硬件相關(guān)的操作。將這三部分程序放在一起的代碼包稱為板級支持包（Board Support Package, BSP）。目前較流行的 EOS 有實時操作系統(tǒng)和分時操作系統(tǒng)兩種：(1)實時操作系統(tǒng)：實時操作系統(tǒng)用于嵌入式工業(yè)控制等對實時性要求較高的領(lǐng)域。Windows CE 操作系統(tǒng)是微軟公司在 2004 年 7 月推出的 Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)系列中的較新版本，它具有以下特點：(1)精簡的模塊化操作系統(tǒng)：一個最小的可運行 WinCE 的內(nèi)核只占用 200KB內(nèi)存。(4)強大的開發(fā)工具：可選擇的開發(fā)工具有 eMbedded Visual C++、VisualStudio 2005 和 Platform Builder 。另外 WINCE 和 Windows 桌面系統(tǒng)的應(yīng)用界面完全一致，對于熟悉 Windows 桌面系統(tǒng)的用戶而言操作起來沒有習(xí)慣上的障礙。要控制諧波采樣信號就需要與底層驅(qū)動交互，主要通過中間接口函數(shù)來實現(xiàn)，在 WINCE 中有種驅(qū)動接口被稱為流驅(qū)動接口，通過流驅(qū)動的接口標(biāo)準(zhǔn)即可實現(xiàn) API函數(shù)調(diào)用，這部分將在第 5 章詳細(xì)說明。 本章小結(jié)本章首先介紹了嵌入式系統(tǒng)的定義、特點以及組成，然后設(shè)計了嵌入式諧波檢測系統(tǒng)的軟硬件方案。所以電源需要提供 和 兩個電壓等級。利用 JTAG 對 Flash 器件的在線編程功能，可以在線下載 Boot Loader 程序到 Nor Flash 芯片。JTAG 最初是用來對芯片進行測試的，基本原理是在器件內(nèi)部定義一個TAP(Test Access Port，測試訪問端口)，通過專用的 JTAG 測試工具對器件內(nèi)部節(jié)點進行測試。TAP(Test Access Port)控制器利用邊界掃描鏈可以實現(xiàn)對芯片的輸入輸出進行觀察和控制。五個引腳的功能分別為：(1)TCK(Test Clock)：輸入移位時鐘，TMS 和 TDI 數(shù)據(jù)在 TCK 的上升沿被采樣，數(shù)據(jù)在時鐘下降沿輸出到 TDO。(5)TDO(Test Data Out)：數(shù)據(jù)輸出。USB HOST 主要用于將諧波檢測歷史數(shù)據(jù)存儲至移動硬盤等具有 USB 通訊接口的存儲設(shè)備中，還可以連接鼠標(biāo)和鍵盤。利用 S3C2440A 的片上 USB 設(shè)備控制器，設(shè)計 USB HOST 和 USB SLAVE 的接口電路如圖 和 所示。而本系統(tǒng)又必須安裝嵌入式操作系統(tǒng)來完成系統(tǒng)軟件的工作。本系統(tǒng)為 S3C2440A 選擇兩片 16 位 32MB 的 SDRAM HY57V561620F 組成 32位的數(shù)據(jù)總線寬，更能獲得容量和速度上的平衡，硬件連接見圖 所示。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，使用 Flash 作為程序存儲器越來越受到歡迎，因為 Flash 具有功耗低、容量大、擦寫速度快等優(yōu)點，是嵌入式系統(tǒng)程序存儲的理想解決方案。圖 中的引腳說明如下：LADDR[1:20]為 20 位地址線，LDATA[0:15]為 16 位數(shù)據(jù)線，20 位地址線可以訪問 1M 個存儲單元，每個存儲單元 16 位。S3C2440A集成有專門的 NAND Flash 控制器，可以實現(xiàn) S3C2440A 與 K9F1208 的無縫連接，電路如圖 所示。