【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 LFNN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有多種算法，本文采用 BP 算法，BP 網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是對(duì)任意非線性映射關(guān)系的一種逼近，神經(jīng)元的變換函數(shù)采用 Sigmoid 函數(shù)，因此輸出量是 0到 1 直接的連續(xù)量，它可實(shí)現(xiàn)從輸入到輸出的任意的非線性映射。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(gè)數(shù)為，輸入到第 q 層的第 i 個(gè)神經(jīng)元的連接權(quán)系數(shù)為。該網(wǎng)絡(luò)的入輸出變化關(guān)系式為：, (27) (28)利用樣本集首先對(duì) BP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，也即對(duì)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)系數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，以使該網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)從而實(shí)現(xiàn)給定的輸入輸出映射關(guān)系。當(dāng)給定不是樣本集內(nèi)的輸入時(shí)，網(wǎng)絡(luò)也能給出正確輸出。BP 網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法如下： () 訓(xùn)練樣本的形成方法在構(gòu)建好神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，各層間傳遞關(guān)系以及所選用的算法后，就可以開(kāi)始對(duì)構(gòu)建好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，最終是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到能夠預(yù)測(cè)諧波的目的。訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)由訓(xùn)練樣本來(lái)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(duì)應(yīng)一組輸出，對(duì)于諧波檢測(cè)系統(tǒng)而言，輸入是采樣點(diǎn)值構(gòu)成的向量，輸出則是式(23)和(24)中描述的待測(cè)諧波的 A 和 B。在形成諧波檢測(cè)系統(tǒng)的訓(xùn)練樣本時(shí)應(yīng)針對(duì)不同的測(cè)量對(duì)象，根據(jù)實(shí)際畸變波形收集訓(xùn)練樣本，但在電力系統(tǒng)中畸變波形千差萬(wàn)別，含有的諧波成分也很不相同，不可能收集到所有類型的畸變波形，而且如果訓(xùn)練樣本過(guò)大，可能會(huì)出現(xiàn)樣本冗余現(xiàn)象，并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)過(guò)擬合。所以，應(yīng)該從理論上合理抽取訓(xùn)練樣本。分析電力系統(tǒng)中典型的非線性負(fù)載所產(chǎn)生的畸變波形可以發(fā)現(xiàn)，諧波在其中占的比重不大，且大多是奇次諧波，特別是整流型非線性負(fù)載，產(chǎn)生諧波的幅值一般不會(huì)超過(guò)基波幅值的 50%，諧波次數(shù)越高幅值越小[9]。所以在實(shí)際測(cè)量時(shí)可以只測(cè)量其中的奇次諧波，這樣就可以把訓(xùn)練樣本的范圍縮小。下面以 5 次諧波為例，說(shuō)明訓(xùn)練樣本的形成方法，首先構(gòu)造含有 5次諧波的電流： ()式中： 基波角頻率, f 電網(wǎng)頻率。一個(gè)工頻周期內(nèi)的采樣次數(shù)為 50 次，采樣周期為 ，即采樣頻率，5 次諧波頻率為 ,滿足采樣定理。由公式(25)和(26)可知5和可以唯一確定 5 次諧波的幅值和相位，所以在訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)將和設(shè)置為輸出，而對(duì)應(yīng)的 50 個(gè)采樣點(diǎn)值則作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。按諧波幅值不會(huì)超過(guò)基波幅值 50%的原則合理構(gòu)建樣本集。即基波幅值取 1， 至 ，步進(jìn) 10%則一共有 121 組，對(duì)應(yīng)的輸入也有 121組。下面利用 MATLAB 工具將形成的樣本集導(dǎo)入 ANN 進(jìn)行訓(xùn)練。 MLFNN 的仿真分析利用 MATLAB 提供的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱(nntool)，可以方便的通過(guò)圖形化界面構(gòu)建自己的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 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(guò) inport 按鈕可以導(dǎo)入生成好的輸入和輸出向量。圖 多層前向網(wǎng)絡(luò) 圖 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)圖 所示界面用于是創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，input ranges 是輸入范圍，Number oflayers 是網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)，number of neurons 是指對(duì)應(yīng)層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)。因?yàn)檩斎雽佑?50 個(gè)值，所以對(duì)應(yīng)隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為 50。傳輸函數(shù)為 S 型。同樣方法建立輸出層，神經(jīng)元個(gè)數(shù)為 2，對(duì)應(yīng)式(236)中的和。創(chuàng)建完畢的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖由圖 可以看出在訓(xùn)練達(dá)到 50 次時(shí)，誤差為，已經(jīng)完全滿足檢測(cè)誤差精度要求。但按上述方法訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只能檢測(cè)特定環(huán)境下的 5 次諧波，如果要檢測(cè)其他環(huán)境下的諧波或者更多次的諧波含量，需要重新構(gòu)建樣本進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只能在和訓(xùn)練樣本采集環(huán)境相同的條件下檢測(cè)，這樣就對(duì)前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用帶來(lái)了不便，因?yàn)橹C波檢測(cè)環(huán)境各有不同，比如有的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到 3 次諧波含量較高，而有的卻不含 3 次諧波。下面介紹一種新的諧波檢測(cè)方法，這種檢測(cè)方法不僅實(shí)時(shí)性好，精度高而且容易利用現(xiàn)有軟硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 圖 學(xué)習(xí)過(guò)程誤差曲線 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法瞬時(shí)無(wú)功功率理論的提出是在 1983 年，主要針對(duì)三相三線制電路諧波的實(shí)時(shí)檢測(cè)，在有源電力濾波器中的應(yīng)用較多[10]，使電力有源濾波理論從實(shí)驗(yàn)室研究走向工業(yè)應(yīng)用，對(duì)治理諧波和研發(fā)無(wú)功補(bǔ)償裝置起到了很大的推動(dòng)作用。該理論最初是以瞬時(shí)實(shí)功率 p 和瞬時(shí)虛功率 q 為基礎(chǔ)提出的，經(jīng)過(guò)發(fā)展完善又補(bǔ)充了瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流等物理量。目前基于該理論的檢測(cè)方法有 pq 檢測(cè)法和檢測(cè)法。對(duì)于電網(wǎng)電壓或電流有畸變時(shí)，pq 檢測(cè)法有很大的誤差，而檢測(cè)法能有效地避免電壓畸變和三相電壓不平衡帶來(lái)的影響[11]，本文設(shè)計(jì)的電網(wǎng)諧波檢測(cè)系統(tǒng)就是采用檢測(cè)法。 基于功率不變條件下的坐標(biāo)變換基礎(chǔ)假設(shè)在某坐標(biāo)系下的電路或系統(tǒng)的電壓和電流相量分別為 u 和 i，在新的坐標(biāo)下，電壓和電流相量變?yōu)?和 ，定義新相量與原相量的坐標(biāo)變換關(guān)系為： ipiq 算法基礎(chǔ)算法是根據(jù) 的瞬時(shí)功率理論推導(dǎo)出來(lái)的[12]。假設(shè)三相電網(wǎng)電壓對(duì)稱無(wú)畸變，三相電路各相電壓的瞬時(shí)值分別為、幅值為 E，各相電流的瞬時(shí)值分別為、通過(guò)三相至兩相的坐標(biāo)變換，把它們變換到αβ坐標(biāo)系中。 () ()，圖中的矢量e、i分別是、和、的合成矢量，因此有： e=+=e (226) i=+=i 的瞬時(shí)功率理論定義三相電路瞬時(shí)有功電流 和瞬時(shí)無(wú)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 圖 α β坐標(biāo)系和 abc 坐標(biāo)系位置關(guān)系 的瞬時(shí)功率理論定義三相電路瞬時(shí)有功電流 和瞬時(shí)無(wú)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 =icos (227)根據(jù)式(224)有 ()式中：電網(wǎng)基波電壓的角頻率。e 電壓矢量的模。定義三相瞬時(shí)無(wú)功功率 q（瞬時(shí)有功功率 p）為電壓矢量 e 的模和三相電路瞬時(shí)無(wú)功電流 (三相電路瞬時(shí)有功電流)的乘積。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(duì)稱無(wú)畸變的情況下，對(duì)應(yīng)于基波正序有功電流，對(duì)應(yīng)于基波正序無(wú)功電流，~和~則對(duì)應(yīng)于負(fù)序和諧波電流。對(duì)、 中不同的電流分量逆變換，且由于，可得：αβ坐標(biāo)系下的負(fù)序和諧波電流：αβ坐標(biāo)系下的負(fù)序和諧波電流： ()αβ坐標(biāo)系下的基波正序有功電流： (αβ坐標(biāo)系下的基波正序無(wú)功電流： ()αβ坐標(biāo)系下的廣義無(wú)功電流： ()再通過(guò)αβ坐標(biāo)到 abc 坐標(biāo)的變換，即可得到對(duì)應(yīng)的三相電網(wǎng)電流分量： ()綜合式(224)和式(230)，可得： ()綜合式和式(236)，可得： ()基于 的瞬時(shí)功率理論的算法是在假設(shè)電網(wǎng)電壓為對(duì)稱正弦波的條件下推導(dǎo)出來(lái)的[13]，實(shí)際上，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不對(duì)稱或發(fā)生畸變的情況下，采取一定的措施，算法同樣可準(zhǔn)確地檢測(cè)出不同的諧波分量。 任意次諧波的檢測(cè)常規(guī)法計(jì)算的是電流矢量i在三相電網(wǎng)基波正序電壓合成矢量e1及其法線上的投影。在αβ坐標(biāo)系中，只有基波正序分量和 是同步旋轉(zhuǎn)的，處于相對(duì)靜止的狀態(tài)，而其他所有的分量相對(duì)于 均是動(dòng)態(tài)的，因此，只有基波正序分量在e1及其法線上的投影是常量，其他分量在 及其法線上的投影均是交變的。提取、中的直流分量，經(jīng)過(guò)反變換，即可求得電網(wǎng)基波正序分量。根據(jù)上述原則，若欲檢測(cè)某次諧波分量，參考電壓矢量選為 k 次諧波電壓合成矢量即可，此時(shí)的 pq變換及其逆變換變?yōu)椋? () ()當(dāng) k=1 時(shí)，檢測(cè)結(jié)果即為基波正序電流分量。 瞬時(shí)無(wú)功功率法的仿真分析在 MATLAB 平臺(tái)下的仿真設(shè)計(jì)，建立 M 文件輸入代碼，進(jìn)行仿真。(1)原始信號(hào)輸入序列構(gòu)建：構(gòu)建三相電流信號(hào)，代碼如下，三相電流中包含了三次和五次諧波，Im 表示幅值。clear。st=。 % stop timef=。w=2*f*pi。Im1=35*sqrt(2)。Im3=*sqrt(2)。Im5=*sqrt(2)。dt=1/6400。 % Sampling timet=0:dt:st。ia=Im1*sin(w*t)+Im3*sin(3*w*t)+Im5*sin(5*w*t)。ib=Im1*sin(w*t2*pi/3)+Im3*sin(3*w*t+2*pi/3)+Im5*sin(5*w*t+2*pi/3)ic=Im1*sin(w*t+2*pi/3)+Im3*sin(3*w*t2*pi/3)+Im5*sin(5*w*t2*pi/3)(2)轉(zhuǎn)換矩陣的實(shí)現(xiàn)ialpha=sqrt(2/3)*(ia1/2*ib1/2*ic)。ibeta=sqrt(2/3)*(sqrt(3)/2*ibsqrt(3)/2*ic)。(3)C 轉(zhuǎn)換矩陣的實(shí)現(xiàn)，從而分離出有功與無(wú)功分量。ip=sin(w*t).*ialphacos(w*t).*ibeta。iq=cos(w*t).*ialphasin(w*t).*ibeta。(4)利用之前構(gòu)建好的濾波器得到直流分量，其中 a b 參數(shù)需根據(jù) IIR 階數(shù)計(jì)算得到。izhiliu=filter(b,a,ip)。iwugong=filter(b,a,iq)。(4) 的實(shí)現(xiàn)ialphafund=sin(w*t).*izhiliucos(w*t).*iwugong。ibetafund=cos(w*t).*izhiliusin(w*t).*iwugong。(6)的實(shí)現(xiàn)iafund=sqrt(2/3)*ialphafund。ibfund=sqrt(2/3)*(1/2*ialphafund+sqrt(3)/2*ibetafund)。icfund=sqrt(2/3)*(1/2*ialphafundsqrt(3)/2*ibetafund)。(7)用 figure 函數(shù)繪制結(jié)果。第一層為原始信號(hào)，中間層為基波信號(hào)，最后一層為分離出來(lái)的諧波成分。 圖 瞬時(shí)無(wú)功功率法仿真結(jié)果由圖 的仿真結(jié)果可以看出，在含有 3 次和 5 次的諧波信號(hào)里，采用的法可以很快的分離出諧波和基波成分，延遲大約為一個(gè)工頻周期（），而采用傅立葉分析方法進(jìn)行諧波檢測(cè)時(shí)，首先要采集一個(gè)信號(hào)周期的電流值，才能進(jìn)行計(jì)算，而且計(jì)算量很大，運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)，遠(yuǎn)超過(guò) ?？梢?jiàn)基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)方法具有實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于有源電力濾波器等對(duì)諧波檢測(cè)速度要求較高的治理裝置也具有一定意義。 本章小結(jié)本章闡述了前向型神經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本的形成方法，并結(jié)合 MATLAB 工具構(gòu)建三層前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后用訓(xùn)練樣本對(duì)其訓(xùn)練，分析訓(xùn)練結(jié)果。本章深入討論了利用瞬時(shí)無(wú)功功率法進(jìn)行諧波檢測(cè)的原理，通過(guò)MATLAB 工具對(duì)算法的諧波檢測(cè)效果進(jìn)行仿真分析，得到與傳統(tǒng)的傅立葉變換法相比瞬時(shí)無(wú)功功率法檢測(cè)實(shí)時(shí)性更好的結(jié)論。第 3 章 基于嵌入式系統(tǒng)的諧波檢測(cè) 嵌入式系統(tǒng)概述本課題基于嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)諧波的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，下面介紹嵌入式系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)及其組成。 嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)(Embedded system)，是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，根據(jù)英國(guó)電器工程師協(xié)會(huì)(. Institution ofElectrical Engineer)的定義[14]，嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”(devices used to control, monitor, or assist the operationof equipment, machinery or plants)。即與個(gè)人計(jì)算機(jī)這樣的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的任務(wù)。 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)一般具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)專用性強(qiáng)。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，他的開(kāi)發(fā)往往是在確定應(yīng)用領(lǐng)域和功能之后進(jìn)行的，所以具有一定的專用性。(2)實(shí)時(shí)性好。目前，嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、傳輸通信等場(chǎng)合，主要用來(lái)對(duì)宿主對(duì)象進(jìn)行控制，所以都有或多或少的實(shí)時(shí)性要求。例如本文設(shè)計(jì)的諧波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)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。也正因?yàn)檫@種需求