小波包和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶電力系統(tǒng)諧波檢測方法

王 賀，商立群

(1.西安科技大學，陜西 西安 710000；2.亳州交通投資控股集團有限公司，安徽 亳州 236800)

0 引言

從目前船舶智能化、自動化、集成化、大型化的發(fā)展趨勢上來看，船舶上特別是大型船舶上搭載的電力電子器件會越來越多[1]。這為船舶帶來了更好的性能，也使船舶電力系統(tǒng)面臨著更多的問題。

為使船舶電網(wǎng)保持高質(zhì)量電能，電網(wǎng)在相位、頻率、電壓幅值等遇到較大變化時需要迅速恢復(fù)穩(wěn)定。而搭載更多電力電子器件后，船舶電網(wǎng)由于諧波問題在相位、頻率、電壓幅值等方面發(fā)生突變時很難迅速恢復(fù)穩(wěn)定。同時船舶電網(wǎng)諧波還會帶來其他負面影響包括使船舶運行成本增加，降低電網(wǎng)的電能質(zhì)量，降低系統(tǒng)運行效率等[2]?？梢哉f其危害廣泛而深遠，是一個不能忽略的問題。

目前在電力系統(tǒng)諧波檢測問題的研究中，已經(jīng)取得了很豐富的研究成果。陳倩、等[3]提出一種應(yīng)用改進全相位算法與混合卷積窗四譜線插值算法的檢測算法。實驗結(jié)果表明，該算法有著很強的檢測能力，整體檢測精度較高。李金、等[4]以瞬時無功功率為理論基礎(chǔ)完成了諧波檢測，實驗驗證該算法具備有效性。以上方法在船舶電力系統(tǒng)的應(yīng)用中存在檢測誤差大的問題，因此提出一種基于小波包和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶電力系統(tǒng)諧波檢測方法。

1 船舶電力系統(tǒng)諧波檢測方法

1.1 電力系統(tǒng)信號采樣

設(shè)計船舶電力系統(tǒng)信號采樣裝置，實施電力系統(tǒng)電流信號與電壓信號的采樣[5]。信號采樣裝置由微處理器、信號采集板、上位機構(gòu)成。其中微處理器主要用于實現(xiàn)以下功能：與上位機進行通信，信號采樣裝置的控制以及數(shù)據(jù)處理。微處理器的設(shè)計具體如下：由輔助邏輯模塊、邏輯運算器、算術(shù)運算器、算術(shù)邏輯單元ALU、寄存器堆構(gòu)成。輔助邏輯模塊由譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成，其中譯碼器的作用是寫入寄存器堆，選用5 位譯碼器，數(shù)據(jù)選擇器的作用是在多個輸入數(shù)據(jù)中對輸出進行選擇，選用lpm_mux32x32 數(shù)據(jù)選擇器[6]。邏輯運算器由邏輯異或電路、邏輯或非電路、邏輯或電路、邏輯與電路構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)各種邏輯運算操作。算術(shù)運算器的配置情況如圖1 所示。在算術(shù)邏輯單元ALU 的設(shè)計中，需要對ALU 功能進行編碼，在信號采集板上集成電流互感器與電壓互感器。電流互感器的設(shè)計如下：選擇光纖作為電流互感器的傳輸通道，在高壓側(cè)布設(shè)有源電子線路。首先設(shè)置一個傳感器，在其后方設(shè)置一個集成電路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對檢測后的信號實施數(shù)字化處理，并設(shè)置發(fā)光元件對信號實施光電化處理。通過光纖將檢測信號直接傳輸至低電位，并重復(fù)數(shù)字化與光電化操作。最后通過設(shè)置測量裝置與繼電保護對還原的測得數(shù)據(jù)進行接收[7]。電壓互感器的設(shè)計具體如下：選取的鐵芯為矽鋼片，根據(jù)鐵芯的截面積對一次繞組的匝數(shù)與二次繞組的匝數(shù)進行計算，選擇圓形聚脂漆包線進行一次、二次繞組[8]。并為信號采集板配置寄存器堆，共設(shè)置3 個專用寄存器與32 個三十二位通用寄存器。

圖1 算術(shù)運算器的配置情況Fig.1 Configuration of arithmetic arithmetic operator

1.2 信號高頻部分提取

通過小波包算法提取采集的電流信號與電壓信號高頻部分的有效值。高頻部分提取步驟為：

1) 將采樣的電流信號為a(r)，將采樣時間R內(nèi)的電流信號序列用下式表示：

式中，M某正整數(shù)。

2) 用線性加權(quán)的正交小波基函數(shù)和表示電流信號，具體如下式：

3) 電壓信號的高頻部分可以在某一尺度M上用下式表示：

4)用下式表示上式：

則高頻部分有效值可以用下式來表示：

通過同樣的步驟對電壓信號高頻部分有效值進行提取。在電流信號、電壓信號高頻部分有效值中對諧波進行檢測。

1.3 諧波檢測

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)思想設(shè)計Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)諧波檢測器，實現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)諧波檢測。在檢測器中通過主成分分析方法實施Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出優(yōu)化，并改進激勵函數(shù)，降低諧波頻率、相位、幅值的測量誤差。Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)諧波檢測器由4 層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，分別為關(guān)聯(lián)層、輸出層、隱含層、輸入層。其中輸入層負責傳輸電流信號、電壓信號高頻部分有效值；隱含層負責對數(shù)據(jù)進行處理；輸出層負責實施處理數(shù)據(jù)的線性加權(quán)，獲取諧波信號的頻率、相位、幅值；關(guān)聯(lián)層負責對輸出層獲取結(jié)果與理論諧波信號的頻率、相位、幅值的誤差進行計算。當誤差不滿足要求，將輸出層獲取結(jié)果作為權(quán)重對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)進行重新參與。其中隱含層的輸出可以用下式表示：

式中：Fen(u)為u時刻關(guān)聯(lián)層到隱含層實施的諧波信號反饋輸出；Z(·)為隱含層的輸出函數(shù)；S為電流信號高頻部分有效值信號個數(shù)；b為某電流信號高頻部分有效值信號；O1cb(u)為輸入層面向隱含層的權(quán)值矩陣；Qc(u)為信號高頻部分的權(quán)值函數(shù)；K為電壓信號高頻部分有效值信號個數(shù)；l為電流信號高頻部分有效值信號個數(shù)；O2cb(u)為關(guān)聯(lián)層面向隱含層的權(quán)值矩陣。其中Fen(u)的計算公式具體如下：

式中：Fe(u?1)為u?1時刻關(guān)聯(lián)層到隱含層的非線性狀態(tài)差值。

在輸出層中，通過主成分分析方法實施諧波的頻率、相位、幅值的特征提取，用于對Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出進行優(yōu)化。在激勵函數(shù)的改進中，對Sigmoid 激勵函數(shù)進行修正，修正結(jié)果如下：

式中：η為Sigmoid 激勵函數(shù)的自變量；ι為常數(shù)項；κ為可調(diào)偏置參數(shù)；λ為擴大函數(shù)增益；μ為自變量因子；γ為Sigmoid 激勵函數(shù)。

2 仿真測試

2.1 測試數(shù)據(jù)

通過實驗測試小波包和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶電力系統(tǒng)諧波檢測方法的表現(xiàn)性能，驗證該方法的有效性。在實驗中，首先通過設(shè)計的船舶電力系統(tǒng)信號采樣裝置對某船舶的電力系統(tǒng)信號實施采樣。將采樣頻率設(shè)置為3 500 Hz，共對3 000 個點的數(shù)據(jù)進行采樣。采樣的船舶電力系統(tǒng)電流信號與電壓信號數(shù)據(jù)具體如圖2 所示。通過小波包算法提取采樣信號的高頻部分。在提取中，將基波頻率設(shè)為50 Hz?；谔崛〉母哳l部分，通過設(shè)計的Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)諧波檢測器實施實驗船舶電力系統(tǒng)的諧波檢測。在檢測中，首先需要通過一部分實驗數(shù)據(jù)對檢測器進行訓練，接著利用檢測器進行檢測?；跈z測結(jié)果對設(shè)計方法的性能進行測試。在測試中，將文獻[3–4]中提出的算法作為對比方法，分別將其命名為方法1 和方法2，共同進行測試，并對測試結(jié)果進行對比分析，觀察設(shè)計方法的性能表現(xiàn)是否有優(yōu)勢。

圖2 采樣的信號數(shù)據(jù)Fig.2 Sampled signal data

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 檢測誤差測試

首先對設(shè)計方法與方法1 和方法2 的諧波頻率、相位、幅值的檢測誤差進行測試，測試結(jié)果如表1 所示。根據(jù)表1 的誤差測試結(jié)果，設(shè)計方法的平均諧波頻率檢測誤差的區(qū)間均值為0.16Hz，平均諧波相位檢測誤差的區(qū)間均值為0.20°，平均諧波幅值檢測誤差的區(qū)間均值為0.12V；方法1 的3 種區(qū)間均值分別為0.24Hz，0.27°，0.19V；方法2 的3 種區(qū)間均值分別為0.25Hz，0.28°，0.19V。整體來說，設(shè)計方法的3 種區(qū)間均值都更低，說明設(shè)計方法的檢測誤差較低。

表1 檢測誤差測試結(jié)果Tab.1 Test results of detection error

2.2.2 基波突變點延時測試

接著測試3 種方法在基波突變點發(fā)生延時的情況，測試結(jié)果如圖3 所示。結(jié)果表明，設(shè)計方法幾乎實現(xiàn)了基波分離延時問題的克服，整體延時很低，而方法1 和方法2 的基波分離延時比較相近，均大于150 ms，說明設(shè)計方法的檢測效率較高。

圖3 基波分離延時測試結(jié)果Fig.3 Test results of fundamental wave separation delay

3 結(jié)語

船舶電力系統(tǒng)諧波問題與電網(wǎng)諧波問題一樣，一直是電力系統(tǒng)中需要解決的難題。通過對其進行檢測，能夠針對性地解決此問題，設(shè)計小波包和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶電力系統(tǒng)諧波檢測方法，實現(xiàn)了低誤差的諧波檢測，對于船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有重要意義。