（检测技术与自动化装置专业论文）基于hopfield神经网络分次谐波检测方法的研究.pdf

摘要 在我国，尽管谐波检测理论得到了较快的发展，然而，有关分次谐波的检测 技术，却仍是电力系统谐波分析中的一个盲点。电力系统分数谐波是由于负载电 流的幅值、相位或波形发生变化而产生的，广泛存在于生产中，对电力系统的影 响不容忽视。因此，在国内进行关于分次谐波的研究也是非常必要的。 本文在深入分析分次谐波各种检测方法的原理和优缺点的基础上，结合分次 谐波的产生机理及危害，引入了一种新的分次谐波检测方法，即h o p f i e l d 神经网 络分次谐波检测方法。主要包括以下几个方面的内容： 首先，将h o p f i e l d 神经网络理论引入分次谐波的检测之中，推导神经网络结 构中连接权的设置方法，作为分次谐波检测系统建模的依据，建立检测系统。并 将整个系统抽象为一个简单的反馈控制系统，对影响系统动态响应特性的积分参 数的设置方法进行了探讨。 其次，对建立的分次谐波检测系统，引入具体的检测对象，依据检测对象的 特性，设置神经网络模型连接权参数和积分控制参数，通过对系统的仿真结论进 行分析，证明系统的可行性。 最后，为了验证h o p f i e l d 神经网络分次谐波检测方法在硬件实现上的可行 性，本文利用d s pb u i l d e r 软件对3 2 次谐波检测进行硬件设计，并给出了初步 硬件仿真结果，仿真结果表明，h o p f i e l d 神经网络方法用于分次谐波检测，能很 好的满足检测系统快速性和精确度要求，简单易行。 关键词：h o p f i e l d 神经网络分次谐波网络优化d s pb u i l d e r a b s t r a c t i nc h i n a ，d e s p i t et h ed e t e c t i o nt h e o r yo fh a r m o n i cd e v e l o p sr a p i d l y , t h ed e t e c t i o n t e c h n o l o g yo ff r a c t i o n a lh a r m o n i ci s s t i l lab l i n ds p o ti nt h ep o w e rs y s t e m t h e f r a c t i o n a lh a r m o n i ci np o w e rs y s t e mi sg e n e r a t e db yt h ec h a n g eo fc u r r e n t sa m p l i t u d e v a l u e ，p h a s ea n dw a v e f o r m t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c hf r a c t i o n a lh a r m o n i c i no r rc o u n t r y d i f f e r e n tk i n d so fd e t e c t i n gm e t h o d so ff r a c t i o n a lh a r m o n i cw e r ea n a l y z e di nt h i s p a p e r , a n da l s ot h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h em e t h o d s c o m b i n i n gw i t ht h e g e n e r a t i o nm e c h a n i s ma n dt h eh a r m so ff r a c t i o n a lh a r m o n i c ，i ti n t r o d u c e san e w f r a c t i o n a lh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o d t h a ti saf r a c t i o n a lh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o d b a s e do nh o p f i e l dn e u r a ln e t w o r k t 1 1 i sp a p e rp r i m a r i l yi n c l u d e saf e wa s p e c t sa s f o l l o w s ： f i r s t l y , i ti n t r o d u c e sh o p f i e l dn e u r a ln e t w o r kt h e o r yt ot h ed e t e c t i o no ff r a c t i o n a l h a r m o n i c ，a n dd e d u c e st h es e t t i n gm e t h o do fn e u r a ln e t w o r kc o n n e c t i o nw e i g h t so f t h es t r u c t u r e b a s eo nt h o s et oe s t a b l i s ht h ed e t e c t i o ns y s t e m ic h a n g et h ew h o l e s y s t e mt oas i m p l ef e e d b a c kc o n t r o ls y s t e ma n dd i s c u s st h es e t t i n gm e t h o do fi n t e g r a l p a r a m e t e rw h i c ha f f e c t st h ed y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y ，i ti n t r o d u c e sas p e c i f i ct e s to b j e c tt ot h ed e t e c t i o ns y s t e m , a n dt h e ns e t t h ec o n n e c t i o nw e i g h t sp a r a m e t e r sa n di n t e g r a lc o n t r o lp a r a m e t e ro ft h en e t w o r k m o d e la c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs a m p l i n go b j e c t t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h es y s t e m , i tc a l lp r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m f i n a l l y , i no r d e rt ov e r i f y i ti sf e a s i b i l i t yf o rt h eh o p f i e l dn e u r a ln e t w o r k f r a c t i o n a lh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o dt oi m p l e m e n ti nh a r d w a r e n ea r t i c l eu s e sd s p b u i l d e rt o o lt ob u i l dah a r d w a r ed e t e c t i o nm o d e lf o ras e c o n do ft h r e ef r a c t i o n a l h a r m o n i c a n dt h ep a p e ra l s og i v e sap r e l i m i n a r yh a r d w a r es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eh o p f i e l dn e u r a ln e t w o r km e t h o dw h i c hu s e dt od e t e c t 丘a c f i o n a lh a r m o n i cc a ns a t i s f yt h ep r e c i s i o na n ds p e e do fd e t e c t i o ns y s t e mv e r yw e l l m o r e o v e rt h em e t h o di ss i m p l ea n df e a s i b l e k e y w o r d s h o p f i e l dn e u r a ln e t w o r k ，f r a c t i o n a lh a r m o n i c ，n e t w o r ko p t i m i z i n g ， d s pb u i l d e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：黼詹 签字日期： 2 口。9 年 6 月牟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 ，特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 脯唇 签字日期：加。7 年6 月4 日 讧 月曼 工7 名 期 签 日 师 字 导 签 第一章绪论 第一章绪论 随着电力电子技术的飞速发展，各种新型用电设备越来越多的问世和使用， 谐波的影响越来越严重。电力系统受到谐波污染后，轻则影响系统的运行效率， 重则损坏设备以致危害电力系统的安全运行。以前，电力系统考核电能质量的主 要指标是电压的幅值和频率，现在世界各国都把电网电压正谐波行畸变率极限值 作为电能质量考核指标之一，正确认识谐波己成为电力工作者的重要任务之一。 谐波检测是谐波问题中的一个重要分支，对抑制谐波有重要的作用。 随着谐波检测技术研究的逐渐深入，各种关于整数次谐波的研究理论越来越 丰富。但是在产生谐波的过程中也往往伴随着分次谐波的产生，一些传统的谐波 检测方法，往往对瞬间的快速变化的分次谐波的检测无能为力，分次谐波检测方 法上的缺陷越来越显露，如何快速检测出分次谐波从而采取相应的措施消除分次 谐波对各种用电装置的危害，成为分次谐波检测技术上的一大挑战。 1 1 分次谐波概述 1 1 1 谐波标准 美国海军早在2 0 世纪7 0 年代就发现谐波的影响并第一个制定谐波限制标准 u sm i l s t d - 4 6 1 。目前，该标准仍被美国军方广泛使用。国际上召开了多次有 关谐波问题的学术会议。不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和 用电设备谐波的标准和规定。国际大电网会议( c i g i 迮) 和国际电工委员会( i e c ) 成立了专门的工作组，研究制定了限制电力系统谐波和电工产品谐波的标准。目 前已被世界许多国家承认和接受，在欧、美等发达国家已成为强制执行标准。表 1 一l 列出了几种谐波标准及其具体指标内容，便于我们了解谐波的具体哪些量化 数据是我们所关注的【1 1 。 第一章绪论 表1 1 谐波标准 标准 国际谐波标准我国标准通信标准 1 电压总谐波畸变率1 不同谐波源的谐波1 最大电压电话干扰系 2 各次谐波电压含有 叠加计算数 率2 低压电网电压总谐 2 电话谐波波形系数 3 谐波电流的限制值波畸变率允许值3 在接近高压直流线路 具体指标 4 用户注入电网谐波3 1 0 1 1 0 k v 各级电的电话线路的最大允 电流的限制值 网电压总谐波畸变 许对地噪声 率限制 4 离高压直流线路l k m 4 用户注入电网的谐处平行试验线路的最 波电流允许值 大感应噪声强度 5 等效干扰电流 1 1 9 8 8 年：i e c - - 5 5 5 21 1 9 9 3 年： 标准名称 2 1 9 9 5 年：i e c 1 0 0 0 g b 厂r 1 4 5 4 9 9 3 3 2 0 0 0 年：i e c - - 6 1 0 0 0 2 1 9 9 8 年： g b l 7 6 2 5 1 1 9 9 8 从国际大电网会议、国际电工委员会和各国制定的限制电力系统谐波的标准 中可以看出，制定限制谐波标准的共同原则和要求有以下几点： 1 把电力系统中的谐波电压控制在允许范围内； 2 限制谐波源注入电网的谐波电流及其在电网连接点产生的谐波电压； 3 防止谐波对电网发电、供电设备的干扰； 4 保证供电质量； 5 有利于国际经济技术的交流与合作。 目前，对时变谐波的标准制定是较为前沿的领域，有待更多的研究工作。 1 1 2 分次谐波定义 “谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已经奠定 了良好的基础。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的 谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注意。当时在德国，由 于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1 9 4 5 年j c r e a d 发表 的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。到了5 0 年代和6 0 年 代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关交流器引起电力系统谐波问题的 大量论文。7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在 2 第一章绪论 电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。 世界各国都对谐波问题予以充分的关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术 会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标 准和规定。我国1 9 9 3 年经能源部组织制定并经国家技术监督局批准发布了国家 标准g b t1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波，对电网中的电压、电流总畸 变率( t h d ) 及各次谐波含有率均有规定。 从i e c 相关标准及国标的定义来看，通常所说的谐波定义为工频整数倍的频 谱分量，而介于各次谐波之间的分量即工频非整数倍的分量称为间谐波，也称为 分数次谐波。普遍地，将低于工频的间谐波称为次谐波。 将谐波和间谐波定义为在一段频率范围内的准稳态状态下的频谱，给出相应 的简单适用的数学定义如下： 谐波： f = h 宰五 ( h 0 且为整数) 直流：f = 0h z ( h = 0 ，厂= h 宰斤) 间谐波： f = h 幸五 ( h 0 且为分数) 次谐波： 厂= 0h z ，厂 1 时，如下图2 - 6 所示为一含有5 3 次谐波的波形图，y 1 为基波波形， 1 j ，3 是有5 3 次谐波叠加后的波形图。y l = s i n 9 0 t ，y 3 = s i n 9 0 t = s i n l 5 0 t 。 第二章分次谐波分析 图2 - 6 含有5 3 次谐波的波形 如下图2 7 所示为一含有5 3 次谐波的波形图，少1 为基波波形，j ，3 是有3 5 次谐波叠加后的波形图。y l = s i n 9 0 t ，y 3 = s i n 9 0 t + 1 4 s i n 5 4 t 。 鼍 l 图2 7 含有3 5 次谐波的波形 由以上两个波形图可知，当只含有分数次( 一种成分) 谐波时，刀 1 时， 波形以m 倍工频周期为周期。 当波形中含有多种成分的分数次谐波时，如图2 - 8 所示，y l 为基波，y 2 为 谐波。y l = s i n 9 0 t ，y 2 = s i n ( 9 0 t ) + 1 2 s i n ( 9 t ) + 1 4 s i n ( 1 0 r ) 。 1 4 第二章分次谐波分析 图2 8 含有多种成分的分数次谐波的波形图 由图中可知，波形周期为9 0 倍工频周期，即波形周期与工频周期的比值为 所含分数次谐波的次数的分母的乘积。 综上所述，设含有分数次谐波波形的统一表达式为： 少铂血耐+ 喜舢m ( 2 5 ) 若波形周期为t ，工频周期为瓦，则= 垅，m ：朋：胧；：因此含有 甲 上0 分数次谐波的波形，其周期大于工频周期，且为工频周期的整数倍。这一典型特 征可以作为检测是否存在分数次谐波的依据。 2 3 分次谐波的危害 谐波对电力系统的污染日益严重，谐波源的注入使电网谐波电流、谐波电压 增加，其危害波及全网，对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。现将对具 体设备的危害分析如下： i 对电动机的影响 分数次谐波对电动机的噪声以及振动影响非常大，气隙磁通和转子电流次谐 波相互作用而产生的力可分解成多频分量。若力的分量频率和电动机定子的固有 频率在“圆周振型”阶数上耦合较深，就会产生很强的噪声和振动。 第二章分次谐波分析 谐波电流和电压对感应及同步电动机所造成的主要效应为：在谐波频率下， 铁损和铜损的增加会引起电动机的额外温升。这些额外损失将导致电动机效率降 低，并影响转矩。当设备负荷对电动机转矩的变动较敏感时，其扭动转矩的输出 将影响所生产产品的质量。例如：人造纤维纺织业和一些金属加工业。 对于旋转电机设备，与正弦磁化相比，谐波会增加噪音量。像五次和七次这 种谐波源，在发电机或电动机负载系统上，可产生六次谐波频率的机械振动。机 械振动是由扭矩振动引起的，而扭矩振动则由谐波电流和基波频率磁场造成，如 果机械谐振频率与电气励磁频率重合，就会发生共振，进而产生很高的机械应力， 导致机械损坏。 2 对滤波器的影响 由于存在分次谐波，使得原来按照整数次谐波设计的滤波器作用十分有限， 不能消除分次谐波。 对于传统韵谐波补偿装置l c 滤波器，由于其具有结构简单、设备投资少、 运行可靠性较高、运行费用低等优点，至今仍被广泛应用。简单的说，只要将滤 波器的谐振次数定位与需要消除的谐波次数一样，则该次谐波就会大部分流入滤 波器，从而起到滤出该次谐波的目的。对于需要滤除的n 次谐波，即 n c o l o = ；其中n = l ，2 ，3 。 刀巩o 埔微黼潮棚日上m 抵卜高2 去批o ) 一南濮中 l ，、，行彩i ，z 【一i m 、” m = 1 , 2 ，3 ，很明显，传统的l c 滤波器对分次谐波呈容性，不能滤除分次谐 波，且会造成二次侧电压升高，这样反过来又会增大电容器本身的功率损耗，使 温升增大，影响电容器的寿命。 3 对无功补偿装置的影响 在无功补偿装置的实际电路中，为了限制电容支路中的谐波电流和防止电容 器投入时的冲击电流，在电容器支路中，串入一定容量的电抗器。在未装电抗器 时，谐振频率为六= 厂x c x s ； 加装电抗器后，电路满足并联谐振的条件为： n x s = x c n n x ，； 其中： n 一谐波次数，可以为整数与分数； 彳。系统基波阻抗； x ，串入电抗器基波阻抗； 彳，电容器基波阻抗； 1 6 第二章分次谐波分析 则谐振频率为：六= x ci ( x s + x t ) ； 由此分析可知，在电容器支路中串入电抗器后，谐振频率下降。对于整数次 谐波来讲，谐波频率下降越多，谐波放大频率的宽度越窄，这对减小谐波电流的 放大作用是很有效的，但当x ，足够大，谐振频率降至足够低时，对于某一频率 的分数次谐波，就会发生分次谐波谐振，电流会放大很多倍，甚至有烧毁电容器 的危险。 4 对测量仪表的影响 当存在分数次谐波时会造成波形畸变。由于分数次谐波产生的波形畸变，会 因改变电压过零点而易使采样数据或过零工作的数字继电器产生误差，甚至误操 作造成事故，而且还会影响传统谐波测量的结果和准确度，同时，由于其正负半 周幅值的变化，也会使一些计量仪器发生计量误差。如下图2 - 9 所示，是含5 2 倍工频的分次谐波的波形图，其中y = 1 0 0 s i n ( 2 n t ) ，y l = l o o s i n ( 2 n t ) + l o s i n ( s n t ) 。 图2 - 9 含有5 2 倍工频的分次谐波波形图 由上图可见，分次谐波既会使波形过零点偏移，又会使正负半波幅值发生变 化。此外，分数次谐波还会影响电视机图像滚动及其他音频设备的噪声。 5 对功率因数的影响 由于分次谐波引起波形畸变，从而降低负荷的功率因数，增加各种能量的损 耗。 电力电子装置等非线性装置要消耗无功功率，特别是各种相控装置。例如相 控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网 电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，谐波 源都是要消耗无功功率的。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致 1 7 第二章分攻谐波分析 相同，所咀基本不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐渡电流，因此也消 耗一定的无功功率。从而降低功率因素。功率因素的降低势必使线路及变压器的 电压增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量 严重降低。 6 闪变 当分数次谐渡频率接近基被频率时，由于分数次谐波与基波不是同步变化， 闪变就会发生。由于人眼对于在8 h z 频率附近的灯光闲烁较为敏感，如果分数 次谐波与基波的整数倍之间的差值在8 h z 以内所产生的波形的包络线就会以 差值频率波动。人的视觉就会受到严重干扰，造成人的视觉混乱。 如果某信号含有分次谐波为 ，那么该信号波形的包络线就会以l 的频 率波动，其中： ，。2 【，i 一， i ，。：与分次谐渡频率 接近的谐波频率或基波频率，由于人限对于在8 h z 频率附近的灯光闪烁较为敏感，如果分数欢谐波与基波的整数倍之间的差值在 8 h z 以内，人的视觉就会受到严重干扰。如：有一信号s i n ( 2 n 6 0 t ) + ds i n ( 2 n - 1 8 4 t 1 ， 其中口= 0 , 2 ，其被形图如图2 1 0 所示。 图2 10 分次谐波引起的闪变 从上图可以看出，波形包络线明显有4 h z 的波动，即每隔o2 5 s 波动一次。 如果电灯对这一峰值变化敏感的话，就会引起灯光闪烁，造成人的视觉混乱。 7 分次谐波铁磁谐振对铁心电感元件的影响 铁磁体励碰曲线和铁芯( 非线性) 电感元件的伏安特性曲线形状相当， 在铁芯末饱和前，其伏安特性曲线基本为一条直线，在铁芯饱和后，电感下 降，曲线呈非线性。因此，铁磁谐振的原理图可简化为如图2 - 2 所示。 m “ ， 第二章分次谐波分析 假设在初始状态时，c o l 之，此时，不会发生谐振。但当线圈两端电压逐 o j c 1 渐升高时，线圈中出现的励磁涌流会使铁芯饱和，使电感下降，当下降到c o l = 士 o c 时，即会发生串联铁磁谐振。由此得出发生串联铁磁谐振的条件为：在铁芯未饱 和时，m l 七。而由于l 在铁芯饱和后呈非线性，为一变量，因此无固定谐振 纨 1 频率，设工频为c o o ，当满足旦= 妄_ ，n = l ，2 ，3 时，发生分次谐波( 低 n w o c - 刀 于工频) 谐振。而发生分次谐波谐振时，虽然过电压不高，但过电流却非常的大， 可达3 卜5 0 倍，如此高的过电流极易使电感元件损坏。以电压互感器为例，分 次谐波引起的过电流可以导致电压互感器绝缘线圈严重损坏，甚至引起爆炸，严 重影响电力系统的安全稳定运行。 8 对变压器的影响 对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，谐波电压则会增加铁损。 与以纯正基波运行的正弦电流和电压相比，谐波对变压器的整体影响是使温升提 高。须注意的是，这些由谐波所引起的额外损失将与电流和频率的平方成比例上 升，进而导致变压器的基波负载容量下降。而当你为非线性负载选择正确的变压 器额定容量时，应考虑足够的降载因子，以确保变压器温升在允许的范围内。还 应注意的是用户由于谐波所造成的额外损失将按所消耗的能量( 千瓦d , 时) 反 映在电费上，而且谐波也会导致变压器噪声增加。 9 电力电缆 在导体中非正弦波电流所产生的热量与具有相同均方根值的纯正弦波电流 相比，则非正弦波会有较高的热量。该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近 效应所引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应如同 增加导体交流电阻，进而导致额外损耗增加。 1 0 电子设备 电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常需靠电压波形的 过零点或其它电压波形取得同步运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改 变一个相问电压高于另一个相间电压的位置点。这两点对于不同类型的电力电子 电路控制是至关重要的。控制系统对这两点( 电压过零点与电压位置点) 的判断 错误可导致控制系统失控。而电力与通讯线路之间的感性或容性耦合亦可能造成 对通讯设备的干扰。 计算器和一些其它电子设备，如可编程控制器( p l c ) ，通常要求总谐波电 压畸变率( t h d ) 小于5 ，且个别谐波电压畸变率低于3 ，较高的畸变量可 导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断。 1