基于改进的神经网络油田配电网谐波预测研究.pdf

控 制 理 论 与 应 用 Con t r ol Th e or y an d Ap p lic a t io n s 自动化技 术与应用2 0 1 3年第 3 2卷第 0 5期 基于改进的神经网络油田配 电网谐波预测研究 吴庆 波 1 。刘德 胜 ( 1 大庆油田有限责任公司， 黑龙江 大庆 1 6 3 0 0 0 ； 2 佳木斯大学信息电子技术学院 ， 黑龙江 佳木斯1 5 4 0 0 7 ) 摘要： 油田配电网网络较大， 用电设备较多， 谐波产生几率较为频繁。 通过对油田配电网谐波规律的分析， 从理论上假设油田配电网 的数学模型， 采用改进的神经网络算法进行建模和预测 ， 最终分析模型的预测能力和误差精度， 根据MAT L AB 仿真， 验证了此 方法的有效性 。 关键词 ： 油 田； 配 电网 ； 谐波 ； 神 经网络 ； 中图分类号： TP 1 8 3 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 3 7 2 4 1 ( 2 0 1 3 ) 0 5 - 0 0 0 1 0 4 O_ l F i e l d Di s t r i b u t i o n Ne t wo r k Ha r mo n i c Pr e d i c t i o n Ba s e d o n t h e I mp r o v e d Ne u r a l Ne t wo r k Re s e a r c h WU Qin g - b o LI U De - s h e n g ( 1 T h e Da q in g Oi lfi e l d Co ， L TD ， Da q i n g 1 6 3 0 0 0 C h in a ； 2 I n f o r ma t i o n El e c t r o n ic I n s tit u t e o f T e c h n o lo g y J ia mu s i Un iv e r s it y , J imu s i 1 5 4 0 0 7 C hi n a ) Abs t r a c t ：Th e o i l fi e ld p o we r n e t wo r k is b ig g e r ， e le c t r ic e q u i p me n t is mo r e c a u s e s ， mo r e f r e q u e n t ha r mo n ic c h a n c e Ba s e d o n t h e a n a ly s i s o f t h e o il fi e ld d i s t r ib u t io n n e t wo r k h a r mo n i c r u l e ， f r o m t h e t h e o r e t ic a l hy p o t h e s is o i lfi e ld d is t r ib u t io n n e t wo r k ， t he ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t he imp r o v e d n e u r a l n e t wo r k a lg o r it h m is us e d f o r mo d e l in g a n d p r e d i c t io n ， f in a l mo d e l p r e d i c t io n a b ilit y a n d e r r o r p r e c is io n a r e a n a ly z e d ，a c c o r d in g t o t h e s imu la t io n o f M ATLAB， a n d t h e v a lid it y o f t h e me t h o d iS v e r if ie d Ke y wo r d s ： o il fi e ld ； d is t r ib u t io n n e t wo r k ； h a r mo n ic ； n e u r a 1 n e t wo r k 1 引言 油田配 电网中大量使用变频 、整流和开关 电源技 术制造的节能设备 ， 特别是变频调速电机、永磁同步电 机 、变频器、高频开关电源等新型节能设备以及非线性 电子设备如节能灯 、计算机和家用 电器等非线性负荷 ， 这些设备在节约能源和提高生产效率的同时 ， 也产生了 大量的电力谐波并注入到电网中， 使供 电质量变坏， 对 电气设备产生极大的危害。 针对谐波的危害 ， 可按照配电网的结构、参数和负 荷情况 ， 通过 电能质量分析 ， 检测系统的谐波参数和谐 波幅值， 并通过计算分析判断电力系统中的电压 电流波 收稿 日期： 2 01 3 0 1 2 8 形畸变是否控制在允许的范围内、并给出预警预报。对 油 田配 电网来说 ， 通过频率扫描 ， 谐波计算可以选择合 适的滤波器 ， 使其对电网的谐波污染控制在标准范围之 内， 并预防谐振事故的发生。 随着我国工业化进程的不断加快 ， 对 电能质量的要 求也越来越高， 然而现实却是越来越严峻，日趋严重的 “ 电力污染”问题不仅对油 田配电网的安全稳定的运行 造成危害， 而且很容易出现某些问题 ， 而造成无法挽回 的巨大经济损失【 。所以， 谐波及其治理将是科研工作 者和企业亟待解决的问题 。 本文首先针对有天油田配 电网的机构特性 ， 建立模 拟的谐波产生规律模型 ， 采用神经网络进行预测预报 ， T e c h n i q u e s o f A I JI o m a t i c， n &A p p I 目 B o n s I 1 自动化技术 与应用 2 0 1 3年第 3 2卷第 0 5期 并通过 MATAL B进行仿真研究。 控 制 理 论 与 应 用 Con t r o l Th e o a nd Ap pli c a t i on s 2 油田配 电网谐波系统模型分析 油田配 电网结构复杂 ，网络系统结构 中谐波成分 很不相同， 畸变波形也是千差万别 ， 收集所有类型的畸 变波形具有很大难度 ， 况且 并不是所有 的畸变波形都 可以用作训练样本的。因此很难从建立一个理论上的 具有一定精度的数学模型 。从对油田配 电网中典型的 非线性负载所产生的畸变波形的研究分析发现 ， 偶次 谐波成分 占得 比重不大 ， 奇次谐波 比重较高且危害很 大 ， 并且从分析 中发现 ， 任奇次谐波的幅值一般情况 下不会超过基波幅值的 5 O ， 谐波次数越高幅值越小 。 因而在实际测量 的时候 ， 我们可 以只需要测量其 中的 奇次谐波。 电力系统 中的一些非正弦周期电流可用傅立叶级 数 展 开 ： i L ( t ) =I l s i n ( t o t +O 1 ) +I 3 s i n ( 3 to t + 0 3 ) ， 1 、 +1 5 s in ( 5 o t +o 5 ) + 假设奇次谐波以一定的幅度逐渐 由0开始递增 ， 但 上限为基波幅度的 5 0 ， 为简化模型， 油田配电网中 5次 和 7次谐波危害严重 ， 因此， 本文假设测量谐波 电流 中 的只存在 5次谐波， 则模型变为 ： i L ( t ) =， l s i n ( o t + ) +1 5 s in ( 5 to t + ) ( 2 ) 式( 2 ) 中， 假设初相角一定的情况下， 为实现 5次谐 波幅值的预测， 首先确定( 2 ) 式中的三个 电流变量 ， 等式 左边总的电流值变量和等式右边的基 波电流值变量为 输入 ， 等式右边的五次谐波 电流值变量为输出， 且其幅 值可以从基数值按比例增加到 5 O 以上。 i 图 1 神经网络模型结构 + 5 次浩波 神 经网络建模的模型如图 l 所示 3， 输入为总的 电流值 和基波 电流值 ， 输入样 本可 以选择 一个 周期 的随机值 ， 输出为 5次谐波的幅值 。隐含层神经元数 量为 8个 ，隐含层 个数要根 据实 际仿真 时的训 练样 本数据 分析情 况进行适 当调整 ， 没有 具体 的确 定方 案 ， 以模型 输 出误差 和神经 网络权值 、 阈值作 为调 整 的依据 。 3 基于神经 网络 的配 电网谐波预 测研 究步 骤 根据油田配电网谐波结构的特点 ， 本文采用 B P神 经网络进行谐波预测 ， 实现步骤如下 4 - 5 】 ： ( 1 ) 数据采集与数据的归一化。 主要包括和油田配 电网谐波预测相关的 电压 、电 流、谐波波次幅值等参数。 ( 2 ) 训练样本、测试样本和校验样本的建立。 ( 3 ) 构建神经网络 ， 以总 电流和基波 电流为输入 ， 以 5次谐波幅值 为输 出， 隐含层选择 8个进行构建神 经 网 络 。 ( 4 ) 指定训练参数进行训练。 ( 5 ) 完成训练后， 就可以调用训练结果 ， 输入测试 数据 ， 进行测试。 ( 6 ) 数据进行反归一化。 ( 7 ) 误差分析。 4 基于 B P神经网络的谐波发生预测 仿真研 究 B P 网络作为一种多层前 向神经 网络 ， 具有相对 比较成熟的理论和算法 ， 是 目前在该领域研究 比较多 的 ANN， 它可以实现从输入到输出的任意非线性 映 射。这种 BP网络可以在油田配 电网系统 中用于对谐 波进行 实时测量 。这 是因为 电网 中的被测量 是 由各 次谐 波和基波所构成 的非正弦周期波形 。实现对谐 波信息的实时测量 ， 首先需要根据实际的情况选择相 应 的网络结构 ， 然后将待测量的采样数据施加在经过 合理 样本充分训 练后的网络 中。因为相角 、幅值 变 化 范围大并且不具有规律 ， 所 以同时改变相 角和幅值 来对 网络训练的话 ， 将会增加网络的负担 ， 因其 同时 负担两种变化的记忆 ， 如此一来 ， 对谐 波测量 的速度 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 3 年 第3 2 卷 第0 5 期 计 算 机 应 用 Compu t er Ap pli c a t io n s 为实验对象 ， 以2 0 0 8 -2 0 1 1 年期间的在计算机相关期刊 上发表的学术论文， 针对计算机不同的领域 ， 选取 3 0 0 篇 文献作为本体库。对采用 On t o lo g y技术前后的检索性 能进行 比较 ， 得到的结果如表 1 、2所示。 表 2 基于传统关键词匹配的检索结果 关键词匹配 的检索 N R a R b P r e c is io I 塌 R e c a l1 语义 W e b 4 7 3 1 7 2 6 6 O 4 3 1 W e b服务 3 6 2 8 5 8 7 7 8 4 8 3 网络 仿真 2 8 1 9 4 6 6 7 9 4 1 3 边缘检测 3 9 2 2 6 8 5 6 4 3 2 4 实验结果表明： 基于 On t o lo g y的文献检索系统返 回符合检索条件 的大量的 、精确的文献资源 ， 包括文 献编号标题作者关键词文献出处 内容 同 引和被同 引等详 细 内容信 息 。本 系统的查全 率与查 准率高于传统的关键词检索的效率 ， 这主要是因为系 统在本体的基础上对检索 关键字进行 了语 义的分析 、 扩展 和推理 。因此将本体技 术应用到文献检索领 域 是 可 行 的 。 5 结束语 结合文献信息的特点 ， 本文提 出了一个新的本体 构建方法 ， 创建了文献领域本体 ， 建立了推理规则 ， 构 建了一个文献领域语义检索系统模型。该模型可以方 便 、快捷的查找出 目标文献 。用户向系统输入检索请 求可 以通过对本体的推理 ， 检索出 目标文献引用 的文 献、引用 目标文献的文献、同引关系和被 同引关系的 文献。最后通过实验 ， 验证了基于本体的文献领域检 索系统的优越性 。 参考文献： 1 】 朱庆生， 邹景华 基于本体论的论文检索 J 】 计算机科学 ， 2 0 0 5 3 2 ( 5 ) ： 1 7 2 -1 7 3 ， 1 7 6 2 】T B E RNE R S L E E ， J HE NDL E R， 0 L a s s i la J 】 T h e S e ma n t i c We b Ne wYo r k： S c i e n t if ic Ame r ic a n ， 2 0 0 1 ： 2 8 4 ( 5 ) ： 3 4 -4 3 3 】Wh a t is a n o n t o lo g y ? C P OL 】 【 2 0 1 1 - 0 2 -1 0 】 h t t p： www-k s 1 s t a n f o r d e d u k s t wh a t - is -a n - o n t o lo g y ht ml 【 4 】 F E NS E L D ONT 0 L O G I E S S i lv e r B u l le t f o r Kn o wl e d g e Ma n a g e me n t a n d E le c t r o n ic C o mme r c e M S t a n f o r d S p fi n g e r 。 2 0 01 ： 5 O 一5 3 【 5 】刘垣， 君忠 本体理论及其在E - L e a r n in g中的应用【 J 】 计算机应用与软件， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 4 ) ： l1 4 -1 1 7 6 】柴留祥 ， 何丰 基于J e n a 及其本体推理的研究 J 】 计算机 技术与发展 ， 2 0 1 1 ， 2 1 ( 1 1 ) ： 1 1 7 -1 1 9 ， 1 2 3 7 】US E H0 L D M On t o lo g ie s p r in c i p le s ， me t h o d s a n d a p p lic a t io n s J 】 Kn o wle d g e E n g i n e e ri n g R e v ie w， 1 9 9 6 ， 6 ( 1