电力参数计算方法的研究与应用毕业论文.doc
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1、电力参数计算方法的研究与应用摘要随着电力系统的快速发展,电力网容量不断增大,结构日趋复杂,电力系统中实时监控、调度的自动化就显得十分重要,而数据采集又是实现自动化的重要环节,尤其是如何准确、快速地采集系统中的各个模拟电量,一直是电力工作者关注的热点。交流采样实时性好、相位失真小、投资少、便于维护,因此越来越受到人们的重视。特别是随着计算机和集成电路技术的发展,交流采样原有的困难如算法复杂、提高精度难、对A/D的速度要求高等已逐步得到克服,所以它呈现出取代直流采样的趋势。为此,本文介绍电力系统中常用的交流采样算法,如:均方根算法,递推最小二乘法,全周波傅里叶算法等等,并分析其特点,以便正确选择其
2、使用场合。并且对FFT算法,小波变换以及近年才引入交流采样算法领域的BP神经网络算法进行较详细的描述和仿真实现。关键词:采样算法;FFT;小波变换;BP神经网络Electrical Power System Computational Method Research and ApplicationAbstractWith the rapid development of electric power system, power grid capacity is continuously increasing, and structure is complicated, electric pow
3、er system in real-time monitoring, dispatching automation becomes very important, and a data acquisition and automation of the important link, especially how to accurately and rapidly acquisition system simulation of all power, has been the focus of electric power workers. Ac sample of good real-tim
4、e performance, phase distortion is small, less investment, easy to maintain, accordingly more and more attention by people. Especially along with the computer and integrated circuit technology development, the ac sample original difficult as complex algorithm and improve precision difficult, the spe
5、ed of the A/D high demand has gradually be overcome, so it presents to replace the trend of the sampling dc. Therefore, this paper introduces the power system commonly used in ac sample algorithm such as root mean square algorithm, recursive least square method, all the ZhouBoFu leaves algorithm and
6、 so on, and analyzes its characteristics, to make the right choice to use the occasion. And in FFT algorithm, wavelet transform and in recent years was introduced into exchanges in the field of sampling algorithms BP neural network algorithm in detail description and simulation. Keywords: Sampling a
7、lgorithms; FFT; Wavelet transform; The BP neural network based目 录摘要IAbstractII1前 言12 国内外电力参数算法现状22.1直流采样算法22.2交流采样的算法22.2.1正弦函数模型算法32.2.1.1 最大值算法32.2.1.2 单点算法32.2.1.3 半周期积分法42.2.1.4 2点采样42.2.2非正弦周期函数算法52.2.2.1 均方根法52.2.2.2 递推最小二乘算法52.2.2.3 全周波付里叶算法62.2.2.4 递推付里叶算法72.2.2.5 人工神经网络算法73 几种主要的电力参数计算方法的详细
8、介绍与实现93.1 FFT算法93.1.2直接计算DFT的问题及FFT思想93.1.3基2按时间抽取(DIT)的FFT算法93.1.4基2按频率抽取(DIF)的FFT算法113.1.5按频率抽取的FFT的特点123.1.6 matlab程序编写133.1.7 程序验证153.2小波变换173.2.1 连续小波变换173.2.2 离散二进小波变换183.2.3 小波变换的信号处理183.3 BP神经网络及其原理203.3.1 BP神经网络定义203.3.2 BP神经网络模型及其基本原理203.3.3 BP神经网络的主要功能213.3.4 BP网络的优点以及局限性213.3.5 BP网络在电力参数
9、采样中的应用223.3.5.1 问题的提出223.3.5.2 基于BP神经网络逼近函数223.3.5.3 不同频率下的逼近效果263.3.5.4 讨论274 结论28参考文献29致谢311前 言目前,我国电力事业得到蓬勃发展,从信息时代向智能时代发展,提出了智能电网概念。从发电、输电、变电、配电到用电等各环节都要实现智能监控,支撑智能电网的运行。为实现这一目标,电力参数的数据采集是必要内容,而其计算方法更是决定数据信息准确可靠的重要因素1。随着电力系统的快速发展,电力网容量不断增大,结构日趋复杂,电力系统中实时监控、调度的自动化就显得十分重要,而数据采集又是实现自动化的重要环节,尤其是如何准确
10、、快速地采集系统中的各个模拟电量,一直是电力工作者关注的热点。随着新型非线性负荷的大量增加,电力系统的电压和电流波形可能发生严重畸变,从而给系统带来大的“电网污染”。电力系统中电网数据的精确采集、数据处理、故障判断已成为电网正确运行的焦点之一。其中,电力参数的精确测量是最为关键的环节,根据这些参数才可判断电网的运行状态、运行质量,乃至于电网中的故障或隐患,因此如何快速、准确地采集和监控各种电力参数显得尤为重要6。所以,在供电系统的设计中,对谐波、负荷电流水平和功率因数等电网参数进行合理的估算,并采取相应的措施(如加设滤波和无功补偿装置)是非常必要的。根据采样信号的不同,可分为直流采样和交流采样
11、2大类。直流采样是把交流电压、电流信号转化为05V的直流电压,这种方法的主要优点是算法简单,便于滤波,但投资较大,维护复杂,无法实现实时信号采集,因而在电力系统中的应用受到限制。交流采样是把交流量转化为5V(或05V)的交流电压进行采集,主要优点是实时性好,相位失真小,投资少、便于维护;其缺点是算法复杂,精度难以提高,对A/D转换速度要求较高。随着微机技术的发展,交流采样以其优异的性能价格比,有逐步取代直流采样的趋势。2 国内外电力参数算法现状近几年来,随着通信技术和计算机技术的发展,通信电源监控系统开始进入实用阶段。监控系统的主要功能是对设备进行监测、控制,而数据采集又是实现这一功能的最重要
12、和最基本的环节,尤其是如何准确快速地采集各个模拟量,一直是人们所关注的问题。根据采样信号的不同,采样方法可分为直流采样和交流采样。2.1直流采样算法直流采样是采集经过变送器整流后的直流量,然后由/转换器送入主机,此方法软件设计简单、计算方便,对采样值只需作一次比例变换,即可得到被测量的数值,具有采样周期短的优点。因此,在监控系统发展初期,这一方法得到了广泛的应用。但直流采样方法存在着以下一些不足8:1)具有较大的时间延迟,难以及时反应被测量的突变,为了提高响应速度,变送器的时间常数必须特殊设计,因而不宜普遍使用;2)变送器测量谐波有误差;3)监控系统的测量精度直接受变送器的精确度和稳定性的影响
13、。鉴于以上原因,近年来交流采样技术得到了迅速的发展。与直流采样相比,交流采样法具有实时性好,相位失真小,便于维护的优点。其原有的一些缺点,比如算法复杂、精度难以提高、对/转换速度要求较高等等,随着微机技术的发展,也逐步得到了弥补。从通信电源监控系统的发展趋势来看,交流采样法正在逐步代替直流采样。2.2交流采样的算法 算法是采样的核心问题之一,而衡量一个算法的优劣的标准主要是精度和速度。对于通信电源监控系统来说,需要监测的量较多,对算法的准确程度要求较高,对于速度一般只要求跟上系统的采样速度即可。交流采样的应用范围非常广泛,根据应用场合不同,其算法也有很多种,按照其模型函数,大致可分为正弦模型算
14、法,非正弦周期模型算法。其中正弦模型算法主要有最大值算法、单点算法、半周期积分法、两点采样等;非正弦模型算法有均方根算法、付里叶算法等,各种算法都有其优缺点,在电力系统中的应用也不相同9。2.2.1正弦函数模型算法2.2.1.1 最大值算法假定正弦量为纯交流量,通过采集最大值即可得到有效值。设u=Um sin(t+u) (2-1)则 (2-2)式中Um同步采样得到的电压最大值。同样I= (2-3)2.2.1.2 单点算法这种算法适用于对称三相正弦电路,在某一时刻同时对三相线电流和线电压采集1点,就可计算出各线电压和线电流有效值、各相有功及无功功率。U= (2-4)其中=t+)+ t+-120)
15、+ t+120) =3-t+2)-COS(2t+2-240 )- COS2*(t+120) = =3 (2-5)同理 I=P=(-)+(-)+(-)Q=(+) (2-6)其中 (-)+(-)+(-)= cos(+30o)-cos(+150o)=3sin(+90o)sin60o=3 cos=9P (2-7) +=cos(-90o)=3 sin=3Q (2-8)2.2.1.3 半周期积分法设u=sint,T= (2-9)则A= (2-10)把积分离散化,有A= (2-11) (2-12)其中N为半周期中采样点数。同理 (2-13)2.2.1.4 2点采样对正弦电压、电流,相差90采2组值。设u=则
16、u1=u2= Um2=2U2 (2-14)又 (2-15)同理 (2-16)2.2.2非正弦周期函数算法2.2.2.1 均方根法 近年来的许多研究和实践表明,均方根法是用于监控系统交流采样的一种较好的方法。其基本思想是依据周期连续函数的有效值定义,将连续函数离散化,从而得出电压、电流的表达式: (2-17) (2-18)式中:N为每个周期均匀采样的点数; ui为第i点的电压采样值;ii为第i点的电流采样值。由连续周期函数的功率定义可得离散表达式为: (2-19)这种算法不仅对正弦波有效,当采样点数多时,还可较准确的测量波形畸变的交流量。但当采样点数太多时,运算时间会明显增长,使响应速度有所下降
17、。 2.2.2.2 递推最小二乘算法 在通信电源的实际运行中,电网存在谐波,同时还会有各种瞬时干扰,如高频开关干扰等,因此在编制交流采样软件时,一般均需与某种滤波算法相配合,才能达到较准确的测量各种正弦与非正弦交流信号的目的。递推最小二乘法是近年来提出来的一种较新的算法,利用这种算法,可以有效的从受干扰污染的输入信号中估计基波电压或基波电流复数振幅的实部和虚部,利用它们对电压、电流的有效值进行计算,同时利用电压相角的变化可以计算出频率30。假设无噪声的输入电压是角频率为w的正弦波电压,则= = (2-20)式中x1= ;x2= 将(4)式用离散时间形式表示为=H(k)X(k) (2-21)于是
18、,相应的递推最小二乘法的估计方程为:测量矩阵 (2-22)增益矩阵 (2-23)误差协方差矩阵P(k+1)=I-k(k+1)H(k+1)P(k) (2-24)递推矩阵的初始值可选为 (2-25)P(0)=C2I式中C2为一充分大的常数,通常取C2=104。在上述递推方程中,增益矩阵、误差协方差矩阵、与采样值无关,可事先求出,所以每次计算时实际上只需计算(6)式。由(6)式求出输入电压复数振幅的实部和虚部的估计值以后,将其变为有效值,分别用UR和UI表示,则输入电压的有效值为 (2-26)输入电流的有效值为 (2-27)2.2.2.3 全周波付里叶算法设u(t)为周期函数,并且满足狄里赫利条件,
19、则U(t)可展开为级数。 ( n= 0 ,1 , 2 , ) ( n= 0 ,1 , 2 , ) (2-28) 离散化有 (2-29)其中N为采样点数,uk为第k次采样值。基波电压幅值 (2-30)2.2.2.4 递推付里叶算法参考全周波付氏算法,可得到递推计算各次谐波实部、虚部的表达式31 (2-31)递推开始时取 u(k-N)=0,当kN时再计及u(k-N),这种方法的计算数据仍是最近 1个周波的。基波电压以及有功功率和无功功率分别表示为U=P=(+)Q=(-) (2-32)2.2.2.5 人工神经网络算法 近年来,人工神经网络技术在电力电子领域获得了蓬勃的发展,在许多方面取得了令人鼓舞的
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