基于卡爾曼濾波的挖泥船電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

鄭泳然，白 明*，葉永強(qiáng)，邱偉成

（廣州航海學(xué)院 船舶工程系，廣州 510725）

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基于卡爾曼濾波的挖泥船電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

鄭泳然，白 明*，葉永強(qiáng)，邱偉成

（廣州航海學(xué)院 船舶工程系，廣州 510725）

摘 要：高次諧波造成挖泥船疏浚生產(chǎn)效率低下、能耗增加、環(huán)境污染惡化，為了疏浚船舶的交貨質(zhì)量及正常使用，必須先對(duì)挖泥船電網(wǎng)諧波進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再對(duì)其進(jìn)行抑制。本文針對(duì)挖泥船電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)的技術(shù)問(wèn)題，結(jié)合挖泥船特定的工況海況，采用卡爾曼濾波（Kalman Filtering，KF）算法，構(gòu)建挖泥船電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有使用效率高、監(jiān)測(cè)精度高、成本低且適用范圍較廣等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：卡爾曼濾波 諧波監(jiān)測(cè) 挖泥船電網(wǎng)

0 引言

近年來(lái)，挖泥船電力系統(tǒng)的電網(wǎng)質(zhì)量多源于負(fù)載側(cè)且呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，多表現(xiàn)在變頻器、整流器等非線性負(fù)載上[1]。例如控制泥泵電機(jī)的變頻器，在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波浪涌及無(wú)功沖擊現(xiàn)象。還有許多電力電子裝置在實(shí)現(xiàn)功率控制和處理的同時(shí)，都不可避免地產(chǎn)生非正弦波形，向挖泥船電網(wǎng)注入諧波電流，使公共連接點(diǎn)的電壓波形嚴(yán)重畸變，對(duì)挖泥船電網(wǎng)的安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成潛在的危險(xiǎn)[2]。對(duì)于挖泥船而言，主要采用3/6/11 kV、（690 V）、380 V兩級(jí)或三級(jí)主供電網(wǎng)絡(luò)，其最大的諧波源是泥泵、鉸刀調(diào)速變頻器，這些變頻器都是直接或通過(guò)中壓變壓器由中壓主電網(wǎng)供電，導(dǎo)致中壓側(cè)諧波源幅值遠(yuǎn)大于低壓側(cè)，中壓側(cè)通過(guò)普通變壓器向低壓側(cè)注入各次諧波，造成低壓電網(wǎng)電壓畸變[3]。

為了挖泥船電網(wǎng)和疏浚工業(yè)所用電氣設(shè)備的安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須確保挖泥船電網(wǎng)諧波滿足國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549-93）[4]的要求，從而必須對(duì)挖泥船電網(wǎng)諧波進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用卡爾曼濾波算法為核心搭建挖泥船的電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，充分考慮到挖泥船電力系統(tǒng)的特殊性以及挖泥船的作業(yè)環(huán)境，能夠適應(yīng)不同工況海況的測(cè)試魯棒性。該系統(tǒng)硬件部分采用基于DSP數(shù)據(jù)采集儀表的PMU單元與挖泥船電網(wǎng)直接通過(guò)電流、電壓互感器相連接，軟件部分采用LabVIEW與MATLAB平臺(tái)混合編程，基本滿足現(xiàn)代疏浚工程低維護(hù)、節(jié)能高效、智能生產(chǎn)、高可靠性以及長(zhǎng)使用壽命等發(fā)展要求。工業(yè)實(shí)驗(yàn)效果表明，基于卡爾曼濾波的挖泥船電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)y(cè)量所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析儲(chǔ)存、最優(yōu)估計(jì)，在挖泥船電網(wǎng)質(zhì)量分析及中壓大功率變頻器高效節(jié)能使用上有廣泛的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，首先由基于DSP數(shù)據(jù)采集儀表的PMU單元與挖泥船電網(wǎng)直接通過(guò)電流、電壓互感器相連接，從而測(cè)量挖泥船電網(wǎng)諧波數(shù)據(jù)；然后通過(guò)ModBus-RTU通訊協(xié)議與挖泥船電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制臺(tái)通信，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)；最后由基于LabVIEW平臺(tái)與MATLAB平臺(tái)混合編程軟件編寫用戶人機(jī)界面（Human Machine Interface，簡(jiǎn)稱HMI）程序、構(gòu)建卡爾曼濾波算法，將測(cè)量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析儲(chǔ)存、最優(yōu)估計(jì)。

整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理（卡爾曼濾波）模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回放模塊組成，對(duì)挖泥船電網(wǎng)諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、處理及記錄回放。

2 卡爾曼濾波算法

在實(shí)際工程中，所采集到的觀測(cè)信號(hào)不僅含有所需原始信號(hào)，還包含隨機(jī)觀測(cè)噪聲和干擾噪聲?？柭鼮V波采用實(shí)時(shí)遞推濾波技術(shù)，便于計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理芯片實(shí)現(xiàn)[5]。該方法對(duì)含有觀測(cè)噪聲和干擾噪聲的實(shí)際觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，提取出實(shí)際需要際觀測(cè)信號(hào)，得到實(shí)際需要的各種系統(tǒng)參量的最佳濾波值。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以挖泥船電網(wǎng)的諧波電壓幅值為狀態(tài)變量，諧波母線電壓作為量測(cè)變量的卡爾曼濾波算法。采用由時(shí)間更新和量測(cè)更新組成卡爾曼濾波算法對(duì)電網(wǎng)諧波含量值進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)；利用卡爾曼算法的遞推性，按線性無(wú)偏最小均方差估計(jì)的基本準(zhǔn)則，對(duì)挖泥船電網(wǎng)基波及諧波幅值做最優(yōu)估計(jì)，由此得出最優(yōu)估計(jì)值。

圖1 挖泥船電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

考慮在狀態(tài)空間描述的原始線性系統(tǒng)：

因?yàn)橥谀啻半娋W(wǎng)同時(shí)有確定性輸入和噪聲序列，所以該系統(tǒng)能夠分解成一個(gè)線性確定性系統(tǒng)和一個(gè)無(wú)輸入線性隨機(jī)系統(tǒng)。線性確定性系統(tǒng)狀態(tài)空間模型如式（2）所示。

無(wú)輸入線性隨機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)空間模型如式（3）所示。

，從而

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證卡爾曼濾波器的性能，本系統(tǒng)應(yīng)用MATLAB平臺(tái)構(gòu)建卡爾曼濾波器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，卡爾曼濾波器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 卡爾曼濾波器的結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)?zāi)M挖泥船AC 690 V電力系統(tǒng)，輸入幅值為975，頻率為50 Hz的正弦信號(hào)，過(guò)程噪聲和量測(cè)噪聲均為幅值是15的白噪聲。仿真實(shí)驗(yàn)THD比較圖如圖3所示，采用卡爾曼算法計(jì)算獲得的THDu值更加接近原始信號(hào)的THDu值。

基于卡爾曼濾波的挖泥船電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng),依托“鐵建絞01號(hào)”絞吸式挖泥船應(yīng)用背景，已經(jīng)研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。結(jié)合工業(yè)實(shí)踐，采用本系統(tǒng)對(duì)“鐵建絞01號(hào)”在珠海試航作業(yè)期間進(jìn)行了三天時(shí)間的電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)。工業(yè)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析儲(chǔ)存、最優(yōu)估計(jì)，成功采集大量相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于卡爾曼濾波的挖泥船電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)的正確性和有效性通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證，并且在工業(yè)實(shí)踐得以證明。本系統(tǒng)使用效率高、監(jiān)測(cè)精度高、成本低且適用范圍較廣，在挖泥船電網(wǎng)質(zhì)量分析及中壓大功率變頻器高效節(jié)能使用上有廣泛的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)探索挖泥船疏浚工業(yè)向節(jié)能高效、挖泥作業(yè)工藝優(yōu)化、人工智能應(yīng)用、大挖深、大排距、低維護(hù)、高可靠性以及長(zhǎng)使用壽命等方向發(fā)展具有價(jià)值。

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)THD比較圖

圖4 工業(yè)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

參考文獻(xiàn)：

[1]趙玉曼.電力系統(tǒng)諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償方法的研究[D].遼寧工業(yè)大學(xué),2014.

[2]肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].中國(guó)電力出版社,2004.

[3]張志強(qiáng),馬守軍,余林剛,船舶綜合電力系統(tǒng)電力諧波標(biāo)準(zhǔn)探討[J].船電技術(shù),2012,32(3):12-15.

[4]GB14529-93 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1993.

[5]付夢(mèng)印,鄧志紅,張繼偉.Kalman濾波理論及其在導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

Power Grid Harmonics Monitoring System Based on Kalman Filtering of A Dredger

Zheng Yongran,Bai Ming,Ye Yongqiang,Qiu Weicheng
(Department of Ship Engineering,Guangzhou Maritime Institute,Guangzhou 510725,China)

Abstract:The high order harmonic results in low production efficiency of dredging,high energy consumption and deterioration of environmental pollution.In order to ensure delivery quality and normal use of dredging ship,the dredger power grid harmonic has to be monitored firstly,and then be suppressed.Aimed at technical questions of dredger power grid harmonic monitoring,and combined with specific working conditions of dredger,Kalman Filtering algorithm is used to construct harmonic monitoring system for the dredger power grid,which has the characteristic of high operation efficiency,high monitoring accuracy,low cost and wide range of application,etc.

Keywords:Kalman filtering; harmonics monitoring; dredger power grid

作者簡(jiǎn)介：鄭泳然（1994-），男，本科生。專業(yè)方向：船舶電氣；白明（1965-），男，教授。研究方向：船舶電氣。

基金項(xiàng)目：黃埔區(qū)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(201237)、2014年度創(chuàng)新強(qiáng)校重大科研項(xiàng)目、2015年度省級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目

收稿日期：2015-11-03

中圖分類號(hào)：U665.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）02-0042-03