基于集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量自動(dòng)識(shí)別

韓慶

摘 要：人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（ANN），是用大量簡(jiǎn)單的計(jì)算處理單元——神經(jīng)元（Neuron）廣泛連接組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。目前，大多數(shù)電能質(zhì)量識(shí)別方法都采用了傅里葉變換，DQ變換，瞬時(shí)無(wú)功功率理論，小波變換及由小波變換擴(kuò)張的S變換進(jìn)行擾動(dòng)檢測(cè)及特征提取，然后采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量擾動(dòng)的自動(dòng)識(shí)別。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和很強(qiáng)的問(wèn)題求解能力，是分類識(shí)別的重要方法。集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，融合單個(gè)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，能有效地提高識(shí)別效率跟正確率。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；最小二乘法；鎖相環(huán)；自識(shí)別

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）25-0017-02

1 概述

隨著工業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)化程度高的用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，任何電能質(zhì)量的問(wèn)題都將導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降及工程作業(yè)的停頓。信息科技的發(fā)展對(duì)電能質(zhì)量及供電可靠性提出了更嚴(yán)苛的要求。電能質(zhì)量一般是指電壓或電流的幅值、頻率、波形等參量偏離規(guī)定值的誤差。本文將以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，加以最小二乘法和改進(jìn)鎖相環(huán)電能監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓，諧波，震蕩及噪聲等多種電能質(zhì)量擾動(dòng)的自動(dòng)識(shí)別。

2 最小二乘加權(quán)融合及改進(jìn)鎖相環(huán)電能質(zhì)量檢測(cè)

集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本思想是通過(guò)信號(hào)的有效組合，用多個(gè)子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從不同的側(cè)面對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，最大限度的提高識(shí)別正確率。

基于改進(jìn)鎖相環(huán)和集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量自動(dòng)識(shí)別，采用多個(gè)不同結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)相同電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)樣本進(jìn)行訓(xùn)練和識(shí)別，然后用最小二乘加權(quán)融合法，對(duì)各個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的分析結(jié)果進(jìn)行信息融合，通過(guò)融合結(jié)果的分析最終識(shí)別電能質(zhì)量擾動(dòng)。

建模步驟

依據(jù)最小二乘原理對(duì)多個(gè)子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出加權(quán)融合，并在最優(yōu)原理下推導(dǎo)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出偏差與權(quán)系數(shù)的關(guān)系，其步驟如下：

根據(jù)新的權(quán)系數(shù)再次進(jìn)行加權(quán)最小二乘估計(jì)，循環(huán)下去，直到滿足循環(huán)結(jié)束條件為止。子網(wǎng)絡(luò)輸出的估計(jì)誤差越大，權(quán)系數(shù)就越小。

3 加權(quán)集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量自動(dòng)識(shí)別

3.1 電能質(zhì)量擾動(dòng)的檢測(cè)和特征提取

通過(guò)METLAB，首先對(duì)擾動(dòng)的定義仿真產(chǎn)生諧波、電壓波動(dòng)、頻率偏差、電壓暫降和電壓凸起、瞬時(shí)脈沖、低頻振蕩、高頻振蕩和噪聲等電能擾動(dòng)信號(hào)檢測(cè)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

采用10個(gè)諧波、10個(gè)低頻振蕩、10個(gè)高頻振蕩、10個(gè)瞬時(shí)脈沖、5個(gè)電壓波動(dòng)、5個(gè)頻率偏差、5個(gè)電壓暫降（電壓凸起）和5個(gè)噪聲。輸入層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)是33個(gè)，采用logsig函數(shù)，輸出層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)是個(gè)，采用purelin函數(shù)。在各子網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)，對(duì)應(yīng)于每種電能質(zhì)量擾動(dòng)輸入，其輸出向量中除了該類型對(duì)應(yīng)分取1，其余分量取0。

3.3 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)測(cè)試樣本由仿真程序產(chǎn)生，同樣采用上述的PLL系統(tǒng)檢測(cè)輸出。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在噪聲輕微的情況下（1%）各個(gè)子網(wǎng)路都能比較好的識(shí)別上述幾種電能擾動(dòng)，單個(gè)子網(wǎng)絡(luò)和集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別結(jié)果區(qū)別較小，下面是包含2%隨機(jī)噪聲的正弦輸入，對(duì)應(yīng)各個(gè)子網(wǎng)絡(luò)和該集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別的仿真計(jì)算結(jié)果：

ANN1=【0.2027 -0.1347 -0.2744 -0.0976 0.1284 -0.2414 -0.4066 1.0353】

ANN2=【0.2016 13377 0.4936 -0.0866 -0.0116 -0.2787 0.3605 0.4940】

ANN3=【-0.2585 0.7724 -0.7873 0.5143 0.1289 -0.4191 -0.4969 0.2651】

ANN4=【0.4006 0.3460 -0.3478 -0.1976 -0.1647 -0.0662 -0.0173 1.1085】

ANN5=【0.3808 -0.5789 0.2530 0.3568 -0.6570 -0.5565 0.3987 0.9629】

ANNtotal=【0.2053 0.3460 -0.2324 0.0062 -0.0631 -0.2852 -0.0173 0.8782】

其中，ANN1、ANN2、ANN3、ANN4、ANN5分別是5個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別輸出結(jié)果，ANNtotal是集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別結(jié)果輸出。

最后，采用包含2%隨機(jī)噪聲的80個(gè)測(cè)試樣本對(duì)于最小二乘加權(quán)融合集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和單個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，識(shí)別結(jié)果對(duì)比如表1所示。

4 結(jié)果分析

新改進(jìn)的鎖相環(huán)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，是檢測(cè)各種暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)的有效途徑。

從集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別輸出結(jié)果看，在識(shí)別2%噪聲擾動(dòng)時(shí)，5個(gè)子網(wǎng)絡(luò)中有兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)誤識(shí)別，他們是ANN2和ANN3，而集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則很安全的識(shí)別出該擾動(dòng)，與產(chǎn)生誤差識(shí)別具有很大的安全間隔空間，即擾動(dòng)對(duì)應(yīng)分量大小相對(duì)于其他分量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，他相對(duì)于另外三個(gè)沒(méi)有發(fā)生誤識(shí)別的子網(wǎng)絡(luò)，具有更好的識(shí)別效果。

從表1可以看出，同單個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別方法相比，上述這種基于最小二乘加權(quán)融合集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量擾動(dòng)自動(dòng)識(shí)別方法，在噪聲較強(qiáng)時(shí)仍然能有效識(shí)別，具有較高的識(shí)別正確率。

5 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用最小二乘加權(quán)融合集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，使得電能質(zhì)量這一重要用電參數(shù)得到有效的檢測(cè)控制。該方法在識(shí)別檢測(cè)結(jié)果中還不能很有效的檢測(cè)諧波結(jié)果，未來(lái)還需要改進(jìn)。

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