基于卡爾曼濾波的挖泥船電網諧波監(jiān)測系統的研究

鄭泳然，白 明*，葉永強，邱偉成

（廣州航海學院 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諧波監(jiān)測系統的研究

鄭泳然，白 明*，葉永強，邱偉成

（廣州航海學院 船舶工程系，廣州 510725）

摘 要：高次諧波造成挖泥船疏浚生產效率低下、能耗增加、環(huán)境污染惡化，為了疏浚船舶的交貨質量及正常使用，必須先對挖泥船電網諧波進行監(jiān)測，再對其進行抑制。本文針對挖泥船電網諧波監(jiān)測的技術問題，結合挖泥船特定的工況海況，采用卡爾曼濾波（Kalman Filtering，KF）算法，構建挖泥船電網諧波監(jiān)測系統，具有使用效率高、監(jiān)測精度高、成本低且適用范圍較廣等特點。

關鍵詞：卡爾曼濾波 諧波監(jiān)測 挖泥船電網

0 引言

近年來，挖泥船電力系統的電網質量多源于負載側且呈現增長趨勢，多表現在變頻器、整流器等非線性負載上[1]。例如控制泥泵電機的變頻器，在運行時會產生諧波浪涌及無功沖擊現象。還有許多電力電子裝置在實現功率控制和處理的同時，都不可避免地產生非正弦波形，向挖泥船電網注入諧波電流，使公共連接點的電壓波形嚴重畸變，對挖泥船電網的安全、優(yōu)質、經濟運行構成潛在的危險[2]。對于挖泥船而言，主要采用3/6/11 kV、（690 V）、380 V兩級或三級主供電網絡，其最大的諧波源是泥泵、鉸刀調速變頻器，這些變頻器都是直接或通過中壓變壓器由中壓主電網供電，導致中壓側諧波源幅值遠大于低壓側，中壓側通過普通變壓器向低壓側注入各次諧波，造成低壓電網電壓畸變[3]。

為了挖泥船電網和疏浚工業(yè)所用電氣設備的安全、優(yōu)質、經濟運行，必須確保挖泥船電網諧波滿足國標《電能質量 公用電網諧波》（GB/T 14549-93）[4]的要求，從而必須對挖泥船電網諧波進行監(jiān)測。采用卡爾曼濾波算法為核心搭建挖泥船的電網諧波監(jiān)測系統，充分考慮到挖泥船電力系統的特殊性以及挖泥船的作業(yè)環(huán)境，能夠適應不同工況海況的測試魯棒性。該系統硬件部分采用基于DSP數據采集儀表的PMU單元與挖泥船電網直接通過電流、電壓互感器相連接，軟件部分采用LabVIEW與MATLAB平臺混合編程，基本滿足現代疏浚工程低維護、節(jié)能高效、智能生產、高可靠性以及長使用壽命等發(fā)展要求。工業(yè)實驗效果表明，基于卡爾曼濾波的挖泥船電網諧波監(jiān)測系統能夠將測量所得到的數據進行實時顯示、分析儲存、最優(yōu)估計，在挖泥船電網質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經濟效益。

1 監(jiān)測系統整體結構

如圖1所示，首先由基于DSP數據采集儀表的PMU單元與挖泥船電網直接通過電流、電壓互感器相連接，從而測量挖泥船電網諧波數據；然后通過ModBus-RTU通訊協議與挖泥船電網諧波監(jiān)測系統控制臺通信，并將測量數據傳送至PC機；最后由基于LabVIEW平臺與MATLAB平臺混合編程軟件編寫用戶人機界面（Human Machine Interface，簡稱HMI）程序、構建卡爾曼濾波算法，將測量所得數據進行實時顯示、分析儲存、最優(yōu)估計。

整個系統由數據采集模塊、數據處理（卡爾曼濾波）模塊及數據存儲回放模塊組成，對挖泥船電網諧波數據進行實時顯示、處理及記錄回放。

2 卡爾曼濾波算法

在實際工程中，所采集到的觀測信號不僅含有所需原始信號，還包含隨機觀測噪聲和干擾噪聲?？柭鼮V波采用實時遞推濾波技術，便于計算機和數字信號處理芯片實現[5]。該方法對含有觀測噪聲和干擾噪聲的實際觀測信號進行處理，提取出實際需要際觀測信號，得到實際需要的各種系統參量的最佳濾波值。

本系統設計以挖泥船電網的諧波電壓幅值為狀態(tài)變量，諧波母線電壓作為量測變量的卡爾曼濾波算法。采用由時間更新和量測更新組成卡爾曼濾波算法對電網諧波含量值進行動態(tài)估計；利用卡爾曼算法的遞推性，按線性無偏最小均方差估計的基本準則，對挖泥船電網基波及諧波幅值做最優(yōu)估計，由此得出最優(yōu)估計值。

圖1 挖泥船電網諧波監(jiān)測系統結構框圖

考慮在狀態(tài)空間描述的原始線性系統：

因為挖泥船船舶電網同時有確定性輸入和噪聲序列，所以該系統能夠分解成一個線性確定性系統和一個無輸入線性隨機系統。線性確定性系統狀態(tài)空間模型如式（2）所示。

無輸入線性隨機系統狀態(tài)空間模型如式（3）所示。

，從而

3 實驗結果

為了驗證卡爾曼濾波器的性能，本系統應用MATLAB平臺構建卡爾曼濾波器進行仿真實驗，卡爾曼濾波器的結構如圖2所示。

圖2 卡爾曼濾波器的結構

實驗模擬挖泥船AC 690 V電力系統，輸入幅值為975，頻率為50 Hz的正弦信號，過程噪聲和量測噪聲均為幅值是15的白噪聲。仿真實驗THD比較圖如圖3所示，采用卡爾曼算法計算獲得的THDu值更加接近原始信號的THDu值。

基于卡爾曼濾波的挖泥船電網諧波監(jiān)測系統,依托“鐵建絞01號”絞吸式挖泥船應用背景，已經研制出實驗樣機。結合工業(yè)實踐，采用本系統對“鐵建絞01號”在珠海試航作業(yè)期間進行了三天時間的電網諧波監(jiān)測。工業(yè)實驗監(jiān)測數據如圖4所示，可實現對電網諧波數據進行實時顯示、分析儲存、最優(yōu)估計，成功采集大量相關數據。

4 結束語

基于卡爾曼濾波的挖泥船電網諧波監(jiān)測系統，其設計的正確性和有效性通過仿真實驗得以驗證，并且在工業(yè)實踐得以證明。本系統使用效率高、監(jiān)測精度高、成本低且適用范圍較廣，在挖泥船電網質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經濟效益，對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、人工智能應用、大挖深、大排距、低維護、高可靠性以及長使用壽命等方向發(fā)展具有價值。

圖3 仿真實驗THD比較圖

圖4 工業(yè)實驗監(jiān)測數據

參考文獻：

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

[2]肖湘寧.電能質量分析與控制[M].中國電力出版社,2004.

[3]張志強,馬守軍,余林剛,船舶綜合電力系統電力諧波標準探討[J].船電技術,2012,32(3):12-15.

[4]GB14529-93 電能質量 公用電網諧波[S].北京：中國標準出版社,1993.

[5]付夢印,鄧志紅,張繼偉.Kalman濾波理論及其在導航系統中的應用[M].北京:科學出版社,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。

基金項目：黃埔區(qū)科技攻關計劃項目(201237)、2014年度創(chuàng)新強校重大科研項目、2015年度省級大創(chuàng)項目

收稿日期：2015-11-03

中圖分類號：U665.11

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）02-0042-03