基于卡尔曼滤波的电网频率检测测与预测论文.doc

基于卡尔曼滤波的电网频率检测测与预测毕业论文 目 录 摘 要 I Abstract II 第一章 绪论 2 1.1 课题研究的背景和意义 2 1.2 国内外发展现状 3 第二章 卡尔曼滤波算法的结构特点 5 2.1 卡尔曼滤波的基本思想 5 2.2.1 扩张卡尔曼滤波 6 2.2.2 无迹卡尔曼滤波 8 2.3 卡尔曼滤波器的应用 10 第三章 时变随机信号及其测量过程数学模型的建立 11 3.1 随机信号简介 11 3.2 一维时变随机信号的数学模型 11 3.3 信号测量过程的数学模型 12 第四章 向量卡尔曼滤波和预测的一般方法 14 4.1 标量卡尔曼滤波器的基本内容 14 4.2 最优递归型估计器的构成 16 4.3 标量卡尔曼滤波器的递推算法 17 4.4 标量卡尔曼预测器 18 4.5 向量卡尔曼滤波和预测 20 第五章 基于卡尔曼滤波原理对电网频率进行检测和预测 25 5.1 电力系统状态空间模型 25 5.2 基于扩展卡尔曼滤波的估计实现 27 5.3 数字仿真 29 总 结 30 致 谢 31 参考文献 32 附录 34 第一章 绪论 1.1 课题研究的背景和意义 随着电力电子技术的发展，电力电子装置带来的频率扰动对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响，同时也阻碍了电力电子技术的发展[1]。因此，对电力系统频率问题的研究已被人们逐渐重视。电力电子装置等非线性负载所产生的谐波会引起负载和输电设备的过载、失控和增加损耗，甚至严重危害电网和用电设备的安全。随着电力电子技术在家庭、工业、交通、国防日益广泛的应用，电力电子装置本身功率容量和功率密度的不断增大，电网频率不稳定也日益严重。 频率不稳定危害可以归结为： l)消耗无功与增加线路损耗； 2)引起设备过载、降低设备绝缘等级、加速绝缘老化甚至引起火灾等； 3)降低负载工作性能(如使电机产生附加力矩等)； 4)影响计量准确度，影响继电保护等装置可靠运行； 5)对通信系统和计算机网络产生电磁干扰(EMI)等； 6)引起系统不稳定，危害电网安全运行。 电网频率不稳定已成为许多电子设备与系统现场可靠运行的主要障碍之一，而且还严重阻碍了诸如变频调速等大批高效、节能电力电子技术的推广应用。因此，国内外都在加紧研究频率不稳定的治理方法[2]。近些年，我国也开发了一些电力电子频率实时跟踪装置，但在功能上、实用化方面还不够理想，还存在许多问题： 1)处理功能较差、可扩展存储空间较小、运算速度较慢，难以运用精确严格的算法进行大量的实时数据处理，不满足电力监测实时性的要求； 2)电力系统中最常用微处理器包括51系列和96系列等控制型器件，但随着电力系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高，这些器件在计算能力方面已不能很好地适应电力系统的要求，致使电力系统的高精度测量、实时监控和先进算法的运用受到了限制。 3)有的产品虽然直接引进了国外的技术模块，功能较强，可是价格较高，且不完全适合我国市场； 4)有的产品无通讯和控制输出功能，不满足电力系统网络化、自动化的发展方向； 频率是电力系统是否稳定的重要标志之一，本系统主要针对电力系统中频率进行测量，实时跟踪电网中频率的波动及变化，保证电力系统供电稳定及改善国家电网中电能质量。因此，有必要对电力系统频率检测与控制的研究现状作较为全面的评述，为后续研究提供参考。 1.2 国内外发展现状 频率的正确检测是频率控制的前提。频率检测一般可分为硬件检测和软件检测两类。硬件检测[3-4]主要利用过零比较器或锁相环实现。检测方法几乎不占用处理器时间，但是需要增加硬件侦测电路， 加大了开发成本和系统体积。同时，检测结果还易受谐波和器件零点漂移影响。软件检测[5]是通过某种算法对采样信号进行分析，得出频率信息。软件检测只占用处理器一定时间，无需硬件电路，可节约成本。近年来国内外学者提出了多种电气信号的软件频率检测算法， 分类归纳主要有以下几种。 1）基于正弦信号模型的检测算法 对信号观测模型进行数学变换，将待测量f或Δf表示为样本值的显函数来估计，根据正弦函数的特性，从若干个采样值中计算电气信号频率，如最大值算法、采样值积算法、采样值累计算法、三点频率检测法、Mann-Morrison导数算法和Prodar-70二阶导数算法等[6]。这类算法的优点是原理简单，信号观测时间短，采样点数较少，易于实现，响应速度较快。但这类算法难以考虑谐波、非周期分量和噪声影响，且算法推导有近似化过程，精度总体不高，尤其是在非稳态下频率测量误差较大，适应于测量精度要求不高的应用场合。 2） 傅里叶变换检测算法 傅里叶变换检测算法最常用的是离散傅里叶变换DFT或快速傅里叶变换算法FFT及它们的改进算法。DFT(F