基于卡尔曼滤波的挖泥船电网谐波监测系统的研究

郑泳然，白 明*，叶永强，邱伟成

（广州航海学院 船舶工程系，广州 510725）



基于卡尔曼滤波的挖泥船电网谐波监测系统的研究

郑泳然，白 明*，叶永强，邱伟成

（广州航海学院 船舶工程系，广州 510725）

摘 要：高次谐波造成挖泥船疏浚生产效率低下、能耗增加、环境污染恶化，为了疏浚船舶的交货质量及正常使用，必须先对挖泥船电网谐波进行监测，再对其进行抑制。本文针对挖泥船电网谐波监测的技术问题，结合挖泥船特定的工况海况，采用卡尔曼滤波（Kalman Filtering，KF）算法，构建挖泥船电网谐波监测系统，具有使用效率高、监测精度高、成本低且适用范围较广等特点。

关键词：卡尔曼滤波 谐波监测 挖泥船电网

0 引言

近年来，挖泥船电力系统的电网质量多源于负载侧且呈现增长趋势，多表现在变频器、整流器等非线性负载上[1]。例如控制泥泵电机的变频器，在运行时会产生谐波浪涌及无功冲击现象。还有许多电力电子装置在实现功率控制和处理的同时，都不可避免地产生非正弦波形，向挖泥船电网注入谐波电流，使公共连接点的电压波形严重畸变，对挖泥船电网的安全、优质、经济运行构成潜在的危险[2]。对于挖泥船而言，主要采用3/6/11 kV、（690 V）、380 V两级或三级主供电网络，其最大的谐波源是泥泵、铰刀调速变频器，这些变频器都是直接或通过中压变压器由中压主电网供电，导致中压侧谐波源幅值远大于低压侧，中压侧通过普通变压器向低压侧注入各次谐波，造成低压电网电压畸变[3]。

为了挖泥船电网和疏浚工业所用电气设备的安全、优质、经济运行，必须确保挖泥船电网谐波满足国标《电能质量 公用电网谐波》（GB/T 14549-93）[4]的要求，从而必须对挖泥船电网谐波进行监测。采用卡尔曼滤波算法为核心搭建挖泥船的电网谐波监测系统，充分考虑到挖泥船电力系统的特殊性以及挖泥船的作业环境，能够适应不同工况海况的测试鲁棒性。该系统硬件部分采用基于DSP数据采集仪表的PMU单元与挖泥船电网直接通过电流、电压互感器相连接，软件部分采用LabVIEW与MATLAB平台混合编程，基本满足现代疏浚工程低维护、节能高效、智能生产、高可靠性以及长使用寿命等发展要求。工业实验效果表明，基于卡尔曼滤波的挖泥船电网谐波监测系统能够将测量所得到的数据进行实时显示、分析储存、最优估计，在挖泥船电网质量分析及中压大功率变频器高效节能使用上有广泛的社会经济效益。

1 监测系统整体结构

如图1所示，首先由基于DSP数据采集仪表的PMU单元与挖泥船电网直接通过电流、电压互感器相连接，从而测量挖泥船电网谐波数据；然后通过ModBus-RTU通讯协议与挖泥船电网谐波监测系统控制台通信，并将测量数据传送至PC机；最后由基于LabVIEW平台与MATLAB平台混合编程软件编写用户人机界面（Human Machine Interface，简称HMI）程序、构建卡尔曼滤波算法，将测量所得数据进行实时显示、分析储存、最优估计。

整个系统由数据采集模块、数据处理（卡尔曼滤波）模块及数据存储回放模块组成，对挖泥船电网谐波数据进行实时显示、处理及记录回放。

2 卡尔曼滤波算法

在实际工程中，所采集到的观测信号不仅含有所需原始信号，还包含随机观测噪声和干扰噪声。卡尔曼滤波采用实时递推滤波技术，便于计算机和数字信号处理芯片实现[5]。该方法对含有观测噪声和干扰噪声的实际观测信号进行处理，提取出实际需要际观测信号，得到实际需要的各种系统参量的最佳滤波值。

本系统设计以挖泥船电网的谐波电压幅值为状态变量，谐波母线电压作为量测变量的卡尔曼滤波算法。采用由时间更新和量测更新组成卡尔曼滤波算法对电网谐波含量值进行动态估计；利用卡尔曼算法的递推性，按线性无偏最小均方差估计的基本准则，对挖泥船电网基波及谐波幅值做最优估计，由此得出最优估计值。

图1 挖泥船电网谐波监测系统结构框图

考虑在状态空间描述的原始线性系统：

因为挖泥船船舶电网同时有确定性输入和噪声序列，所以该系统能够分解成一个线性确定性系统和一个无输入线性随机系统。线性确定性系统状态空间模型如式（2）所示。

无输入线性随机系统状态空间模型如式（3）所示。

，从而

3 实验结果

为了验证卡尔曼滤波器的性能，本系统应用MATLAB平台构建卡尔曼滤波器进行仿真实验，卡尔曼滤波器的结构如图2所示。

图2 卡尔曼滤波器的结构

实验模拟挖泥船AC 690 V电力系统，输入幅值为975，频率为50 Hz的正弦信号，过程噪声和量测噪声均为幅值是15的白噪声。仿真实验THD比较图如图3所示，采用卡尔曼算法计算获得的THDu值更加接近原始信号的THDu值。

基于卡尔曼滤波的挖泥船电网谐波监测系统,依托“铁建绞01号”绞吸式挖泥船应用背景，已经研制出实验样机。结合工业实践，采用本系统对“铁建绞01号”在珠海试航作业期间进行了三天时间的电网谐波监测。工业实验监测数据如图4所示，可实现对电网谐波数据进行实时显示、分析储存、最优估计，成功采集大量相关数据。

4 结束语

基于卡尔曼滤波的挖泥船电网谐波监测系统，其设计的正确性和有效性通过仿真实验得以验证，并且在工业实践得以证明。本系统使用效率高、监测精度高、成本低且适用范围较广，在挖泥船电网质量分析及中压大功率变频器高效节能使用上有广泛的社会经济效益，对探索挖泥船疏浚工业向节能高效、挖泥作业工艺优化、人工智能应用、大挖深、大排距、低维护、高可靠性以及长使用寿命等方向发展具有价值。

图3 仿真实验THD比较图

图4 工业实验监测数据

参考文献：

[1]赵玉曼.电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究[D].辽宁工业大学,2014.

[2]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].中国电力出版社,2004.

[3]张志强,马守军,余林刚,船舶综合电力系统电力谐波标准探讨[J].船电技术,2012,32(3):12-15.

[4]GB14529-93 电能质量 公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社,1993.

[5]付梦印,邓志红,张继伟.Kalman滤波理论及其在导航系统中的应用[M].北京:科学出版社,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

作者简介：郑泳然（1994-），男，本科生。专业方向：船舶电气；白明（1965-），男，教授。研究方向：船舶电气。

基金项目：黄埔区科技攻关计划项目(201237)、2014年度创新强校重大科研项目、2015年度省级大创项目

收稿日期：2015-11-03

中图分类号：U665.11

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）02-0042-03