蚁群算法的广义形态学滤波器优化设计
针对电力系统中信号采集时的随机噪声，研究结构元素宽度与收敛因子对自适应形态学滤波器的影响。本文在众多优化算法的基础上，提出了基于蚁群算法的自适应形态学滤波器，运用蚁群优化算法自动调节自适应算法中的元素宽度和收敛因子，采用Matlab软件进行仿真。结果证明该理论方法不仅保留了瞬时无功功率理论和自适应算法的特点，而且使得滤波精度更高更具有实用性。 M000187
关键词：瞬时无功功率 数学形态学 自适应滤波器 蚁群算法
For signal collection of random noise in the power system, the research structure element width and convergence factor's influence on adaptive morphological filter. Many optimization algorithm is presented in this paper, on the basis of ant colony algorithm is proposed based on adaptive morphological filter, using ant colony optimization algorithm to automatically adjust the width of the elements in the adaptive algorithm and the convergence factor, using Matlab software simulation, the results prove that this method is not only retained the instantaneous reactive power theory and the characteristics of adaptive algorithm, and makes the filtering precision is higher and more practical.
Key words: Instantaneous Reactive Power Mathematical Morphology Adaptive filter Ant Colony Algorithm
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1绪论 1
1.1课题背景及其研究意义 1
1.2国内外研究的现状以及存在的问题 1
1.3本文主要研究的内容 2
2信号变换环节的理论和方法 3
2.1瞬时无功功率理论 3
2.2dq变换的程序设计 4
2.2.1 dq、变换程序设计以及仿真结果 4
2.2.2dq和 逆变换程序以及仿真结果 5
3目前基波提取环节使用的自适应形态学滤波器 6
3.1数学形态学滤波 6
3.1.1数学形态学的基本概念 6
3.1.2 膨胀和腐蚀运算及其程序 6
3.1.3 开运算和闭运算 7
3.2自适应滤波 9
3.3自适应滤波器及其程序设计 11
4蚁群算法对自适应形态学滤波器的改进 15
4.1蚁群算法对本课题的适宜性分析 15
4.1.1蚁群算法概述 15
4.1.2蚁群算法的基本思想 15
4.1.3蚁群算法的特点 15
4.2蚁群算法对自适应形态学滤波器的优化 15
5仿真结果及分析比较 17
5.1自适应形态学滤波器的仿真结果及分析 17
5.2基于智能算法的自适应形态学滤波器的仿真及分析 18
5.3性能比较 19
6总结与展望 23
6.1总结 23
6.2展望 24
参考文献 25
附录 26
附录一：自适应形态学滤波器代码 26
附录二:蚁群算法寻优代码 30
致谢 39
1.1课题背景及其研究意义 查看完整请+Q:351916072获取
现如今随着电子器件被广泛地运用到日常生活中，出现了大量的电流负荷，由于严重的谐波污染使得供电系统的供电质量大为下降。有源电力滤波器（APF）能够较好地抑制电力系统中由于非线性负荷而带来的谐波污染，是一种谐波电流的补偿装置。
现有的谐波电流检测方法主要有带阻选频法，时域分析法，基于快速傅里叶分析法，基于瞬时无功理论方法，基于小波理论方法等尽管这些方法各有特点，但都有难以克服的问题：检测精度不高，特别是没有自适应能力，不能较好地跟踪检测[22]。基于自适应形态学谐波方法是一种性能较好检测精度较高的方法，本文对这种方法进行了验证，但传统意义上的自适应形态学在选取固定的收敛因子而求得的元素宽度往往具有较强随机性没有说服力，本文在自适应形态学滤波器基础之上提出了基于蚁群算法的广义形态学滤波器，结果证明了该理论方法在有源滤波器的谐波检测以及滤除噪声能力方面更精确。
图1.1 Ip、Iq运算方式原理图
在经典滤波理论中采用上图1的滤波原理，三相电流Ia，Ib，Ic通过变换将三相电流转化为两项电流i和i经过变化输出交流分量，再次经过低通滤波器将交流分量滤除输出Ip,Iq的直流分量，最后经过逆变换和dq逆变换求出基波分量，最后将输入的初始电流值与滤波后的值求差即可求得三相电流的谐波分量。
1.2国内外研究的现状以及存在的问题
在这80年滤波器的发展史中，滤波器的基本设计理论方法没有改变，对于像无源滤波器、数字滤波器、有源滤波器以及开关电容滤波器而言，从技术指标要求到实际设计环节的每一步，其都基于前人的基础工作，后人提出的多种优化算法也是建立在前人的经典方法下而进行的优化设计。国内外以三相对称电流为例，经过低通滤波器的变换得出待补偿的电流信号，其原理如图1所示。
三相电流Ia，Ib，Ic通过数字信号变换环节得出瞬时无功功率和瞬时有功功率的直流分量，最后经过低通滤波器和逆变换得出三相电流的基波分量，最后将输入的初始电流值与基波分量求差即得出需要补偿的谐波分量。该经典滤波理论被很多学者借鉴学习，但也发现其存在的问题，即滤波后的结果不稳定，有一定的过渡段。因此后人在借鉴前人的基础之上将滤波方法进行改进，同济大学孙浩云在自适应形态学滤波器在 HAPF 中的应用研究一文中提出了自适应形态学滤波器，自适应广义形态学滤波器通过最小均方算法调整权系数，使得输出信号更加接近理想值，此方法一定意义上优化了滤波效果，但它本质却没有对广义形态学中的瞬时有功功率输出信号和瞬时无功功率输出信号进行调整，不能有效地滤除信号中的负脉冲噪声信号，为了滤除正负脉冲噪声必须经过多次试验才能得出一个相对精度高滤波效果，因此滤波效率比较缓慢；在此基础之上武汉大学的刘盼在改进的自适应广义形态学滤波器中提出了分别对瞬时有功电流和瞬时无功电流进行LMS算法，输出相应的期望相应，求取两个误差值最后将求得的两个表达值y1(n)和y2(n)求和得出最终的广义形态学的输出值，但由于运用了两次LMS算法，因此滤波器在时效性能上却不及孙浩云，因此还是有待改进；提出了基于遗传算法的广义形态学滤波器的优化设计，成功将遗传算法和LMS算法结合调整元素宽度和权系数，该理论研究证实了遗传算法在时效性上超越了改自适应的广义形态学滤波器，但由于该研究是建立在确定的比例因子的基础上得出的结果，所以仍旧存在研究优化的空间。
1.3本文主要研究的内容
（1）理解瞬时无功功率理论的相关内容，编写相应的程序；
（2）理解自适应形态学滤波器的相关内容，编写相应的程序；
（3）理解蚁群算法，并且对蚁群算法进行研究，用蚁群算法对自适应形态学滤波器进行改进。
2信号变换环节的理论和方法
2.1瞬时无功功率理论
三相电路的瞬时无功功率理论最初是由日本教授赤木泰文于1983年提出的，此后该理论经过不断的研究与发展，至今已较为完善。他系统最初提出了pq理论，即定义了瞬时有功功率p与瞬时无功功率q等瞬时功率量，但他并没有对相关的电流量进行定义。为此，后人在此基础上发展了瞬时无功功率理论，提出了瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq等瞬时量；以瞬时无功功率理论为基础，可以得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流的实时检测方法，此理论方法在工程研究中被受广大学者的关注。
本文是以三相对称电流的瞬时无功功率理论以及pq理论为基础，计算出p和q的运算表达式和瞬时有功电流ip、瞬时无功电流iq的运算表达式。但是由于电网电压存在畸变，对p、q的运算方式存在比较大的误差，两者相比之下ip、iq运算表达式的检测结果相对比较准确，因此本文采取ip、iq的运算表达式。
基于瞬时无功功率理论的瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq的运算方式的计算过程如图1.1所示，输入的三相对称电流ia,ib,ic首先经过变换得到两相电流i和i的交流分量，再通过dq变换得到三相电路的瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq。由式（3）可以看出，原来的电流的n次分量经过上述运算后被转化为了（n-1）次的分量，ip、iq经低通滤波器（LPF）转化成了相应电流的直流分量，然后经过dq逆变换和逆变换可以求出三相电流中的基波分量iaf、ibf、icf。最后通过三相电流的初始值与求得的基波分量求差便可计算出待补偿的谐波分量的值。 查看完整请+Q:351916072获取
关键词：瞬时无功功率 数学形态学 自适应滤波器 蚁群算法
For signal collection of random noise in the power system, the research structure element width and convergence factor's influence on adaptive morphological filter. Many optimization algorithm is presented in this paper, on the basis of ant colony algorithm is proposed based on adaptive morphological filter, using ant colony optimization algorithm to automatically adjust the width of the elements in the adaptive algorithm and the convergence factor, using Matlab software simulation, the results prove that this method is not only retained the instantaneous reactive power theory and the characteristics of adaptive algorithm, and makes the filtering precision is higher and more practical.
Key words: Instantaneous Reactive Power Mathematical Morphology Adaptive filter Ant Colony Algorithm
目录 查看完整请+Q:351916072获取
1绪论 1
1.1课题背景及其研究意义 1
1.2国内外研究的现状以及存在的问题 1
1.3本文主要研究的内容 2
2信号变换环节的理论和方法 3
2.1瞬时无功功率理论 3
2.2dq变换的程序设计 4
2.2.1 dq、变换程序设计以及仿真结果 4
2.2.2dq和 逆变换程序以及仿真结果 5
3目前基波提取环节使用的自适应形态学滤波器 6
3.1数学形态学滤波 6
3.1.1数学形态学的基本概念 6
3.1.2 膨胀和腐蚀运算及其程序 6
3.1.3 开运算和闭运算 7
3.2自适应滤波 9
3.3自适应滤波器及其程序设计 11
4蚁群算法对自适应形态学滤波器的改进 15
4.1蚁群算法对本课题的适宜性分析 15
4.1.1蚁群算法概述 15
4.1.2蚁群算法的基本思想 15
4.1.3蚁群算法的特点 15
4.2蚁群算法对自适应形态学滤波器的优化 15
5仿真结果及分析比较 17
5.1自适应形态学滤波器的仿真结果及分析 17
5.2基于智能算法的自适应形态学滤波器的仿真及分析 18
5.3性能比较 19
6总结与展望 23
6.1总结 23
6.2展望 24
参考文献 25
附录 26
附录一：自适应形态学滤波器代码 26
附录二:蚁群算法寻优代码 30
致谢 39
1.1课题背景及其研究意义 查看完整请+Q:351916072获取
现如今随着电子器件被广泛地运用到日常生活中，出现了大量的电流负荷，由于严重的谐波污染使得供电系统的供电质量大为下降。有源电力滤波器（APF）能够较好地抑制电力系统中由于非线性负荷而带来的谐波污染，是一种谐波电流的补偿装置。
现有的谐波电流检测方法主要有带阻选频法，时域分析法，基于快速傅里叶分析法，基于瞬时无功理论方法，基于小波理论方法等尽管这些方法各有特点，但都有难以克服的问题：检测精度不高，特别是没有自适应能力，不能较好地跟踪检测[22]。基于自适应形态学谐波方法是一种性能较好检测精度较高的方法，本文对这种方法进行了验证，但传统意义上的自适应形态学在选取固定的收敛因子而求得的元素宽度往往具有较强随机性没有说服力，本文在自适应形态学滤波器基础之上提出了基于蚁群算法的广义形态学滤波器，结果证明了该理论方法在有源滤波器的谐波检测以及滤除噪声能力方面更精确。
图1.1 Ip、Iq运算方式原理图
在经典滤波理论中采用上图1的滤波原理，三相电流Ia，Ib，Ic通过变换将三相电流转化为两项电流i和i经过变化输出交流分量，再次经过低通滤波器将交流分量滤除输出Ip,Iq的直流分量，最后经过逆变换和dq逆变换求出基波分量，最后将输入的初始电流值与滤波后的值求差即可求得三相电流的谐波分量。
1.2国内外研究的现状以及存在的问题
在这80年滤波器的发展史中，滤波器的基本设计理论方法没有改变，对于像无源滤波器、数字滤波器、有源滤波器以及开关电容滤波器而言，从技术指标要求到实际设计环节的每一步，其都基于前人的基础工作，后人提出的多种优化算法也是建立在前人的经典方法下而进行的优化设计。国内外以三相对称电流为例，经过低通滤波器的变换得出待补偿的电流信号，其原理如图1所示。
三相电流Ia，Ib，Ic通过数字信号变换环节得出瞬时无功功率和瞬时有功功率的直流分量，最后经过低通滤波器和逆变换得出三相电流的基波分量，最后将输入的初始电流值与基波分量求差即得出需要补偿的谐波分量。该经典滤波理论被很多学者借鉴学习，但也发现其存在的问题，即滤波后的结果不稳定，有一定的过渡段。因此后人在借鉴前人的基础之上将滤波方法进行改进，同济大学孙浩云在自适应形态学滤波器在 HAPF 中的应用研究一文中提出了自适应形态学滤波器，自适应广义形态学滤波器通过最小均方算法调整权系数，使得输出信号更加接近理想值，此方法一定意义上优化了滤波效果，但它本质却没有对广义形态学中的瞬时有功功率输出信号和瞬时无功功率输出信号进行调整，不能有效地滤除信号中的负脉冲噪声信号，为了滤除正负脉冲噪声必须经过多次试验才能得出一个相对精度高滤波效果，因此滤波效率比较缓慢；在此基础之上武汉大学的刘盼在改进的自适应广义形态学滤波器中提出了分别对瞬时有功电流和瞬时无功电流进行LMS算法，输出相应的期望相应，求取两个误差值最后将求得的两个表达值y1(n)和y2(n)求和得出最终的广义形态学的输出值，但由于运用了两次LMS算法，因此滤波器在时效性能上却不及孙浩云，因此还是有待改进；提出了基于遗传算法的广义形态学滤波器的优化设计，成功将遗传算法和LMS算法结合调整元素宽度和权系数，该理论研究证实了遗传算法在时效性上超越了改自适应的广义形态学滤波器，但由于该研究是建立在确定的比例因子的基础上得出的结果，所以仍旧存在研究优化的空间。
1.3本文主要研究的内容
（1）理解瞬时无功功率理论的相关内容，编写相应的程序；
（2）理解自适应形态学滤波器的相关内容，编写相应的程序；
（3）理解蚁群算法，并且对蚁群算法进行研究，用蚁群算法对自适应形态学滤波器进行改进。
2信号变换环节的理论和方法
2.1瞬时无功功率理论
三相电路的瞬时无功功率理论最初是由日本教授赤木泰文于1983年提出的，此后该理论经过不断的研究与发展，至今已较为完善。他系统最初提出了pq理论，即定义了瞬时有功功率p与瞬时无功功率q等瞬时功率量，但他并没有对相关的电流量进行定义。为此，后人在此基础上发展了瞬时无功功率理论，提出了瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq等瞬时量；以瞬时无功功率理论为基础，可以得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流的实时检测方法，此理论方法在工程研究中被受广大学者的关注。
本文是以三相对称电流的瞬时无功功率理论以及pq理论为基础，计算出p和q的运算表达式和瞬时有功电流ip、瞬时无功电流iq的运算表达式。但是由于电网电压存在畸变，对p、q的运算方式存在比较大的误差，两者相比之下ip、iq运算表达式的检测结果相对比较准确，因此本文采取ip、iq的运算表达式。
基于瞬时无功功率理论的瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq的运算方式的计算过程如图1.1所示，输入的三相对称电流ia,ib,ic首先经过变换得到两相电流i和i的交流分量，再通过dq变换得到三相电路的瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq。由式（3）可以看出，原来的电流的n次分量经过上述运算后被转化为了（n-1）次的分量，ip、iq经低通滤波器（LPF）转化成了相应电流的直流分量，然后经过dq逆变换和逆变换可以求出三相电流中的基波分量iaf、ibf、icf。最后通过三相电流的初始值与求得的基波分量求差便可计算出待补偿的谐波分量的值。 查看完整请+Q:351916072获取
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