一种猫群算法优化最小均方根自适应谐波检测方法与流程

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种猫群算法优化最小均方根自适应谐波检测方法。

背景技术：

近年来，电力技术领域中随着大量的非线性电力电子器件的使用，产生的大量谐波严重降低了用户的电能质量和设备运行的稳定性，采取切实有效的谐波补偿方法来解决电网谐波污染问题已经刻不容缓，能够动态补偿谐波的有源电力滤波器(apf)得到了广泛的应用，其中，谐波检测环节作为apf的关键部分，检测的精确性和有效性直接影响了谐波补偿的效果，因此，研究和改进谐波实时检测的算法愈加重要。目前广泛使用的谐波检测方法主要有：基于瞬时无功功率理论、fft理论、小波变换等。这些算法有着共同的特性：频率固定且系统闭环，对电网参数较为敏感，随着自适应滤波器和群体智能算法的发展，自适应滤波算法在谐波检测领域的应用越来越广泛。如最小均方根(lms)算法同时适用于三相系统和单相系统，但lms算法作为使用最广的一种自适应滤波算法，对初始值敏感的缺点尤为明显，导致谐波检测精度较低。

技术实现要素：

为解决现有技术问题，本发明通提供了一种cso-lms联合算法的谐波检测方法，在传统变步长lms谐波检测方法基础上，利用猫群算法(cso)对lms算法的初始值进行寻优，解决了传统lms算法对初始值敏感的问题，大大提高了谐波检测的精确性和实时性，降低了稳态误差。

本发明具体采用以下技术方案：

一种猫群算法优化最小均方根自适应谐波检测方法，包括以下步骤：

s1：电流信号采样：对周期性含谐波的负载电流il(t)进行采样，得到当前采样时刻对应的负载电流il(t)的离散值il(n)；

s2：给定一个输入参考信号其中a为幅值，f为频率，为相位，对应取值范围：-2≤a≤2、48≤f≤52、相应地得到x(t)的离散信号x(n)；

s3：通过lms算法得到基波电流的估计值y(n)，即：y(n)＝x(n)*w^t(n)；其中w(n)为当前采样时刻n的权系数矩阵，取初值w(0)＝0。w^t(n)为矩阵w(n)的转置；

s4：将步骤s1中的采样电流离散值il(n)与步骤s3中基波电流的估计值y(n)取差值，得到当前采样时刻n下的谐波电流ih(n)，也为当前时刻n的误差值e(n)，即：e(n)＝il(n)-y(n)；

s5：更新下一采样时刻的权系数矩阵w(n+1)＝w(n)+2*μ(n)*e(n)*x(n)，其中，μ(n)为当前采样时刻的步长。步长越大，lms算法收敛速度越快，但谐波检测精度越低，因此步长(n)取值如下：当n≤20时，μ(n)＝0.3；当n>20时，μ(n)＝0.01；

s6：引入猫群算法，对lms自适应算法的输入x(n)进行优化，以均方根误差为适应度函数，对x(n)中的三个参数a、f、求取最优值。

进一步的方案是，s5中所述步长越大，lms算法收敛速度越快，但谐波检测精度越低，因此步长(n)取值如下：当n≤20时，μ(n)＝0.3；当n>20时，μ(n)＝0.01。

进一步的方案是，s6包括以下步骤：

步骤1：初始化猫群，设置猫群优化算法的群体大小为n，最大迭代次数为kmax，；分组率mr，随机初始化猫群体位置，并用行向量cx表示；

步骤2：计算种群中所有猫的适应度值fitness，选取并记录种群中适应度最佳的猫；

步骤3：根据mr将猫群随机分组，mr表示执行跟踪模式下的猫的数量在整个猫群中所占的比例，mr一般为一个较小的值，以确保猫群中的大部分猫处于搜寻模式，少数猫处于跟踪模式；

步骤4：搜寻模式：复制猫个体，将复制好的个体存入记忆池smp中，复制猫的个体数由其适应度值的大小决定，适应度值越高，被复制的个体数目相对越多，复制个体的公式为：

式中：ni为第i只猫的复制个体数；nsum为复制的个体总数；fitnessi为第i只猫的适应度；n为猫的初始化群体总数。执行变异算子，即随机在原来的位置上加一个扰动，达到新的位置来代替原来的位置，更新smp，计算smp中所有个体的适应度值；执行选择算子，通过计算smp中适应度值最小的候选点来代替当前猫的位置，完成算法输出参数的更新；

步骤5：跟踪模式：整个猫群经历过的最好的位置，即为目前搜索到的最优解为xbest(n)。每个猫的速度为vi，速度更新公式如下：

vi(n+1)＝vi(n)×w+c×rand×[xbest(n)-vi(n)]

式中vi(n+1)表示更新后第i只猫的速度值；c为常量；rand为[01]之间的随机数。惯性权重w更新公式如下：

其中，k为迭代指标；，kmax为最大迭代数；每个猫的位置更新公式如下：

xi(n+1)＝xi(n)+vi(n+1)

式中xi(n+1)表示位置更新后第i只猫的位置。计算适应度值，用适应度值最小的猫更新最初的猫的位置；

步骤6：记录保留种群中适应度最优的猫；

步骤7：判断是否满足终止条件，若满足则输出最优解，结束程序；否则，重复以上猫群算法流程继续进行寻优迭代处理；

步骤8：将猫群算法寻优得到三个参数幅值a，频率f，相位代入中，得到lms自适应滤波器的最优初始值。

本发明的有益效果：

通过本发明仅需对含谐波的负载电流进行采样可以实现对电流谐波进行检测，无需对电网电压信号进行采样；

引进了猫群算法，解决了传统lms算法对初始值敏感的问题，大大提高了谐波检测的精确性和实时性，降低了稳态误差。对有效治理谐波，提高电能质量具有重大意义。

附图说明

图1为本发明cso-lms算法在谐波检测应用的原理图；

图2为传统lms算法在实验下的负载电流采样值与基波电流估计值；

图3为本发明在实验下的负载电流采样值与基波电流估计值；

图4为本发明算法的迭代曲线；

图5为本发明在实验下的负载谐波电流估计值；

图6为本发明与传统lms算法在试验下负载基波电流估计值对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-6所示，本发明的一个实施例公开了一种猫群算法优化最小均方根自适应谐波检测方法，包括以下步骤：

s1：电流信号采样：对周期性含谐波的负载电流il(t)进行采样，得到当前采样时刻对应的负载电流il(t)的离散值il(n)；

s2：给定一个输入参考信号其中a为幅值，f为频率，为相位，对应取值范围：-2≤a≤2、48≤f≤52、相应地得到x(t)的离散信号x(n)；

s3：通过lms算法得到基波电流的估计值y(n)，即：y(n)＝x(n)*w^t(n)；其中w(n)为当前采样时刻n的权系数矩阵，取初值w(0)＝0。w^t(n)为矩阵w(n)的转置；

s4：将步骤s1中的采样电流离散值il(n)与步骤s3中基波电流的估计值y(n)取差值，得到当前采样时刻n下的谐波电流ih(n)，也为当前时刻n的误差值e(n)，即：e(n)＝il(n)-y(n)；

s5：更新下一采样时刻的权系数矩阵w(n+1)＝w(n)+2*μ(n)*e(n)*x(n)，其中，μ(n)为当前采样时刻的步长。步长越大，lms算法收敛速度越快，但谐波检测精度越低，因此步长(n)取值如下：当n≤20时，μ(n)＝0.3；当n>20时，μ(n)＝0.01；

s6：引入猫群算法，对lms自适应算法的输入x(n)进行优化，以均方根误差为适应度函数，对x(n)中的三个参数a、f、求取最优值。

在本实施例中，s5中所述步长越大，lms算法收敛速度越快，但谐波检测精度越低，因此步长(n)取值如下：当n≤20时，μ(n)＝0.3；当n>20时，μ(n)＝0.01。

在本实施例中，s6包括以下步骤：

步骤1：初始化猫群，设置猫群优化算法的群体大小为n，最大迭代次数为kmax，；分组率mr，随机初始化猫群体位置，并用行向量cx表示；

步骤2：计算种群中所有猫的适应度值fitness，选取并记录种群中适应度最佳的猫；

步骤3：根据mr将猫群随机分组，mr表示执行跟踪模式下的猫的数量在整个猫群中所占的比例，mr一般为一个较小的值，以确保猫群中的大部分猫处于搜寻模式，少数猫处于跟踪模式；

步骤4：搜寻模式：复制猫个体，将复制好的个体存入记忆池smp中，复制猫的个体数由其适应度值的大小决定，适应度值越高，被复制的个体数目相对越多，复制个体的公式为：

式中：ni为第i只猫的复制个体数；nsum为复制的个体总数；fitnessi为第i只猫的适应度；n为猫的初始化群体总数。执行变异算子，即随机在原来的位置上加一个扰动，达到新的位置来代替原来的位置，更新smp，计算smp中所有个体的适应度值；执行选择算子，通过计算smp中适应度值最小的候选点来代替当前猫的位置，完成算法输出参数的更新；

步骤5：跟踪模式：整个猫群经历过的最好的位置，即为目前搜索到的最优解为xbest(n)。每个猫的速度为vi，速度更新公式如下：

vi(n+1)＝vi(n)×w+c×rand×[xbest(n)-vi(n)]

式中vi(n+1)表示更新后第i只猫的速度值；c为常量；rand为[01]之间的随机数。惯性权重w更新公式如下：

其中，k为迭代指标；，kmax为最大迭代数；每个猫的位置更新公式如下：

xi(n+1)＝xi(n)+vi(n+1)

式中xi(n+1)表示位置更新后第i只猫的位置。计算适应度值，用适应度值最小的猫更新最初的猫的位置；

步骤6：记录保留种群中适应度最优的猫；

步骤7：判断是否满足终止条件，若满足则输出最优解，结束程序；否则，重复以上猫群算法流程继续进行寻优迭代处理；

步骤8：将猫群算法寻优得到三个参数幅值a，频率f，相位代入中，得到lms自适应滤波器的最优初始值。

本实施算例中负载电流信号为：

il(t)＝sin(ωt)+0.3sin(3ωt)+0.1sin(5ωt)+0.05sin(7ωt)。采样信号中基波频率f0＝50hz，ω＝2πf0。采样频率为ts＝1k/s，采样点n为300。

算法中参数取值如下：猫群群体大小为m＝10，权重范围:wmax＝0.5,wmin＝0.1,最大迭代次数kmax＝80和分组率mr＝0.3。当n≤20时，步长μ(n)＝0.3；当n>20时，步长μ(n)＝0.01。

采用本发明对谐波进行检测并与传统lms自适应谐波检测进行对比，通过图6所示的实验结果对比可知，本发明相比传统方法对谐波的检测精度更高，算法收敛速度更快。

最后说明的是，以上仅对本发明具体实施例进行详细描述说明。但本发明并不限制于以上描述具体实施例。本领域的技术人员对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本发明范围内。