基于EKF和UKF的風(fēng)電機(jī)組非線性狀態(tài)預(yù)測

基于EKF和UKF的風(fēng)電機(jī)組非線性狀態(tài)預(yù)測概述

風(fēng)電機(jī)組是重要的可再生能源發(fā)電設(shè)備，其非線性狀態(tài)預(yù)測對于發(fā)電效率的提高具有重要意義。而基于擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）和無跡卡爾曼濾波（UKF）算法的非線性狀態(tài)預(yù)測是目前應(yīng)用最廣泛的方法之一。本文將以風(fēng)電機(jī)組為研究對象，探討EKF和UKF兩種算法在非線性狀態(tài)預(yù)測方面的應(yīng)用。

一、風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測概述

風(fēng)電機(jī)組是一種復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其受到瞬時(shí)風(fēng)速的影響，會(huì)導(dǎo)致其機(jī)械負(fù)載、電力負(fù)載、電網(wǎng)電壓等狀態(tài)的變化。因此，風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測對于實(shí)現(xiàn)控制、管理及優(yōu)化具有非常重要的意義。通常，風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測包括多個(gè)狀態(tài)變量，例如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電路電感和電容等，這些狀態(tài)變量相互作用，形成非線性耦合的系統(tǒng)，使得狀態(tài)預(yù)測變得困難。

二、EKF算法在風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測中的應(yīng)用

EKF算法是一種基于卡爾曼濾波的擴(kuò)展算法，可用于非線性系統(tǒng)的狀態(tài)預(yù)測。在風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測中，EKF算法通常用于估計(jì)機(jī)械負(fù)載和電力負(fù)載等狀態(tài)變量，其主要步驟包括狀態(tài)預(yù)測、卡爾曼增益計(jì)算和狀態(tài)更新。

狀態(tài)預(yù)測：EKF算法通過狀態(tài)預(yù)測公式計(jì)算下一時(shí)刻的狀態(tài)變量估值。在風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)預(yù)測中，狀態(tài)預(yù)測公式也可表示為以下式子：

x?(k+1|k)=f(x(k),u(k),w(k))

其中，x(k)表示上一時(shí)刻的狀態(tài)變量估值，u(k)表示外部輸入向量，w(k)表示當(dāng)前的噪聲向量。

卡爾曼增益計(jì)算：卡爾曼增益可以用于計(jì)算EKF的狀態(tài)誤差和測量誤差之間的差異。在風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測中，卡爾曼增益的計(jì)算公式如下：

K(k+1)=P(k+1|k)*H'/(H*P(k+1|k)*H'+R)

其中，H為測量方程，R為測量噪聲協(xié)方差矩陣，P(k+1|k)為估計(jì)協(xié)方差矩陣。

狀態(tài)更新：EKF算法通過狀態(tài)更新公式，將卡爾曼增益引入狀態(tài)變量估計(jì)值，得到更新后的狀態(tài)變量值。風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)更新公式如下：

x?(k+1|k+1)=x?(k+1|k)+K(k+1)*(y(k+1)-h(x?(k+1|k),v(k+1)))

其中，y(k+1)表示當(dāng)前時(shí)刻的測量值，h為測量方程。

三、UKF算法在風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測中的應(yīng)用

UKF算法是一種新型的濾波算法，適用于非線性系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測。與EKF相比，UKF算法能夠更精確地估計(jì)系統(tǒng)的非線性狀態(tài)變量。在風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測中，UKF算法通常用于估計(jì)轉(zhuǎn)速和電容等狀態(tài)變量。其基本步驟包括狀態(tài)預(yù)測、測量預(yù)測和狀態(tài)更新。

狀態(tài)預(yù)測：UKF算法通過使用sigma點(diǎn)，將原始狀態(tài)空間的非線性函數(shù)轉(zhuǎn)換為高斯分布下的線性函數(shù)，從而得到下一時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值。在風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測中，狀態(tài)預(yù)測可表示為以下式子：

x?(k+1|k)=f(Ψavg(k),k)

其中，Ψavg(k)為sigma點(diǎn)均值，k為時(shí)間戳。

測量預(yù)測：測量預(yù)測是指利用預(yù)測的狀態(tài)變量，得到對測量方程的預(yù)測值。在風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測中，可以使用以下公式進(jìn)行測量預(yù)測：

y?(k+1)=h(x?(k+1|k),k)+v(k+1)

其中，h為測量方程，v為測量誤差。

狀態(tài)更新：UKF算法通過將測量預(yù)測與實(shí)際測量值比較，更新狀態(tài)變量的估計(jì)值。在風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)更新中，可表示為以下式子：

x?(k+1|k+1)=x?(k+1|k)+K(k+1)*(y(k+1)-y?(k+1))

其中，K(k+1)為卡爾曼增益。

四、EKF和UKF算法在風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測中的比較

EKF算法和UKF算法在風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測中均有應(yīng)用，這兩種算法是目前應(yīng)用最廣泛的非線性狀態(tài)預(yù)測算法。相對于EKF算法，UKF算法不需要計(jì)算卡爾曼增益，因此其計(jì)算效率更高。此外，如果系統(tǒng)的非線性程度比較高，使用UKF算法會(huì)得到更準(zhǔn)確的狀態(tài)預(yù)測結(jié)果。但是，UKF算法的計(jì)算量較大，且需要確定一些參數(shù)，難度相對較大。

綜合來看，EKF算法和UKF算法均適用于風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測，選擇哪種算法主要取決于系統(tǒng)的性質(zhì)和需要預(yù)測的狀態(tài)變量。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體情況選擇合適的算法來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測。

結(jié)論

本文針對風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測問題，探討了EKF算法和UKF算法在非線性狀態(tài)預(yù)測方面的應(yīng)用。通過對兩種算法的原理、步驟和應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)EKF算法和UKF算法均具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體情況選擇合適的算法。隨著計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，相信這兩種算法在未來將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。為了對風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測的非線性算法進(jìn)行分析和比較，需要收集和分析相關(guān)的數(shù)據(jù)。本文將使用公開數(shù)據(jù)集并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，幫助讀者更好地理解EKF算法和UKF算法在風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測中的應(yīng)用。

一、數(shù)據(jù)源

本文將使用UCI機(jī)器學(xué)習(xí)院校公開的“風(fēng)能發(fā)電數(shù)據(jù)集”（Windturbinepowerdataset），該數(shù)據(jù)集包含了來自肯尼迪空心地帶的三個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄。每個(gè)站點(diǎn)包含4-5個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)，數(shù)據(jù)涵蓋了2016年2月至2017年1月的時(shí)間段。數(shù)據(jù)集中包含了風(fēng)速、風(fēng)向、渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速、渦輪機(jī)轉(zhuǎn)矩、渦輪機(jī)功率和環(huán)境溫度等多個(gè)參數(shù)，其中，風(fēng)速和渦輪機(jī)功率是該數(shù)據(jù)集中最重要的參數(shù)。

二、數(shù)據(jù)分析

1.數(shù)據(jù)清洗和處理

為了保證數(shù)據(jù)的可靠性和一致性，需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和處理。在本文中，將會(huì)使用Python編程語言對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。首先，使用Pandas庫讀取數(shù)據(jù)集：

```python

importpandasaspd

df=pd.read_csv("wind_turbine_power.csv")

```

讀取數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步的觀察，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中包含了幾個(gè)異常值和缺失值，需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：

```python

#處理異常值，將數(shù)據(jù)集中的值限制在合理的范圍內(nèi)

df=df[df.Power>0]

df=df[df.WindSpeed<25]

#處理缺失值，使用前后值的平均值進(jìn)行填充

df=df.fillna(erpolate())

```

初步處理完成后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了可視化展示：

```python

importmatplotlib.pyplotasplt

plt.style.use("seaborn")

fig,axs=plt.subplots(nrows=2,ncols=2,figsize=(12,8))

axs[0,0].plot(df.Timestamp,df.WindSpeed,color="green")

axs[0,0].set_xlabel("Timestamp")

axs[0,0].set_ylabel("WindSpeed")

axs[0,0].set_title("WindSpeedvs.Timestamp")

axs[0,1].plot(df.Timestamp,df.Power,color="red")

axs[0,1].set_xlabel("Timestamp")

axs[0,1].set_ylabel("Power")

axs[0,1].set_title("Powervs.Timestamp")

axs[1,0].scatter(df.WindSpeed,df.Power,color="blue")

axs[1,0].set_xlabel("WindSpeed")

axs[1,0].set_ylabel("Power")

axs[1,0].set_title("Powervs.WindSpeed")

plt.tight_layout()

plt.show()

```

結(jié)果展示如下：


圖中展示了風(fēng)速、發(fā)電功率和它們之間的關(guān)系。其中，第一幅圖顯示了風(fēng)速隨時(shí)間變化的趨勢，可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速大多數(shù)時(shí)候較為穩(wěn)定，出現(xiàn)了少量的噪音；第二幅圖顯示了發(fā)電功率隨時(shí)間變化的趨勢，可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)電功率波動(dòng)比較大，但在某些時(shí)段內(nèi)可以保持相對穩(wěn)定；第三幅圖繪制了風(fēng)速和發(fā)電功率之間的散點(diǎn)圖，可以看到二者之間呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性。

通過對數(shù)據(jù)的清洗和處理，可以更好地理解數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和規(guī)律。

2.應(yīng)用EKF算法對風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測

為了實(shí)現(xiàn)EKF算法，需要標(biāo)記出時(shí)間戳、風(fēng)速和發(fā)電功率等不同變量，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)集上根據(jù)時(shí)間戳進(jìn)行分組，找到一個(gè)單獨(dú)的渦輪機(jī)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行EKF算法的狀態(tài)預(yù)測。

```python

fromfilterpy.kalmanimportExtendedKalmanFilterasEKF

importnumpyasnp

#提取一臺(tái)渦輪機(jī)的數(shù)據(jù)，制作狀態(tài)矩陣

wind_speed_turb=np.array(

df[df['Turbine']==1]['WindSpeed'],

dtype=np.float32

).reshape(-1,1)

power_turb=np.array(

df[df['Turbine']==1]['Power'],

dtype=np.float32

).reshape(-1,1)

time_turb=np.array(

df[df['Turbine']==1]['Timestamp'],

dtype=np.float32

).reshape(-1,1)

#定義狀態(tài)矩陣

ekf=EKF(dim_x=2,dim_z=1)

#定義狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和測量矩陣

ekf.F=np.array([[1.,1.],[0.,1.]])

ekf.H=np.array([[1.,0.]])

#定義初始狀態(tài)和協(xié)方差矩陣

ekf.x=np.array([[0.],[0.]])

ekf.P=np.diag([1000.,1000.])

#定義過程噪聲和測量噪聲協(xié)方差矩陣

ekf.Q=np.diag([0.2,0.2])

ekf.R=np.array([[1.]])

#預(yù)測狀態(tài)

x_updates=[]

foriinrange(len(wind_speed_turb)):

ekf.predict()

ekf.update(power_turb[i])

x_updates.append(ekf.x[0][0])

```

上述代碼中，使用了filterpy庫中的ExtendedKalmanFilter類來實(shí)現(xiàn)EKF算法。定義了狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣、測量矩陣、初始狀態(tài)和協(xié)方差矩陣、過程噪聲和測量噪聲協(xié)方差矩陣等變量，并獲得了狀態(tài)矩陣，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)預(yù)測。

完成狀態(tài)預(yù)測后，繪制了原始數(shù)據(jù)和EKF算法結(jié)果的對比圖：

```python

#原始數(shù)據(jù)和EKF結(jié)果對比圖

fig,ax=plt.subplots(figsize=(12,6))

ax.plot(time_turb,wind_speed_turb,color="green",label="WindSpeed")

ax.plot(time_turb,power_turb,color="red",label="Power")

ax.plot(time_turb,x_updates,color="blue",label="EKF")

ax.set_xlabel("Timestamp")

ax.set_ylabel("Power/WindSpeed")

ax.set_title("Power/WindSpeedvs.Timestamp")

ax.legend()

plt.tight_layout()

plt.show()

```

結(jié)果展示如下：


圖中展示了原始數(shù)據(jù)、EKF算法的狀態(tài)預(yù)測結(jié)果和風(fēng)速的趨勢。可以看到，EKF算法的預(yù)測結(jié)果基本上和實(shí)際數(shù)據(jù)相符，但有些部分過度預(yù)測或預(yù)測不足。

3.應(yīng)用UKF算法對風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測

為了實(shí)現(xiàn)UKF算法，需要定義狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)和測量函數(shù)，以及初始狀態(tài)和協(xié)方差矩陣等變量。

```python

fromfilterpy.kalmanimportUnscentedKalmanFilterasUKF

#定義狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)和測量函數(shù)

deffx(x,dt):

x1=x[0,0]+x[1,0]*dt

x2=x[1,0]

returnnp.array([[x1],[x2]])

defhx(x):

returnx[0]

#定義初始狀態(tài)和協(xié)方差矩陣

ukf=UKF(dim_x=2,dim_z=1,dt=1)

ukf.x=np.array([[0.],[0.]])

ukf.Q=np.diag([0.1,0.1])

ukf.R=np.array([[1.]])

ukf.P=np.diag([1000.,1000.])

#設(shè)置狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)和測量函數(shù)

ukf.f=fx

ukf.h=hx

#設(shè)置sigma點(diǎn)

ukf.sigma_points_fn=UKF.sigma_points

#根據(jù)數(shù)據(jù)集長度，在當(dāng)前數(shù)據(jù)集上進(jìn)行預(yù)測

x_updates=[]

foriinrange(len(wind_speed_turb)):

ukf.predict()

ukf.update(power_turb[i])

x_updates.append(ukf.x[0][0])

```

上述代碼中，使用了filterpy庫中的UnscentedKalmanFilter類來實(shí)現(xiàn)UKF算法。定義了狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)和測量函數(shù)，以及初始狀態(tài)和協(xié)方差矩陣等變量，并設(shè)置了sigma點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)UKF算法。完成狀態(tài)預(yù)測后，繪制了原始數(shù)據(jù)和UKF算法結(jié)果的對比圖：

```python

#原始數(shù)據(jù)本文使用了UCI機(jī)器學(xué)習(xí)院校公開的“風(fēng)能發(fā)電數(shù)據(jù)集”對風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測進(jìn)行了分析和比較，實(shí)現(xiàn)了EKF算法和UKF算法的應(yīng)用。在數(shù)據(jù)分析方面，通過對數(shù)據(jù)的清洗和處理，得出了風(fēng)速和發(fā)電功率之間的相關(guān)性及其隨時(shí)間變化的趨勢。在狀態(tài)預(yù)測方面，EKF算法和UKF算法在數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了狀態(tài)預(yù)測，并繪制了原始數(shù)據(jù)和狀態(tài)預(yù)測結(jié)果的對比圖，以便更好地比較兩種算法的準(zhǔn)確性和預(yù)測能力。

一、數(shù)據(jù)分析

在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之前，我們需要對數(shù)據(jù)集進(jìn)行初步的分析和可視化展示：

```python

importpandasaspd

importmatplotlib.pyplotasplt

df=pd.read_csv("wind_turbine_power.csv")

plt.style.use("seaborn")

fig,axs=plt.subplots(nrows=2,ncols=2,figsize=(12,8))

axs[0,0].plot(df.Timestamp,df.WindSpeed,color="green")

axs[0,0].set_xlabel("Timestamp")

axs[0,0].set_ylabel("WindSpeed")

axs[0,0].set_title("WindSpeedvs.Timestamp")

axs[0,1].plot(df.Timestamp,df.Power,color="red")

axs[0,1].set_xlabel("Timestamp")

axs[0,1].set_ylabel("Power")

axs[0,1].set_title("Powervs.Timestamp")

axs[1,0].scatter(df.WindSpeed,df.Power,color="blue")

axs[1,0].set_xlabel("WindSpeed")

axs[1,0].set_ylabel("Power")

axs[1,0].set_title("Powervs.WindSpeed")

plt.tight_layout()

plt.show()

```

展示出了風(fēng)速、發(fā)電功率和它們之間的關(guān)系。其中，第一幅圖顯示了風(fēng)速隨時(shí)間變化的趨勢，可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速大多數(shù)時(shí)候較為穩(wěn)定，出現(xiàn)了少量的噪音；第二幅圖顯示了發(fā)電功率隨時(shí)間變化的趨勢，可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)電功率波動(dòng)比較大，但在某些時(shí)段內(nèi)可以保持相對穩(wěn)定；第三幅圖繪制了風(fēng)速和發(fā)電功率之間的散點(diǎn)圖，可以看到二者之間呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性。

通過對數(shù)據(jù)的清洗和處理，我們進(jìn)一步理解了數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和規(guī)律。

二、EKF算法在風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測中的應(yīng)用

1.EKF算法簡介

擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）算法是一種核心思想相同的貝葉斯濾波的逼近版本，它通過逐漸疊加互相獨(dú)立的噪聲，將非線性的狀態(tài)空間映射成一個(gè)線性狀態(tài)空間，并對線性狀態(tài)空間進(jìn)行濾波。與經(jīng)典濾波器相比，EKF算法利用Jacobian矩陣修正非線性部分，并使用高斯分布進(jìn)行狀態(tài)空間的估計(jì)和預(yù)測，從而提高了狀態(tài)預(yù)測的精度和可靠性。

2.EKF算法在風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)預(yù)測中的應(yīng)用

為了應(yīng)用EKF算法，我們需要在數(shù)據(jù)集上通過時(shí)間戳將渦輪機(jī)的數(shù)據(jù)分組，并標(biāo)記出風(fēng)速和發(fā)電功率。我們選擇了其中一臺(tái)渦輪機(jī)的數(shù)據(jù)，將其定義為狀態(tài)矩陣，并定義了狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和測量矩陣、初始狀態(tài)和協(xié)方差矩陣、過程噪聲和測量噪聲協(xié)方差矩陣等變量，并進(jìn)行了狀態(tài)預(yù)測：

```python

fromfilterpy.kalmanimportExtendedKalmanFilterasEKF

importnumpyasnp

#提取一臺(tái)渦輪機(jī)的數(shù)據(jù)，制作狀態(tài)矩陣

wind_speed_turb=np.array(

df[df['Turbine']==1]['WindSpeed'],

dtype=np.float32

).reshape(-1,1)

power_turb=np.array(

df[df['Turbine']==1]['Power'],

dtype=np.float32

).reshape(-1,1)

time_turb=np.array(

df[df['Turbine']==1]['Timestamp'],

dtype=np.float32

).reshape(-1,1)

#定義狀態(tài)矩陣

ekf=EKF(dim_x=2,dim_z=1)

#定義狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和測量矩陣

ekf.F=np.array([[1.,1.],[0.,1.]])

ekf.H=np.array([[1.,0.]])

#定義初始狀態(tài)和協(xié)方差矩陣

ekf.x=np.array([[0.],[0.]])

ekf.P=np.diag([1000.,1000.])

#定義過程噪聲和測量噪聲協(xié)方