手写单层神经网络------实现高精度电力系统谐波（频谱）分析（附matlab代码）

前言

本文是对王小华的一篇论文《一种新的基于神经网络的高精度电力系统谐波分析算法》的理解和代码实现，涉及电气专业的一个课程设计，通过它可以对一个信号进行类似于傅里叶变换的频谱分析。它主要依靠单层神经网络来实现，将频谱信息放到单层神经网络权重中，然后用采集到的系列样本点去迭代优化这些权重参数，优化完成的权重参数通过简单的计算便可得到原信号的频谱，经过试验，精度非常高。

模型建立

任何一个周期函数都可以表示成一个基波与若干谐波的加权和，这是傅里叶变换的知识，表达式如式（1）所示。式中为初始相位，An为每个谐波分量的权值，N为基波与谐波的总数，fn为每个分量的频率值，f1为基波频率。

利用两角和的正弦公式展开式（1），可以得到式（2）.式中A0为直流分量，如果此时知道y(t)的函数方程，我们可以通过公式很容易计算出权值和权值。但此处不用公式，而通过迭代优化的方式来估计这两类参数。

易知，再令，则式（2）可以化为式（3），式中为了化成单独的项的累加，第三项恒等变形到了N+1到2N的范围，细心点就会发现这个表达式像极了单层神经元模型，输入是2N+1个值组成的一个2N+1维列向量C，权重也是2N+1个值组成一个2N+1维的列向量W。

取，当n=1,2，....8,,N时。

取，当n = N+1，N+2...........2N。时

取

则式（3）便可化为式（4）

实际的过程中我们不可能知道每个时间点t时的函数值，我们只能知道我们所采样的时刻的采样值，假设采样间隔为Ts，第m次采样对应的时刻即为mTs。现在用mTs代替t改写（4），得到式（5），可知现在与y是m的函数，而m指第几次采样。

现在开始对原信号采样，每得到一个采样值，就进行一次迭代。此处借用论文作者的图来表示这个单层神经网络模型图，假设这是第m次采样，由第m次的时间t=mTs，可以算出其对应的C(m)，然后将其与上一次迭代更新的权重W(m)相乘，便可得到此次的预测函数值，将预测结果，与对原函数第m次采样的采样值作差，便可得到预测误差，然后通过梯度下降更新参数W（m）得到W(m+1)，完成一次迭代。

模型的损失函数由式（6）给出

则梯度下降公式便可由式（7）给出

对于值，论文中通过大量计算证明其应该满足，在实验中取的0.1，取得了较好效果。

另外，理论上，基波频率应该等于工频频率，即50Hz，但是由于各方面因素，可能不等，所以也是一个我们需要估计的量。

其梯度下降公式如式（8）

对于值，文中也只说明取上述范围，实验中取-1，取得了较好的效果。既快速，也没有产生振荡。

参数的提取

在迭代完成，获得合适的W与w0之后，可以通过如下公式提取出原信号各谐波的幅值和初始相位，当然还包括各谐波分量的w=n*w0。到这里就把一个在时域里的信号，转换成了多个谐波的叠加，即完成了频谱分析。

式中，wn即Wn，N为基波与谐波分量的个数。其中相位，由于arctan的值域只在【-0.5pi，0.5pi】之间，但是真实的角度是在【-pi，pi】之间的，所以需要根据wn与wN+n的正负关系来调整初始相位的值。

matlab代码实现

利用论文所测试用的信号进行测试，得到了比论文更好的效果。测试信号参数如下图所示。

基波频率为50.2Hz，采样频率为1000Hz，m=80。

单独用80个点做一次大循环，在已知w0=50.2Hz的情况下，可以得到较好的结果，但是把w0初始值设置为工频50Hz之后，由于优化的难度加大了，而且学习率不能太高，要进行1000个这样的大循环才能做到和原始信号基本0误差的估计。另外，在本参数条件下，如果w0初始值小于48.3左右，那么最后分析出来的频谱与真实的频谱之间差距很大，但是用该估计的频谱可以基本拟合原信号，说明这是一个局部最优解，尝试了很多办法，无法跳出这个局部的误差极小值点。

clear all
An = [1.00,0.02,0.10,0.01,0.05,0.00,0.02,0.00,0.01];       %实际的基波与谐波的幅值
Bn = [-23.10,115.60,59.30,52.40,123.8,0.0,-31.80,0.0,-63.70];  %谐波幅值
F1 = 50.2;

Ts = 1/1000;
y = zeros(1,80);
W = 2*rand(1, 19) - 1;   %随机 W
w = 2*pi*50;
Cn = zeros(1,19);
a = 0.1;
E2 = 0;
I = zeros(1,9);
Wa = zeros(1,9);
Wb = zeros(1,9);
P = zeros(1,9);
Q = zeros(1,9);
for q = 1:1000   %做epoch
y = zeros(1,80);
y1 = zeros(1,80);
y2 = zeros(1,80);
    for k = 1:80
        Cn(1) = 1;
        for n = 1:9
            y(k)=y(k)+An(1,n)*sin(2*pi*n*F1*k*Ts+Bn(1,n)*pi/180);   %实际的信号值，在t = k*Ts时
            Cn(n+1) = cos(n*w*k*Ts);
            Cn(n+10) = sin(n*w*k*Ts);
            I(n) = n;
            Wa(n) = W(n+1);
            Wb(n) = W(n+10);
            P(n) = Cn(n+1);
            Q(n) = Cn(n+10);
        end
        y1(k) = W*Cn';                                      %预测的信号值，在t = k*Ts时
        E(k) = y(k)-y1(k);
        w = w + 0.4*E(k)*k*Ts*sum(I'.*Wb'.*P'-I'.*Wa'.*Q');
        W = W + 0.1*E(k)*Cn;
    end
end
F2 = w/2/pi;
for i = 1:9
    An1(i) = sqrt(W(i+1)*W(i+1)+W(i+10)*W(i+10));
    if (W(i+10)>0)
        Bn1(i) = atan(W(i+1)/W(i+10))*180/pi;
        elseif (W(i+10)<0)&(W(i+1)>0)
                  Bn1(i) = atan(W(i+1)/W(i+10))*180/pi+180;  
        elseif (W(i+10)<0)&(W(i+1)<0)
               Bn1(i) = atan(W(i+1)/W(i+10))*180/pi-180;  
    end
    E2 = E2+(An(i)-An1(i))^2;
end
for k = 1:80
    for n = 1:9
        y2(k)=y2(k)+An1(1,n)*sin(2*pi*n*F1*k*Ts+Bn1(1,n)*pi/180);   %实际的信号值，在t = k*Ts时
    end
end

E2 = sqrt(E2)

figure(1);
plot(E.^2)
figure(2)
plot(y1)
hold on;
plot(y)