CN106124978B - 一种基于绝缘监测装置和混沌检测电路的pwm变流器故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于绝缘监测装置和混沌检测电路的PWM变流器故障诊断方法，具体步骤如下：a)、将基于直流注入法的IMD注入源的正、负极分别与不接地配电系统带PWM变流器电路的中性线和大地相连；b)、利用IMD注入信号方向的不同，测量无干扰源Uc作用下的Rs远地端对地电压；c)、利用不接地配电系统绝缘电阻基本计算式，配合IMD的低、中、高电压档位循环切换，得到电阻值Rt；d)、不接地配电系统PWM变流器开关器件故障诊断；e)、不接地配电系统PWM变流器控制故障诊断。本发明利用IMD本身的绝缘监测功能、混沌检测电路，对PWM变流器开关器件故障、控制故障的故障特征进行提取，在变流器发生故障或是故障劣化的过程中，可以迅速诊断，方便系统维护。
Description
技术领域
本发明涉及一种微电网与不接地配电系统并网接口变流器故障诊断方法，具体涉及一种基于绝缘监测装置(IMD)和混沌检测电路的PWM变流器故障诊断方法。
背景技术
PWM变流器的故障主要包括硬件故障和控制故障。硬件故障是指开关器件(如GTO、IGCT、IGBT)故障，控制故障是指PWM信号故障。开关器件自身被击穿或者桥臂的绝缘层被破坏等原因，会造成开关器件发生短路，导致电流快速上升、导通压降骤降，严重时损坏设备，使系统瘫痪；当变流器内出现一台开关器件接线不良或是过流烧毁等情况时，会造成开关器件开路，可能导致其他开关器件电流越限，影响设备正常运行；这些都是PWM变流器开关器件故障的常见危害。PWM变流器控制故障，会使开关器件驱动板输出的PWM信号不正常，导致开关器件的导通时序错乱，严重时同一桥臂的两个开关器件同时导通，造成短路故障甚至设备损毁。
通常情况下，PWM变流器故障的形成是一个不断演化的过程，其中，开关器件故障表现在开关器件的导通压降上，当导通压降升高或者降低到一定限值时，即发生开关器件开路或短路故障；变流器控制故障表现在PWM控制信号的频率波动上，PWM控制信号频率的波动会导致开关器件的导通时序错乱，最严重情况是同一桥臂的两个开关器件同时导通，造成变流器直流短路甚至设备损毁。所以，若能在故障发生初期，即故障的变流器还未造成巨大危害时，及时发现故障，则能够减小发生事故的概率，并能够为系统的维护工作提供方便。目前，国内外用于变流器故障诊断的方法主要有：1.谱分析法；2.直接检测法；3.字典库诊断方法；4.专家系统法；5.神经网络诊断方法等。
谱分析法是将故障的时域信号提取出来，通常采用傅里叶变化将故障时域信号变化到频域内进行分析，但此方法并未考虑开关器件逐渐劣化的过程，仅以开关器件直接开路和短路进行分析；直接检测法通过检测开关器件的端电压或是桥臂上的电流来判断开关器件是否发生故障，但是此方法需要较多的电压电流传感器，无形中增大了系统的成本和复杂性，导致系统可能要为传感器的故障付出更大代价：字典库诊断方法需要进行大量的数值仿真与实验来获得故障值和特征值，在实际系统中难以实现；专家系统方法和神经网络故障诊断方法都是具有强推算能力和人工智能模拟能力的方法，但是其训练样本不易获取、诊断能力不强、网络权值表现形式模糊等缺点导致这种方法的实际应用范围有限。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于绝缘监测装置(IMD)和混沌检测电路的PWM变流器故障诊断方法，利用IMD本身的绝缘监测功能、混沌检测电路，对PWM变流器开关器件故障、控制故障的故障特征进行提取，在变流器发生故障或是故障劣化的过程中，可以迅速诊断，方便系统维护。
为达成上述目的，本发明提出一种基于绝缘监测装置和混沌检测电路的PWM变流器故障诊断方法，包括下列步骤：
a)将基于直流注入法的IMD注入源的正、负极分别与不接地配电系统带PWM变流器电路的中性线和大地相连，整个电路中，直流侧充当“激励电源”角色，交流侧充当“负载”角色；对于直流侧来说，交流侧可等值为一个直流电阻网络，从交流侧的等值直流网络端口看，等效认为承受一个直流电压源的作用；简化后的直流阻抗等效网络具体如下：包括IMD注入源电压Us、采样电阻Rs、干扰源电压Uc、干扰源等效内阻Rc、交流线路对地等效绝缘电阻R；Rs一端信号连接至R和Rc、一端信号连接至Us一端，Us另一端接地；R一端信号连接至Rs和Rc、一端接地；Rc一端信号连接至R和Rs、一端信号连接至Uc正极接线端，Uc负极接线端子接地；
b)利用IMD注入信号方向的不同，测量无干扰源Uc作用下的Rs远地端对地电压，具体步骤如下：
1)IMD正向注入信号，即Us的正极接线端与采样电阻Rs连接、负极接线端接地；
2)利用叠加原理，Ic为单独作用下流过采样电阻Rs的电流值，Is为Us单独作用下流过采用电阻Rs的电流，记所测量的绝缘电阻Rfd：
3)IMD反向注入信号，即Us的负极接线端与采样电阻Rs连接、正极接线端接地；
4)利用叠加原理，Ic为单独作用下流过采样电阻Rs的电流值，Is为Us单独作用下流过采用电阻Rs的电流，记所测量的绝缘电阻Rod：
联立式(1)和式(2)，得到无干扰源Uc作用下的系统绝缘电阻Rm和采样电阻Rs的远地端对地电压Uo：
Uo＝IsRm (4)
c)利用不接地配电系统绝缘电阻基本计算式，配合IMD的低、中、高电压档位循环切换，得到电阻值Rt；具体步骤如下：
1)IMD注入源Us的正极接线端与采样电阻Rs信号连接、负极接线端接地，此时Us为低、中、高电压档循环；
2)在每一个电压档位下，利用不接地配电系统绝缘电阻基本计算式得到系统的绝缘电阻Rt：
d)不接地配电系统PWM变流器开关器件故障诊断，包括下列步骤：
1)由步骤c)循环测量的Rt值发生变化，具体指：连续三次得到的Rt值中，两两互不相同，则判断此时系统存在问题；
2)测量采样电阻Rs远地端对地电压Uoc，若Uoc不等于Uo，则确认系统内存在直流干扰源；其中，直流干扰源可以由PWM变流器开关器件故障引起，也可是系统内的外加直流干扰源；
3)改变步骤b)中的IMD注入源电压档位，重新得到无干扰源Uc作用下的采样电阻Rs的远地端对地电压Uo’；若|Uo’-Uo|等于注入源电压档位差，则诊断为系统内PWM变流器发生开关器件故障；反之，则诊断为系统内存在外加直流干扰源或者存在控制故障；
e)不接地配电系统PWM变流器控制故障诊断，包括下列步骤：
将混沌检测电路“INPUT”端口的正极与采样电阻Rs的远地端连接、负极接地；调节混沌检测电路中的可调电阻R，使得混沌电路工作在临界稳定状态；连续检测输出信号y(t)的过零点间隔时间T并记连续检测得到的过零点检测时间为数列{T1、T2、T3、T4.....}；若数列中相邻元素的最大值大于它们的平均值的两倍，则判断为系统内PWM变流器发生控制故障。
综上所述，本发明利用IMD本身的绝缘监测功能、混沌检测电路，对PWM变流器开关器件故障、控制故障的故障特征进行提取，在变流器发生故障或是故障劣化的过程中，可以迅速诊断，能够为变流器的维护工作带来便利，对于保证整个系统的安全性和电能质量也有十分重要的意义。
附图说明
图1为本发明实施例的基于绝缘监测装置和混沌检测电路的PWM变流器故障诊断方法的流程图；
图2为不接地配电系统带三相桥式PWM变流器的电路图；
图3为不接地配电系统带三相桥式PWM变流器的简化电路模型；
图4为直流中点电压随共阴极开关器件导通的电压变化曲线图；
图5为直流中点电压随共阳极开关器件导通的电压变化曲线图；
图6为IMD正向注入时直流中点电压影响IMD绝缘监测简化电路图；
图7为IMD反向注入时直流中点电压影响IMD绝缘监测简化电路图；
图8为计算绝缘电阻和交流中性点对地电压的原理图；
图9所示为开关函数未受频率扰动时PWM变流器直流中点(0')与交流中性点(0)之间的电压差u0'0(t)的频谱示意图；
图10所示为开关函数受频率扰动时PWM变流器直流中点(0')与交流中性点(0)之间的电压差u0'0(t)的频谱示意图；
图11所示为本发明实施例中采用的混沌电路的电路图；
图12所示为混沌电路的输出处于临界稳定状态时的示意图；
图13所示为混沌电路的输出处于混沌状态的示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
图1为本发明实施例的基于绝缘监测装置和混沌检测电路的PWM变流器故障诊断方法的流程图。
如图1所示，本发明实施例的基于绝缘监测装置和混沌检测电路的PWM变流器故障诊断方法包括下列步骤：
a)、将基于直流注入法的IMD注入源的正、负极分别与不接地配电系统带PWM变流器电路的中性线和大地相连，整个电路中，直流侧充当“激励电源”角色，交流侧充当“负载”角色；对于直流侧来说，交流侧可等值为一个直流电阻网络，从交流侧的等值直流网络端口看，等效认为承受一个直流电压源的作用；简化后的直流阻抗等效网络具体如下：包括IMD注入源电压Us、采样电阻Rs、干扰源电压Uc、干扰源等效内阻Rc、交流线路对地等效绝缘电阻R；Rs一端信号连接至R和Rc、一端信号连接至Us一端，Us另一端接地；R一端信号连接至Rs和Rc、一端接地；Rc一端信号连接至R和Rs、一端信号连接至Uc正极接线端，Uc负极接线端子接地；
b)、利用IMD注入信号方向的不同，测量无干扰源Uc作用下的Rs远地端对地电压，具体步骤如下：
1)IMD正向注入信号，即Us的正极接线端与采样电阻Rs连接、负极接线端接地；
2)利用叠加原理，Ic为单独作用下流过采样电阻Rs的电流值，Is为Us单独作用下流过采用电阻Rs的电流，记所测量的绝缘电阻Rfd：
3)IMD反向注入信号，即Us的负极接线端与采样电阻Rs连接、正极接线端接地；
4)利用叠加原理，Ic为单独作用下流过采样电阻Rs的电流值，Is为Us单独作用下流过采用电阻Rs的电流，记所测量的绝缘电阻Rod：
联立式(1)和式(2)，得到无干扰源Uc作用下的系统绝缘电阻Rm和采样电阻Rs的远地端对地电压Uo：
Uo＝IsRm (4)
c)、利用不接地配电系统绝缘电阻基本计算式，配合IMD的低、中、高电压档位循环切换，得到电阻值Rt；具体步骤如下：
1)IMD注入源Us的正极接线端与采样电阻Rs信号连接、负极接线端接地，此时Us为低、中、高电压档循环；
2)在每一个电压档位下，利用不接地配电系统绝缘电阻基本计算式得到系统的绝缘电阻Rt：
d)、不接地配电系统PWM变流器开关器件故障诊断，具体步骤如下：
1)由步骤c)循环测量的Rt值发生变化，具体指：连续三次得到的Rt值中，两两互不相同，则判断此时系统存在问题；
2)测量采样电阻Rs远地端对地电压Uoc，若Uoc不等于Uo，则确认系统内存在直流干扰源；其中，直流干扰源可以由PWM变流器开关器件故障引起，也可是系统内的外加直流干扰源；
3)改变步骤b)中的IMD注入源电压档位，重新得到无干扰源Uc作用下的采样电阻Rs的远地端对地电压Uo’；若|Uo’-Uo|等于注入源电压档位差，则诊断为系统内PWM变流器发生开关器件故障；反之，则诊断为系统内存在外加直流干扰源或控制故障；
e)、不接地配电系统PWM变流器控制故障诊断，具体包括下列步骤：将混沌检测电路“INPUT”端口的正极与采样电阻Rs的远地端连接、负极接地；调节混沌检测电路中的可调电阻R，使得混沌电路工作在临界稳定状态；连续检测输出信号y(t)的过零点间隔时间T并记连续检测得到的过零点检测时间为数列{T1、T2、T3、T4.....}；若数列中相邻元素的最大值大于它们的平均值的两倍，则判断为系统内PWM变流器发生控制故障。
如图2所示，为不接地配电系统带三相桥式PWM变流器的电路图，根据PWM变流器开关函数，共阴极或是共阳极的开关器件在一个导通时序内分别依次导通，且每个开关器件的导通占空比都为三分之一个导通周期，利用此特性，可将共阴极的开关器件等效为一个开关器件，共阳极的开关器件也等效为一个开关器件，同时也可将三相电源在上下两桥臂中做等效，分别为Ep,En，最后将RL,R+、R-三个三角形连接的电阻，通过△-Y变换，变成由Rp、Rn、Rl组成的Y型连接的电阻。
如图3所示，Vu为等效共阴极开关器件，Vd为等效共阳极开关器件，图中各等效电阻与等效电源分别为：Rn＝RL·R-/(RL+R++R-)、Rp＝RL·R+/(RL+R++R-)、Rl＝R-·R+/(RL+R++R-)、Ep＝max{Ea,Eb,Ec},En＝min{Ea,Eb,Ec}。采用回路电流法对图3所示电路模型进行分析，得到直流中点电压Um＝i0·R1，只要Um不为0，则存在窜入中性点的直流电流，下面对其进行计算：
消去il，得到i0，再将i0带入到直流中点电压表达式中，得到
一般来说，变流器直流正极、负极线路对地绝缘电阻大小相等，即Rp＝Rn，影响Um的因素只有Ep与En，由Ep与En的表达式可知，其大小仅与桥臂上开关器件的导通电压Uf有关。在MATLAB/Simulink仿真软件中建立不接地配电系统带三相桥式PWM变流器的电路模型，取交流三相电压分别为Ea＝220∠0°、Eb＝220∠-120°、Ec＝220∠120°，开关器件正向导通电压均为0.8V，C为3000μF、RL为10Ω，R+、R-分别为20MΩ、20MΩ，Rg为100kΩ。仿真开关器件导通情况对Um的影响。其他条件不变，仅改变开关器件Vb的Uf值，由0.5V变化至1.1V，步长为0.05V，记录Um变化情况，如图4所示；仅改变开关器件Va′的Uf值，由0.5V变化至1.1V,步长为0.05V，记录Um变化情况，如图5所示。当直流中点电压Um出现不平衡的现象后，直流电流通过直流线路对地绝缘电阻注入大地，并窜入交流侧中性点，对IMD的绝缘监测造成影响，在整个通路中，直流侧充当了“激励电源”角色，交流侧则充当“负载”角色，且对于直流侧来说交流侧可等值为一个直流电阻网络，从交流侧的等值直流网络端口看，可以认为承受一个直流电压源的作用。根据IMD原理与直流中点电压Um的作用机理可将整个系统简化为如图6和7所示的直流电阻等效网络，其中，Us为IMD注入源电压，Rs为采样电阻，Uc为干扰源电压，Rc为干扰源等效内阻，R为交流线路对地等效绝缘电阻。
利用不接地配电系统本身的绝缘监测装置IMD来诊断开关器件故障。根据图6中所示的IMD注入信号的方向(正向)所测量得到的绝缘电阻记为Rfd，主要利用叠加原理，如图8所示，Ic为Uc单独作用下流过采样电阻Rs的电流值，Is为Us单独作用下流过采用电阻Rs的电流：
改变IMD的信号注入方向，即Us的负极接线端与采样电阻Rs连接、正极接线端接地，如图7所示，利用叠加原理，Ic为单独作用下流过采样电阻Rs的电流值，Is为Us单独作用下流过采用电阻Rs的电流，记所测量的绝缘电阻Rod：
联立式(3)和式(4)，得到无干扰源Uc作用下的系统绝缘电阻Rm和采样电阻Rs的远地端对地电压Uo：
Uo＝IsRm (6)
由于Rs的远地端与系统交流中性点相连，式(6)表达的电压Uo即是交流中性点对地电压，它对排除外加直流干扰源对IMD检测值的影响具有重要作用。
进一步地，利用不接地配电系统绝缘电阻基本计算式，配合IMD的低、中、高电压档位循环切换，在每一个电压档位下，利用不接地配电系统绝缘电阻基本计算式得到系统的绝缘电阻Rt：
由式(7)可知，若不接地配电系统中发生线路绝缘故障，Rt的检测值随之变化，会干扰IMD对变流器故障的判断；为此，设定IMD连续在一次检测循环内三次(低电压档位、中电压档位、高电压档位各一次)测得的绝缘电阻值两两互不相等，才判断此时的PWM变流器开关器件可能存在问题。
确认PWM变流器开关器件可能存在问题以后，测量采样电阻Rs远地端对地电压Uoc，若Uoc不等于Uo，则确认系统内存在直流干扰源；进一步调整IMD注入源电压档位，得到相应的无干扰源Uc作用下的采样电阻Rs的远地端对地电压Uo’；若|Uo’-Uo|等于注入源电压档位差，则诊断为系统内PWM变流器发生开关器件故障；反之，则诊断为系统内存在外加直流干扰源或者存在控制故障。
PWM变流器控制故障是导致开关器件短路、开路故障的重要诱因。如图2所示，PWM变流器的直流中点与大地和正极、负极对地绝缘电阻连接，正极、负极对地绝缘电阻的另一端连接变流器的正极、负极，PWM变流器的直流正极与桥臂上共阳极的开关器件连接，共阳极的开关器件的另一端对应连接系统的A、B、C三相线路，PWM变流器的直流负极与桥臂上共阴极的开关器件连接，共阴极的开关器件的另一端也对应连接系统的A、B、C三相线路，系统的A、B、C三相线路通过系统交流中性点相连，不接地配电系统的IMD的一端就接在交流中性点上。
图2所示的三相半桥结构具有如下电压平衡关系
当采用开关函数sj描述时，电压
ujN(t)＝sjudc (9)
另取直流电压中点0'，则电压uN0(t)又可表示为
uN0(t)＝uN0'(t)+u0'0(t) (10)
正常条件下R+＝R-，记k＝R-/R+，则
联立式(8)～式(11)，得PWM变流器直流中点(0')与交流中性点(0)之间的电压差u0'0(t)为
由式(12)可知，开关函数sj是影响电压u0'0(t)取值的重要因素。图9和图10分别给出了开关函数扰动下的电压u0'0(t)频谱变化结果。从图9中可以看出，开关函数未受频率扰动时，电压u0'0(t)频谱体现为单一频点，而从图10可以看出，开关函数受扰动后，电压u0'0(t)的频谱出现镜像频点；所以，利用如图11所示的、对频谱波动敏感的混沌电路，就可以通过检测中点电压波动获知PWM变流器是否存在控制故障。
利用混沌电路检测开关函数的频谱变化，首先给出INPUT，调节混沌检测电路中的可调电阻R，使得混沌电路的输出处于图12所示的临界稳定状态，此时通过过零点检测可以得到稳定的周期时间T；当开关函数的频谱变化时，输出处于如图13所示的混沌状态，此时通过过零点检测不能得到稳定的周期时间，由此判断PWM变流器发生控制故障。
基于绝缘监测和混沌电路检测的PWM变流器故障诊断方案，用于诊断不接地配电系统内变流器开关器件导通电压发生变化的情况、以及诊断PWM变流器控制信号频谱的变化情况，按照本发明提供的故障诊断思路，利用IMD本身的绝缘监测功能、混沌检测电路，对PWM变流器开关器件故障、控制故障的故障特征进行提取，在变流器发生故障或是故障劣化的过程中，可以迅速诊断，方便系统维护。
本发明方案的关键在于分析了开关器件劣化过程中IMD测量值发生变化的趋势、以及PWM变流器控制故障时开关函数的频谱变化规律，并设计故障特征提取方案，排除了由系统本身绝缘下降、系统外加直流干扰源造成的IMD测量值变化的情况，从而判定整流器故障。
本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (2)
1.一种基于绝缘监测装置和混沌检测电路的PWM变流器故障诊断方法，其特征在于，包括下列步骤：
a)将基于直流注入法的IMD注入源的正、负极分别与不接地配电系统带PWM变流器电路的中性线和大地相连，整个电路中，直流侧充当“激励电源”角色，交流侧充当“负载”角色；对于直流侧来说，交流侧可等值为一个直流电阻网络，从交流侧的等值直流网络端口看，等效认为承受一个直流电压源的作用；
简化后的直流阻抗等效网络具体如下：包括IMD注入源电压Us、采样电阻Rs、干扰源电压Uc、干扰源等效内阻Rc、交流线路对地等效绝缘电阻R；Rs一端信号连接至R和Rc、一端信号连接至Us一端，Us另一端接地；R一端信号连接至Rs和Rc、一端接地；Rc一端信号连接至R和Rs、一端信号连接至Uc正极接线端，Uc负极接线端子接地；
b)利用IMD注入信号方向的不同，测量无干扰源Uc作用下的Rs远地端对地电压，包括下列步骤：
1)IMD正向注入信号，即Us的正极接线端与采样电阻Rs连接、负极接线端接地；
2)利用叠加原理，Ic为Uc单独作用下流过采样电阻Rs的电流值，Is为Us单独作用下流过采用电阻Rs的电流，记所测量的绝缘电阻Rfd：
3)IMD反向注入信号，即Us的负极接线端与采样电阻Rs连接、正极接线端接地；
4)利用叠加原理，Ic为Uc单独作用下流过采样电阻Rs的电流值，Is为Us单独作用下流过采用电阻Rs的电流，记所测量的绝缘电阻Rod：
联立式(1)和式(2)，得到无干扰源Uc作用下的系统绝缘电阻Rm和采样电阻Rs的远地端对地电压Uo：
Uo＝IsRm (4)
c)利用不接地配电系统绝缘电阻基本计算式，配合IMD的低、中、高电压档位循环切换，得到电阻值Rt，包括下列步骤：
1)IMD注入源Us的正极接线端与采样电阻Rs信号连接、负极接线端接地，此时Us为低、中、高电压档循环；
2)在每一个电压档位下，利用不接地配电系统绝缘电阻基本计算式得到系统的绝缘电阻Rt：
d)不接地配电系统PWM变流器开关器件故障诊断，包括下列步骤：
1)由步骤c)循环测量的Rt值发生变化，具体指：连续三次得到的Rt值中，两两互不相同，则判断此时系统存在问题；
2)测量采样电阻Rs远地端对地电压Uoc，若Uoc不等于Uo，则确认系统内存在直流干扰源；其中，直流干扰源可以由PWM变流器开关器件故障引起，也可是系统内的外加直流干扰源；
3)改变步骤b)中的IMD注入源电压档位，重新得到无干扰源Uc作用下的采样电阻Rs的远地端对地电压Uo’；若|Uo’-Uo|等于注入源电压档位差，则诊断为系统内PWM变流器发生开关器件故障；反之，则诊断为系统内存在外加直流干扰源或者存在控制故障；
e)不接地配电系统PWM变流器控制故障诊断，包括下列步骤：
将混沌检测电路“INPUT”端口的正极与采样电阻Rs的远地端连接、负极接地；调节混沌检测电路中的可调电阻R，使得混沌电路工作在临界稳定状态；
连续检测输出信号y(t)的过零点间隔时间T并记连续检测得到的过零点检测时间为数列{T1、T2、T3、T4.....}；若数列中相邻元素的最大值大于它们的平均值的两倍，则判断为系统内PWM变流器发生控制故障。
2.根据权利要求1所述的基于绝缘监测装置和混沌检测电路的PWM变流器故障诊断方法，其特征在于：步骤d)中所述的系统存在问题包括PWM变流器开关器件故障、系统内存在外加直流干扰源、或者PWM变流器存在控制故障。
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