CN108680818B - 一种三电平牵引变流器开路故障诊断方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电路故障诊断技术领域，公开了一种可应用于诊断三电平牵引变流器中开路故障诊断方法及系统，以实时监测牵引变流器系统的运行状态，及时检测故障并处理故障，使牵引变流器安全可靠地运行；本发明的方法包括构建残差评价函数，设定残差的检测阈值，比较残差评价函数与检测阈值，判断牵引变流器是否有故障发生；分析残差评价函数的数值与牵引变流器的各交流侧电流之间的关联度，建立相似度判断函数，设定相似度阈值，比较相似度判断函数和相似度阈值判断故障桥臂的位置；向故障桥臂中输入特定的控制信号序列，设定诊断阈值，计算输入特定的控制信号后残差评价函数的绝对值，进一步得到故障桥臂上的具体故障器件所在位置。

Description

一种三电平牵引变流器开路故障诊断方法及系统
技术领域
本发明涉及电路故障诊断技术领域，尤其涉及一种可应用于诊断三电平牵引变流器中开 路故障诊断方法及系统。
背景技术
牵引传动系统被誉为高速列车的“心脏”，它不仅是整个高速列车的核心动力单元，更 是其运行安全的关键系统之一，对牵引传动系统中关键器件/部件的健康监测至关重要。牵引 传动系统由牵引变压器、牵引变流器等主电路设备以及牵引电机等装置构成，其中，牵引变 流器包括脉冲整流器、中间直流环节以及逆变器，因此，牵引变流器是这枚“心脏”的“起 搏器”。由于长期在高温、高压等恶劣的工作环境下，牵引变流器也是牵引传动系统的高发 故障源。牵引变流器中关键器件的安全隐患和故障若不能及时监测到并得到及时正确的处理， 都有可能引发系统连锁事故，甚至导致灾难性后果。因此，保证牵引变流器及其关键器件安 全可靠地工作不仅确保牵引传动系统安全运行的关键，也是确保轨道高速列车安全运行的关 键。
牵引变流器常见故障中有49％左右的是开关管和钳位二极管故障，主要类型有开关管开 路故障、开关管短路故障和钳位二极管开路故障等。对于短路故障情况，系统中多会加入快 速熔断器进行保护，当发生短路故障时，熔断器会以极快的速度熔断，之后就变成了开路故 障的情况。当牵引变流器中任一开关管或钳位二极管发生开路故障时，不仅会使输出电压和 电流会发生畸变，同时也会使相邻开关管或钳位二极管两端承受过高的压降，如果不及时采 取措施，不仅会使牵引变流器所在系统无法正常工作，而且会造成其它开关管等器件设备的 损坏，从而引起严重影响系统的性能和安全性。因此，实时监测牵引变流器系统的运行状态， 及时检测故障并处理故障，是提高牵引变流器安全可靠运行的关键。
发明内容
本发明目的在于提供一种三电平牵引变流器开路故障诊断方法与系统，以实时监测牵引 变流器系统的运行状态，及时检测故障并处理故障，使牵引变流器安全可靠地运行。
为实现上述目的，本发明提供了一种三电平牵引变流器开路故障诊断方法，包括以下步 骤：
S1：在牵引变流器系统正常工作的情况下，建立直流环节电压的数学计算模型；
S2：通过相关器件采集所述直流环节电压的实际值，然后根据所述数学计算模型计算所 述直流环节电压的值作为估计值，根据所述实际值与所述估计值生成残差，并构建残差评价 函数；
S3：设定残差的检测阈值h0，计算第k个控制周期内残差评价函数的绝对值，若该绝对 值大于所述检测阈值h0，且持续一定控制周期，则视为系统发生了故障，进入步骤S4；否则 视为系统没有发生故障，返回步骤S2；
S4：分析所述残差评价函数的数值与牵引变流器的各交流侧电流之间的关联度，根据所 述关联度建立相似度判断函数，设定相似度阈值h1，并将相似度判段函数的最大取值与所述 相似度阈值h1进行比较，判断故障桥臂的位置；
S5：设定诊断阈值h2，向步骤S4中的故障桥臂中输入特定的控制信号序列，重新计算注 入特定的控制信号后残差评价函数的绝对值，将该绝对值与所述诊断阈值h2进行比较，得到 故障桥臂上的具体故障器件所在位置。
与上述方法相对应地，本发明还提供一种三电平牵引变流器开路故障诊断系统，包括存 储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述 计算机程序时实现上述方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的三电平牵引变流器开路故障诊断方法与系统，首先构建残差评价函数， 设定残差的检测阈值，通过比较残差评价函数与残差的检测阈值，判断牵引变流器是否有故 障发生；然后，分析残差评价函数的数值与牵引变流器的各交流侧电流之间的关联度，并根 据该关联度建立相似度判断函数，设定相似度阈值，通过比较相似度判断函数和相似度阈值 判断故障桥臂的位置；再向故障桥臂中输入特定的控制信号序列，设定诊断阈值，计算输入 特定的控制信号后残差评价函数的绝对值，通过比较该绝对值与诊断阈值得到故障桥臂上的 具体故障器件所在位置；能及时、准确且快速地诊断三电平牵引变流器中开关管和钳位二极 管的开路故障。
2、本发明提供的三电平牵引变流器开路故障诊断方法与系统，对牵引变流器开路故障按 定位精度作了两个级别的区分，具体可分为牵引变流器桥臂级和器件级的故障诊断，能依据 系统实际情况和用户诊断需求，实现牵引变流器开路故障两个级别的故障定位，使本发明的 诊断方法与系统能灵活且有效降低牵引变流器的维修周期和成本。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及 其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的诊断方法流程图；
图2是本发明优选实施例的三电平牵引变流器系统主电路拓扑结构图；
图3是本发明优选实施例的残差评价函数绝对值的波形图；
图4是本发明优选实施例的评价函数与各交流侧电流有关的关联度的波形图；
图5是本发明优选实施例的相似度判据函数的波形图；
图6是本发明优选实施例的输入特定的控制信号情况下评价函数与整流器交流侧电流有 关的关联度的波形图；
图7是本发明优选实施例的输入特定的控制信号情况下残差评价函数绝对值的波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖 的多种不同方式实施。
实施例1
参见图1，本实施例提供一种三电平牵引变流器开路故障诊断方法，包括以下步骤：
S1：在牵引变流器系统正常工作的情况下，建立直流环节电压的数学计算模型；
S2：通过相关器件采集直流环节电压的实际值，然后根据数学计算模型计算直流环节电 压的值作为估计值，根据实际值与估计值生成残差，并构建残差评价函数；
S3：设定残差的检测阈值h0，计算第k个控制周期内残差评价函数的绝对值，若该绝对 值大于检测阈值h0，且持续一定控制周期，则视为系统发生了故障，进入步骤S4；否则视为 系统没有发生故障，返回步骤S2；
S4：分析残差评价函数的数值与牵引变流器的各交流侧电流之间的关联度，根据关联度 建立相似度判断函数，设定相似度阈值h1，并将相似度判段函数的最大取值与相似度阈值h1进行比较，判断故障桥臂的位置；
S5：设定诊断阈值h2，向步骤S4中的故障桥臂中输入特定的控制信号序列，重新计算注 入特定的控制信号后残差评价函数的绝对值，将该绝对值与诊断阈值h2进行比较，得到故障 桥臂上的具体故障器件所在位置。
具体地，本实施例以三电平牵引变流器中整流器A相2号开关管(TA2)发生开路故障为例进行具体说明。假定在1s之前，三电平牵引变流器系统正常运行，1s以后，整流器A 相2号开关管发生开路故障。其中，三电平牵引变流器系统正常运行时，其主电路拓扑结构 如图2所示，主要仿真参数如表1所示。
表1三电平牵引变流器系统正常运行时主要仿真参数表
参数 数值
支撑电容器的电容值(C) 0.0016uF
均压电阻器的阻值(R) 6000Ω
直流环节电压给定值 1300V
给定转速 200km/h
整流器开关周期 0.8ms
逆变器开关周期 1ms
首先，根据三电平牵引变流正常运行拓扑结构，在牵引变流器系统正常工作情况下，建 立直流环节电压的常微分方程，公式为：
Figure BDA0001652363110000041
式中，ucd1表示三电平牵引变流器直流环节上侧支撑电容器的两端电压，ucd2表示三电平 牵引变流器直流环节下侧支撑电容器的两端电压，C表示支撑电容器的电容值，R表示均压 电阻器的电阻值，ip_FC1表示流经变流器直流环节上侧支撑电容器的电流，in_FC2表示流经变 流器直流环节下侧支撑电容器的电流，ip_rec表示整流器直流侧上侧端口向直流环节方向的电 流，in_rec表示整流器直流侧下侧端口向直流环节方向的电流，ip_inv表示逆变器上侧端口向直 流环节方向的电流，in_inv表示逆变器下侧端口向直流环节方向的电流，ip_DR1表示流经变流器 直流环节上侧均压电阻器的电流，in_DR1表示流经变流器直流环节下侧均压电阻器的电流。
然后，将三电平牵引变流器划分为五个结构对称的桥臂，分别为整流器A相桥臂、整流 器B相桥臂、逆变器U相桥臂、逆变器V相桥臂和逆变器W相桥臂，建立各桥臂电流开关函数的通式，其公式为：
Figure BDA0001652363110000051
式中，Sp_x表示桥臂直流侧上端口电流的开关函数，Sn_x表示桥臂直流侧下端口电流的开关 函数，δx表示桥臂交流侧电流极性的标志位，其中
Figure BDA0001652363110000052
ix表示x相桥臂交流侧电 流，x＝A,B,U,V,W，其中，sx1、sx2、sx3和sx4依次表示桥臂由上往下的四个开关管Tx1、Tx2、 Tx3和Tx4的开关状态。需要说明的是，δx为计算过程中设定的辅助变量，用以将连续变量(如 电流)转换为逻辑量(1或0)，受系统中控制器输出的开关管控制信号控制，为1时代表导 通状态，为0时代表关断状态；且、∧和∨分别表示取反、与和或运算。
其次，由于整流器直流侧电流是由整流器A相直流侧电流和整流器B相直流侧电流汇流 而成，故“基于基尔霍夫电流定理”建立整流器A和B桥臂直流侧电流与整流器直流侧电流 之间的数学关系，公式为：
ip_rec＝ip_A+ip_B (3)
in_rec＝in_A+in_B (4)
式中，ip_A表示整流器A相桥臂直流侧上端口向直流环节方向的电流，ip_B表示整流器B 相桥臂直流侧上端口向直流环节方向的电流，in_A表示整流器A相桥臂直流侧下端口向直流 环节方向的电流，in_B表示整流器B相桥臂直流侧下端口向直流环节方向的电流。
进一步地，建立整流器A相和B相桥臂直流侧电流与整流器交流侧电流之间的数学关系， 公式为：
ip_rec＝Sp_A·iN+Sp_B·(-iN)＝Sp_A·iN-Sp_B·iN (5)
in_rec＝Sn_A·iN+Sn_B·(-iN)＝Sn_A·iN-Sn_B·iN (6)
式中，Sp_A表示A相桥臂直流侧上端口电流的开关函数，Sn_A表示A相桥臂直流侧下端 口电流的开关函数，Sp_B表示B相桥臂直流侧上端口电流的开关函数，Sn_B表示B相桥臂直流侧下端口电流的开关函数，iN表示整流器交流侧电流，其中，对于A相桥臂有iN＝ix＝iA，对于B相桥臂有-iN＝ix＝iB。
再次，建立逆变器U相、逆变器V相和逆变器W相桥臂直流侧电流与逆变器直流侧电流之间的数学关系，公式为：
ip_inv＝ip_U+ip_V+ip_W (7)
in_inv＝in_U+in_V+in_W (8)
式中，ip_U表示逆变器U相桥臂直流侧上端口向直流环节方向的电流，ip_V表示逆变器V 相桥臂直流侧上端口向直流环节方向的电流，ip_W表示逆变器W相桥臂直流侧上端口向直流 环节方向的电流，in_U表示逆变器U相桥臂直流侧下端口向直流环节方向的电流，in_V表示V 相桥臂直流侧下端口向直流环节方向的电流，in_W表示逆变器W相桥臂直流侧下端口向直流 环节方向的电流。
建立逆变器U相、逆变器V相和逆变器W相桥臂直流侧电流与逆变器交流侧电流之间 的数学关系，公式为：
ip_inv＝Sp_U·(-isa)+Sp_V·(-isb)+Sp_W·(-isc) (9)
in_inv＝Sn_U·(-isa)+Sn_V·(-isb)+Sn_W·(-isc) (10)
式中，Sp_U表示逆变器U相桥臂直流侧上端口电流的开关函数，Sn_U表示逆变器U相桥 臂直流侧下端口电流的开关函数，Sp_V表示逆变器V相桥臂直流侧上端口电流的开关函数， Sn_V表示逆变器V相桥臂直流侧下端口电流的开关函数，Sp_W表示逆变器W相桥臂直流侧上 端口电流的开关函数，Sn_W表示逆变器W相桥臂直流侧下端口电流的开关函数，isa表示逆变 器交流侧U相电流，且-isa＝ix＝iU，isb表示逆变器交流侧V相电流，且-isb＝ix＝iV，isc表示 逆变器交流侧W相电流，且-isc＝ix＝iW。
进一步地，建立直流环节电压与整流器交流侧电流和逆变器交流侧电流之间的数学关系， 公式为：
Figure BDA0001652363110000071
本实施例中一个牵引变流器中整流器开关周期为1ms，逆变器开关周期为0.8ms，整流器 和逆变器交流侧感性负载电流变化足够小。值得说明的是，感性负载电流由电路中的感性阻 抗引起，由于其在短时间内的变化足够小，所以可以忽略不计，则可得所述公式11的解为：
Figure BDA0001652363110000072
式中，t表示系统运行时间，t0表示开关管的状态切换时刻。由于在一个开关周期时间内， 公式12中
Figure BDA0001652363110000073
且
Figure BDA0001652363110000074
则可得上述公式(11)的近似解为：
Figure BDA0001652363110000075
作为本实施例优选的实施方式，通过构建残差评价函数，设定残差的检测阈值并与评价 函数的输出作比较，检测故障是否发生。
具体地，利用三电平牵引变流器上原有的整流器交流侧电流传感器和逆变器交流侧电流 传感器采集整流器交流侧电流iN，逆变器交流侧电流isa、isb和isc的数据，并获取系统中控制 器输出的开关管控制信号，再由公式(13)计算直流环节的电压并作为估计值
Figure BDA0001652363110000076
和
Figure BDA0001652363110000077
首先，利用三电平牵引变流器上原有的直流电压传感器检测直流环节电压，将检测结果 作为实际值ucd1_m和ucd2_m，然后，将实际值与估计值作差，得到电压残差
Figure BDA0001652363110000078
和
Figure BDA0001652363110000079
进一步地，构建残差评价函数Di(k)，i＝1,2，其具体公式为：
Figure BDA0001652363110000081
Figure BDA0001652363110000082
式中，D1表示直流环节上侧电压的残差评价函数，D2表示直流环节下侧电压的残差评价 函数，
Figure BDA0001652363110000083
表示电压残差
Figure BDA0001652363110000084
的第k个控制周期内的计算值，
Figure BDA0001652363110000085
表示电压残差
Figure BDA0001652363110000086
的 第(k-1)个控制周期内的计算值，其中，k＝1,2,3,L，
Figure BDA0001652363110000087
表示电压残差
Figure BDA0001652363110000088
的第k个控 制周期内的计算值，
Figure BDA0001652363110000089
表示电压残差
Figure BDA00016523631100000810
的第(k-1)个控制周期内的计算值，Sp_A_m表 示A相桥臂上端口开关管的实际通断情况，Sp_B_m表示B相桥臂上端口开关管的实际通断情 况，Sp_U_m表示U相桥臂上端口开关管的实际通断情况，Sp_V_m表示V相桥臂上端口开关管 的实际通断情况，Sp_W_m表示W相桥臂上端口开关管的实际通断情况。同理，Sn_A_m表示A 相桥臂下端口开关管的实际通断情况，Sn_B_m表示B相桥臂下端口开关管的实际通断情况， Sn_U_m表示U相桥臂下端口开关管的实际通断情况，Sn_V_m表示V相桥臂上端口开关管的实 际通断情况，Sn_W_m表示W相桥臂上端口开关管的实际通断情况。
Figure BDA00016523631100000811
表示A相桥臂上端口 的数字控制器输出的控制驱动信号，
Figure BDA00016523631100000812
表示B相桥臂上端口的数字控制器输出的控制驱动 信号,
Figure BDA00016523631100000813
表示U相桥臂上端口的数字控制器输出的控制驱动信号,
Figure BDA00016523631100000814
表示V相桥臂上端口 的数字控制器输出的控制驱动信号,
Figure BDA00016523631100000815
表示W相桥臂上端口的数字控制器输出的控制驱动 信号。需要说明的是，带次符的参数是相应控制器输出的控制器驱动信号，类似预期值。作 为本领域的技术人员都应当掌握该参数所指含义，在此不多做赘述。优选地，在本实施例中， Tc＝1e-5s。
设定残差的检测阈值，其公式为：
h0＝ε0 (16)
式中，h0表示残差的检测阈值，ε0表示故障检测的误差干扰值。优选地，在本实施例中， h0＝ε0＝20。
具体地，由公式(14)和公式(15)计算得到第k个控制周期内残差评价函数Di(k)的绝 对值(|D1|、|D2|)，i＝1,2；若第k1个控制周期开始，所得计算值|D1|或|D2|大于|h0|，且持续到 第(k1+m0)个控制周期，则判断系统发生了故障，否则系统没有发生故障。其中，在本实施 例中m0＝3，但本发明并不仅限于此，需要说明的是，m0表示持续的控制周期个数，在本实 施例中优选为3个周期，在不同的应用场景下，可相应地调整该持续周期的个数。
本实施例中，直流环节上侧和下侧电压残差评价函数的绝对值|D1|和|D2|的变化如图3 所示。由图3可知，在1s之后，残差评价函数|D2|的数值有了显著波动，且满足持续3个控 制周期大于检测阈值|h0|的条件，则可以继续进行以下步骤。
具体地，将变流器桥臂的位置分为整流器A相桥臂、整流器B相桥臂、逆变器U相桥臂、 逆变器V相桥臂以及逆变器W相桥臂。
分析残差评价函数的数值与牵引变流器的各交流侧电流之间的关联度，并建立关联度公 式为：
Figure BDA0001652363110000091
式中，Jix表示评价函数的数值Di与交流侧电流ix有关的关联度，其中0<Jix≤1，Jix(kh) 表示第kh至(kh+m0)个控制周期内关联度的计算值，Di(j)表示第j个控制周期内残差评价 函数值的绝对值，|ix(j)|表示第j个控制周期内牵引变流器各交流侧电流ix采样值的绝对值； 其中所述牵引变流器各交流侧电流包括整流器交流侧电流iN和逆变器交流侧电流isa、isb以及 isc；
具体地，评价函数与各交流侧电流有关的欧氏相似度Jix的数值变化如图4所示。
然后，基于上述关联度公式建立相似度判据函数的公式为：
Jmax(kh)＝max{J1A(kh),J1U(kh),J1V(kh),J1W(kh),J2A(kh),J2U(kh),J2V(kh),J2W(kh)} (18)
式中，J1A(kh)表示残差评价函数的D1与牵引变流器的A相交流侧电流之间的关联度， J1U(kh)表示残差评价函数的D1与牵引变流器的U相交流侧电流之间的关联度，J1V(kh)表示 残差评价函数的D1与牵引变流器的V相交流侧电流之间的关联度，J1W(kh)表示残差评价函 数的D1与牵引变流器的W相交流侧电流之间的关联度，J2A(kh)表示残差评价函数的D2与牵 引变流器的A相交流侧电流之间的关联度，J2U(kh)表示残差评价函数的D2与牵引变流器的U 相交流侧电流之间的关联度，J2V(kh)表示残差评价函数的D2与牵引变流器的V相交流侧电 流之间的关联度，J2W(kh)表示残差评价函数的D2与牵引变流器的W相交流侧电流之间的关 联度；
令kh＝k1，设定相似度阈值为h1，然后将相似度判段函数的最大取值与所述相似度阈值h1进行比较，其中
若Jmax(k1)＝J1A(k1)或J2A(k1)，且Jmax(k1)≥h1，则判断故障桥臂在整流器中；
若Jmax(k1)＝J1U(k1)或J2U(k1)，且Jmax(k1)≥h1，则判断故障桥臂为逆变器U相桥臂；
若Jmax(k1)＝J1V(k1)或J2V(k1)，且Jmax(k1)≥h1，则判断故障桥臂为逆变器V相桥臂；
若Jmax(k1)＝J1W(k1)或J2W(k1)，且Jmax(k1)≥h1，则判断故障桥臂为逆变器W相桥臂。
作为本实施例优选的实施方式，相似度判据函数Jmax的数值变化如图5所示。对比图4 和图5可知，故障后J1A数值最大，Jmax＝J1A。所以，故障器件所在故障桥臂在整流器中。
进一步地，判断
Figure BDA0001652363110000101
的结果，若δA＝0，则向整流器A相的TA1，TA2，TA3，TA4和B相的TB1，TB2，TB3，TB4在内的8个开关管输入特定的控制信号，具体为：
[sA1,sA2,sA3,sA4,sB1,sB2,sB3,sB4]＝[1,1,0,0,1,1,0,0] (19)
若δA＝1，则向整流器A相的TA1，TA2，TA3，TA4和B相的TB1，TB2，TB3，TB4在内的8 个开关管输入特定的控制信号，具体为：
[sA1,sA2,sA3,sA4,sB1,sB2,sB3,sB4]＝[0,0,1,1,0,0,1,1] (20)
在向整流器8个开关管输入特定的控制信号情况下，取kh＝k2，计算J1A(kh)和J2A(kh)。 若第k2(k2>k1+m0)至(k2+m0)个控制周期内，所得计算值J1A(k2)和J2A(k2)至少有一个大于 相似度阈值h1，则判断系统故障源所在故障桥臂为整流器的A相桥臂，否则继续执行下一步。
继续判断
Figure BDA0001652363110000111
的结果，若δA＝0，则向整流器A相的TA1，TA2，TA3，TA4和 B相的TB1，TB2，TB3，TB4在内的8个开关管输入特定的控制信号，具体为：
[sA1,sA2,sA3,sA4,sB1,sB2,sB3,sB4]＝[0,1,0,0,0,1,0,0] (21)
若δA＝1，则向整流器A相的TA1，TA2，TA3,TA4和B相的TB1，TB2，TB3，TB4在内的8 个开关管输入特定的控制信号，具体为：
[sA1,sA2,sA3,sA4,sB1,sB2,sB3,sB4]＝[0,0,1,0,0,0,1,0] (22)
在向整流器8个开关管输入特定的控制信号情况下，取kh＝k3，计算J1A(kh)和J2A(kh)。 若第k3(k3>k2+m0)至(k3+m0)个控制周期内，所得计算值J1A(k3)或J2A(k3)至少有一个大于 相似度阈值h1，则判断系统故障源所在故障桥臂为整流器的B相桥臂。
本实施例中，在输入特定的控制信号情况下，计算J1A和J2A，如图6所示。由图6可知， J1A持续3个控制周期大于相似度阈值h1，所以，判断系统故障源所在故障桥臂为整流器的A 相桥臂。
作为本实施例的优选实施方式，在确定故障桥臂的位置后，设定诊断阈值，向故障桥臂 开关管输入特定的控制信号序列，将评价函数与诊断阈值作比较，识别出故障器件的位置。
具体地，故障器件的具体位置包括，故障桥臂上由上往下的4个开关管Tx1、Tx2、Tx3和Tx4和2个钳位二极管，按从上往下的顺序记为Dx1和Dx2，其中x＝A,B,U,V,W。
设定诊断阈值为h2，本实施例中，优选地，h2＝50。
向故障桥臂的4个开关管输入特定的控制信号，具体为：
[sf1,sf2,sf3,sf4]＝[1,1,0,0] (23)
式中，f表示故障源所在的桥臂，f∈(A,B,U,V,W)。
在本实施例中，故障桥臂为整流器A相桥臂，所以，向整流器A相桥臂的4个开关管输 入特定的控制信号为[sA1,sA2,sA3，sA4]＝[1,1,0,0]。
接着，进行阈值比较。在输入特定的控制信号情况下，重新计算注入特定的控制信号后 残差评价函数的绝对值|D1|和|D2|，将该绝对值与所述诊断阈值h2进行比较，如图7所示。 由图7可知，|D1|和|D2|均大于诊断阈值|h2|的条件且持续满足m1＝3个控制周期，则判断系统 故障器件的具体位置为所在故障桥臂中的开关管TA2。需要说明的是，在本实施例中，m0用 以表示诊断故障桥臂时持续的控制周期，m1用以表示诊断故障桥臂上故障开关管时持续的控 制周期。优选地，本实施例，m0和m1都取值为3，但本发明并不仅限于此，在能实现相同功 能的目的下，可以对m0和m1的取值做相应的调整。
实施例2
与上述方法实施例相对应地，本实施例提供一种三电平牵引变流器开路故障诊断系统， 包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执 行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
综上，本发明上述各实施例分别公开的三电平牵引变流器开路故障诊断方法与系统，具 有以下有益效果：
1、本发明提供的三电平牵引变流器开路故障诊断方法与系统，首先构建残差评价函数， 设定残差的检测阈值，通过比较残差评价函数与故障检测阈值，判断牵引变流器是否有故障 发生；然后，分析残差评价函数的数值与牵引变流器的各交流侧电流之间的关联度，并根据 该关联度建立相似度判断函数，设定相似度阈值，通过比较相似度判断函数和相似度阈值判 断故障桥臂的位置；再向故障桥臂中输入特定的控制信号序列，设定诊断阈值，计算输入特 定的控制信号后残差评价函数的绝对值，通过比较该绝对值与诊断阈值得到故障桥臂上的具 体故障器件所在位置；能及时、准确且快速地诊断三电平牵引变流器中开关管和钳位二极管 的开路故障。
2、本发明提供的三电平牵引变流器开路故障诊断方法与系统，对牵引变流器开路故障按 定位精度作了两个级别的区分，具体可分为牵引变流器桥臂级和器件级的故障诊断，能依据 系统实际情况和用户诊断需求，实现牵引变流器开路故障两个级别的故障定位，使本发明的 诊断方法与系统能灵活且有效降低牵引变流器的维修周期和成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员 来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三电平牵引变流器开路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在牵引变流器系统正常工作的情况下，建立直流环节电压的数学计算模型；
S2：通过相关器件采集所述直流环节电压的实际值，然后根据所述数学计算模型计算所述直流环节电压的值作为估计值，根据所述实际值与所述估计值生成残差，并构建残差评价函数；
S3：设定残差的检测阈值h0，计算第k个控制周期内残差评价函数的绝对值，若该绝对值大于所述检测阈值h0，且持续一定控制周期，则视为系统发生了故障，进入步骤S4；否则视为系统没有发生故障，返回步骤S2；
S4：分析所述残差评价函数的数值与牵引变流器的各交流侧电流之间的关联度，根据所述关联度建立相似度判断函数，设定相似度阈值h1，并将相似度判段函数的最大取值与所述相似度阈值h1进行比较，判断故障桥臂的位置；
S5：设定诊断阈值h2，向步骤S4中的故障桥臂中输入特定的控制信号序列，重新计算输入特定的控制信号后残差评价函数的绝对值，将该绝对值与所述诊断阈值h2进行比较，得到故障桥臂上的具体故障器件所在位置；
所述步骤S1具体包括：
S11：在牵引变流器系统正常工作情况下，建立直流环节电压的常微分方程，公式为：
Figure FDA0002522432640000011
式中，ucd1表示三电平牵引变流器直流环节上侧支撑电容器的两端电压，ucd2表示三电平牵引变流器直流环节下侧支撑电容器的两端电压，C表示支撑电容器的电容值，R表示均压电阻器的电阻值，ip_FC1表示流经变流器直流环节上侧支撑电容器的电流，in_FC2表示流经变流器直流环节下侧支撑电容器的电流，ip_rec表示整流器直流侧上侧端口向直流环节方向的电流，in_rec表示整流器直流侧下侧端口向直流环节方向的电流，ip_inv表示逆变器上侧端口向直流环节方向的电流，in_inv表示逆变器下侧端口向直流环节方向的电流，ip_DR1表示流经变流器直流环节上侧均压电阻器的电流，in_DR1表示流经变流器直流环节下侧均压电阻器的电流；
S12：将三电平牵引变流器划分为五个结构对称的桥臂，分别为整流器A相桥臂、整流器B相桥臂、逆变器U相桥臂、逆变器V相桥臂和逆变器W相桥臂，建立各桥臂电流开关函数的通式，其公式为：
Figure FDA0002522432640000021
式中，Sp_x表示桥臂直流侧上端口电流的开关函数，Sn_x表示桥臂直流侧下端口电流的开关函数，δx表示桥臂交流侧电流极性的标志位，其中
Figure FDA0002522432640000022
ix表示x相桥臂交流侧电流，x＝A,B,U,V,W，其中，sx1、sx2、sx3和sx4依次表示桥臂由上往下的四个开关管Tx1、Tx2、Tx3和Tx4的开关状态；
S13：建立整流器A相和整流器B相桥臂直流侧电流与整流器直流侧电流之间的数学关系，其公式为：
ip_rec＝ip_A+ip_B (3)
in_rec＝in_A+in_B (4)
式中，ip_A表示整流器A相桥臂直流侧上端口向直流环节方向的电流，ip_B表示整流器B相桥臂直流侧上端口向直流环节方向的电流，in_A表示整流器A相桥臂直流侧下端口向直流环节方向的电流，in_B表示整流器B相桥臂直流侧下端口向直流环节方向的电流；
建立整流器A相和整流器B相桥臂直流侧电流与整流器交流侧电流之间的数学关系，其公式为：
ip_rec＝Sp_A·iN+Sp_B·(-iN)＝Sp_A·iN-Sp_B·iN (5)
in_rec＝Sn_A·iN+Sn_B·(-iN)＝Sn_A·iN-Sn_B·iN (6)
式中，Sp_A表示A相桥臂直流侧上端口电流的开关函数，Sn_A表示A相桥臂直流侧下端口电流的开关函数，Sp_B表示B相桥臂直流侧上端口电流的开关函数，Sn_B表示B相桥臂直流侧下端口电流的开关函数，iN表示整流器交流侧电流，其中，对于A相桥臂有iN＝ix＝iA，对于B相桥臂有-iN＝ix＝iB；
S14：建立逆变器U相、逆变器V相和逆变器W相桥臂直流侧电流与逆变器直流侧电流之间的数学关系，其公式为：
ip_inv＝ip_U+ip_V+ip_W (7)
in_inv＝in_U+in_V+in_W (8)
式中，ip_U表示逆变器U相桥臂直流侧上端口向直流环节方向的电流，ip_V表示逆变器V相桥臂直流侧上端口向直流环节方向的电流，ip_W表示逆变器W相桥臂直流侧上端口向直流环节方向的电流，in_U表示逆变器U相桥臂直流侧下端口向直流环节方向的电流，in_V表示V相桥臂直流侧下端口向直流环节方向的电流，in_W表示逆变器W相桥臂直流侧下端口向直流环节方向的电流；
建立逆变器U相、逆变器V相和逆变器W相桥臂直流侧电流与逆变器交流侧电流之间的数学关系，其公式为：
ip_inv＝Sp_U·(-isa)+Sp_V·(-isb)+Sp_W·(-isc) (9)
in_inv＝Sn_U·(-isa)+Sn_V·(-isb)+Sn_W·(-isc) (10)
式中，Sp_U表示逆变器U相桥臂直流侧上端口电流的开关函数，Sn_U表示逆变器U相桥臂直流侧下端口电流的开关函数，Sp_V表示逆变器V相桥臂直流侧上端口电流的开关函数，Sn_V表示逆变器V相桥臂直流侧下端口电流的开关函数，Sp_W表示逆变器W相桥臂直流侧上端口电流的开关函数，Sn_W表示逆变器W相桥臂直流侧下端口电流的开关函数，isa表示逆变器交流侧U相电流，且-isa＝ix＝iU，isb表示逆变器交流侧V相电流，且-isb＝ix＝iV，isc表示逆变器交流侧W相电流，且-isc＝ix＝iW；
S15：基于上述步骤S11至S14建立直流环节电压与整流器交流侧电流和逆变器交流侧电流之间的数学关系，其公式为：
Figure FDA0002522432640000031
将整流器交流侧感性负载电流和逆变器交流侧感性负载电流在一个牵引变流器的开关周期内的变化忽略不计，求解上述公式(11)得：
Figure FDA0002522432640000041
式中，t表示系统运行时间，t0表示开关管的状态切换时刻，公式(12)中
Figure FDA0002522432640000042
且
Figure FDA0002522432640000043
则可得上述公式(11)的近似解为：
Figure FDA0002522432640000044
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21：将相关数据带入公式(13)计算直流环节的电压值作为估计值
Figure FDA0002522432640000045
和
Figure FDA0002522432640000046
S22：利用三电平牵引变流器上原有的直流电压传感器检测直流环节电压，将检测结果作为实际值ucd1_m和ucd2_m，将所述实际值与所述估计值作差，生成残差；
S23：根据所述残差构建残差评价函数Di(k)，i＝1,2，其具体公式为：
Figure FDA0002522432640000047
Figure FDA0002522432640000048
式中，D1表示直流环节上侧电压的残差评价函数，D2表示直流环节下侧电压的残差评价函数，
Figure FDA0002522432640000049
表示电压残差
Figure FDA00025224326400000410
的第k个控制周期内的计算值，
Figure FDA00025224326400000411
表示电压残差
Figure FDA00025224326400000412
的第(k-1)个控制周期内的计算值，其中，k＝1,2,3,…，
Figure FDA00025224326400000413
表示电压残差
Figure FDA00025224326400000414
的第k个控制周期内的计算值，
Figure FDA00025224326400000415
表示电压残差
Figure FDA00025224326400000416
的第(k-1)个控制周期内的计算值，Tc表示系统中数字控制器的控制周期。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31：设定残差的检测阈值，其公式为：
h0＝ε0 (16)
式中，h0表示残差的检测阈值，ε0表示故障检测的误差干扰值；
S32：由公式(14)和公式(15)计算得到第k个控制周期内残差评价函数Di(k)的绝对值，若第k1个控制周期开始，所得计算值|D1|或|D2|大于|h0|，且持续到第(k1+m0)个控制周期，则判断系统发生了故障，否则系统没有发生故障，返回步骤S2。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
S41：将变流器桥臂的位置分为整流器A相桥臂、整流器B相桥臂、逆变器U相桥臂、逆变器V相桥臂以及逆变器W相桥臂；
S42：分析残差评价函数的数值与牵引变流器的各交流侧电流之间的关联度，并建立关联度公式为：
Figure FDA0002522432640000051
式中，Jix表示评价函数的数值Di与交流侧电流ix有关的关联度，其中0<Jix≤1，Jix(kh)表示第kh至(kh+m0)个控制周期内关联度的计算值，|Di(j)|表示第j个控制周期内残差评价函数值的绝对值，i＝1,2，|ix(j)|表示第j个控制周期内牵引变流器各交流侧电流ix采样值的绝对值；其中所述牵引变流器各交流侧电流包括整流器交流侧电流iN和逆变器交流侧电流isa、isb以及isc；
S43：基于上述关联度公式建立相似度判断函数的公式为：
Jmax(kh)＝max{J1A(kh),J1U(kh),J1V(kh),J1W(kh),J2A(kh),J2U(kh),J2V(kh),J2W(kh)} (18)
式中，J1A(kh)表示残差评价函数的D1与牵引变流器的A相交流侧电流之间的关联度，J1U(kh)表示残差评价函数的D1与牵引变流器的U相交流侧电流之间的关联度，J1V(kh)表示残差评价函数的D1与牵引变流器的V相交流侧电流之间的关联度，J1W(kh)表示残差评价函数的D1与牵引变流器的W相交流侧电流之间的关联度，J2A(kh)表示残差评价函数的D2与牵引变流器的A相交流侧电流之间的关联度，J2U(kh)表示残差评价函数的D2与牵引变流器的U相交流侧电流之间的关联度，J2V(kh)表示残差评价函数的D2与牵引变流器的V相交流侧电流之间的关联度，J2W(kh)表示残差评价函数的D2与牵引变流器的W相交流侧电流之间的关联度；
S44：令kh＝k1，设定相似度阈值为h1，然后将相似度判段函数的最大取值与所述相似度阈值h1进行比较，其中
若Jmax(k1)＝J1A(k1)或J2A(k1)，且Jmax(k1)≥h1，则判断故障桥臂在整流器中；
若Jmax(k1)＝J1U(k1)或J2U(k1)，且Jmax(k1)≥h1，则判断故障桥臂为逆变器U相桥臂；
若Jmax(k1)＝J1V(k1)或J2V(k1)，且Jmax(k1)≥h1，则判断故障桥臂为逆变器V相桥臂；
若Jmax(k1)＝J1W(k1)或J2W(k1)，且Jmax(k1)≥h1，则判断故障桥臂为逆变器W相桥臂。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤S44中，当判断故障桥臂在整流器中时，还包括以下步骤：
S44-1：计算
Figure FDA0002522432640000061
的结果，若δA＝0，向整流器A相的TA1，TA2，TA3，TA4和B相的TB1，TB2，TB3，TB4在内的8个开关管输入特定的控制信号为：
[sA1,sA2,sA3,sA4,sB1,sB2,sB3,sB4]＝[1,1,0,0,1,1,0,0] (19)
若δA＝1，向整流器A相的TA1，TA2，TA3，TA4和B相的TB1，TB2，TB3，TB4在内的8个开关管输入特定的控制信号为：
[sA1,sA2,sA3,sA4,sB1,sB2,sB3,sB4]＝[0,0,1,1,0,0,1,1] (20)
S44-2：在向整流器8个开关管输入特定的控制信号情况下，取kh＝k2，计算J1A(kh)和J2A(kh)；若第k2至k2+m0个控制周期内，所得计算值J1A(k2)和J2A(k2)至少有一个大于相似度阈值h1，则判断系统故障源所在故障桥臂为整流器的A相桥臂，否则执行步骤S44-3；其中，k2＞k1+m0；
S44-3：判断
Figure FDA0002522432640000062
的结果，若δA＝0，则向整流器A相的TA1，TA2，TA3，TA4和B相的TB1，TB2，TB3，TB4在内的8个开关管输入特定的控制信号，具体为：
[sA1,sA2,sA3,sA4,sB1,sB2,sB3,sB4]＝[0,1,0,0,0,1,0,0] (21)
若δA＝1，则向整流器A相的TA1，TA2，TA3,TA4和B相的TB1，TB2，TB3，TB4在内的8个开关管输入特定的控制信号，具体为：
[sA1,sA2,sA3,sA4,sB1,sB2,sB3,sB4]＝[0,0,1,0,0,0,1,0] (22)
S44-4：取kh＝k3，计算J1A(kh)和J2A(kh)的取值，若第k3至k3+m0个控制周期内，所得计算值J1A(k3)或J2A(k3)大于相似度阈值h1，则判断故障桥臂为整流器的B相桥臂，其中，k3＞k2+m0。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
S51：将故障桥臂上4个开关管按由上往下的顺序记为Tx1、Tx2、Tx3和Tx4，2个钳位二极管，按从上往下的顺序记为Dx1和Dx2，其中x＝A,B,U,V,W；
S52：设定诊断阈值为h2，向故障桥臂的4个开关管输入特定的控制信号为：
[sf1,sf2,sf3,sf4]＝[1,1,0,0] (23)
式中，f表示故障源所在的桥臂，f∈(A,B,U,V,W)；
重新计算注入特定的控制信号后残差评价函数的绝对值|D1|和|D2|，将该绝对值与所述诊断阈值h2进行比较，若|D1|大于诊断阈值|h2|，且|D2|小于|h2|的条件持续满足m1个控制周期，则判断系统故障器件的具体位置为所在故障桥臂中的开关管Tf1；
若|D1|和|D2|均大于诊断阈值|h2|的条件持续满足m1个控制周期，则判断系统故障器件的具体位置为所在故障桥臂中的开关管Tf2；
若上述条件都不满足，则执行步骤S53；
S53：向故障桥臂的4个开关管输入特定的控制信号为：
[sf1,sf2,sf3,sf4]＝[0,0,1,1] (24)
重新计算注入特定的控制信号后残差评价函数的绝对值|D1|和|D2|，将该绝对值与所述诊断阈值h2进行比较，若|D1|大于诊断阈值|h2|，且|D2|小于|h2|的条件持续满足m1个控制周期，则判断系统故障器件的具体位置为所在故障桥臂中的开关管Tf4；
若|D1|和|D2|均大于诊断阈值|h2|的条件持续满足m1个控制周期，则判断系统故障器件的具体位置为所在故障桥臂中的开关管Tf3；若上述条件仍不被满足，则执行步骤S54；
S54：向故障桥臂的4个开关管输入特定的控制信号为：
[sf1,sf2,sf3,sf4]＝[0,1,1,0] (25)
重新计算注入特定的控制信号后残差评价函数的绝对值|D1|和|D2|，将该绝对值与所述诊断阈值h2进行比较，若|D1|小于诊断阈值|h2|，且|D2|大于|h2|的条件持续满足m1个控制周期，则判断系统故障器件的具体位置为所在故障桥臂中的钳位二极管Df1；
若|D1|大于诊断阈值|h2|，且|D2|小于|h2|的条件持续满足m1个控制周期，则判断系统故障器件的具体位置为所在故障桥臂中的钳位二极管Df2，若上述条件均不被满足，则返回步骤S44，重新判断故障桥臂的位置，直至得到故障桥臂上的具体故障器件所在位置。
7.一种三电平牵引变流器开路故障诊断系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至6任一所述方法的步骤。
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