CN108803560A - 综合化直流固态功率控制器及故障决策诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种综合化直流固态功率控制器及故障决策诊断方法，所述控制器包括功率板和数字控制板。其中，功率板主要负责系统状态的检测、调理、信号上传以及SSPC的驱动和保护控制；数字控制板集成有电弧故障检测及电缆故障检测定位相关电路，基于多传感器检测调理后的系统状态信号，在FPGA主控模块内并行完成定时限电源过欠压故障保护、SSPC的BIT自检、反时限过载保护等常规SSPC的局部故障诊断以及增加的系统电弧故障检测、电缆故障检测定位等局部故障诊断，最后基于多源信息融合技术实现系统状态的决策诊断与健康管理。本发明能够实现增强的系统故障检测与健康管理能力，提高系统安全性、可靠性、测试性和维护性。

Description

综合化直流固态功率控制器及故障决策诊断方法

技术领域

本发明涉及一种综合化直流固态功率控制器装置及方法，属于电力电子与电工技术领域。

背景技术

固态功率控制器(Solid State Power Controller, 简称SSPC)是以半导体功率管为核心、集继电器的开关转换功能和断路器的保护功能于一体的固态配电装置。SSPC具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高、便于计算机远程控制等优点，因而在飞机、舰船及车辆配电网中得到了广泛的应用。以固态功率控制器为代表的智能开关设备作为配电系统的核心部件，在实现无触点接通/关断用电设备的同时，能够实时监测系统电压电流状态，实现短路、过载、过欠压等常见电气故障的保护，从而大大提高了系统运行的安全性和可靠性。

实际应用中发现，除了短路、过流等故障会引起飞机配电系统的不安全，电弧故障也是造成飞机安全事故的罪魁祸首。飞机多电/全电化发展趋势必然带来飞机用电设备的增多，进而大大增加飞机配电线缆长度，而飞机运行过程中的高温、振动、摩擦、腐蚀等作用下极易导致电缆损坏、老化、裂纹和磨损，这些都会引起电弧故障。电弧危害性极大，微小的电弧电流会引起上千摄氏度的高温，而仅0.5A的电流就足以引发火灾，严重时甚至可以造成机毁人亡的惨祸。因此，为提高整个电气系统的安全性，对兼具电弧故障检测功能的固态功率控制器的需求越来越高。

此外，随着多电/全电飞机的发展，电缆网络结构错综复杂并且敷设隐秘，一旦电缆出现致命性故障，可能对整个航天器电源系统带来致命影响，因此必须寻求一种快捷、准确的电缆故障检测定位方法，及时检测并定位出非致命性电缆故障，防患于未然。

综上，为提高配电系统安全性、可靠性和维修性，固态配电装置必须兼具系统常见电气故障如短路、开路、过/欠压、过载、电弧等故障模式的检测和故障部位的隔离功能。而现有的SSPC研究，都未能实现整个配电系统的系统级故障诊断。部分专利的普遍做法是通过外加电弧检测模块或电缆定位模块，从而辅助常规SSPC实现系统各常见电气故障的检测和电缆故障的定位。其中GE公司在专利WO/2016/034599中为克服常规SSPC不能完成的系统电弧故障检测及定位能力，在系统中外加了电弧检测及定位硬件电路，并采用传统时频域方法实现电弧故障检测和基于反射法实现传输线故障定位，但该专利还存在以下几个方面的问题：

（1）未能将增加的电弧检测及电缆定位功能电路集成在SSPC内部，造成了系统体积重量上的负担；

（2）实际系统的任意故障模式，可能出现在系统中的任意组成部件中，而该专利只针对电缆上的电弧故障开展了检测及定位研究，其不具备整个系统的故障隔离能力，包括系统中电源、配电装置、连接器、电缆、负载等各组成部件故障模式的检测和故障部位的隔离；

（3）该专利中基于传统时频域方法的电弧故障检测存在检测率较低，虚警率和误判率较高的缺点，其未能充分利用反射法在电缆硬故障或软故障上的检测能力，因此未能将这两种算法结合以实现系统中部分故障模式如开路、短路、电弧等的增强的检测能力。

发明内容

根据前述背景技术中的描述，未见公开报道在常规SSPC（本文中的常规SSPC即现有技术中的SSPC）中集成电弧故障检测及电缆故障定位功能，也未见整个配电系统常见电气故障的系统级故障诊断研究。本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提出一种综合化直流固态功率控制器，并通过有机融合所增加的功能模块以实现系统级的故障诊断，进而提高系统故障诊断能力。该装置在常规SSPC的基础上采用新型功率半导体器件，并集成电弧故障检测及电缆故障检测定位功能，最后基于多源信息融合技术在多源信息或一致或冲突的情况下完成系统故障的决策诊断并采取相应的健康管理措施。本发明能够实现增强的系统故障诊断与健康管理能力，表现为系统故障覆盖率和隔离率的提升、系统中各故障模式检测率的提高、电缆故障距离的精确定位等，可广泛应用于飞机、电动汽车、舰船以及民用领域的低压和高压直流配电系统，提高系统安全性、可靠性、测试性和维护性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种综合化直流固态功率控制器，其特征在于所述装置包括：功率板和数字控制板；

所述功率板包括：

SiC功率管：控制主功率回路的通断；

检测电阻：用于系统回路电流的检测；

检测调理模块：检测负载电流，调理后一方面用于后级的驱动控制模块以实现快速的短路故障保护，另一方面通过硬件电路模拟量上传模块上传至数字控制板，用于电流状态的实时监测以及过载、电弧故障的检测；检测负载电压，调理后一方面反馈至驱动控制模块参与功率管线性开关的控制，另一方面通过硬件电路模拟量上传模块上传至数字控制板，用于电压状态的实时监测以及过欠压故障的检测；

驱动控制模块：基于电压电流双闭环控制策略，产生控制功率管开通/关断的驱动信号，实现SSPC的慢开通/慢关断以及系统故障保护，并产生短路故障状态信号上传至数字控制板；

硬件电路模拟量上传模块：将检测到的负载电压、电流模拟量上传至数字控制板以用于过欠压、过流、电弧等故障的检测与保护；

所述数字控制板包括：

隔离耦合模块：将高频低压检测信号以非接触式方式耦合到处于工作状态的被测试电缆当中，并接收被测电缆故障点反射信号；

通道选择模块：控制电缆入射信号发送或电缆反射信号接收的支路切换；

DA转换模块：实现数模转换，将FPGA产生的扩频检测数字信号经过数模转换为模拟信号；

入射信号检测调理电路：对产生的恒定幅值的检测信号进行调理，使其幅值满足测试系统要求；

接收信号检测调理电路：对接收到的故障点反射信号进行调理，使得调理后的信号符合AD采样的要求；

第一AD转换模块：对接收到的信号进行模数转换，以待送入FPGA主控模块中进行数据处理和电缆故障诊断；

第二AD转换模块：将功率板硬件电路模拟量上传模块上传的调理后的电压电流模拟量通过AD转换器转换为数字量，并上传给FPGA主控模块，用以实现系统电压、电流状态的实时监测和过欠压、过流、电弧等故障的检测；

通信模块：实现上、下位机之间的信息交互，实现上位机控制指令的下达和下位机对系统状态的实时反馈；

FPGA主控模块：完成系统局部故障诊断，包括常规SSPC所具备的过载、过欠压等故障诊断与保护、基于分数阶傅里叶变换（FRFT）的系统电弧故障检测、基于扩展频谱时域反射法（SSTDR）的非接触式电缆故障诊断，以及基于多源信息融合的系统故障决策诊断和健康管理。

本发明还提供了一种基于多源信息融合的系统级故障决策诊断方法，包括如下步骤：

步骤1：将常规SSPC模块、电弧检测模块和电缆定位模块分别视为传感器1、传感器2和传感器3，三者基于主功率回路的检测信号完成初步故障诊断，包括三个诊断模块：（1）常规SSPC的系统故障诊断，即系统开路、短路、过欠压和过流故障的诊断；（2）基于分数阶傅里叶变换的系统电弧故障检测，即系统串行电弧故障和并行电弧故障的检测；（3）基于扩展频谱时域反射法的非接触式电缆故障检测与定位，即离线电缆开路、短路或间歇性开路、短路故障诊断和在线电缆开路、短路、串行电弧、并行电弧故障的诊断；以上三个诊断模块的初步诊断结果均采用故障标志位表示，这些故障标志位属于开关量，其中‘1’表示故障，‘0’表示正常；

步骤2：将步骤1中三个诊断模块的初步诊断结果，即开关量表示的各个故障标志位作为信息融合模块的输入信息，在信息融合模块通过逻辑综合实现系统部分故障的决策诊断，包括（1）实际开关指令的产生：实际开关指令由输入开关指令和引起跳闸保护的故障标志位共同决定，即当短路故障标志位或过/欠压故障标志位或过流故障标志位置‘1’或输入关断指令时，实际开关指令为关断；（2）离线电缆故障诊断：当未输入开通指令时，电缆故障标志位置‘1’，则在离线状态下判定发生相应电缆故障并精确定位电缆故障距离；（3）过载和过欠压故障诊断：当输入开通指令时，若过压故障标志位或欠压故障标志位或过流故障标志位置‘1’，则分别判定系统电源侧发生过压故障或欠压故障或负载过载故障；（4）SSPC自检：当输入开通指令，且实际开关指令为开通，且系统呈现有电压有电流状态时，判定SSPC正常，且处于受控导通状态；当输入关断指令，且实际开关指令为关断，且系统呈现无电压无电流状态时，判定SSPC正常，且处于受控关断状态；当输入开通指令，但实际开关指令为关断，且系统呈现无电压无电流状态时，判定SSPC正常，且处于保护关断状态；当输入开通指令且实际开关指令为开通，系统呈现无电压无电流状态时，判定SSPC开路故障；当实际开关指令为关断，系统呈现有电流状态时，判定SSPC短路故障；对于输入开关指令、实际开关指令、电压状态位和电流状态位处于上述组合之外的情况，均判定SSPC异常；

步骤3：将步骤1中三个传感器检测到的模拟量信息直接输入信息融合模块，包括（1）常规SSPC模块检测到的负载电压和回路电流模拟量；（2）电弧检测模块检测到的系统电流交流分量模拟量；（3）电缆检测定位模块检测到的电缆入射信号和反射信号；

步骤4：提取步骤3中各模块上传的模拟量信息中隐含的系统故障特征量，包括：（1）从电压电流模拟量中提取负载电压和回路电流均值滤波后的平均值；（2）从电流交流分量中一方面提取时域统计特征，包括电流交流分量平均值、峰峰值、方差和标准差，另一方面利用分数阶傅里叶变换算法提取电流交流分量的时频域特征即20k-100k频带范围内的谐波功率和；（3）从电缆入射信号和反射信号的相关运算结果中提取传输线终端阻抗不匹配引起的电缆阻抗特征，包括反射系数和相关运算幅值平均值；

步骤5：将步骤4中提取的9个系统故障特征量分别作为径向基函数网络输入故障特征向量中的元素，从而确定径向基函数网络的输入为9维故障特征向量；同时，根据期望诊断的系统故障模式，包括“电缆开路故障”、“电缆短路故障”、“负载开路故障”、“负载短路故障”、“电缆串行电弧故障”、“电缆并行电弧故障”、“非电缆串行电弧故障”、“非电缆并行电弧故障”，从而明确径向基函数网络的输出为8维故障模式向量；

步骤6：通过多次步骤5中的8种故障模式对应的实验，采集步骤3所述的模拟量信息，提取步骤4所述的故障特征量，将1次实验提取的系统故障特征向量和对应故障模式的分类标签作为一组样本，通过多组实验积累大量样本数据；

步骤7：将步骤6中的样本数据用于径向基函数网络的建模和测试，若所建模型的故障模式分类能力在可接受范围内，则利用该模型实现系统故障决策诊断；若模型分类效果较差，则返回步骤6继续获取样本数据，重新进行径向基函数网络的训练，直至模型分类能力达到期望值；

步骤8：基于步骤7得到的系统故障决策诊断结论，结合各故障模式的危害性程度及系统当前运行工况、任务需求等采取相应的故障保护措施或容错运行，实现系统的健康管理。

本发明的有益效果是：

1. 采用多源信息融合技术将该装置中各功能模块有机融合，一方面解决了该装置由于各模块局部故障诊断结果的不一致性导致的系统故障决策诊断难题，从而相对于单一故障检测算法，有利于提高系统中各故障模式的检测率、降低漏检率和误检率；另一方面基于多源信息融合，完成了系统中各部件的故障检测与隔离，从而实现了增强的系统故障诊断能力。

2. 该装置在常规SSPC中集成了系统电弧故障检测功能，基于分数阶傅里叶变换（FRFT）提取电弧故障频域特征量，并结合电弧电流的时频域特征实现了系统电弧故障的检测和串行电弧与并行电弧的区分，相比于传统时频域方法或时域反射法，提高了电弧故障的检测率。

3. 该装置在常规SSPC中集成了非接触式电缆故障检测定位功能，利用电缆故障引起的阻抗不匹配，基于扩展频谱时域反射法（SSTDR）实现了电缆故障的检测与精确定位，且在离线或在线条件下均能检测电缆开路、短路及间歇性故障并精确定位，从而可以在事故发生前发现并排除故障，同时精确的故障定位提高了系统维修性。

本发明能够实现增强的系统故障检测与健康管理能力，表现为系统故障覆盖率和隔离率的提升、系统中各故障模式检测率的提高、电缆故障距离的精确定位等，可广泛应用于飞机、电动汽车、舰船以及民用领域的低压和高压直流配电系统，提高系统安全性、可靠性、测试性和维护性。

附图说明

图 1是系统故障诊断原理框图；

图 2是本发明的装置整体架构示意图；

图 3是基于FRFT的系统电弧故障检测原理框图；

图 4是基于SSTDR的非接触式电缆故障检测与定位原理框图；

图 5是基于逻辑综合的系统故障决策诊断框图；

图 6是基于径向基函数网络的系统故障决策诊断框图；

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明所涉及的一些关键技术，以支持权利要求部分。

图1为系统故障诊断原理框图。所述系统为一个从输入电源经过SiC功率管后再通过配电电缆连接负载的主功率回路。检测电阻串联在主功率回路中用于实现回路电流的检测。检测到的回路电流和输出端负载电压经检测调理模块的调理后，基于电压电流双闭环控制策略作用于驱动控制模块，从而实现负载电压可控的慢开通与慢关断，以及短路故障立即限流关断保护。为实现该系统故障的诊断，（1）常规SSPC模块基于检测到的系统电压、电流信号及短路故障状态信号完成系统开路、短路、过欠压及过流故障的检测和保护；（2）电弧检测模块利用检测到的回路电流，基于FRFT变换提取电弧故障特征，以实现系统串行电弧故障或并行电弧故障的检测；（3）电缆定位模块在输出端电缆上套装非接触耦合器，从而实现非接触式的电缆检测信号注入与反射信号接收，并基于SSTDR算法实现在线或离线条件下电缆硬故障或软故障的检测与精确定位。常规SSPC模块、电弧检测模块和电缆定位模块的输出分别包括各自开关量表示的局部诊断结果以及模拟量表示的原始信号。由于仅利用各模块输出的开关量信息，存在局部结论冲突导致的决策诊断难题，因此对于部分不需要基于多源信息进行决策诊断的故障模式可以采取故障字典方法，而对于可能由于局部冲突而难以决策的故障模式有必要采取特征级融合方法，因此在信息融合模块分别针对开关量信息和模拟量信息采用不同的信息融合算法，即将所有开关量信息通过逻辑综合实现系统部分故障的决策诊断，同时将所有模拟量信息通过系统故障特征提取模块，提取系统故障时在电压、电流及阻抗上的时频域特征，最后利用径向基函数网络在故障特征空间与故障模式空间的非线性映射关系实现系统剩余故障的决策诊断。综合这两种信息融合方法，从而最终实现了整个系统的故障决策诊断，一方面得到相比于局部诊断结论更为可靠的决策诊断结果，另一方面实现了系统故障隔离。信息融合模块一方面输出系统故障诊断结果，另一方面根据各故障危害性程度，结合当前系统运行状态等发出实际开关指令，反馈至驱动控制模块，从而实现系统健康管理。

为实现图1所示系统故障诊断功能，本发明公开一种综合化直流固态功率控制器装置，其软硬件架构设计如图2所示。该装置由功率板和数字控制板组成。

功率板上主要的硬件电路及作用包括：

SiC功率管1：控制主功率回路的通断；

检测电阻2：用于系统回路电流的检测；

检测调理模块3：（1）检测负载电流，调理后一方面用于后级的驱动控制模块4以实现快速的短路故障保护，另一方面通过硬件电路模拟量上传模块5上传至数字部分，用于电流状态的实时监测以及过载、电弧故障的检测；（2）检测负载电压，调理后一方面反馈至驱动控制模块4参与功率管线性开关的控制，另一方面通过硬件电路模拟量上传模块5上传至数字控制板，用于电压状态的实时监测以及过欠压故障的检测；

驱动控制模块4：基于电压电流双闭环控制策略，产生控制功率管开通/关断的驱动信号，实现SSPC的慢开通/慢关断以及系统故障保护，并产生短路故障状态信号上传至数字控制板；

硬件电路模拟量上传模块5：将检测到的负载电压、电流模拟量上传至数字控制板以用于过欠压、过流、电弧等故障的检测与保护；

数字控制板上主要的硬件电路及作用包括：

隔离耦合模块6：将高频低压检测信号耦合到处于工作状态的被测试电缆当中，并接收被测电缆故障点反射信号；

通道选择模块7：控制电缆入射信号发送或电缆反射信号接收的支路切换；

DA转换模块8：主要实现数模转换，将FPGA产生的扩频检测数字信号经过数模转换为模拟信号；

入射信号检测调理电路9：对产生的恒定幅值的检测信号进行调理，使其幅值满足测试系统要求；

接收信号检测调理电路10：对接收到的故障点反射信号进行调理，使得调理后的信号符合AD采样的要求；

AD转换模块11：对接收到的信号进行模数转换，以待送入FPGA主控模块14中进行数据处理和电缆故障诊断；

AD转换模块12：将功率板硬件电路模拟量上传模块5上传的调理后的电压电流模拟量通过AD转换器转换为数字量，并上传给FPGA主控模块14，用以实现系统电压、电流状态的实时监测和过欠压、过流、电弧等故障的检测；

通信模块13：实现上、下位机之间的信息交互，实现上位机控制指令的下达和下位机对系统状态的实时反馈；

FPGA主控模块14：完成系统局部故障诊断，包括常规SSPC所具备的过载、过欠压等故障诊断与保护、基于FRFT的系统电弧故障检测、基于SSTDR的非接触式电缆故障诊断，以及基于多源信息融合的系统故障决策诊断和健康管理。

FPGA主控模块内涉及的主要软件算法及原理包括：

（1）基于FRFT的系统电弧故障检测

图3是基于FRFT的系统电弧故障检测原理框图。利用功率板上检测电阻经一级调理、二级调理、光耦隔离后，通过数字控制板上AD转换器完成模数转换后得到的电流模拟量，在数字控制板上的FPGA主控芯片内实现电弧故障检测。FPGA主控芯片中实现的一种基于分数阶傅里叶变换（FRFT）的电弧故障检测方法，其具体实施步骤如下：

步骤1：从电流模拟量中提取电弧电流交流分量；

步骤2：将步骤1中提取的电流交流分量进行分数阶Fourier变换（FRFT），得到与阶次和频率相关的频谱幅值；

步骤3：步骤2中通过FRFT得到的频谱幅值随着阶次的变化而变化，根据所适用的系统，选取最佳阶次；

步骤4：根据步骤3确定的最佳阶次，求取20~100kHz频带范围的频谱幅值的谐波功率和；

步骤5：在电弧故障判定模块基于所求谐波功率和完成电弧故障判定；

步骤6：基于电流模拟量与额定电流的比较实现串行电弧或并行电弧故障的区分；

步骤7：以电弧故障标志位的形式输出电弧故障初步诊断结果。

（2）基于SSTDR的非接触式电缆故障诊断

图4是基于SSTDR的非接触式电缆故障检测与定位原理框图。其中，PN码发生模块15和正弦信号发生模块16产生的信号在调制模块17中进行扩频和BPSK调制，得到数值扩频调制信号作为故障检测信号。通过故障诊断装置DA模块18对故障检测信号进行数模转换；并在故障诊断装置隔离耦合器19作用下，实现故障诊断装置与功率电缆回路的强弱电隔离，将具备故障检测能力的检测信号耦合至待测电缆，同时将反射回来的具有故障信息的反射信号耦合至故障诊断装置内；故障诊断装置AD模块20用于将电缆反射回来的含有故障信息的检测信号进行模数转换；利用故障诊断装置相关运算模块21对入射信号与反射信号的相关运算处理；最终利用故障诊断装置故障信息提取模块22对故障信息进行提取。

FPGA主控芯片中采用的一种基于扩展频谱时域反射法（SSTDR）的电缆故障检测与定位方法，其具体实施步骤如下：

步骤1：由FPGA产生频率为f的PN码，PN码选用m序列，其位数为2ⁿ-1，并且满足(2ⁿ-1)*1/2*v*1/f >l _max，其中v为电缆中信号传播的速度，l _max为电缆的最大长度，n为PN码的阶数；

步骤2：在FPGA主控芯片中将步骤1的m序列和正弦波1:1调制得到BPSK信号，作为SSTDR检测信号，并记录作为入射信号；

步骤3：将步骤2中的检测信号通过DA模块转换成模拟信号，通过调理电路进行信号幅值调节，在非接触式隔离耦合模块的作用下，发送到带电或断电的待测电缆中；

步骤4：在步骤3中检测信号发送的同时，FPGA进行反射信号的接收，反射信号通过隔离耦合、调理电路以及高速AD转换送入FPGA中；

步骤5：将步骤2中的入射信号与步骤4中的反射信号在FPGA中进行相关运算；

步骤6：基于步骤5中相关运算的结果提取电缆故障信息，实现电缆故障模式的检测及电缆故障距离的高精度定位；

步骤7：以电缆故障标志位的形式输出电缆故障初步诊断结果。

（3）基于多源信息融合的系统故障决策诊断

图5是基于逻辑综合的系统故障决策诊断框图。图6是基于径向基函数网络的系统故障决策诊断框图。结合两种信息融合方法以共同实现系统故障的决策诊断，其具体实施步骤如下：

步骤1：将常规SSPC模块、电弧检测模块和电缆定位模块分别视为传感器1、传感器2和传感器3，三者基于主功率回路的检测信号完成初步故障诊断，包括三个诊断模块：（1）常规SSPC的系统故障诊断，即系统开路、短路、过欠压和过流故障的诊断；（2）基于FRFT的系统电弧故障检测，即系统串行电弧故障和并行电弧故障的检测；（3）基于SSTDR的非接触式电缆故障检测与定位，即离线电缆开路、短路或间歇性开路、短路故障诊断和在线电缆开路、短路、串行电弧、并行电弧故障的诊断。以上三个诊断模块的初步诊断结果均采用故障标志位表示，这些故障标志位属于开关量，其中‘1’表示故障，‘0’表示正常；

步骤2：将步骤1中3个模块的初步诊断结果，即开关量表示的各个故障标志位作为信息融合模块的输入信息，在信息融合模块通过逻辑综合实现系统部分故障的决策诊断，包括（1）实际开关指令的产生：实际开关指令由输入开关指令和引起跳闸保护的故障标志位共同决定，即当短路故障标志位或过/欠压故障标志位或过流故障标志位置‘1’或输入关断指令时，实际开关指令为关断；（2）离线电缆故障诊断：当未输入开通指令时，电缆故障标志位置‘1’，则可在离线状态下判定发生相应电缆故障并精确定位电缆故障距离；（3）过载和过欠压故障诊断：当输入开通指令时，若过压故障标志位或欠压故障标志位或过流故障标志位置‘1’，则可分别判定系统电源侧发生过压故障或欠压故障或负载过载故障；（4）SSPC自检：当输入开通指令，且实际开关指令为开通，且系统呈现有电压有电流状态时，可判定SSPC正常，且处于受控导通状态；当输入关断指令，且实际开关指令为关断，且系统呈现无电压无电流状态时，可判定SSPC正常，且处于受控关断状态；当输入开通指令，但实际开关指令为关断，且系统呈现无电压无电流状态时，可判定SSPC正常，且处于保护关断状态；当输入开通指令且实际开关指令为开通，系统呈现无电压无电流状态时，可判定SSPC开路故障；当实际开关指令为关断，系统呈现有电流状态时，可判定SSPC短路故障；对于输入开关指令、实际开关指令、电压状态位和电流状态位处于上述组合之外的情况，均可判定SSPC异常；

步骤3：将步骤1中所述3个传感器检测到的模拟量信息直接输入信息融合模块，包括（1）常规SSPC模块检测到的负载电压和回路电流模拟量；（2）电弧检测模块检测到的系统电流交流分量模拟量；（3）电缆检测定位模块检测到的电缆入射信号和反射信号；

步骤4：提取步骤3中各模块上传的模拟量信息中隐含的系统故障特征量，包括：（1）从电压电流模拟量中提取负载电压和回路电流均值滤波后的平均值；（2）从电流交流分量中一方面提取时域统计特征，包括电流交流分量平均值、峰峰值、方差和标准差，另一方面利用FRFT算法提取电流交流分量的时频域特征即20k-100k频带范围内的谐波功率和；（3）从电缆入射信号和反射信号的相关运算结果中提取传输线终端阻抗不匹配引起的电缆阻抗特征，包括反射系数和相关运算幅值平均值；

步骤5：将步骤4中提取的9个系统故障特征量分别作为径向基函数网络输入故障特征向量中的元素，从而确定径向基函数网络的输入为9维故障特征向量。同时，根据期望诊断的系统故障模式，包括“电缆开路故障”、“电缆短路故障”、“负载开路故障”、“负载短路故障”、“电缆串行电弧故障”、“电缆并行电弧故障”、“非电缆串行电弧故障”、“非电缆并行电弧故障”，从而明确径向基函数网络的输出为8维故障模式向量；

步骤6：通过多次步骤5中的8种故障模式对应的实验，采集步骤3所述的模拟量信息，提取步骤4所述的故障特征量，将1次实验提取的系统故障特征向量和对应故障模式的分类标签作为一组样本，通过多组实验积累大量样本数据；

步骤7：将步骤6中的样本数据用于径向基函数网络的建模和测试，若所建模型的故障模式分类能力在可接受范围内，则可利用该模型实现系统故障决策诊断；若模型分类效果较差，则返回步骤6继续获取样本数据，重新RBF网络的训练，直至模型分类能力达到期望值；

步骤8：基于步骤7得到的系统故障决策诊断结论，结合各故障模式的危害性程度及系统当前运行工况、任务需求等采取相应的故障保护措施或容错运行，实现系统的健康管理。

综上所述，尽管本发明的基本结构、原理、方法通过上述实施例予以具体阐述，在不脱离本发明要旨的前提下，根据以上所述的启发，本领域普通技术人员可以不需要付出创造性劳动即可实施变换/替代形式或组合均落入本发明保护范围。

Claims (2)

1.一种综合化直流固态功率控制器，其特征在于包括：功率板和数字控制板；

所述功率板包括：

SiC功率管（1）：控制主功率回路的通断；

检测电阻（2）：用于系统回路电流的检测；

检测调理模块（3）：检测负载电流，调理后一方面用于后级的驱动控制模块（4）以实现快速的短路故障保护，另一方面通过硬件电路模拟量上传模块（5）上传至数字控制板，用于电流状态的实时监测以及过载、电弧故障的检测；检测负载电压，调理后一方面反馈至驱动控制模块（4）参与功率管线性开关的控制，另一方面通过硬件电路模拟量上传模块（5）上传至数字控制板，用于电压状态的实时监测以及过欠压故障的检测；

驱动控制模块（4）：基于电压电流双闭环控制策略，产生控制功率管开通/关断的驱动信号，实现SSPC的慢开通/慢关断以及系统故障保护，并产生短路故障状态信号上传至数字控制板；

硬件电路模拟量上传模块（5）：将检测到的负载电压、电流模拟量上传至数字控制板以用于过欠压、过流、电弧等故障的检测与保护；

所述数字控制板包括：

隔离耦合模块（6）：将高频低压检测信号耦合到处于工作状态的被测试电缆当中，并接收被测电缆故障点反射信号；

通道选择模块（7）：控制电缆入射信号发送或电缆反射信号接收的支路切换；

DA转换模块（8）：实现数模转换，将FPGA产生的扩频检测数字信号经过数模转换为模拟信号；

入射信号检测调理电路（9）：对产生的恒定幅值的检测信号进行调理，使其幅值满足测试系统要求；

接收信号检测调理电路（10）：对接收到的故障点反射信号进行调理，使得调理后的信号符合AD采样的要求；

第一AD转换模块（11）：对接收到的信号进行模数转换，以待送入FPGA主控模块（14）中进行数据处理和电缆故障诊断；

第二AD转换模块（12）：将功率板硬件电路模拟量上传模块（5）上传的调理后的电压电流模拟量通过AD转换器转换为数字量，并上传给FPGA主控模块（14），用以实现系统电压、电流状态的实时监测和过欠压、过流、电弧等故障的检测；

通信模块（13）：实现上、下位机之间的信息交互，实现上位机控制指令的下达和下位机对系统状态的实时反馈；

FPGA主控模块（14）：完成系统局部故障诊断，包括常规SSPC所具备的过载、过欠压等故障诊断与保护、基于分数阶傅里叶变换的系统电弧故障检测、基于扩展频谱时域反射法的非接触式电缆故障诊断，以及基于多源信息融合的系统故障决策诊断和健康管理。

2.一种基于多源信息融合的系统级故障决策诊断方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：将常规SSPC模块、电弧检测模块和电缆定位模块分别视为传感器1、传感器2和传感器3，三者基于主功率回路的检测信号完成初步故障诊断，包括三个诊断模块：（1）常规SSPC的系统故障诊断，即系统开路、短路、过欠压和过流故障的诊断；（2）基于分数阶傅里叶变换的系统电弧故障检测，即系统串行电弧故障和并行电弧故障的检测；（3）基于扩展频谱时域反射法的非接触式电缆故障检测与定位，即离线电缆开路、短路或间歇性开路、短路故障诊断和在线电缆开路、短路、串行电弧、并行电弧故障的诊断；以上三个诊断模块的初步诊断结果均采用故障标志位表示，这些故障标志位属于开关量，其中‘1’表示故障，‘0’表示正常；

步骤2：将步骤1中三个诊断模块的初步诊断结果，即开关量表示的各个故障标志位作为信息融合模块的输入信息，在信息融合模块通过逻辑综合实现系统部分故障的决策诊断，包括（1）实际开关指令的产生：实际开关指令由输入开关指令和引起跳闸保护的故障标志位共同决定，即当短路故障标志位或过/欠压故障标志位或过流故障标志位置‘1’或输入关断指令时，实际开关指令为关断；（2）离线电缆故障诊断：当未输入开通指令时，电缆故障标志位置‘1’，则在离线状态下判定发生相应电缆故障并精确定位电缆故障距离；（3）过载和过欠压故障诊断：当输入开通指令时，若过压故障标志位或欠压故障标志位或过流故障标志位置‘1’，则分别判定系统电源侧发生过压故障或欠压故障或负载过载故障；（4）SSPC自检：当输入开通指令，且实际开关指令为开通，且系统呈现有电压有电流状态时，判定SSPC正常，且处于受控导通状态；当输入关断指令，且实际开关指令为关断，且系统呈现无电压无电流状态时，判定SSPC正常，且处于受控关断状态；当输入开通指令，但实际开关指令为关断，且系统呈现无电压无电流状态时，判定SSPC正常，且处于保护关断状态；当输入开通指令且实际开关指令为开通，系统呈现无电压无电流状态时，判定SSPC开路故障；当实际开关指令为关断，系统呈现有电流状态时，判定SSPC短路故障；对于输入开关指令、实际开关指令、电压状态位和电流状态位处于上述组合之外的情况，均判定SSPC异常；

步骤3：将步骤1中三个传感器检测到的模拟量信息直接输入信息融合模块，包括（1）常规SSPC模块检测到的负载电压和回路电流模拟量；（2）电弧检测模块检测到的系统电流交流分量模拟量；（3）电缆检测定位模块检测到的电缆入射信号和反射信号；

步骤4：提取步骤3中各模块上传的模拟量信息中隐含的系统故障特征量，包括：（1）从电压电流模拟量中提取负载电压和回路电流均值滤波后的平均值；（2）从电流交流分量中一方面提取时域统计特征，包括电流交流分量平均值、峰峰值、方差和标准差，另一方面利用分数阶傅里叶变换算法提取电流交流分量的时频域特征即20k-100k频带范围内的谐波功率和；（3）从电缆入射信号和反射信号的相关运算结果中提取传输线终端阻抗不匹配引起的电缆阻抗特征，包括反射系数和相关运算幅值平均值；

步骤5：将步骤4中提取的9个系统故障特征量分别作为径向基函数网络输入故障特征向量中的元素，确定径向基函数网络的输入为9维故障特征向量；同时，根据期望诊断的系统故障模式，包括“电缆开路故障”、“电缆短路故障”、“负载开路故障”、“负载短路故障”、“电缆串行电弧故障”、“电缆并行电弧故障”、“非电缆串行电弧故障”、“非电缆并行电弧故障”，确定径向基函数网络的输出为8维故障模式向量；

步骤6：通过多次步骤5中所述的8种故障模式对应的实验，采集步骤3所述的模拟量信息，提取步骤4所述的故障特征量，将1次实验提取的系统故障特征向量和对应故障模式的分类标签作为一组样本，通过多组实验积累大量样本数据；

步骤7：将步骤6中的样本数据用于径向基函数网络的建模和测试，若所建模型的故障模式分类能力在可接受范围内，则利用该模型实现系统故障决策诊断；若模型分类效果较差，则返回步骤6继续获取样本数据，重新进行径向基函数网络的训练，直至模型分类能力达到期望值；

步骤8：基于步骤7得到的系统故障决策诊断结论，结合各故障模式的危害性程度及系统当前运行工况、任务需求等采取相应的故障保护措施或容错运行，实现系统的健康管理。