CN111475966A - 一种基于数字孪生的电力电子电路故障诊断方法 - Google Patents

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张�杰
姜媛媛
夏玲
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Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的电力电子电路故障诊断方法,首先采集待测实际电力电子电路负载电压信号,根据待测实际电力电子电路的工作原理及标称元器件参数建立初始数字孪生模型;将采集的负载电压信号以及待测实际电力电子电路运行状态映射到初始数字孪生模型中,得到待测实际电力电子电路与初始数字孪生模型的负载电压建立残差表达式以及误差平方和目标函数,利用最小二乘算法优化目标函数,实现初始数字孪生模型的更新,最终实现对待测实际电力电子电路的元器件参数估计,得到参数估计值,分析参数估计值诊断出故障位置,最终实现对待测电力电子电路的故障诊断。

Description

一种基于数字孪生的电力电子电路故障诊断方法
技术领域
本发明涉及电力电子电路故障诊断技术领域,特别地,涉及一种基于数字孪生的电力电子电路故障诊断方法。
背景技术
现代电力电子电路被广泛应用于工业、军事、航空航天等领域,由于现代电子行对高速、高精度和灵活性的要求,设备可靠性和操作安全性成为关键问题。保证设备长期可靠运行的关键不仅在于设计之初对设备故障因素的考虑,同时还需要在设备运行过程对设备进行加强监测和分析。然而考虑到故障的复杂性以及故障与相应的系统响应之间的复杂关系,目前仅利用基于电路本身采集的信号进行故障进行故障诊断的方法,并不能对故障进行实时、精准定位,因此,如何进一步提高设备故障诊断的准确性成为本技术领域亟需解决的问题。
为此,本发明提出一种基于数字孪生的电力电子故障诊断方法为实现有效预测,以物理电路与虚拟模型的交互形式出现,从而实现对系统物理过程的更深理解,以及更好地控制生产过程。同时也为电力电子电路的故障诊断提供了一种新思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的电力电子电路的故障诊断方法,用于电力电子设备故障诊断,可以进一步提高设备故障诊断的准确性。
为了达成上述目的,本发明的解决方案是:
基于数字孪生的电力电子电路的故障诊断方法,包括以下步骤(1)~(7):
1、一种基于数字孪生的电力电子电路故障诊断方法,包括以下步骤:
步骤(1):通过传感器模块采集待测实际电力电子电路运行过程中的负载电压信号,将采集的数据通过蓝牙传输模块传输至上位机的Matlab工作区;
步骤(2):根据待测实际电力电子电路的工作原理及标称元器件参数,基于Matlab/Simulink平台构建后缀名为.slx的仿真电路作为初始数字孪生模型;
步骤(3):通过所建初始数字孪生模型读取步骤(1)中的上位机的Matlab工作区的实际电力电子电路负载电压信号,实现实际电力电子电路的参数数据的实时传输;
步骤(4):通过初始数字孪生模型得到的模型负载电压信号与待测实际电力电子电路负载电压信号之间建立残差表达式e(t)及待测实际电力电子电路与初始数字孪生模型的误差平方和目标函数F(t);
步骤(5):利用最小二乘算法实时拟合待测实际电力电子电路负载电压信号,使初始数字孪生模型进行更新并优化误差平方和目标函数F(t);
步骤(6):将初始数字孪生模型第n次更新得到的参数估计值(Rt,Lt,Ct)代替第n+1次初始数字孪生模型更新的元器件参数值来进行更新,使得误差平方和目标函数F(t)降到最小;
步骤(7):判断步骤(6)得到的待测实际电力电子电路元器件的参数估计值(Rt,Lt,Ct),判断得到的元器件参数估计值是否在其容差范围内,是则电路无故障,否则电路故障,故障定位为参数值超过相应容差范围的电力电子电路元器件,实现在Matlab/Simulink平台中对待测实际电力电子电路的在线故障诊断定位。
2、如权利要求1所述的一种基于数字孪生的电力电子电路故障诊断方法,所述步骤(4)中所述的残差表达式e(t)和误差平方和目标函数F(t)的具体建立步骤:
步骤2.1:首先,通过待测实际电力电子电路负载电压信号和初始数字孪生模型负载电压信号,建立数字孪生模型的残差表达式:
e(t)=yref(t)-ysim(t)
其中t为[0,1,…,N];其中N为样本数;yref为待测实际电力电子电路负载电压信号;ysim为数字孪生模型输出负载电压信号;
步骤2.2:通过得到的模型残差e(t)建立误差平方和目标函数F(t):
Figure BDA0002478054080000031
其中N为样本数。
附图说明
图1为一种基于数字孪生的电力电子电路故障诊断方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明:
本发明提供一种基于数字孪生的电力电子电路故障诊断方法,其总体思路为:
首先通过智能传感器采集待测实际电力电子电路负载电压信号,然后根据待测实际电力电子电路的工作原理及标称元器件参数建立初始数字孪生模型;将采集到的负载电压信号以及待测实际电力电子电路运行状态映射到虚拟模型中,并进一步得到待测实际电力电子电路与数字孪生模型的负载电压建立残差表达式以及误差平方和目标函数。之后利用最小二乘法对目标函数进行优化,从而减小残差,实现数字孪生模型的更新,最后实现对待测实际电力电子电路的元器件参数估计,得到参数估计值;分析参数估计值诊断出故障位置。
如图1所示,本发明的一种基于数字孪生的电力电子电路故障诊断方法,具体实施包括以下步骤(1)~(7):
步骤(1):通过传感器模块采集待测实际电力电子电路运行过程中的负载电压信号,将采集的数据通过蓝牙传输模块传输至上位机的Matlab工作区;
步骤(2):根据待测实际电力电子电路的工作原理及标称元器件参数,基于Matlab/Simulink平台构建后缀名为.slx的仿真电路作为初始数字孪生模型;
步骤(3):通过所建初始数字孪生模型读取步骤(1)中的上位机的Matlab工作区的实际电力电子电路负载电压信号,实现实际电力电子电路的参数数据的实时传输;
步骤(4):通过初始数字孪生模型得到的模型负载电压信号与待测实际电力电子电路负载电压信号之间建立残差表达式e(t)及待测实际电力电子电路与初始数字孪生模型的误差平方和目标函数F(t);
步骤(5):利用最小二乘算法实时拟合待测实际电力电子电路负载电压信号,使初始数字孪生模型进行更新并优化误差平方和目标函数F(t);
步骤(6):将初始数字孪生模型第n次更新得到的参数估计值(Rt,Lt,Ct)代替第n+1次初始数字孪生模型更新的元器件参数值来进行更新,使得误差平方和目标函数F(t)降到最小;
步骤(7):判断步骤(6)得到的待测实际电力电子电路元器件的参数估计值(Rt,Lt,Ct),判断得到的元器件参数估计值是否在其容差范围内,是则电路无故障,否则电路故障,故障定位为参数值超过相应容差范围的电力电子电路元器件,实现在Matlab/Simulink平台中对待测实际电力电子电路的在线故障诊断定位。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于数字孪生的电力电子电路故障诊断方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤(1):通过传感器模块采集待测实际电力电子电路运行过程中的负载电压信号,将采集的数据通过蓝牙传输模块传输至上位机的Matlab工作区;
步骤(2):根据待测实际电力电子电路的工作原理及标称元器件参数,基于Matlab/Simulink平台构建后缀名为.slx的仿真电路作为初始数字孪生模型;
步骤(3):通过所建初始数字孪生模型读取步骤(1)中的上位机的Matlab工作区的实际电力电子电路负载电压信号,实现初始数字孪生模型与实际电力电子电路的参数数据的传输;
步骤(4):通过初始数字孪生模型得到的模型负载电压信号与待测实际电力电子电路负载电压信号之间建立残差表达式e(t)及待测实际电力电子电路与初始数字孪生模型的误差平方和目标函数F(t);
步骤(5):利用最小二乘算法实时拟合待测实际电力电子电路负载电压信号,使初始数字孪生模型进行更新并优化误差平方和目标函数F(t);
步骤(6):将初始数字孪生模型第n次更新得到的参数估计值(Rt,Lt,Ct)代替第n+1次初始数字孪生模型更新的元器件参数值来进行更新,使得误差平方和目标函数F(t)降到最小;
步骤(7):判断步骤(6)得到的待测实际电力电子电路元器件的参数估计值(Rt,Lt,Ct),判断得到的元器件参数估计值是否在其容差范围内,是则电路无故障,否则电路故障,故障定位为参数值超过相应容差范围的实际电力电子电路元器件,实现在Matlab/Simulink平台中对待测实际电力电子电路的在线故障诊断定位。
2.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的电力电子电路故障诊断方法,其特征在于,所述步骤(4)中所述的残差表达式e(t)和误差平方和目标函数F(t)的具体建立步骤:
步骤2.1:首先,通过待测实际电力电子电路负载电压信号和初始数字孪生模型负载电压信号,建立数字孪生模型的残差表达式:
e(t)=yref(t)-ysim(t)
其中t为[0,1,…,N];其中N为样本数;yref为待测实际电力电子电路负载电压信号;ysim为数字孪生模型输出负载电压信号;
步骤2.2:通过得到的模型残差e(t)建立误差平方和目标函数F(t):
Figure FDA0002478054070000011
其中N为样本数。
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