CN112782498A - 一种电容器的故障监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气故障的诊断技术，尤其涉及一种电容器的故障监测方法及装置，以及一种计算机存储介质。在本发明提供的上述电容器的故障监测方法中，所述电容器用于列车的变流器且至少设有用于感测直流母线电压的电压传感器，所述故障监测方法包括步骤：获取所述电容器的直流母线的电压值；至少部分地基于所述电压值确定所述电容器的电容值；以及响应于所述电容器的电容值低于电容值阈值，发出故障预警信号。本发明能够用于实时监测牵引变流器产品中各电容器的故障，从而提升列车及其运行线路的可靠性和安全性。

Description

一种电容器的故障监测方法及装置

技术领域

本发明涉及电气故障的诊断技术，尤其涉及一种用于牵引变流器产品的电容器的故障监测方法、一种用于牵引变流器产品的电容器的故障监测装置，以及一种计算机存储介质。

背景技术

牵引变流器是高速列车最重要的部件之一，可以用于为高铁等列车提供动力。电容器作为变流器中的关键电气元件，其运行状况将会直接影响整个列车、甚至整条运行线路的可靠性和安全性。

在现有的变流器产品中，为了降低线路的杂散参数，主要采用低感母排来连接主电路上的多个并联的支撑电容与变流模块，从而降低系统的尖峰电压。考虑到电容端子的设计空间和安全距离，以及低感母排的结构，通常只能在变流器的主电路上监控电容的电压信号，而无法监测单个电容器上的电流信号。

传统的电容器检测维护方式主要依靠预防性维修来实施。该预防性维修是一种离线进行的检修方式，存在很多不足之处：

1)离线检修需要停电进行，而列车的停电检修会造成运力下降；

2)停电后牵引变流器的设备状态(例如：作用电压、温度等)和运行中的牵引变流器不符，容易影响判断的准确度；

3)离线检修是一种周期性的定期检查，而不是连续的实时监测，电容器仍可能在两次检修之间的隔期间发生故障；

4)离线检修是一种周期性的定期检查，在电容器设备状态良好时进行试验和维修会造成人力物力的浪费，并可能因拆卸组装次数过多而造成损坏，即造成所谓的维修过度。

因此，为了克服现有技术的上述缺陷，本领域亟需一种电容器的故障监测技术，用于实时监测牵引变流器产品中各电容器的故障，从而提升列车及其运行线路的可靠性和安全性。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种电容器的故障监测方法、一种电容器的故障监测装置，以及一种计算机存储介质，用于实时监测牵引变流器产品中各电容器的故障，从而提升列车及其运行线路的可靠性和安全性。

在本发明提供的上述电容器的故障监测方法中，所述电容器用于列车的变流器且至少设有用于感测直流母线电压的电压传感器，所述故障监测方法包括步骤：获取所述电容器的直流母线的电压值；至少部分地基于所述电压值确定所述电容器的电容值；以及响应于所述电容器的电容值低于电容值阈值，发出故障预警信号。

优选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测方法中，所述获取所述电容器的电压值可以包括步骤：获取所述列车在停车工况下放电过程中的第一电压值和第二电压值。所述至少部分地基于所述电压值确定所述电容器的电容值包括步骤：基于所述第一电压值和第二电压值，以及所述电容器从所述第一电压值降至所述第二电压值的时间，计算所述电容器的电容值。

可选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测方法中，所述电容器还可以设有用于感测流经所述电容器的电流的电流传感器，所述故障监测方法还可以包括步骤：获取所述列车运行工况下流经所述电容器的电流在线监测值。所述获取所述电容器的电压值可以包括步骤：获取所述列车运行工况下所述电容器的直流母线的电压在线监测值。所述至少部分地基于所述电压值确定所述电容器的电容值可以包括步骤：基于所述电容器的电压在线监测值和所述电流在线监测值，计算所述电容器的电容值。

优选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测方法中，所述基于所述电压在线监测值和所述电流在线监测值确定所述电容器的电容值可以包括步骤：对所述电压在线监测值和所述电流在线监测值执行傅立叶变换，以提取对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分和电流成分；以及基于所述对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分和电流成分，计算所述电容的电容值。

优选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测方法中，还可以包括步骤：基于所述对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分和电流成分计算所述电容的串联等效电阻值；以及响应于所述串联等效电阻值高于ESR阈值，发出故障预警信号。

优选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测方法中，基于所述对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分和电流成分计算所述电容的电容值和所述串联等效电阻值可以包括步骤：求解方程

和

以获得所述电容的电容值和串联等效电阻值，其中U_fs和U_2fs分别是一倍开关频率和两倍开关频率的电压成分，以及I_fs和I_2fs分别是一倍开关频率和两倍开关频率的电流成分。

可选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测方法中，还可以包括步骤：对所述电容器的电容值的历史数据执行曲线拟合，以获得所述电容器的电容值下降趋势曲线；以及基于所述电容器的电容值下降趋势曲线进行所述电容器的寿命预测。

优选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测方法中，所述基于所述电容器的电容值下降趋势曲线确定进行所述电容器的寿命预测可以包括步骤：求解计算公式

以确定所述电容器的剩余寿命，其中h(t)是由所述电容值下降趋势曲线得到的在时刻t的电容值下降梯度函数，t_剩余为电容的剩余寿命，△C为所述电容器的当前电容值和所述电容值阈值的差值。

可选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测方法中，所述电容器还可以设有用于感测所述电容器内部的压力的压力传感器，所述故障监测方法还可以包括步骤：获取所述电容器的内部的压力值；以及响应于所述气压值偏离压力阈值达到预设范围，发出故障预警信号。

可选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测方法中，所述电容器还可以设有用于感测所述电容器内部的温度的温度传感器，所述故障监测方法还可以包括步骤：获取所述电容器的内部的温度值；以及响应于所述温度值偏离温度阈值达到预设范围，发出故障预警信号，所述温度阈值可以基于所述电容器的温度历史数据获得。

根据本发明的另一方面，本文还提供了一种电容器的故障监测装置。

在本发明提供的上述电容器的故障监测装置中，所述电容器用于列车的变流器且至少设有用于感测直流母线电压的电压传感器。所述故障监测装置包括：存储器，以及处理器。所述处理器配置用于：获取所述电容器的直流母线的电压值；至少部分地基于所述电压值确定所述电容器的电容值；以及响应于所述电容器的电容值低于电容值阈值，发出故障预警信号。

优选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测装置中，所述处理器可以进一步配置为：获取所述列车在停车工况下放电过程中的第一电压值和第二电压值；以及基于所述第一电压值和第二电压值以及所述电容器从所述第一电压值降至所述第二电压值的时间计算所述电容器的电容值。

可选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测装置中，所述电容器还可以设有用于感测流经所述电容器的电流的电流传感器，所述处理器可以进一步配置为：获取所述列车运行工况下流经所述电容器的电流在线监测值；获取所述列车运行工况下所述电容器的直流母线的电压在线监测值；以及基于所述电容器的电压在线监测值和所述电流在线监测值计算所述电容器的电容值。

优选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测装置中，所述处理器可以进一步配置为：对所述电压在线监测值和所述电流在线监测值执行傅立叶变换以提取对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分和电流成分；以及基于所述对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分和电流成分计算所述电容的电容值。

优选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测装置中，所述处理器可以进一步配置为：基于所述对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分和电流成分计算所述电容的串联等效电阻值；以及响应于所述串联等效电阻值高于ESR阈值，发出故障预警信号。

优选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测装置中，所述处理器可以进一步配置为：求解方程

和

以获得所述电容的电容值和串联等效电阻值，其中U_fs和U_2fs分别是一倍开关频率和两倍开关频率的电压成分，以及I_fs和I_2fs分别是一倍开关频率和两倍开关频率的电流成分。

可选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测装置中，所述处理器可以进一步配置为：对所述电容器的电容值的历史数据执行曲线拟合以获得所述电容器的电容值下降趋势曲线；以及基于所述电容器的电容值下降趋势曲线进行所述电容器的寿命预测。

优选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测装置中，所述处理器可以进一步配置为：求解计算公式

以确定所述电容器的剩余寿命，其中h(t)是由所述电容值下降趋势曲线得到的在时刻t的电容值下降梯度函数，t_剩余为电容的剩余寿命，△C为所述电容器的当前电容值和所述电容值阈值的差值。

可选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测装置中，所述电容器还可以设有用于感测所述电容器内部的压力的压力传感器，所述处理器可以进一步配置为：获取所述电容器的内部的气压值；以及响应于所述气压值偏离气压阈值达到预设范围，发出故障预警信号。

可选地，在本发明提供的上述电容器的故障监测装置中，所述电容器还可以设有用于感测所述电容器内部的温度的温度传感器，所述处理器可以进一步配置为：获取所述电容器的内部的温度值；以及响应于所述温度值偏离温度阈值达到预设范围，发出故障预警信号。

根据本发明的另一方面，本文还提供了一种计算机存储介质。

本发明提供的上述计算机存储介质，其上存储有计算机可读指令。所述计算机可读指令在由处理器执行时，可以实施上述任意一种电容器的故障监测方法。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了根据本发明的一方面提供的电容器的故障监测方法的流程示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施例提供的待测电容器的结构示意图。

图3示出了根据本发明的一个实施例提供的监测电容器的示意图。

图4示出了根据本发明的一个实施例提供的待测电容器的电路示意图。

图5示出了根据本发明的一个实施例提供的电容器的故障监测方法的方框示意图。

图6示出了根据本发明的另一方面提供的电容器的故障监测装置的示意图。

图7示出了根据本发明的一个实施例提供的电容器的故障监测装置的架构示意图。

附图标记

101-103 电容器的故障监测方法的步骤；

21 壳体；

221-224 导电端子；

231-234 导电铜排；

24 电容单元；

32 1-322 电流传感器；

33 温度传感器；

34 压力传感器；

61 存储器；

62 处理器；

71 状态感知模块；

72 数据采集模块；

73 数据分析模块；

74 数据显示模块。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。

能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。

如上所述，电容器作为列车牵引变流器的中的关键电气元件，其运行状况将会直接影响整个列车、甚至整条运行线路的可靠性和安全性。

为了克服传统的电容器检测维护方法影响运力、准确度低、实时性差和维修过度的缺陷，本发明提供了一种电容器的故障监测方法、一种电容器的故障监测装置，以及一种计算机存储介质，用于实时监测牵引变流器产品中各电容器的故障，从而提升列车及其运行线路的可靠性和安全性。

请参考图1，图1示出了根据本发明的一方面提供的电容器的故障监测方法的流程示意图。

如图1所示，本发明提供的上述电容器的故障监测方法，可以包括步骤：

101：获取电容器的直流母线的电压值。

本发明提供的上述电容器的故障监测方法，可以基于一个设于待测电容器的电压传感器来实施。该电压传感器可以用于感测电容器直流母线的电压值。

请参考图2，图2示出了根据本发明的一个实施例提供的待测电容器的结构示意图。

如图2所示，在一些实施例中，待测电容器可以包括多个小电容单元24。该多个小电容单元24可以由四根导电铜排231-234进行并联，并分别连接到四个相应的导电端子221-224以构成两个独立的电容模块。该多个小电容单元24及四根导电铜排231-234可以由一个绝缘的电容器壳体21封装，从而仅将四个导电端子221-224伸出壳体21来作为待监测电容器的引脚。电压传感器(未绘示)可以连接四个导电端子221-224来感测电容器的直流母线的电压。

在一些实施例中，电容器的故障监测装置可以分别获取列车在停车工况下放电过程中的第一电压值U₁和第二电压值U₂，并记录电容器的电压从第一电压值U₁下降到第二电压值U₂所用的时间Δt。在一些实施例中，第一电压值U₁可以是列车在停车工况下开始放电时的电压值。第二电压值U₂可以是列车在停车工况下结束放电时的电压值。

如图1所示，在本发明提供的上述电容器的故障监测方法中，还可以包括步骤：

102：至少部分地基于电压值确定电容器的电容值C。

在获取上述第一电压值U₁和第二电压值U₂，并记录电容器的电压从第一电压值U₁下降到第二电压值U₂所用的时间Δt后，电容器的故障监测装置可以根据公式

确定电容器的电容值C。式中，R为已知的放流电阻的阻值。

请结合参考图3和图4，图3示出了根据本发明的一个实施例提供的监测电容器的示意图。图4示出了根据本发明的一个实施例提供的待测电容器的电路示意图。

如图3所示，在一些实施例中，待测电容器还可以设有用于感测流经电容器的电流的两个电流传感器321-322。电流传感器321可以设于导电铜排231，用于感测流经一个电容模块的电流。电流传感器322可以设于导电铜排233，用于感测流经另一个电容模块的电流。

如图4所示，上述两个电容模块可以并联连接，分别以四个导电端子321-324为引脚。流经电容器的总电流可以为流经该两个电容模块的电流之和。

本领域的技术人员可以理解，上述设于导电铜排231的电流传感器321和设于导电铜排233的电流传感器322，只是本发明提供的一个实施例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供一种便用公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。

可选地，在另一个实施例中，基于本发明的构思，电流传感器321也可以设于导电铜排232，用于感测流经一个电容模块的电流。相应地，电流传感器322可以设于导电铜排234，用于感测流经另一个电容模块的电流。

可选地，在其他实施例中，基于本发明的构思，电流传感器321-322也可以安装在待测电容器的导电端子221-224处。

在一些实施例中，电容器的故障监测装置可以获取列车运行工况下流经电容器的电流在线监测值，以及列车运行工况下电容器的直流母线的电压在线监测值，从而基于电容器的该电压在线监测值和该电流在线监测值计算电容器的电容值C。

具体来说，电容器的故障监测装置可以对电压在线监测值和电流在线监测值执行傅立叶变换，以提取对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分U_fs、U_2fs和电流成分I_fs、I_2fs。之后，电容器的故障监测装置可以基于该对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分U_fs、U_2fs和电流成分I_fs、I_2fs计算待测电容器的电容值C。

待测电容器的电容值C可以通过求解方程组

和

来计算。式中，ESR为待测电容器的串联等效电阻值(EquivalentSeries Resistance)，可以在求解上述方程组的同时计算获得。可以理解的是，ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。ESR是等效“串联”电阻。这意味着，将两个电容串联会增大这个数值，而并联则会减少之。

如图1所示，在本发明提供的上述电容器的故障监测方法中，还可以包括步骤：

103：响应于电容器的电容值低于电容值阈值，发出故障预警信号。

在求解上述方程组并确定待测电容器的电容值C之后，电容器的故障监测装置可以响应于计算获得的电容值C低于一个预设的电容值阈值，而实时地发出故障预警信号以提示维护人员进行检修。在一些实施例中，该预设的电容值阈值可以为待测电容器初始值的90％。

在一些实施例中，响应于计算获得的串联等效电阻值ESR高于一个预设的串联等效电阻值阈值，电容器的故障监测装置可以实时地发出故障预警信号以提示维护人员进行检修。在一些实施例中，该预设的串联等效电阻值阈值可以根据待测电容器的功率等级、散热条件和电容器本身的特性进行确定。

优选地，在本发明的一个实施例中，电容器的故障监测装置可以对待测电容器的电容值的历史数据执行曲线拟合，以获得待测电容器的电容值下降趋势曲线，并基于该待测电容器的电容值下降趋势曲线进行电容器的寿命预测。

上述历史数据可以是电容器的故障监测装置先前监测到的待测电容器的多个历史电容值。电容器的故障监测装置可以对先前监测到的多个历史电容值进行曲线拟合，利用解析表达式逼近离散数据的拟合手段得到一条拟合曲线，并得到该拟合曲线的函数表达式h(t)。该函数表达式h(t)指示在时刻t的电容值下降梯度函数。

具体来说，待测电容器的剩余寿命t_剩余可以通过求解方程

来确定。式中，ΔC为待测电容器的当前电容值和上述电容值阈值的差值。通过该拟合获得的拟合曲线及其函数表达式h(t)可以模拟待测电容器的电容值的下降趋势，从而推算待测电容器电容值以后的走向，并预测待测电容器的剩余寿命t_剩余。可以理解的是，待测电容器的剩余寿命t_剩余是指从待测电容器的当前电容值下降到上述电容值阈值所需的时间。

请结合参考图3和图5，图5示出了根据本发明的一个实施例提供的电容器的故障监测方法的方框示意图。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，待测电容器还可以设有一个温度传感器33和一个压力传感器34。在一些实施例中，温度传感器33的探头可以设于待测电容器的壳体21内部，用于感测电容器内芯的工作温度。在一些实施例中，压力传感器34的探头可以设于待测电容器的壳体21内部，用于感测电容器的内部压力

在待测电容器正常工作的情况下，电容器的内部气压和内芯工作温度会处于一个比较平稳的工作区间内。在一些实施例中，可以通过监测电容器内芯的工作温度和电容的内部气压来监测待测电容器的工作状态。如果电容器的内芯工作温度或内部气压呈现出异常特征，例如：短时间上升过快或者长期处于高位状态，都能说明电容器可能存在异常。

如图5所示，在一些实施例中，电容器的故障监测装置可以通过温度传感器33来获取待测电容器的内部温度值。响应于获取的内部温度值偏离一温度阈值，电容器的故障监测装置可以发出故障预警信号以提示维护人员进行检修。在一些实施例中，上述温度阈值可以基于待测电容器的温度历史数据获得。

在一个优选的实施例中，电容器的故障监测装置也可以仅响应于获取的内部温度值偏离该温度阈值达到一个预设范围，才发出故障预警信号来提示维护人员进行检修。通过设置该预设范围，可以防止故障预警信号的误触发，从而进一步避免维修过度的问题。

本领域的技术人员可以理解，上述设于待测电容器壳体21内部的温度传感器33只是本发明提供的一个实施例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供一种便用公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。

可选地，在另一个实施例中，基于本发明的构思，温度传感器也可以安装在待测电容器壳体21的外部，以用于监测待测电容器的工作温度。

如图5所示，在一些实施例中，电容器的故障监测装置可以通过压力传感器34来获取待测电容器的内部压力值。响应于获取的内部压力值偏离一压力阈值，电容器的故障监测装置可以发出故障预警信号以提示维护人员进行检修。在一些实施例中，上述压力阈值可以基于待测电容器的压力历史数据获得。

在一个优选的实施例中，电容器的故障监测装置也可以仅响应于获取的内部压力值偏离该压力阈值达到一个预设范围，才发出故障预警信号来提示维护人员进行检修。通过设置该预设范围，可以防止故障预警信号的误触发，从而进一步避免维修过度的问题。

通过选择待测电容器内芯的工作温度和气压值来作为监视参数，可以进一步实现对电容器的工作状态的实时监视和故障预警，从而进一步提升电容器的故障监测装置的可靠性。

通过对待测电容器进行在线的状态监测，可以及时取得待测电容器的电参数信息、温度信息、气压信息等各种微小的信息。通过对这些信息进行处理和综合分析，可以根据其数值的大小及变化趋势，对电容器的可靠性做出实时的判断，并对电容器的剩余寿命做出预测，从而能尽早地发现潜伏的故障。

本领域的技术人员可以理解，上述同时包括温度传感器33和压力传感器34的方案只是本发明提供的一个实施例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。

可选地，在其他实施例中，电容器的故障监测装置也可以仅包括其中的一种传感器，从而仅根据待测电容器的电容值C、串联等效电阻值ESR，以及电容器内芯的工作温度或工作气压来监测待测电容器的工作状态。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

根据本发明的另一方面，本文还提供了一种电容器的故障监测装置。该电容器的故障监测装置可以基于一个设于待测电容器的电压传感器来实施。该电压传感器可以用于感测电容器直流母线的电压值。

请参考图6，图6示出了根据本发明的另一方面提供的电容器的故障监测装置的示意图。

如图6所示，本发明提供的上述电容器的故障监测装置可以包括一个存储器61和一个处理器62。处理器62可以耦接于存储器61，并配置用于实施上述任意一个实施例所提供的电容器的故障监测方法，从而实时监测牵引变流器产品中各电容器的故障，以提升列车及其运行线路的可靠性和安全性。

尽管上述的实施例所述的处理器62可以通过软件与硬件的组合来实现。但是可以理解，处理器62也可单独在软件或硬件中加以实施。

对于硬件实施而言，处理器62可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DAPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行上述功能的其它电子装置或上述装置的选择组合来加以实施。

对于软件实施而言，处理器62可以通过在通用芯片上运行的诸如程序模块(procedures)和函数模块(functions)等独立的软件模块来加以实施，其中每一个模块可以执行一个或多个本文中描述的功能和操作。

请进一步参考图7，图7示出了根据本发明的一个实施例提供的电容器的故障监测装置的架构示意图。

如图7所示，在本发明的一个实施例中，电容器的故障监测装置可以包括状态感知模块71、数据采集模块72、数据分析模块73，以及数据显示模块74。

在一些实施例中，状态感知模块71可以包括电压传感器、电流传感器、温度传感器和压力传感器中的一种或多种，用于对待测电容器的状态感知信号进行采集。

在一些实施例中，数据采集模块72可以包括电压电流采集通道和温度压力采集通道，用于将采集到的状态感知信号输出到采集前端以供数据分析模块73进行分析处理。

在一些实施例中，数据分析模块73可以安装有数据分析软件，用于将采集到的模拟信号转换为数字信号并进行数据分析。在一些实施例中，数据分析模块73可以通过以太网连接地面驱动软件和/或控制单元，用于进行数据共享交换。

在一些实施例中，数据显示模块74可以包括车上机位，可以通过光纤连接数据分析模块73以获取所需的数据。在一些实施例中，车上机位可以具备实时波形、运行状态、预警信息、历史记录的显示和查询功能。

根据本发明的另一方面，本文还提供了一种计算机存储介质。

本发明提供的上述计算机存储介质，其上存储有计算机可读指令。该计算机可读指令在由处理器62执行时，可以实施上述任意一个实施例所提供的电容器的故障监测方法，从而实时监测牵引变流器产品中各电容器的故障，以提升列车及其运行线路的可靠性和安全性。

本领域技术人员将可理解，信息、信号和数据可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位(比特)、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (21)

1.一种电容器的故障监测方法，所述电容器用于列车的变流器且至少设有用于感测直流母线电压的电压传感器，所述故障监测方法包括：

获取所述电容器的直流母线的电压值；

至少部分地基于所述电压值确定所述电容器的电容值；以及

响应于所述电容器的电容值低于电容值阈值，发出故障预警信号。

2.如权利要求1所述的电容器的故障监测方法，其特征在于，所述获取所述电容器的电压值包括获取所述列车在停车工况下放电过程中的第一电压值和第二电压值，

所述至少部分地基于所述电压值确定所述电容器的电容值包括：基于所述第一电压值和第二电压值以及所述电容器从所述第一电压值降至所述第二电压值的时间计算所述电容器的电容值。

3.如权利要求1所述的电容器的故障监测方法，其特征在于，所述电容器还设有用于感测流经所述电容器的电流的电流传感器，所述故障监测方法还包括：获取所述列车运行工况下流经所述电容器的电流在线监测值；

所述获取所述电容器的电压值包括：获取所述列车运行工况下所述电容器的直流母线的电压在线监测值，

所述至少部分地基于所述电压值确定所述电容器的电容值包括：基于所述电容器的电压在线监测值和所述电流在线监测值计算所述电容器的电容值。

4.如权利要求3所述的电容器的故障监测方法，其特征在于，所述基于所述电压在线监测值和所述电流在线监测值确定所述电容器的电容值包括：

对所述电压在线监测值和所述电流在线监测值执行傅立叶变换以提取对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分和电流成分；以及

基于所述对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分和电流成分计算所述电容的电容值。

5.如权利要求4所述的电容器的故障监测方法，其特征在于，还包括：

基于所述对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分和电流成分计算所述电容的串联等效电阻值；以及

响应于所述串联等效电阻值高于ESR阈值，发出故障预警信号。

6.如权利要求5所述的电容器的故障监测方法，其特征在于，基于所述对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分和电流成分计算所述电容的电容值和所述串联等效电阻值包括：

求解方程

和

以获得所述电容的电容值和串联等效电阻值，其中U_fs和U_2fs分别是一倍开关频率和两倍开关频率的电压成分，以及I_fs和I_2fs分别是一倍开关频率和两倍开关频率的电流成分。

7.如权利要求1所述的电容器的故障监测方法，其特征在于，还包括：

对所述电容器的电容值的历史数据执行曲线拟合以获得所述电容器的电容值下降趋势曲线；以及

基于所述电容器的电容值下降趋势曲线进行所述电容器的寿命预测。

8.如权利要求7所述的电容器的故障监测方法，其特征在于，所述基于所述电容器的电容值下降趋势曲线确定进行所述电容器的寿命预测包括：

求解计算公式

以确定所述电容器的剩余寿命，其中h(t)是由所述电容值下降趋势曲线得到的在时刻t的电容值下降梯度函数，t_剩余为电容的剩余寿命，△C为所述电容器的当前电容值和所述电容值阈值的差值。

9.如权利要求1所述的电容器的故障监测方法，其特征在于，所述电容器还设有用于感测所述电容器内部的压力的压力传感器，所述故障监测方法还包括：

获取所述电容器的内部的压力值；以及

响应于所述气压值偏离压力阈值达到预设范围，发出故障预警信号。

10.如权利要求1所述的电容器的故障监测方法，其特征在于，所述电容器还设有用于感测所述电容器内部的温度的温度传感器，所述故障监测方法还包括：

获取所述电容器的内部的温度值；以及

响应于所述温度值偏离温度阈值达到预设范围，发出故障预警信号，所述温度阈值基于所述电容器的温度历史数据获得。

11.一种电容器的故障监测装置，所述电容器用于列车的变流器且至少设有用于感测直流母线电压的电压传感器，所述故障监测装置包括：

存储器；以及

处理器，所述处理器配置用于：

获取所述电容器的直流母线的电压值；

至少部分地基于所述电压值确定所述电容器的电容值；以及

响应于所述电容器的电容值低于电容值阈值，发出故障预警信号。

12.如权利要求11所述的电容器的故障监测装置，其特征在于，所述处理器进一步配置为：

获取所述列车在停车工况下放电过程中的第一电压值和第二电压值；以及

基于所述第一电压值和第二电压值以及所述电容器从所述第一电压值降至所述第二电压值的时间计算所述电容器的电容值。

13.如权利要求11所述的电容器的故障监测装置，其特征在于，所述电容器还设有用于感测流经所述电容器的电流的电流传感器，所述处理器进一步配置为：

获取所述列车运行工况下流经所述电容器的电流在线监测值；

获取所述列车运行工况下所述电容器的直流母线的电压在线监测值；以及

基于所述电容器的电压在线监测值和所述电流在线监测值计算所述电容器的电容值。

14.如权利要求13所述的电容器的故障监测装置，其特征在于，所述处理器进一步配置为：

对所述电压在线监测值和所述电流在线监测值执行傅立叶变换以提取对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分和电流成分；以及

基于所述对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分和电流成分计算所述电容的电容值。

15.如权利要求14所述的电容器的故障监测装置，其特征在于，所述处理器进一步配置为：

基于所述对应一倍开关频率和二倍开关频率的电压成分和电流成分计算所述电容的串联等效电阻值；以及

响应于所述串联等效电阻值高于ESR阈值，发出故障预警信号。

16.如权利要求15所述的电容器的故障监测装置，其特征在于，所述处理器进一步配置为：

求解方程

和

以获得所述电容的电容值和串联等效电阻值，其中U_fs和U_2fs分别是一倍开关频率和两倍开关频率的电压成分，以及I_fs和I_2fs分别是一倍开关频率和两倍开关频率的电流成分。

17.如权利要求11所述的电容器的故障监测装置，其特征在于，所述处理器进一步配置为：

对所述电容器的电容值的历史数据执行曲线拟合以获得所述电容器的电容值下降趋势曲线；以及

基于所述电容器的电容值下降趋势曲线进行所述电容器的寿命预测。

18.如权利要求17所述的电容器的故障监测装置，其特征在于，所述处理器进一步配置为：

求解计算公式

以确定所述电容器的剩余寿命，其中h(t)是由所述电容值下降趋势曲线得到的在时刻t的电容值下降梯度函数，t_剩余为电容的剩余寿命，△C为所述电容器的当前电容值和所述电容值阈值的差值。

19.如权利要求11所述的电容器的故障监测装置，其特征在于，所述电容器还设有用于感测所述电容器内部的压力的压力传感器，所述处理器进一步配置为：

获取所述电容器的内部的气压值；以及

响应于所述气压值偏离气压阈值达到预设范围，发出故障预警信号。

20.如权利要求11所述的电容器的故障监测装置，其特征在于，所述电容器还设有用于感测所述电容器内部的温度的温度传感器，所述处理器进一步配置为：

获取所述电容器的内部的温度值；以及

响应于所述温度值偏离温度阈值达到预设范围，发出故障预警信号。

21.一种计算机存储介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令在由处理器执行时实施如权利要求1-10中任一项所述的方法。

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