CN114089220A - 直流充电桩整流器功率管开路故障诊断及故障点定位方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种直流充电桩整流器功率管开路故障诊断及故障点定位方法，所述方法包括如下步骤：S1：采集直流充电桩整流器交流侧相电流数据；S2：确定相电流数据窗口的瞬时频率的时间序列；S3：确定整流器桥臂故障特征量F_lj，若整流器桥臂故障特征量F_lj为1，存在故障，并进入下一步，若整流器桥臂故障特征量F_lj为0，则无故障，并结束；S4：确定发生开路故障的相电流均值i_ave‑l；S5：确定开路故障功率管定位特征量R_l，若开路故障功率管定位特征量R_l＝1，则表示功率管上管故障，若开路故障功率管定位特征量R_l＝0，则表示功率管双管故障，若开路故障功率管定位特征量R_l＝‑1，则表示功率管下管故障。本申请实现对整流器故障桥臂中开路故障功率管的定位。

Description

直流充电桩整流器功率管开路故障诊断及故障点定位方法

技术领域

本发明涉及充电桩故障诊断技术领域，尤其涉及一种直流充电桩整流器功率管开路故障诊断及故障点定位方法。

背景技术

电动汽车充电桩已成为重要的基础设施，直流充电桩是未来建设和发展重要方向，由于其变流器功率器件的脆弱性和控制的复杂性导致故障比例较高，是充电桩的薄弱环节。其中，功率器件发生开路故障时，具备故障特征不明显和不易发现特点。功率器件开路故障若不及时发现和检修，将对电网产生谐波影响，并诱发正常功率器件加速损坏，最终导致充电桩突发故障停机。然而，目前还没有有效易行的故障诊断技术。

因此，有必要研究直流充电桩整流器功率管开路故障诊断方法。为直流充电桩的智能运维提供技术支撑，对降低了直流充电桩运维费用和提高直流充电桩可靠性有重要研究意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种直流充电桩整流器功率管开路故障诊断及故障点定位方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：采集直流充电桩整流器交流侧相电流数据；

S2：基于交流侧相电流数据确定相电流数据窗口的瞬时频率的时间序列；

S3：基于相电流数据窗口的瞬时频率的时间序列确定整流器桥臂故障特征量F_lj，若整流器桥臂故障特征量F_lj为1，存在故障，并进入下一步，若整流器桥臂故障特征量F_lj为0，则无故障，并结束；

S4：确定发生开路故障的相电流均值i_ave-l；

S5：基于故障相电流均值i_ave-l确定开路故障功率管定位特征量R_l，若开路故障功率管定位特征量R_l＝1，则表示功率管上管故障，若开路故障功率管定位特征量R_l＝0，则表示功率管双管故障，若开路故障功率管定位特征量R_l＝-1，则表示功率管下管故障。

进一步，步骤S2包括如下步骤：

S21：将步骤S1采集的相电流数据进行希尔伯特变换获得相电流信号瞬时频率f(t)，将相电流信号瞬时频率f(t)按采集时间先后顺序排列获得相电流瞬时频率的时间序列L，若时间序列L中包括n个时刻数据点，即L＝{i(1),i(2),i(3),…,i(n)}，其中，L表示相电流时序数据，i(1)表示第1个时刻数据点，i(2)表示第2个时刻数据点，i(3)表示第3个时刻数据点，i(n)表示第n个时刻数据点，n表示相电流数据点的变量；

S22：将包括有m个时序数据点确定为一个数据窗口，确定{i(1),i(2),i(3),…,i(m)}为L的第一个数据窗口I₀，接下来，每次将窗口按时间顺序在L上滑动k个数据，直至滑动s次(s≤((n-m)/k)+1)，依次获得窗口I₁、I₂、…I_s，其中，s表示第s个窗口，n表示相电流数据点的变量，m表示一个窗口的数据点的数量，k表示每次滑动的数据点数量，其中，n>>m>>k>0,且都为正整数；

S23：基于希尔伯特变换求取每个数据窗口的瞬时频率，进而确定各窗口瞬时频率时间序列{f₀，f₁，f₂,…,f_s}；

S24：重复步骤S21-S23，获得l相相电流数据窗口的瞬时频率{f_l0，f_l1，f_l2,…,f_ls}，其中，l相相电流包括a相电流、b相电流和c相电流。

进一步，步骤S21中所述相电流信号瞬时频率f(t)采用如下方法确定：

其中，f(t)表示相电流信号瞬时频率，φ(t)为信号的相位信息。

进一步，所述步骤S3包括对相电流数据窗口的瞬时频率的时间序列进行归一化处理和确定整流器桥臂故障特征量F_lj；

所述归一化处理采用如下方法确定：

其中，μ_lj表示归一化处理后的相电流数据窗口的瞬时频率，f_lj相电流数据窗口的瞬时频率,f_N为额定频率；

所述整流器桥臂故障特征量F_lj采用如下方法确定：

其中，k₁为判断阈值I，μ_lj表示归一化处理后的相电流数据窗口的瞬时频率。

进一步，所述开路故障相电流均值i_ave-l采用如下方法确定：

其中，i_ave-l表示发生开路故障的相电流均值，q表示开路故障桥臂发生故障时刻前后的整数倍电流周期内的q个数据点，h表示数据点变量，i_l(h)表示相电流。

进一步，所述开路故障功率管定位特征量R_l采用如下方法确定：

其中，R_l表示开路故障功率管定位特征量，i_ave-l表示发生开路故障的相电流均值，k₂为判断阈值Ⅱ。

本发明的有益技术效果：本发明提出的基于相电流瞬时频率的直流充电桩整流器功率管开路故障诊断方法可应用于直流充电桩整流器功率管的故障诊断中，仅需采用交流侧相电流数据，就可以实现直流充电桩整流器功率管开路故障诊断，可为直流充电桩的智能运维提供技术支撑，对降低直流充电桩运维费用和提高直流充电桩可靠性有重要应用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1直流充电桩整流器功率管开路故障诊断流程图。

图2直流充电桩整流器电路结构图。

图3直流充电桩整流器功率管VT5开路故障诊断结果。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：

本发明提供一种直流充电桩整流器功率管开路故障诊断及故障点定位方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：如图1所示，

S1：采集直流充电桩整流器交流侧相电流数据；

S2：基于交流侧相电流数据确定相电流数据窗口的瞬时频率的时间序列；

S3：基于相电流数据窗口的瞬时频率的时间序列确定整流器桥臂故障特征量F_lj，若整流器桥臂故障特征量F_lj为1，存在故障，并进入下一步，若整流器桥臂故障特征量F_lj为0，则无故障，并结束；

S4：确定发生开路故障的相电流均值i_ave-l；

S5：基于故障相电流均值i_ave-l确定开路故障功率管定位特征量R_l，若开路故障功率管定位特征量R_l＝1，则表示功率管上管故障，若开路故障功率管定位特征量R_l＝0，则表示功率管双管故障，若开路故障功率管定位特征量R_l＝-1，则表示功率管下管故障。

上述技术方案本发明提出了基于相电流瞬时频率的直流充电桩整流器功率管开路故障诊断方法，采集直流充电桩整流器交流侧相电流信号数据，希尔伯特变换和滑动窗口均值的瞬时频率方法，获取相电流瞬时频率；其次，将瞬时频率归一化，通过构造的桥臂开路故障识别特征量，获得整流器开路故障桥臂；最后，利用相电流均值，通过故障桥臂功率管定位特征量，实现对整流器故障桥臂中开路故障功率管的定位。

步骤S2包括如下步骤：

S21：将步骤S1采集的相电流数据进行希尔伯特变换获得相电流信号瞬时频率f(t)，将相电流信号瞬时频率f(t)按采集时间先后顺序排列获得相电流瞬时频率的时间序列L，若时间序列L中包括n个时刻数据点，即L＝{i(1),i(2),i(3),…,i(n)}，其中，L表示相电流时序数据，i(1)表示第1个时刻数据点，i(2)表示第2个时刻数据点，i(3)表示第3个时刻数据点，i(n)表示第n个时刻数据点，n表示相电流数据点的变量；

S22：将包括有m个时序数据点确定为一个数据窗口，确定{i(1),i(2),i(3),…,i(m)}为L的第一个数据窗口I₀，接下来，每次将窗口按时间顺序在L上滑动k个数据，直至滑动s次(s≤((n-m)/k)+1)，依次获得窗口I₁、I₂、…I_s，其中，s表示第s个窗口，n表示相电流数据点的变量，m表示一个窗口的数据点的数量，k表示每次滑动的数据点数量，其中，n>>m>>k>0,且都为正整数；

S23：基于希尔伯特变换求取每个数据窗口的瞬时频率，进而确定各窗口瞬时频率时间序列{f₀，f₁，f₂,…,f_s}；

S24：重复步骤S21-S23，获得l相相电流数据窗口的瞬时频率{f_l0，f_l1，f_l2,…,f_ls}，其中，l相相电流包括a相电流、b相电流和c相电流。

步骤S21中所述相电流信号瞬时频率f(t)采用如下方法确定：

其中，f(t)表示相电流信号瞬时频率，φ(t)为信号的相位信息。

所述步骤S3包括对相电流数据窗口的瞬时频率的时间序列进行归一化处理和确定整流器桥臂故障特征量F_lj；

所述归一化处理采用如下方法确定：

其中，μ_lj表示归一化处理后的相电流数据窗口的瞬时频率，f_lj相电流数据窗口的瞬时频率,f_N为额定频率；

所述整流器桥臂故障特征量F_lj采用如下方法确定：

其中，k₁为判断阈值I，μ_lj表示归一化处理后的相电流数据窗口的瞬时频率。判断阈值I通过经验设定，在本实施例中k₁为0.9。

在本实施例中，所述开路故障相电流均值i_ave-l采用如下方法确定：

其中，i_ave-l表示发生开路故障的相电流均值，q表示开路故障桥臂发生故障时刻前后的整数倍电流周期内的q个数据点，h表示数据点变量，i_l(h)表示相电流。

在本实施例中，所述开路故障功率管定位特征量R_l采用如下方法确定：

其中，R_l表示开路故障功率管定位特征量，i_ave-l表示发生开路故障的相电流均值，k₂为判断阈值Ⅱ。判断阈值Ⅱ通过经验设定，在本实施例中k₂取0.1。在本实施例中根据经验设定的判断阈值I和判断阈值Ⅱ均为本领域技术人员通过大量实验后确定的经验数值。

以实际直流充电桩整流器为例，其电路图如图2所示。采集整流器交流侧某相电流信号数据L，利用希尔伯特变换和滑动窗口的瞬时频率计算方法，得到通过滑动窗口的瞬时频率，归一化瞬时频率，通过故障桥臂开路故障识别特征量F_lj和相电流均值i_ave-l的开路故障功率管定位特征量R_l，实现直流充电桩功率整流器功率管开路故障识别和定位。接下来，以图2中C相桥臂功率管VT5发生开路故障为例，说明本发明的有效性。

瞬时频率计算部分。采集直流充电桩整流器交流侧相电流信号数据，采用希尔伯特变换和滑动窗口的瞬时频率计算方法，获得相电流瞬时频率。例如，获得通过滑动窗口的瞬时频率序列。过程为：采集整流器交流侧某相相电流信号数据L，利用希尔伯特变换和滑动窗口的瞬时频率计算方法，得到通过滑动窗口的瞬时频率。

开路故障识别部分。对相电流瞬时频率归一化处理，通过桥臂开路故障识别特征量，获得整流器开路故障桥臂。例如，当图2中C相桥臂功率管VT5发生开路故障时，利用所采集直流充电桩整流器交流侧相电流信号数据，采用希尔伯特变换和滑动窗口的瞬时频率计算方法，获得相电流瞬时频率，再通过式(3)计算得到开路故障识别特征量F_lj，见图3所示，在时间为1秒时，由1秒时的滑动窗口数据，计算得到F_a＝0、F_b＝0、F_c＝1，由此便可以识别出整流器中含有功率管VT2和VT5的C相桥臂在1秒时出现了开路故障。

开路故障定位部分。若存在整流器开路故障桥臂，计算该相相电流均值，通过故障桥臂功率管定位特征量R_c，实现对整流器故障桥臂中开路故障功率管的定位。例如，由S2已经识别出整流器中C相桥臂出现了开路故障，根据式(4)和式(5)先后计算获得故障桥臂电流均值和开路故障桥臂功率管定位特征量R_c＝1，从时间1秒时开始，C相上桥臂功率管VT5出现了开路故障，有效了实现了开路故障的定位。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种直流充电桩整流器功率管开路故障诊断及故障点定位方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：采集直流充电桩整流器交流侧相电流数据；

S2：基于交流侧相电流数据确定相电流数据窗口的瞬时频率的时间序列；

S3：基于相电流数据窗口的瞬时频率的时间序列确定整流器桥臂故障特征量F_lj，若整流器桥臂故障特征量F_lj为1，存在故障，并进入下一步，若整流器桥臂故障特征量F_lj为0，则无故障，并结束；

S4：确定发生开路故障的相电流均值i_ave-l；

S5：基于故障相电流均值i_ave-l确定开路故障功率管定位特征量R_l，若开路故障功率管定位特征量R_l＝1，则表示功率管上管故障，若开路故障功率管定位特征量R_l＝0，则表示功率管双管故障，若开路故障功率管定位特征量R_l＝-1，则表示功率管下管故障。

2.根据权利要求1所述直流充电桩整流器功率管开路故障诊断及故障点定位方法，其特征在于：步骤S2包括如下步骤：

S21：将步骤S1采集的相电流数据进行希尔伯特变换获得相电流信号瞬时频率f(t)，将相电流信号瞬时频率f(t)按采集时间先后顺序排列获得相电流瞬时频率的时间序列L，若时间序列L中包括n个时刻数据点，即L＝{i(1),i(2),i(3),…,i(n)}，其中，L表示相电流时序数据，i(1)表示第1个时刻数据点，i(2)表示第2个时刻数据点，i(3)表示第3个时刻数据点，i(n)表示第n个时刻数据点，n表示相电流数据点的变量；

S22：将包括有m个时序数据点确定为一个数据窗口，确定{i(1),i(2),i(3),…,i(m)}为L的第一个数据窗口I₀，接下来，每次将窗口按时间顺序在L上滑动k个数据，直至滑动s次(s≤((n-m)/k)+1)，依次获得窗口I₁、I₂、…I_s，其中，s表示第s个窗口，n表示相电流数据点的变量，m表示一个窗口的数据点的数量，k表示每次滑动的数据点数量，其中，n>>m>>k>0,且都为正整数；

S23：基于希尔伯特变换求取每个数据窗口的瞬时频率，进而确定各窗口瞬时频率时间序列{f₀，f₁，f₂,…,f_s}；

S24：重复步骤S21-S23，获得l相相电流数据窗口的瞬时频率{f_l0，f_l1，f_l2,…,f_ls}，其中，l相相电流包括a相电流、b相电流和c相电流。

3.根据权利要求2所述直流充电桩整流器功率管开路故障诊断及故障点定位方法，其特征在于：步骤S21中所述相电流信号瞬时频率f(t)采用如下方法确定：

其中，f(t)表示相电流信号瞬时频率，φ(t)为信号的相位信息。

4.根据权利要求3所述直流充电桩整流器功率管开路故障诊断及故障点定位方法，其特征在于：所述步骤S3包括对相电流数据窗口的瞬时频率的时间序列进行归一化处理和确定整流器桥臂故障特征量F_lj；

所述归一化处理采用如下方法确定：

其中，μ_lj表示归一化处理后的相电流数据窗口的瞬时频率，f_lj相电流数据窗口的瞬时频率,f_N为额定频率；

所述整流器桥臂故障特征量F_lj采用如下方法确定：

其中，k₁为判断阈值I，μ_lj表示归一化处理后的相电流数据窗口的瞬时频率。

5.根据权利要求4所述直流充电桩整流器功率管开路故障诊断及故障点定位方法，其特征在于：所述开路故障相电流均值i_ave-l采用如下方法确定：

其中，i_ave-l表示发生开路故障的相电流均值，q表示开路故障桥臂发生故障时刻前后的整数倍电流周期内的q个数据点，h表示数据点变量，i_l(h)表示相电流。

6.根据权利要求5所述直流充电桩整流器功率管开路故障诊断及故障点定位方法，其特征在于：所述开路故障功率管定位特征量R_l采用如下方法确定：

其中，R_l表示开路故障功率管定位特征量，i_ave-l表示发生开路故障的相电流均值，k₂为判断阈值Ⅱ。

Images