CN114325480A - 多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法、装置，该二极管开路故障检测方法包括：对定子励磁绕组的励磁电流进行实时采样，并对采样数据进行滤波处理；将滤波后的一个电周期内的采样数据按等组距分成多组，并统计每组中采样数据的数量，且根据每组中采样数据的数量进行核函数曲线拟合，以获取拟合曲线；根据所述拟合曲线判断是否发生二极管一相开路故障。实施本发明的技术方案，这种在线检测方法简单、有效，且准确率高，保障了机组的发电安全，提高了机组的运行可靠性。

Description

多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法、装置

技术领域

本发明涉及电力系统领域，尤其涉及一种多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法、装置。

背景技术

励磁系统是大型发电机的重要组成部分，性能优良、可靠性高的励磁系统是保证发电机安全及电力系统稳定运行的基础。相比于静止励磁，无刷励磁系统取消了发电机的碳刷和滑环，显著提高了励磁系统的可靠性，是大容量核电机组的首选励磁方式。而多相无刷励磁系统不仅可以降低大功率励磁系统对单个二极管容量的要求，还能提高整流电压的质量、改善系统的容错性。

在多相无刷励磁系统中，由于整流二极管处于高速旋转的状态，且仅在每个桥臂出口处装有一只熔断器，所以，在实际运行中，因二极管损坏而导致的一相开路故障时有发生。在开路故障初期，励磁机仍能给主发电机提供正常电流，但如果任由故障继续恶化，将严重影响主发电机的正常运行，造成严重后果。

对于旋转整流器故障，目前现场运行的无刷励磁系统普遍采用旋转整流器出厂时标配的DNC(Diode Non-conduction Detection System)系统进行监测，其误动和拒动在现场也是频繁发生(特别是运行时间较长的机组)。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的二极管开路故障检测的准确率不高的缺陷，提供一种多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法、装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法，包括：

对定子励磁绕组的励磁电流进行实时采样，并对采样数据进行滤波处理；

将滤波后的一个电周期内的采样数据按等组距分成多组，并统计每组中采样数据的数量，且根据每组中采样数据的数量进行核函数曲线拟合，以获取拟合曲线；

根据所述拟合曲线判断是否发生二极管一相开路故障。

优选地，根据所述拟合曲线判断是否发生二极管一相开路故障，包括：

判断所述拟合曲线的波形类型为单峰波形或双峰波形；

若为单峰波形，则确定无发生二极管一相开路故障；

若为双峰波形，则根据所述拟合曲线的双峰有效值比值来判断是否发生二极管一相开路故障。

优选地，根据所述拟合曲线的双峰有效值比值来判断是否发生二极管一相开路故障，包括：

确定所述拟合曲线的两个波峰值分别所对应的电流有效值；

计算两个波峰值分别所对应的电流有效值的比值；

判断所述比值是否大于第一预设值；

若大于第一预设值，则确定发生二极管一相开路故障。

优选地，还包括：

计算所述采样数据在一个电周期内的极差；

根据所述拟合曲线判断是否发生二极管一相开路故障，包括：

根据所述拟合曲线及所述极差判断是否发生二极管一相开路故障。

优选地，计算所述采样数据在一个电周期内的极差，包括：

计算所述采样数据在一个电周期内的平均值；

根据以下公式计算所述采样数据在一个电周期内的极差：

其中，i_f0为所述采样数据在一个电周期内的平均值，i_min为所述采样数据在一个电周期内的最小值，i_max为所述采样数据在一个电周期内的最大值。

优选地，根据所述极差判断是否发生二极管一相开路故障，包括：

判断所述极差是否大于第二预设值；

若大于第二预设值，则确定发生二极管一相开路故障。

本发明还构造一种多相无刷励磁机的二极管开路故障检测装置，包括：

采样处理模块，用于对定子励磁绕组的励磁电流进行实时采样，并对采样数据进行滤波处理；

分析模块，用于将滤波后的一个电周期内的采样数据按等组距分成多组，并统计每组中采样数据的数量，且根据每组中采样数据的数量进行核函数曲线拟合，以获取拟合曲线；

判断模块，用于根据所述拟合曲线判断是否发生二极管一相开路故障。

优选地，所述判断模块包括：

类型判断单元，用于判断所述拟合曲线的波形类型为单峰波形或双峰波形；

第一确定单元，用于在为单峰波形时，确定无发生二极管一相开路故障；

比值判断单元，用于在为双峰波形时，根据所述拟合曲线的双峰有效值比值来判断是否发生二极管一相开路故障。

优选地，所述比值判断单元，用于在为双峰波形时，确定所述拟合曲线的两个波峰值分别所对应的电流有效值，并计算两个波峰值分别所对应的电流有效值的比值，且判断所述比值是否大于第一预设值，若大于第一预设值，则确定发生二极管一相开路故障。

优选地，所述分析模块，还用于计算所述采样数据在一个电周期内的极差；

所述判断模块，还用于根据所述极差判断是否发生二极管一相开路故障。

本发明所提供的技术方案，通过对定子励磁绕组的励磁电流进行采样，以及，根据励磁电流在一个电周期的采样数据拟合核函数曲线，从而根据拟合曲线来确定是否发生二极管一相开路故障，这种在线检测方法简单、有效，且准确率高，保障了机组的发电安全，提高了机组的运行可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是本发明多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法实施例一的流程图；

图2是本发明多相无刷励磁机的二极管开路故障检测装置实施例一的逻辑结构图；

图3是11相无刷励磁机及旋转整流器的结构示意图；

图4是图3中二极管导通顺序的示意图；

图5为图3中的励磁机分别在正常运行、二极管一管开路故障及二极管一相开路故障时的励磁电流的波形示意图；

图6A、6B分别为图3中的励磁机在正常运行及二极管一相开路故障时的励磁电流的实验波形图；

图7A、7B分别图3中的励磁机在正常运行及二极管一相开路故障时的励磁电流所对应的拟合曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于无刷励磁整流器(由二极管组成)与励磁机的转子一起旋转，所以整流器的一相开路故障无法得到直接的监测。针对该技术问题，本申请构造一种二极管开路故障检测方法，通过采集定子励磁电流，按照一定方法取得到电流的直方图特征，并根据该特征来判断故障，应用该方法可对多相角形无刷励磁机的二极管一相开路故障进行有效的在线监测与保护。

图1是本发明多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法实施例一的流程图，该实施例的二极管开路故障检测方法包括以下步骤：

步骤S10.对定子励磁绕组的励磁电流进行实时采样，并对采样数据进行滤波处理；

步骤S20.将滤波后的一个电周期内的采样数据按等组距分成多组，并统计每组中采样数据的数量，且根据每组中采样数据的数量进行核函数曲线拟合，以获取拟合曲线；

在该步骤中，在进行分组时，对于一个电周期内的采样数据，先确定出最小值i_min和最大值i_max，而且，由于每组的组距相等，所以，在组数确定后，每组所对应的数据范围也就确定了，例如，假如一个电周期的多个采样数据中，最小值i_min＝3，最大值i_max＝4，平均分成5组，则第一组是数据范围为3～3.2，第二组的数据范围为3.2～3.4，等等，以此类推，然后，便可统计该电周期内每组的励磁电流数据采样点的个数，从而得到对应的数据直方图。最后，再进行核函数曲线拟合，例如可利用matlab中的kdensity命令实现。

步骤S30.根据所述拟合曲线判断是否发生二极管一相开路故障。

在该实施例中，首先说明的是，无刷励磁机的工作原理为：当对励磁机的定子励磁绕组提供励磁电流后，其转子电枢绕组将发出交流电，该交流电经旋转整流器后为主发电机的转子励磁绕组供电。而当旋转整流器发生二极管一相开路故障时，在一个电周期内，对于故障二极管没有参与运行的时刻，励磁机的励磁电流及各电枢电流与正常运行时刻均一致；对于故障二极管参与运行的时刻，电枢电流将发生畸变，电枢反应磁场会在定子绕组中感应出谐波电势，从而影响定子励磁电流的核函数密度，因此，可通过对定子励磁绕组的励磁电流进行采样及直方图特征分析来确定是否发生二极管一相开路故障，而且，这种在线检测方法简单、有效，保障了机组的发电安全，提高了机组的运行可靠性。

进一步地，在一个可选实施例中，步骤S30包括：

判断所述拟合曲线的波形类型为单峰波形或双峰波形；

若为单峰波形，则确定无发生二极管一相开路故障；

若为双峰波形，则根据所述拟合曲线的双峰有效值比值来判断是否发生二极管一相开路故障。

在该实施例中，由于正常运行时，励磁电流的采样数据比较集中，例如，集中在3.4A至3.485A之间，所以，所对应的拟合曲线为一个单峰波形，即仅含有一个极大值；而在二极管发生一相开路故障时，励磁电流的采样数据比有比较大的波动，例如，最大为3.7A，最小值为3.2A，此时，所对应的拟合曲线为一个双峰波形，第一个峰值(极大值)为i_A＝3.292A，第二个峰值(极大值)i_B＝3.522A。进而计算出双峰有效值之比，再判断双峰有效值比值是否满足故障判断的条件。

进一步地，根据所述拟合曲线的双峰有效值比值来判断是否发生二极管一相开路故障，包括：

确定所述拟合曲线的两个波峰值分别所对应的电流有效值；

计算两个波峰值分别所对应的电流有效值的比值；

判断所述比值是否大于第一预设值，其中，第一预设值为门槛定值，在确定取值时，应能可靠躲过正常运行时各种工况下的励磁电流；

若大于第一预设值，则确定发生二极管一相开路故障。

在该实施例中，如果拟合曲线为双峰波形，且两个波峰值分别所对应的电流有效值的比值大于第一预设值，则可认为发生二极管一相开路故障。

进一步地，在一个可选实施例中，步骤S20还包括：计算所述采样数据在一个电周期内的极差；同时，步骤S30包括：根据所述拟合曲线及所述极差判断是否发生二极管一相开路故障。

具体地，可根据以下方式来计算极差：计算所述采样数据在一个电周期内的平均值；根据以下公式计算所述采样数据在一个电周期内的极差：

其中，i_f0为所述采样数据在一个电周期内的平均值，i_min为所述采样数据在一个电周期内的最小值，i_max为所述采样数据在一个电周期内的最大值。

具体地，根据所述极差判断是否发生二极管一相开路故障，包括：

判断所述极差是否大于第二预设值；

若大于第二预设值，则确定发生二极管一相开路故障。

在该实施例中，由于正常运行时，励磁电流的采样数据比较集中，例如，集中在3.4A至3.485A之间；而在二极管发生一相开路故障时，励磁电流的采样数据比有比较大的波动，例如，最大为3.7A，最小值为3.2A，因此，在根据拟合曲线确定是否发生二极管一相开路故障时，定子励磁电流极差明显增大，并且其拟合曲线波形为明显的双峰波形，将定子励磁电流极差以及拟合曲线的双峰有效值之比分别与预设的门槛定值进行比较，可实现故障的有效判断。

图2是本发明多相无刷励磁机的二极管开路故障检测装置实施例一的逻辑结构图，该实施例的二极管开路故障检测装置包括采样处理模块10、分析模块20和判断模块30，其中，采样处理模块10用于对定子励磁绕组的励磁电流进行实时采样，并对采样数据进行滤波处理；分析模块20用于将滤波后的一个电周期内的采样数据按等组距分成多组，并统计每组中采样数据的数量，且根据每组中采样数据的数量进行核函数曲线拟合，以获取拟合曲线；判断模块30用于根据所述拟合曲线判断是否发生二极管一相开路故障。

进一步地，判断模块30包括类型判断单元、第一确定单元和比值判断单元，其中，类型判断单元用于判断所述拟合曲线的波形类型为单峰波形或双峰波形；第一确定单元用于在为单峰波形时，确定无发生二极管一相开路故障；比值判断单元用于在为双峰波形时，根据所述拟合曲线的双峰有效值比值来判断是否发生二极管一相开路故障。

进一步地，比值判断单元用于在为双峰波形时，确定所述拟合曲线的两个波峰值分别所对应的电流有效值，并计算两个波峰值分别所对应的电流有效值的比值，且判断所述比值是否大于第一预设值，若大于第一预设值，则确定发生二极管一相开路故障。

进一步地，在一个可选实施例中，分析模块还用于计算所述采样数据在一个电周期内的极差；判断模块还用于根据所述极差判断是否发生二极管一相开路故障。

下面以一个11相环形无刷励磁机为例来说明二极管开路故障检测方法：

如图3所示，在该11相环形无刷励磁机中，旋转整流器采用全桥整流方式，每时每刻最大线电压对应的两个二极管导通。励磁机的11相电枢绕组r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9、r10、r11采用首尾相连的环形结构，最大线电压为电枢绕组相电压串联之和。根据11相电枢绕组的排布方式，相邻两相电枢绕组在空间上依次相差4π/11电角度，相邻两相电枢绕组的相电压在时间上也依次相差4π/11电角度。假设第k相电枢绕组的相电压为：

其中，U为电枢绕组相电压的幅值，ω为转子角频率，t为时间，k为相数(k＝1,2,...,11)。

而且，相邻j(j＝1,2,...,10)相的串联电压为：

由式(2)可知，当j＝3时，j相串联电压的幅值取得最大值，即三相串联电压为最大线电压。因此，每时每刻三相串联电枢绕组对应的两个二极管导通。

可知随着时间的变化，22个二极管将随着合成最大电动势的相序变化而轮流导通，励磁机正常运行时旋转整流器上下桥臂二极管的导通顺序如图4所示。

在励磁机正常运行时，线电压最大的电枢绕组两端二极管导通，二极管故障只会影响与之相关的工作状态，在故障二极管没有参与运行的时刻，励磁机的励磁电流及各电枢电流与正常运行时刻一致。而当励磁机运行到故障二极管导通的时刻，电枢电流发生畸变，与此同时将在励磁绕组上感应出故障谐波电流，即此时刻，励磁电流波形对应位置将出现一定时长的畸变。由于二极管依次轮流导通，同一周期中励磁电流波形上畸变的个数与持续时间与将与二极管发生故障的数量与相对位置有关。

由图5可知，按照旋转整流器各二极管的导通次序，每一个二极管持续导通时间为2π/11，导通结束时换相至下一个二极管继续导通。由理论分析可知，正常运行时励磁电流将被二极管调制成22脉波，且由于此时没有故障分量，不会导致励磁电流发生畸变。

当发生一个二极管开路故障时，只有与该开路二极管相连的工作状态将受到影响。如图5所示，当二极管D1发生开路故障时，点a至点f的工作状态将发生改变，根据图中二极管的换相顺序，此时二极管D13将延迟关闭然后直接向D11换相。相应的，励磁电流对应点a至f段波形将发生畸变，畸变持续时间与二极管D1导通时长2π/11相等。用2π表示定子励磁电流的周期，用n_distortion表示定子励磁电流一个周期内的畸变点个数，用t_distortion表示一个畸变的持续时间。因此，可以得到发生一管开路故障时，定子励磁电流的时域特征为n_distortion＝1，t_distortion＝2π/11。实际工程中常用熔断器对二极管进行过流保护，如图3所示，当电枢绕组与旋转整流器的连线熔断器发生熔断时，将发生一相开路故障，由于一相二极管包括上桥臂二极管及下桥臂二极管，所以当一相二极管发生开路故障时，励磁电流波形中将对应出现两个持续时间均为2π/11且间隔π电角度的畸变。如图5所示，当第一相熔断器发生熔断时，等效为二极管D0和D1同时发生开路故障，用Δt表示定子励磁电流一个周期内两个畸变所间隔的时间，可以得到发生一相开路故障时，定子励磁电流的时域特征为：

n_distortion＝2，t_distortion＝2π/11，Δt＝π

分析结论表明，在二极管一相开路故障的情况下，定子励磁电流将会发生很大的畸变，励磁电流中一个周期中将出现两个持续时间为2π/11且相互间隔半个周期的畸变，由于畸变只受二极管故障个数与相对位置的影响，因此该时域特征是二极管一相开路故障的独有时域特征，所以，可以利用励磁电流时域波形中故障畸变的位置以及间隔时间来诊断二极管的一相开路故障。提取励磁电流时域波形中畸变个数n_distortion、畸变持续时间t_s以及畸变间隔时间Δt作为故障保护判断的依据，可靠性很高，为二极管一相开路故障的监测与保护提供了一条有效的途径。

特征的有效提取是实现故障诊断的前提。对比图6A、6B所示的11相无刷励磁机分别在正常运行及二极管一相开路故障时的励磁电流波形，可以发现二极管一相开路故障后励磁电流波形中出现明显畸变。若实验采样率为20kS/s，寻找一个周期内f_s*T个采样数据中的最大值i_max与最小值i_min，再计算一个周期内的平均值i_f0，定义励磁电流采样数据中一个周期的极差R为：

将采样数据从最小值i_min开始到最大值i_max平均分成30组，统计一个周期内每个组的励磁电流数据采样点的个数，并进行核函数密度曲线拟合，可得到对应的数据直方图及其拟合频率分布如图7所示，其中，图7A为11相无刷励磁机在正常运行时其励磁电流所对应的拟合曲线；图7B为11相无刷励磁机在二极管一相开路故障时其励磁电流所对应的拟合曲线，对比发现，正常运行时，励磁电流的采样数据集中在3.4A至3.485A之间，并且采样点拟合波形为一个单峰波形，即仅含有一个极大值；而二极管发生一相开路故障时，励磁电流采样数据最大为3.7A，最小值为3.2A，并且此时采样点拟合为一个双峰波形，第一个峰值有效值为i_A＝3.292A，第二个峰值有效值i_B＝3.522A，对于双峰波形可以定义双峰有效值之比m如下：

综上，总结励磁电流拟合曲线的波形特征如表1所示：

表1

分析表1可以发现，二极管一相开路故障时，励磁电流波形极差R将显著增大，如果此时励磁电流的拟合曲线波形为双峰且双峰有效值之比大于门槛定值，则可以判定励磁机发生二极管一相开路故障。基于以上特征提取方法，得到11相无刷励磁系统正常运行和二极管一相开路故障时得到的特征，进而对励磁机正常运行与二极管一相开路故障进行有效区分。

通过上面的计算与分析，说明了励磁电流的极差以及拟合曲线波形类型能完全反应二极管一相开路故障带来的特征，并且能够区别于励磁机正常运行和二极管一相开路故障故障，说明了本发明提出的核电多相角形无刷励磁系统二极管一相故障判断方法能方法简单且有效，按本发明设计的核电多相角形无刷励磁系统二极管一相开路故障监测与保护装置具有极高的可靠性。

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，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法，其特征在于，包括：

对定子励磁绕组的励磁电流进行实时采样，并对采样数据进行滤波处理；

将滤波后的一个电周期内的采样数据按等组距分成多组，并统计每组中采样数据的数量，且根据每组中采样数据的数量进行核函数曲线拟合，以获取拟合曲线；

根据所述拟合曲线判断是否发生二极管一相开路故障。

2.根据权利要求1所述的多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法，其特征在于，根据所述拟合曲线判断是否发生二极管一相开路故障，包括：

判断所述拟合曲线的波形类型为单峰波形或双峰波形；

若为单峰波形，则确定无发生二极管一相开路故障；

若为双峰波形，则根据所述拟合曲线的双峰有效值比值来判断是否发生二极管一相开路故障。

3.根据权利要求2所述的多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法，其特征在于，根据所述拟合曲线的双峰有效值比值来判断是否发生二极管一相开路故障，包括：

确定所述拟合曲线的两个波峰值分别所对应的电流有效值；

计算两个波峰值分别所对应的电流有效值的比值；

判断所述比值是否大于第一预设值；

若大于第一预设值，则确定发生二极管一相开路故障。

4.根据权利要求1-3所述的多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法，其特征在于，还包括：

计算所述采样数据在一个电周期内的极差；

根据所述拟合曲线判断是否发生二极管一相开路故障，包括：

根据所述拟合曲线及所述极差判断是否发生二极管一相开路故障。

5.根据权利要求4所述的多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法，其特征在于，计算所述采样数据在一个电周期内的极差，包括：

计算所述采样数据在一个电周期内的平均值；

根据以下公式计算所述采样数据在一个电周期内的极差：

其中，i_f0为所述采样数据在一个电周期内的平均值，i_min为所述采样数据在一个电周期内的最小值，i_max为所述采样数据在一个电周期内的最大值。

6.根据权利要求4所述的多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法，其特征在于，根据所述极差判断是否发生二极管一相开路故障，包括：

判断所述极差是否大于第二预设值；

若大于第二预设值，则确定发生二极管一相开路故障。

7.一种多相无刷励磁机的二极管开路故障检测装置，其特征在于，包括：

采样处理模块，用于对定子励磁绕组的励磁电流进行实时采样，并对采样数据进行滤波处理；

分析模块，用于将滤波后的一个电周期内的采样数据按等组距分成多组，并统计每组中采样数据的数量，且根据每组中采样数据的数量进行核函数曲线拟合，以获取拟合曲线；

判断模块，用于根据所述拟合曲线判断是否发生二极管一相开路故障。

8.根据权利要求7所述的多相无刷励磁机的二极管开路故障检测装置，其特征在于，所述判断模块包括：

类型判断单元，用于判断所述拟合曲线的波形类型为单峰波形或双峰波形；

第一确定单元，用于在为单峰波形时，确定无发生二极管一相开路故障；

比值判断单元，用于在为双峰波形时，根据所述拟合曲线的双峰有效值比值来判断是否发生二极管一相开路故障。

9.根据权利要求8所述的多相无刷励磁机的二极管开路故障检测装置，其特征在于，

所述比值判断单元，用于在为双峰波形时，确定所述拟合曲线的两个波峰值分别所对应的电流有效值，并计算两个波峰值分别所对应的电流有效值的比值，且判断所述比值是否大于第一预设值，若大于第一预设值，则确定发生二极管一相开路故障。

10.根据权利要求7所述的多相无刷励磁机的二极管开路故障检测方法，其特征在于，

所述分析模块，还用于计算所述采样数据在一个电周期内的极差；

所述判断模块，还用于根据所述极差判断是否发生二极管一相开路故障。

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