CN115774218A - 基于Spearman的直流充电桩整流器开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于Spearman的直流充电桩整流器开路故障诊断方法，属于故障诊断技术域。包括3部分：故障数据采集、开路故障识别、开路故障定位。采集直流充电桩整流器交流侧三相电流数据，并计算各相电流均值绝对值；为了识别出整流器开路故障桥臂，构造的开路故障识别特征量，将可能发生开路故障桥臂对应的电流均值绝对值进行数值比较，取三相电流均值绝对值中最大数值对应相，确定为整流器开路故障桥臂；若存在开路故障桥臂，利用故障相整倍数周期内相电流数据，结合正常三相电流历史数据，通过构造开路故障定位特征量，实现对整流器单个功率器件开路故障定位。本发明仅需交流侧三相电流数据，就可以实现直流充电桩整流器开路故障诊断。

Description

基于Spearman的直流充电桩整流器开路故障诊断方法

技术领域

本发明属于故障诊断技术领域，涉及基于Spearman的直流充电桩整流器开路故障诊断方法。

背景技术

当前电动汽车数量增加较快，以快充为代表的直流充电桩数量迅猛增加，直流充电桩工作环境恶劣，大多数长期工作在室外高温、严寒、潮湿等环境下，极易引起充电桩突发故障，已经引起运营商和制造商高度重视。据统计，在充电桩整流器中约34％的故障都是IGBT功率器件故障引起的，以IGBT功率器件开路故障居多。IGBT功率器件发生开路故障时，不会明显影响充电桩继续运行，不会产生过大的电流和电压，甚至难以有效触发相关保护动作，具有易隐蔽难发现的特点。若不及时发现和检修，长期造成对电网产生谐波和影响汽车充电时间等影响、最终导致充电桩进一步发生二次故障突发停机。因此，有必要研究直流充电桩整流器功率器件开路故障诊断方法。

目前，直流充电桩的整流模块多采用三相两电平整流电路和三相Vienna整流电路，考虑到三相Vienna整流电路不能实现能量的双向流动，三相两电平整流电路可实现车网能量双向互动，在平抑电网功率波动和电网故障紧急支撑等方面具有重要应用价值。因此，本发明针对直流充电桩三相两电平整流器，提出了基于Spearman相关系数的直流充电桩整流器开路故障诊断方法。采集直流充电桩整流器交流侧三相电流数据，并计算各相电流均值绝对值；为了识别出整流器开路故障桥臂，构造的开路故障识别特征量，将可能发生开路故障桥臂对应的电流均值绝对值进行数值比较，取三相电流均值绝对值中最大数值对应相确定为整流器开路故障桥臂；若存在开路故障桥臂，利用故障相整倍数周期内相电流数据，结合正常三相电流历史数据，采用Spearman相关系数，通过构造开路故障定位特征量，实现对整流器单个功率器件开路故障定位。本发明提出的基于Spearman相关系数的直流充电桩整流器开路故障诊断方法，仅需交流侧三相电流数据，就可以实现直流充电桩整流器开路故障诊断，可为充电站直流充电桩的安全可靠运行提供技术支撑。对减小故障对电网电能质量的影响、提高充电桩维修效率和降低维护成本有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供基于Spearman的直流充电桩整流器开路故障诊断方法，用于获得直流充电桩整流器功率器件开路故障情况。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于Spearman的直流充电桩整流器开路故障诊断方法，该方法包括以下步骤：

(1)采集具有T个整数倍周期的整流器交流侧三相电流数据，利用式(1)分别求得各相电流的均值绝对值。

其中，m分别为A、B或C相；t为电流i_m采样总数。可见，通过式(1)可以分别计算得到均值绝对值I_A、I_B、I_C。

(2)在获取的电流均值绝对值I_m的基础上，构造的开路故障识别特征量D_m为：

其中，k₁为开路故障识别阈值。当故障识别特征量D_m＝1，则表示m相桥臂可能发生开路故障；若故障识别特征量D_m＝0，则表示m相桥臂未发生开路故障。

将可能发生开路故障桥臂对应的电流均值绝对值进行数值比较，取三相电流均值绝对值中最大数值对应相桥臂确定为整流器开路故障桥臂。

(3)若存在整流器开路故障相，需采用所述的步骤三，对整流器发生开路故障的功率器件进行定位。采用式(3)分别计算故障相的正半周期Spearman相关系数S_mp和负半周期Spearman相关系数S_mn，计算式如下：

其中，i_m和i'_m分别为采集的m相电流数据和正常m相电流历史数据；L为采集的m相电流正半周期或负半周期数据总个数，L＝0.5t；S_m为相关系数，且-1≤S_m≤1；当S_m＝1时，表示2个波形完全一致；当S_m＝-1时，表示2个波形幅值相同、极性相反。

构造的功率器件故障定位特征量R为：

其中，S_mp表示正半周期相关系数，S_mn表示负半周期相关系数，k₂为故障定位阈值。

若功率器件定位特征量R＝U，则表示故障相m的上桥臂功率器件发生开路故障；若功率器件定位特征量R＝D，则表示故障相m的下桥臂功率器件发生开路故障。

本发明的有益效果在于：采集直流充电桩整流器交流侧三相电流数据，并计算各相电流均值绝对值；为了识别出整流器开路故障桥臂，构造的开路故障识别特征量，将可能发生开路故障桥臂对应的电流均值绝对值进行数值比较，取三相电流均值绝对值中最大数值对应相确定为整流器开路故障桥臂；若存在开路故障桥臂，利用故障相整倍数周期内相电流数据，结合正常三相电流历史数据，采用Spearman相关系数，通过构造开路故障定位特征量，实现对整流器单个功率器件开路故障定位。本发明提出的基于Spearman相关系数的直流充电桩整流器开路故障诊断方法，仅需要交流侧三相电流数据，就可以实现直流充电桩整流器开路故障诊断，可为充电站直流充电桩的状态监测提供技术支撑。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为故障诊断流程图；

图2为直流充电桩整流器电路结构图；

图3为功率器件VT1开路故障的三相电流；

图4为功率器件VT1开路故障时电流均值绝对值变化情况。

具体实施方式

以下通过特定的具体实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露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

基于Spearman相关系数的直流充电桩整流器开路故障诊断方法，其中所述对象为直流充电桩三相两电平整流器，主要包括3部分：故障数据采集、开路故障识别、开路故障定位。采集直流充电桩整流器交流侧三相电流数据，并计算各相电流均值绝对值；为了识别出整流器开路故障桥臂，构造的开路故障识别特征量，将可能发生开路故障桥臂对应的电流均值绝对值进行数值比较，取三相电流均值绝对值中最大数值对应相确定为整流器开路故障桥臂；若存在开路故障桥臂，利用故障相整倍数周期内相电流数据，结合正常三相电流历史数据，采用Spearman相关系数，通过构造开路故障定位特征量，实现对整流器单个功率器件开路故障定位。本发明提出的基于Spearman相关系数的直流充电桩整流器开路故障诊断方法，仅需交流侧三相电流数据，就可以实现直流充电桩整流器开路故障诊断。结合图1详述基于Spearman相关系数的直流充电桩整流器开路故障诊断方法与实现步骤。

直流充电桩三相两电平整流器的电路拓扑结构如图2所示。接下来，以图2中A相桥臂功率器件VT1发生开路故障为例，说明本发明的有效性。

S1：故障数据采集部分。采集整流器交流侧三相电流数据，提取T个周期的整流器三相电流数据，利用式(1)计算各相电流的均值绝对值。例如，当图2中A相桥臂功率器件VT1发生开路故障时，采集直流充电桩整流器交流侧故障三相电流，当单个周期的时间t＝0.02s、采样频率为5kHz时，取T＝5，在1.04s时A相桥臂VT1发生开路故障，见图3所示。根据式(1)计算的各相电流均值绝对值，见图4所示，可见发生开路故障前三相电流均值绝对值分别为0，在发生故障后各相均值绝对值均大于0。

S2：故障识别部分。根据均值绝对值构造开路故障识别特征量D_m，确定可能发生开路故障桥臂，将可能发生开路故障桥臂对应的电流均值绝对值进行数值比较，取三相电流均值绝对值中最大数值对应相桥臂确定为整流器开路故障桥臂。例如，式(2)中阈值k₁依据经验设定，取值范围为正常电流最大值的0.05～0.08倍之间，在本实例中取k₁为0.3A。进一步通过式(2)得到在1.04s后的故障识别特征量：D_A＝1、D_B＝1、D_C＝1，进而推断整流器A、B、C相桥臂可能都发生开路故障。根据取三相电流均值绝对值中最大数值对应相桥臂确定为整流器开路故障桥臂，见图4所示，显然可知A相桥臂发生了开路故障。

S3：开路故障定位部分。若识别出整流器存在开路故障，利用故障相整倍数周期内相电流数据，结合正常三相电流i'_m历史数据，采用Spearman相关系数，通过构造开路故障定位特征量，实现对整流器开路故障定位。例如，由S2已经识别出整流器中A相桥臂出现了开路故障，A相电流数据和A相历史数据如图3所示，正、负半周期有明显的波形缺失现象。将图3中A相电流的上半周和下半周数据分别提取出来，结合正常A相电流的历史数据，根据式(3)计算获得相关系数如表1所示：S_Ap＝0.6307、S_An＝0.2775，根据式(4)得到功率器件定位特征量R＝U，其中，判断阈值k₂通过经验设定，在本实例中k₂取0.5。可见S_An＝0.2775<k₂，可判断出A相上桥臂VT1功率器件出现故障，故障定位结果与上述假设一致，故障定位准确，可见所发明的故障诊断方法是有效的。

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 (4)

1.基于Spearman的直流充电桩整流器开路故障诊断方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：采集直流充电桩整流器交流侧三相电流数据，并计算各相电流均值绝对值；

步骤二：为识别出整流器开路故障桥臂，构造的开路故障识别特征量，将可能发生开路故障桥臂对应的电流均值绝对值进行数值比较，取三相电流均值绝对值中最大数值对应相，确定为整流器开路故障桥臂；

步骤三：若识别出整流器存在开路故障，利用故障相整倍数周期内相电流数据，结合正常三相电流历史数据，采用Spearman相关系数，通过构造开路故障定位特征量，实现对整流器单个功率器件开路故障定位。

2.根据权利要求1所述的基于Spearman的直流充电桩整流器开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤一中，采集直流充电桩整流器交流侧三相电流数据，提取具有T个周期的m相电流数据i_m，利用式(1)求得m相电流的均值绝对值I_m；

其中，m分别为A、B或C相；t为电流i_m采样总数；通过式(1)分别计算得到均值绝对值I_A、I_B、I_C。

3.根据权利要求2所述的基于Spearman的直流充电桩整流器开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤二中，在利用获取三相电流均值绝对值的基础上，构造的开路故障识别特征量D_m为：

其中，k₁为开路故障识别阈值；当故障识别特征量D_m＝1，则表示m相桥臂可能发生开路故障；若故障识别特征量D_m＝0，则表示m相桥臂未发生开路故障；

将可能发生开路故障桥臂对应的电流均值绝对值进行数值比较，取三相电流均值绝对值中最大数值对应相，确定为整流器开路故障桥臂。

4.根据权利要求3所述的基于Spearman的直流充电桩整流器开路故障诊断方法，其特征在于：若存在整流器开路故障相，对整流器发生开路故障的功率器件进行定位；采用式(3)分别计算故障相的正半周期Spearman相关系数S_mp和负半周期Spearman相关系数S_mn，计算式如下：

其中，i_m和i'_m分别为采集的m相电流数据和无故障m相电流历史数据；L为采集的m相电流正半周期或负半周期数据总个数，L＝0.5t；S_m为相关系数，且-1≤S_m≤1；当S_m＝1时，表示2个波形完全一致；当S_m＝-1时，表示2个波形幅值相同、极性相反；

构造的功率器件故障定位特征量R为：

其中，S_mp表示正半周期相关系数，S_mn表示负半周期相关系数，k₂为故障定位阈值；

若功率器件定位特征量R＝U，则表示故障相m的上桥臂功率器件发生开路故障；若功率器件定位特征量R＝D，则表示故障相m的下桥臂功率器件发生开路故障。

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