CN117092553A - 基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法及系统，本发明诊断方法包括步骤：基于离散采样获取三角形载波周期的平均电流；获取该三角形载波周期的离散采样电流的一阶导数和二阶导数；基于二阶导数值判断换流器是否故障，如果二阶导数的绝对值介于第一阈值和第二阈值之间，通过混合差分判断换流器是否故障，根据二阶导数值区间，确定第一故障值；获取三角形载波周期的电流平均绝对值，获取第二故障值；根据第一故障值和第二故障值联合判断故障类型；如果二阶导数的绝对值大于第二阈值，则换流器故障。本发明的有益效果为：可以准确诊断两种不同的故障类型。

Description

基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法及系统

技术领域

本发明涉及一种换流器故障诊断技术，尤其涉及一种基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法及系统。

背景技术

三相电压源型换流器广泛应用于工业生产、电力传输、电机牵引等各个领域。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是换流器的关键部件，它的可靠性至关重要，但由于所处的工作环境恶劣，IGBT容易发生意外故障。换流器的常见故障类型为开路故障和短路故障。由于短路故障对系统的损坏速度极快且危害性极大，大多数制造商已将相关检测和保护算法集成到硬件中。然而，与短路故障保护相比，开路故障保护通常不包含在换流器的硬件标准中，逆变器的开路故障会使电压和电流发生畸变，产生谐波及过流问题，甚至影响系统的整体可靠性。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供一种基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法，用于对换流器开路故障进行诊断。

本发明基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法，包括如下步骤：

S1：基于离散采样获取三角形载波周期的平均电流；

S2：基于所述平均电流，采用前项差分公式获取该三角形载波周期的离散采样电流的一阶导数；

S3：基于所述离散采样电流的一阶导数获取二阶导数；

S4：基于二阶导数值判断换流器是否故障，如果二阶导数的绝对值小于第一阈值，则换流器正常，如果二阶导数的绝对值介于第一阈值和第二阈值之间，则执行步骤S5,通过混合差分判断换流器是否故障，如果二阶导数的绝对值大于第二阈值，则换流器故障，所述换流器的故障类型直接基于所述二阶导数值获取，结束；

S5：根据步骤S4中二阶导数值区间，确定第一故障值；

S6：获取三角形载波周期的电流平均绝对值，将电流平均绝对值与第三阈值进行比较，获取第二故障值；

S7：根据第一故障值和第二故障值联合判断故障类型。

本发明作进一步改进，步骤S1中，对每个三角形载波周期内的电流采样，获得n个采样点，获取该三角形载波周期n个采样点的平均电流。

本发明作进一步改进，基于均值滤波器计算平均电流，计算公式为：

其中，n＝T_r/T_s是每个三角形载波周期内等间隔采样点的数量，φ＝a,b,c表示三相中的某一特定相位，i_φ(j)表示某一特定相位的环内离散采样电流，k为三角形载波周期序号，T_s是电流采样时间，T_r是闭环系统脉宽调制的触发时间。

本发明作进一步改进，步骤S2中，离散采样电流的的一阶导数D_φ(k)计算方法为：

本发明作进一步改进，步骤S3中，二阶导数的计算方法为：

(1)对一阶导数D_φ(k)模型的趋势进行量化和编码，当D_φ(k)≥0时，编码为1，当D_φ(k)＜0时，编码为-1；

(2)获取二阶导数值，基于编码化后的一价导数值计算二阶导数值，二阶导数值的差分定义为：

本发明作进一步改进，步骤S5中，第一故障值Fe_1φ(k)由以下公式确定，所述第一故障编码器为：

其中，ρ₁为第一阈值，ρ₂为第二阈值。

本发明作进一步改进，步骤S6中，设AAC_φ(k)为电流的平均绝对值

其中，m表示平均电流的离散点的数量，AAC_φ(k)为k×T_r时刻之前，m个离散点平均电流的均值计算，计算DD_φ(k)的滞后时间为m×T_r，因此，当Fe_1φ(k)被可能的故障触发时，将持续大约2到3倍于m×T_r的时间，通过采用这种滤波特性，将第二故障编码器Fe_2φ(k)定义为：

其中，ε为第一阈值。

本发明作进一步改进，步骤S7中，通过第一故障编码器Fe_1φ(k)与第二故障编码器Fe_2φ(k)，设定组合故障编码器Fe_φ(k)，所述组合故障编码器Fe_φ(k)为：

Fe_φ(k)＝Fe_1φ(k)·Fe_2φ(k)

对所述组合故障编码器Fe_φ(k)编码如下：

其中，DR_φ(k)＝1表示上开关开路故障，DR_φ(k)＝-1表示下开关开路故障，DR_φ(k)＝0表示无故障。

本发明还提供一种用于实现所述基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法的换流器故障诊断系统，包括：

平均电流计算模块：用于基于离散采样获取三角形载波周期的平均电流；

一阶导数获取模块：用于基于所述平均电流，采用前项差分公式获取该三角形载波周期的离散采样电流的一阶导数；

二阶导数获取模块：用于基于所述离散采样电流的一阶导数获取二阶导数；

第一类型诊断模块：用于基于二阶导数值判断换流器是否故障，如果二阶导数的绝对值小于第一阈值，则换流器正常，如果二阶导数的绝对值介于第一阈值和第二阈值之间，则执行步骤S5,通过混合差分判断换流器是否故障，如果二阶导数的绝对值大于第二阈值，则换流器故障，所述换流器的故障类型直接基于所述二阶导数值获取，结束；

第一故障值编码模块：用于根据二阶导数值区间，确定第一故障值；

第二故障值编码模块：获取三角形载波周期的电流平均绝对值，将电流平均绝对值与第三阈值进行比较，获取第二故障值；

故障联合诊断模块：用于根据第一故障值和第二故障值联合判断故障类型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：从离散电流信号中提取开路故障的局部特征，只需计算一阶和二阶差值，因此计算量小，检测速度快，不需要额外的传感器和精确的模型参数。此外，通过本发明处理方法及设置的两个判断标准，可以准确诊断两种不同的故障类型，对变负荷、变频和噪声干扰均具有良好的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明换流器结构示意图；

图2为第一类开路故障电流波形示意图；

图3为第二类型开路故障电流波形示意图；

图4为本发明诊断方法流程图；

图5为三角形载波触发的在环等间隔平均滤波示意图；

图6为本发明一实施例计算流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明换流器的输出端设置六个IGBT管S1-S6，通过驱动信号控制这六个IGBT管S1-S6依次两两导通，构成a、b、c三相供电回路，为负载O提供需要的供电电流。

如图2和图3所示，当开路故障发生时，相应的开关断开，不再由相应的驱动信号控制。它呈现出一种局部特征，即相关信号的连续性丢失。以S₁的开路故障为例，局部特征可分为两类。第一类是指当i_a＞0期间S₁接通时，开路故障发生。i_a通过Z₄迅速降低至0，具体见图2的电流跌落区100，然后在换向点300时，恢复至正常波形。第二类是当i_a＜0期间S₁未接通时发生开路故障。由于故障处暂无电流通过，系统将正常运行，直到i_a＞0时S₁开始导通。局部故障特征出现在正弦波的后半段，即从换向点300开始，i_a＝0，具体见图3中的零点流区域200，直到由于i_a＜0而导通S₃。现有的大多数基于电流的方法都是针对第二类的情况。但对于第一类情况，尤其是在某些极端条件下，例如，在换相点300附近发生开路故障，很难检测到在大多数现有方法中，由于零电流状态的持续时间很短，其检测被延迟到下一个周期。

本发明提出了一种利用采样电流的离散性提取局部故障特征的一阶和二阶混合差分方法，用于诊断电压源型换流器的开路故障。在实际应用中，电流传感器采集的电流信号是离散的数据信号。通过研究离散信号的局部特征，利用少量离散值的一阶和二阶差分可以快速诊断出开路故障。

如图4所示，本发明的诊断方法包括如下步骤：

S1：基于离散采样获取三角形载波周期的平均电流；

S2：基于所述平均电流，采用前项差分公式获取该三角形载波周期的离散采样电流的一阶导数；

S3：基于所述离散采样电流的一阶导数获取二阶导数；

S4：基于二阶导数值判断换流器是否故障，如果二阶导数的绝对值小于第一阈值，则换流器正常，如果二阶导数的绝对值介于第一阈值和第二阈值之间，则执行步骤S5,通过混合差分判断换流器是否故障，如果二阶导数的绝对值大于第二阈值，则换流器故障，所述换流器的故障类型直接基于所述二阶导数值获取，结束；

S5：根据步骤S4中二阶导数值区间，确定第一故障值；

S6：获取三角形载波周期的电流平均绝对值，将电流平均绝对值与第三阈值进行比较，获取第二故障值；

S7：根据第一故障值和第二故障值联合判断故障类型。

以下通过优选实施例对本发明进行详细说明。

如图5所示，假设T_s是电流采样时间，T_r是闭环系统脉宽调制(PWM)的触发时间500，以计算平均电流。均衡区间均值滤波器为

其中，n＝T_r/T_s是每个三角形载波周期内等间隔采样点的数量，φ＝a,b,c表示三相中的某一特定相位，i_φ(j)表示某一特定相位的环内离散采样电流，由i_φ(j)计算的用于故障诊断。

在三角形载波周期中提取n个电流采样点，以计算T_r内的平均电流值。上式具有滤波能力，所以它可以平滑噪声数据，并以微小延迟抵抗PWM引起的陷波。

离散采样电流的导数为：

这里，D_φ(k)是通过离散数据信号的前向差分公式得到的。定义：

为了更好地可视化曲线的趋势变化，方便计算，对导数模型的趋势进行了量化和编码，当D_φ(k)≥0时，代码为1，当D_φ(k)＜0时，代码为-1、将二阶差分定义为：

从而得到实际的一阶导数和二阶导数值。

本例设定两个阈值，分别为第一阈值ρ₁、第二阈值ρ₂，通过实际的二价导数值与第一阈值和第二阈值比较，判断换流器是否故障。

本例的两个阈值设定过程为：

构建虚拟三相电流如下：

其中I_m是最后一个周期电流的振幅，类似地求出虚拟三相电流对应虚拟一阶和虚拟二阶差分：

其中，是虚拟二阶差分。

当k从0变为时，根据构建的虚拟三相电流得到/>其中包含所有可能的值是绝对值运算符。M_AV是两个相邻导数之差的绝对值的最大值，通过遍历理论模型，不受实际检测信号的影响。由于M_AV表示正常状态下相邻导数可同时达到的最大趋势变化程度，因此将其用作基线。

针对第一类故障，当系统正常运行时，DD_φ(k)在小范围内稳定。当|DD_φ(k)|突然增加并大量超过M_AV时，意味着换流器可能存在开路故障|DD_φ(k)|在发生故障时大约是M_AV的几倍到几十倍，因此，将两个边界值定义为ρ₁和ρ₂。

将故障诊断的第一个标准定义为

其中，Fe_1φ(k)是DD_φ(k)的第一个故障编码。

ρ₁和ρ₂是故障检测的判断阈值。如果|DD_φ(k)|＞ρ₂，则Fe_1φ(k)＝±2。事实上，在这种情况下，Fe_1φ(k)能够独立诊断换流器的开路故障。

在另一种情况下，如果ρ₁≤DD_φ(k)≤ρ₂，Fe_1φ(k)＝±1，需要与另一个诊断标准配合。此外，如果|DD_φ(k)|＜ρ₁，则Fe_1φ(k)＝0表示换流器在正常状态下工作。考虑系统运行期间的电流波动而对于信号采集过程中的噪声干扰，设置相应的冗余值。

以S₁的开路故障为例，S₁的开路故障可能发生在工作时间或空闲时间。对于第一类开路故障，i_a迅速下降，并且在很短的时间内变化很大，因此这种情况下的DD_a(k)满足阈值ρ₁。当故障发生时，其他两相电流i_b和i_c也发生畸变，DD_b(k)和DD_c(k)也发生急剧变化，甚至达到阈值ρ₂。在任何情况下，i_b和i_c的变化都不像故障相的i_a那么剧烈，所以它们的值不会超过ρ₂。

针对第二类故障，诊断的第二个标准：在第二类开路故障的情况下，i_a有一个转折点，当i_a＞0时应进行S₁，因此D_a(k)有突变。但在这种情况下，其值的变化不如第一类故障时大，DD_a(k)在阈值ρ₁范围内。因此，第一类开路故障可以通过阈值ρ₂直接诊断，而第二类开路故障的诊断需要阈值ρ₁以外的额外约束。

当S₁发生第二类开路故障时，i_a在正半周期内接近零。设AAC_φ(k)为电流的平均绝对值

其中m表示平均电流的离散点的数量。AAC_φ(k)为k×T_r时刻之前，m个电流点的均值计算。计算DD_φ(k)的滞后时间为m×T_r。因此，当Fe_1φ(k)被可能的故障触发时，它将持续大约2到3倍于m×T_r的时间。本例m可以取5-10的一个经验选值，则该计算得到的结果大约滞后实时结果5-10个触发周期。通过采用这种滤波特性，可以增强故障检测的鲁棒性。将故障诊断的第二个标准定义为：

式中，Fe_2φ(k)是由AAC_φ(k)编码的故障指示器。

如果Fe_2φ(k)＝2，则表示m点从k点开始到k-m都在0左右，即电流值为常数零。如果Fe_2φ(k)＝1，则表示m点从k点开始到k-m不都是0，即电流值在变化。

由标准组合的故障指示器为

Fe_φ(k)＝Fe_1φ(k)·Fe_2φ(k)

式中，Fe_φ(k)是结合Fe_1φ(k)和Fe_2φ(k)的故障诊断的主要指标。

式中，DR_φ(k)是集成故障诊断和定位的指示器，DR_φ(k)＝1表示上开关开路故障，DR_φ(k)＝-1表示下开关开路故障，DR_φ(k)＝0表示无故障。

本发明各个步骤的计算过程如图6所示。

一阶和二阶差分混合方法使用主控系统中的离散电流采样可以用于在线实时故障诊断，因此该算法的在环实现流程图与其他发明中的流程图不同，因为它嵌入在闭环系统中，并且每个PWM中断都会执行。i_φ(j)在一个T_r内每T_s采样和缓冲n次。T_r是微控制器单元中PWM中断的周期(或换句话说，三角形载波周期)。当触发微控制器单元中的每个PWM中断时，该程序执行一次并输出故障诊断结果。

本发明还提供一种实现所述基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法的换流器故障诊断系统，包括：

平均电流计算模块：用于基于离散采样获取三角形载波周期的平均电流；

一阶导数获取模块：用于基于所述平均电流，采用前项差分公式获取该三角形载波周期的离散采样电流的一阶导数；

二阶导数获取模块：用于基于所述离散采样电流的一阶导数获取二阶导数；

第一类型诊断模块：用于基于二阶导数值判断换流器是否故障，如果二阶导数的绝对值小于第一阈值，则换流器正常，如果二阶导数的绝对值介于第一阈值和第二阈值之间，则执行步骤S5,通过混合差分判断换流器是否故障，如果二阶导数的绝对值大于第二阈值，则换流器故障，所述换流器的故障类型直接基于所述二阶导数值获取，结束；

第一故障值编码模块：用于根据二阶导数值区间，确定第一故障值；

第二故障值编码模块：获取三角形载波周期的电流平均绝对值，将电流平均绝对值与第三阈值进行比较，获取第二故障值；

故障联合诊断模块：用于根据第一故障值和第二故障值联合判断故障类型。

本发明从离散电流信号中提取开路故障的局部特征，只需计算一阶和二阶差值，因此计算量小，检测速度快，不需要额外的传感器和精确的模型参数。此外，该算法编码故障特征和设置两个判断标准，可以准确诊断两种不同的故障类型，对变负荷、变频和噪声干扰具有良好的鲁棒性。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：基于离散采样获取三角形载波周期的平均电流；

S2：基于所述平均电流，采用前项差分公式获取该三角形载波周期的离散采样电流的一阶导数；

S3：基于所述离散采样电流的一阶导数获取二阶导数；

S4：基于二阶导数值判断换流器是否故障，如果二阶导数的绝对值小于第一阈值，则换流器正常，如果二阶导数的绝对值介于第一阈值和第二阈值之间，则执行步骤S5,通过混合差分判断换流器是否故障，如果二阶导数的绝对值大于第二阈值，则换流器故障，所述换流器的故障类型直接基于所述二阶导数值获取，结束；

S5：根据步骤S4中二阶导数值区间，确定第一故障值；

S6：获取三角形载波周期的电流平均绝对值，将电流平均绝对值与第三阈值进行比较，获取第二故障值；

S7：根据第一故障值和第二故障值联合判断故障类型。

2.根据权利要求1所述的基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法，其特征在于：步骤S1中，对每个三角形载波周期内的电流采样，获得n个采样点，获取该三角形载波周期n个采样点的平均电流。

3.根据权利要求2所述的基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法，其特征在于：基于均值滤波器计算平均电流，计算公式为：

其中，n＝T_rT_s是每个三角形载波周期内等间隔采样点的数量，φ＝a,b,c表示三相中的某一特定相位，i_φ(j)表示某一特定相位的环内离散采样电流，k为三角形载波周期序号，T_s是电流采样时间，T_r是闭环系统脉宽调制的触发时间。

4.根据权利要求3所述的基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法，其特征在于：步骤S2中，离散采样电流的的一阶导数D_φ(k)计算方法为：

5.根据权利要求4所述的基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法，其特征在于：步骤S3中，二阶导数的计算方法为：

(1)对一阶导数D_φ(k)模型的趋势进行量化和编码，当D_φ(k)≥0时，编码为1，当D_φ(k)＜0时，编码为-1；

(2)获取二阶导数值，基于编码化后的一价导数值计算二阶导数值，二阶导数值的差分定义为：

6.根据权利要求5所述的基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法，其特征在于：步骤S5中，第一故障值由第一故障编码器确定，所述第一故障编码器Fe_1φ(k)为：

其中，ρ₁为第一阈值，ρ₂为第二阈值。

7.根据权利要求6所述的基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法，其特征在于：步骤S6中，设AAC_φ(k)为电流的平均绝对值

其中，m表示平均电流的离散点的数量，AAC_φ(k)为k×T_r时刻之前，m个离散点平均电流的均值计算，计算DD_φ(k)的滞后时间为m×T_r，因此，当Fe_1φ(k)被可能的故障触发时，将持续大约2到3倍于m×T_r的时间，通过采用这种滤波特性，将第二故障编码器Fe_2φ(k)定义为：

其中，ε为第一阈值。

8.根据权利要求7所述的基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法，其特征在于：步骤S7中，通过第一故障编码器Fe_1φ(k)与第二故障编码器Fe_2φ(k)，设定组合故障编码器Fe_φ(k)，所述组合故障编码器Fe_φ(k)为：

Fe_φ(k)＝Fe_1φ(k)·Fe_2φ(k)

对所述组合故障编码器Fe_φ(k)编码如下：

其中，DR_φ(k)＝1表示上开关开路故障，DR_φ(k)＝-1表示下开关开路故障，DR_φ(k)＝0表示无故障。

9.换流器故障诊断系统，用于实现权利要求1-8任一项所述的基于离散时间序列混合差分的换流器故障诊断方法，其特征在于，包括：

平均电流计算模块：用于基于离散采样获取三角形载波周期的平均电流；

一阶导数获取模块：用于基于所述平均电流，采用前项差分公式获取该三角形载波周期的离散采样电流的一阶导数；

二阶导数获取模块：用于基于所述离散采样电流的一阶导数获取二阶导数；

第一类型诊断模块：用于基于二阶导数值判断换流器是否故障，如果二阶导数的绝对值小于第一阈值，则换流器正常，如果二阶导数的绝对值介于第一阈值和第二阈值之间，则执行步骤S5,通过混合差分判断换流器是否故障，如果二阶导数的绝对值大于第二阈值，则换流器故障，所述换流器的故障类型直接基于所述二阶导数值获取，结束；

第一故障值编码模块：用于根据二阶导数值区间，确定第一故障值；

第二故障值编码模块：获取三角形载波周期的电流平均绝对值，将电流平均绝对值与第三阈值进行比较，获取第二故障值；

故障联合诊断模块：用于根据第一故障值和第二故障值联合判断故障类型。