（控制科学与工程专业论文）大功率整流装置故障诊断系统的研究.pdf

摘要 随着电力电子技术的高速发展，电力电子技术的应用日益深入到工业生产和 社会生活的各个方面。高电压、大电流的电力电子装置，主回路中的功率器件较 多，发生故障时用常规的检测方法费时费力。针对故障本身的特点，人工智能、 神经网络、模糊数学、小波分析等新兴的学科已成功应用于电力电子设备的故障 诊断。智能化的故障自动诊断方法，有利于快速分析确定故障的部位和性质，缩 短电力电子电路的运行停机时间，提高效率，减少损失。 本文以电力电子电路同相逆并联整流装置作为研究对象，以故障时整流变压 器阀侧电流作为故障信息，利用小波包分析方法提取故障特征，形成特征向量， 作为模糊推测系统的输入，由模糊推理机制实现故障诊断。本文设计了以d s p 为核心处理器的故障诊断系统。主要工作和结论如下： ( 1 ) 以m a t l a b 仿真模型为平台，探索整流器开路故障条件下，进行主 回路故障情况分析，根据同相逆并联的特点，提出了基于整流变压器阀侧三相电 流为故障信号的新方法。 ( 2 ) 在实验条件下，获得各种故障状态信息，利用小波包分析方法进行处 理，取其中八个频带内的小波包系数的能量形成特征向量，作为系统的样本数据 库；并获取一未知状态下的故障信息，形成待测特征向量。 ( 3 ) 利用样本数据故障特征向量和待测数据特征向量作为模糊推理系统的 输入，通过计算散度、计算隶属度、模糊推理等环节实现故障诊断。 ( 4 ) 在故障诊断系统的实现上，研制了基于d s p 的可控整流电路故障诊断 系统。设计了以d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 为核心、以单片机( 8 9 c 5 2 ) 为辅的双核 故障诊断系统。在实验条件下，比较基于变压器阀侧电流信号与基于直流侧电压 信号两种情况在同相逆并联系统中的优势。 本文在实验条件下的故障情况进行检测，结果表明，该系统具有较好的效果。 最后给出了研究工作的总结和后续工作的建议。 关键词：整流装置，故障诊断，小波包分析，模糊推理 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , p o w e r e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dp e n e t r a t e d i n t oa l la s p e c t so fs o c i a ll i f e t h em a i n t a i n a b i l i t yo fr e q u i r e m e n ta b o u t p o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t i sm o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n g h i g hv o l t a g e ， l a r g ec u r r e n tp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s ，t h em a i nc i r c u i t ，t h ep o w e rd e v i c e m a lf u n c t i o n w i t h c o n v e n t i o n a ld e t e c t i o nm e t h o df o rf a u l t t i m e c o n s u m i n g ，c h a r a c t e r i s t i c so fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，n e u r a ln e t w o r k s a n df u z z ym a t h e m a t i c s ，w a v e l e ta n a l y s i sa n do t h e re m e r g i n gd i s c i p l i n e s h a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h ep o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n tf a u l t d i a g n o s i s i n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i sm e t h o df o rr a p i d ，a u t o m a t i ca n a l y s i s t od e t e r m i n et h ef a u l tl o c a t i o na n dn a t u r eo fp o w e re l e c t r o n i cc i r c u i t s ， s h o r t e nt h eo p e r a t i o nd o w n t i m e ，i m p r o v ee f f i c i e n c ya n dr e d u c et h el o s s b a s e do nt h ep o w e re l e c t r o n i cc i r c u i t sf r o mi n v e r s ew i t hp 哆a l l e l r e c t i f i e ra st h er e s e a r c ho b j e c t ，r e c t i f i e rt r a n s f o r m e rf a u l ti n f o r m a t i o na s t h el a t e r a lv a l v ec u r r e n t ，u s i n gw a v e l e tp a c k e ta n a l y s i sm e t h o d ，t h ef o r m f e a t u r ee x t r a c t i o no ff a u l tf e a t u r ev e c t o r , af u z z ys y s t e mi n p u t ，t h a tb yt h e f u z z yr e a s o n i n gs y s t e mf a u l td i a g n o s i s t h i sp a p e rd e s i g n st h e f a u l t d i a g n o s i ss y s t e mb yd s pc o r ep r o c e s s o r m a i nj o b sa n dc o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) b ym a t l a bs i m u l a t i o nm o d e lf o rt h ep l a t f o r m ，e x p l o r er e c t i f i e r o p e n c i r c u i tf a u l tc o n d i t i o n ，t h em a i nc i r c u i tf a u l ta n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n a n a l y s i so nf a u l tw h e nc o n s i d e r i n gt h ew a v e f o r ma sm u c ha sp o s s i b l e ， a n dt h ef a u l tt y p ei na c c o r dw i t ht h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n ，a n a l y s i s o ff a i l u r ew a v e f o r m s ，c a nu n d e r t a k ef a u l tc l a s s i f i c a t i o n ( 2 ) i ne x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，v a r i o u sf a u l ts t a t ei n f o r m a t i o n ，t h e w a v e l e tp a c k e ta n a l y s i sm e t h o df o rp r o c e s s i n g ，t a k ee i g h tb a n do f w a v e l e tp a c k e tc o e f f i c i e n t so fc h a r a c t e r i s t i cv e c t o ra n de n e r g yf o r ma s y s t e mo fs a m p l ed a t a b a s e ，a n da nu n k n o w nc o n d i t i o n ，t of o r mt h ef a u l t i n f o r m a t i o nf e a t u r ev e c t o r ( 3 ) u s i n gt h e f a u l tf e a t u r ev e c t o ra n d s a m p l e d a t at e s td a t a c h a r a c t e r i s t i cv e c t o rf u z z yr e a s o n i n g s y s t e m a st h e i n p u t ，t h r o u g h c a l c u l a t i o nd i v e r g e n c ea n dc a l c u l a t i o nm e m b e r s h i p ，f u z z yr e a s o n i n g ， r e a l i z ef a u l td i a g n o s i s ( 4 ) i nt h ei m p l e m e n to ft h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，t h ep a p e rd e s i g n s t h ec o n t r o l l e dr e c t i f i e rc i r c u i tf a u l t d i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nd s e d e s i g nw i t hd s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 12 ) a st h ec o r e ，t a k i n gt h es i n g l e c h i p 8 9 c 5 2 b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o no ff a u l td e t e c t i o n ，t h er e s u i t s s h o wt h a tt h es y s t e mh a sag o o de f f e c t f i n a l l yt h er e s e a r c ha n dt h e f u r t h e rw o r ks u g g e s t i o n sa r eg i v e n k e y w o r d s ：r e c t i f i e r , f a u l td i a g n o s i s ，w a v e l e tp a c k e ta n a l y s i s ，f u z z y r e a s o n i n g l l i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期： 关于学位论文使用授权说明 年上月血日 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其他手段保留学位论文；同时授权中国科 学技术信息研究所将学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：导师签名：础期：年l 月鲤日 硕士学位论文第一章绪论 i 1 研究背景和意义 第一章绪论 在电力、化工、钢铁、冶金、通讯、电气、铁道等行业，电力电子整流设备 通常被用于生产工艺的关键流程之中，因电力电子设备故障而导致生产的中断则 意味着重大的经济损失。电力电子整流电路故障诊断与一般的模拟电路、数字电 路的故障诊断存在较大差别，故障信息仅存在于发生故障到停电之前的数十微秒 之内，因此，需要实时监测、在线诊断；电力整流电路的功率有的已达数千千瓦， 模拟电路i 数字电路中采用的改变输入看输出的方法不适用，只能以输出波形来 诊断电力整流电路是否有故障及有何种故障。最后，由于有些电力电子设备含有 的功率开关器件数量多达数十，上百个( 如高压直流输电的电压源换能器包含数 十个晶闸管) ，常规的逐个诊断的方法费时、费力，不能满足实时诊断的需要。 电力电子设备故障诊断技术的实践正在由简易的诊断阶段发展到现代精密的诊 断阶段，并逐步向仪器化、智能化的方向发展。 和其它领域的故障诊断类似，早期的电力电子整流装置故障诊断主要依靠维 修人员的经验，这给系统的维护带来困难。在线故障诊断就是动态监视电力电子 装置的工作状态，检查它是否发生故障，当装置发生故障后，诊断系统自动进行 故障诊断和定位，并提供故障信息，发出警报。电力电子装置的在线故障诊断大 大缩短了装置的停机时间，提高了工作效率，从根本上提高了整个装置的可靠性。 电力电子整流装置的在线故障诊断研究是一个具有重要意义的课题，目前国 内外一些学者对此进行了大量的研究，也取得了显着的成果。 1 2 电力电子装置的故障特点及故障处理方式 电力电子装置故障可分为结构性故障和参数性故障。结构性故障主要表现为 由功率器件的损坏造成主电路结构改变。参数性故障主要表现为元件参数的偏 移，造成装置特性严重偏离正常特性l l j 。 文献 5 对电力电子装置的故障情况也进行了分析，指出：根据电力电子电 路的特点，故障可以分为两大类： ( 1 ) 突变故障：一般指严重的过电流和过电压可能引起元件损坏的故障。这种 故障发生的时间很短( 十几微秒和几十微秒) ； ( 2 ) 缓变故障：指不严重的过电压、欠电压或过电流，三相不平衡，某个电力 电子元件断开，触发电路故障，控制电路电源电压不正常及其他辅助电路故障等。 这时装置虽能运行，但工作不正常，不能长期运行。缓变故障可指某些故障预兆 硕士学位论文第一章绪论 或苗头，如不及时处理将发展成具有破坏性的大故障。 电力电子整流装置的功率开关器件在工作时要承受高电压、大电流，自身过 载能力小、损坏速度快，实际运行表明，大多数故障表现为功率开关器件的损坏， 其中以功率开关器件的开路和直通最为常见1 1 3 】。 电力电子整流装置故障的特点： ( 1 ) 电力电子整流装置的实际运行表明，大多数故障表现为功率开关器件的 损坏，如晶闸管( s c r ) 或可关断晶闸管( g t o ) 故障，其中以功率开关器件的 断路和直通最为常见。 ( 2 ) 电力电子整流装置故障诊断与一般的模拟电路、数字电路的故障诊断存 在较大差别，故障信息仅存在于发生故障到停电之前数十毫秒之内，因此，需要 实时监视诊断。 ( 3 ) 电力电子整流装置的功率已达数千瓦，模拟电路和数字电路故障诊断方 法不再适用这种电路，电力电子电路只能以输出波形来诊断是否有故障及属于何 种故障。 对于电力电子装置的故障处理方式，归纳起来，主要有以下三种方式： ( 1 ) 故障保护：针对主电路发生严重过电流或过电压的突变故障，由电路的 保护电路动作实现对元件的保护或制止故障的发展。例如主电路的快速保险，过 电流保护电路和过电压吸收电路等。微机系统一般不能对突变故障做出反映。 ( 2 ) 故障显示和故障记录：故障显示功能是指在故障发生时，通过相应的装 置显示有关故障类型的信息，有助于事后的故障排除。故障记录相当于飞机上的 黑匣子功能在装置停机时记录停机前后的有关数据，供事故分析用。 ( 3 ) 故障预测和故障定位：在装置运行过程中，根据检测到的有关信息进行 分析处理，捕捉到某些较大的故障发生前的征兆，做出预报，从而避免这些故障 的发生。对已发生的故障，根据有关故障信息的分析，对发生故障的部位或元器 件进行准确定位。显然，这是现代诊断技术的最终目标，但目前要在电力电子装 置中完全实现这个目标还有一定困难1 5 j 。 1 3 国内外故障诊断方法的研究现状和水平 国内外许多学者和专家相继在电力电子整流装置故障诊断方面作了有效的 研究和探索，并积累了丰富的经验，形成了一些系统的方法为该课题的进一步研 究提供了宝贵的知识依据。故障诊断的关键是提取故障的特征，故障特征是指反 映故障征兆的信号经过加工处理后所得的、反映设备与系统的故障种类、部位与 程度的综合量。 针对故障本身的特点，人工智能、神经网络、模糊数学、小波分析等新兴的 2 硕士学位论文第一章绪论 学科已成功应用于电力电子设备的故障诊断。但是这一技术还没有完全达到定量 的诊断水平。实践证明，紧密结合前沿技术，依靠计算机和软件开展诊断是电力 电子设备故障诊断技术发展的大趋势。采用智能化的故障自动诊断系统动态监视 电力电子电路的工作状态，进行在线故障诊断，有利于快速分析确定故障的部位 和性质，缩短电力电子电路的运行停机时间，同时在故障自动诊断系统基础之上， 建立容错电力电子系统成为可能，从而减少故障的发生，提高系统的可靠性【1 3 】。 国内外研究现有的电力电子整流装置故障诊断方法主要有： ( 1 ) 谱分析法：谱分析的目的：信号中含有噪声，为了提取特征，故障信号 的时域波形不能清楚地反映故障的特征。在故障诊断中比较常用的信号处理方法 是谱分析，常用傅里叶谱、沃尔什谱，另外还有滤波、相关分析等。文献【9 】提 出了一种改进的谱分析故障诊断方法，首先分析和归类三相桥式整流电路故障时 整流电压波形，并定义了一种“面积 建立故障模型，根据特征值进行诊断定位。 此方法的难点在于故障特征判别参数的设定。文献【1 0 】提出模糊理论和频谱分析 相结合的诊断方法，对电力电子电路故障的电压信号进行频谱分析，得到不同故 障时的频谱特征，通过确定各待诊断元件的故障隶属度确定故障元件。 ( 2 ) 直接检测功率器件两端电压或桥臂电流方法，通过检测各功率器件两 端的电压，或检测各桥臂电流，得到功率器件的工作状态，再与触发脉冲进行时 序逻辑比较，从而判断被诊断对象是否故障。此方法需检测每个被诊断器件的电 压或电流，所需测点较多，需要专门的检测电路。文献f l lj 介绍了三相桥式半 控带续流二极管的整流电路的故障诊断，采用光耦合器测量所有桥臂晶闸管和二 极管两端的电压，以及控制晶闸管导通的触发脉冲信号，通过微机分析，最终获 得诊断结果。文献【1 2 】利用晶闸管触发信号和晶闸管导通之间时序对应关系，充 分利用单片机资源，实验检测晶闸管通断状况，即检测晶闸管正向压降，从而判 断晶闸管装置是否存在故障。 ( 3 ) 字典库诊断方法 该方法是一组典型的测量特征值和故障值以一事实上的表格形式存放起来， 这种对应关系可以由大量的模拟试验和仿真分析得到。因此，通过比较测量值和 特征值，就可以判定故障。故障字典法对于模拟电路和数字电路故障诊断具有很 大的实用价值，但字典法只能解决单故障诊断，多故障的组数大，在实际中很难 实现。 ( 4 ) 专家系统的方法 专家系统就是利用计算机推理能力和领域专家的丰富经验，以及系统内部因 果关系和人工智能的机器学习功能，设计出一种智能计算机程序系统，解决复杂 的系统故障诊断问题。故障诊断专家系统，大多是基于规则的专家系统，它将领 硕士学位论文第一章绪论 域知识编写成一系列产生式规则( 表示形式为i f ，t h e n ) 。这种专家系统可 以解决许多系统的故障诊断问题，但专家诊断系统存在知识获取“瓶颈问题、 难以维护、应用面窄以及诊断能力弱和不适应模糊问题等缺点。 ( 5 ) 基于神经网络故障诊断方法 神经网络理论是在现代神经科学研究成果的基础上提出来的，是对人脑功能 某些特性的模拟和抽象。人工神经网络是一种抽象的数学模型。它是由大量简单 的处理单元以某种拓扑方式相互连接而成的非线性动力学系统。信息处理由神经 元之间的大规模连接权值与作用函数的并联运算实现。通过调整各单元之间的权 值实现网络的训练，从而避免建立复杂的数学模型。在知识获取上，神经网络的 知识获取不需要知识工程师整理、总结知识，只需用领域专家解决问题的实例或 范例来训练神经网络。在知识表示中通用性强，神经网络同一层的推理是并行的， 不同层的推理是串行的，这种推理模式运算速度快。近几年来，神经网络在故障 诊断中应用越来越广泛，国内、外也有了很多成功案例，文献【1 6 】用人工神经网 络诊断电力电子主回路故障，文献【2 】采用了神经网络理论以及对波形数据直接 进行分析的故障诊断方法诊断变频器主电路电力电子器件的故障。神经网络在电 力电子整流装置故障诊断中的应用现阶段主要方法有文献【l8 】，应用傅里叶变换 将时域的直流输出电压波形转化为频域信号以电力电子电路进行在线故障诊断， 以三相桥式整流电路为例，应用傅里叶变换将时域的直流输出电压波形转化为频 域信号作为特征参数，训练b p 神经网络并利用训练好的神经网络进行故障诊断。 从实现的角度看，电力电子装置故障诊断系统的实现方法主要有： ( 1 ) 通过硬件电路实现电流、电压故障检测法。需要众多的测试电路，使 得硬件电路复杂、可靠性及抗干扰性差。 ( 2 ) 采用单片机或p l c 系统。它不适于诊断算法复杂、运算量大及实时性 要求高的诊断系统。 ( 3 ) 采用多c p u 处理系统。如d s p 和单片机结合，d s p 芯片具有内部资源 丰富、速度快、体积小等特点，利用d s p 完成数据采集和诊断算法处理等功能， 利用单片机实现与主控通讯和实现人机交互等功能，很好的解决了以上存在的诸 问题。为此，本文通过对同相逆并联的可控整流电路研究，提出了一种基于小波 包分析和模糊诊断相结合的方法以实现故障诊断，并在d s p 系统上实现。 1 4 本文主要研究内容 电力电子整流装置经过几十年的发展，虽然新型的整流技术如p w m 研究 已比较成熟，并开始投入工程应用中，但实际上在国内外整流领域依然广泛采用 晶阐管相控整流方法，所以本文针对采用晶阐管相控整流方法的整流系统进行研 4 硕士学位论文第一章绪论 究。 电力整流故障诊断技术的研究与应用是围绕对故障征兆的“提取和识别 以及对整流设备的运行状态的评价展开的。电力整流设备的故障诊断过程和影响 确诊率的因素如图1 1 所示。 在图1 1 中，诊断对象就是要进行研究的电力电子装置，旁边的小字是诊断 对象影响确诊率的因素，包括1 设计合理性；2 结构复杂性；3 故障类型。信号 采集、特征提取、故障识别、诊断结论组成诊断系统部分，也是故障诊断技术研 究的主要内容。故障特征的提取方法的研究是电力电子故障诊断技术的关键。含 有丰富信息的电力电子设备运行状态信号的特征提取是建立在信号处理基础上 的。信号分析的目的是通过对运行状态信号的处理，确定能很好的表征设备运行 状态的特征量。 诊 断 系 统 i 诊断对象 l 1 信号采集 j i 特征提取 i j 故障识别 j 诊断结论 1 设计合理性 2 结构复杂性 3 故障类型 4 诊断信息质量 5 积累的经验 6 决策策略 图i - i 故障诊断过程和影响确诊率的一些因素 本课题研究内容主要包括理论分析和具体实现两个方面。在理论上，本文首 先对同相逆并联大功率整流装置的特点进行分析，在m a t l a b s i m u l i n k 软件平 台作用下对其故障特点研究，确定故障诊断所需信息的采集对象，并收集在正常 状态和各种类型故障状态，装置的仿真数据；然后，利用小波包分析方法对采集 的信息进行特征码的提取；最后，利用模糊推理的方法，对特征码进行分析，确 定故障类型和故障源。所有的理论研究都在m a t l a b 仿真环境下进行。对各种 形式大功率电力电子装置整流电路正常运行和故障状态下的整流电压波形进行 了详细分析和研究，从理论上探索其故障诊断方法。在具体实现上，研制了基于 d s p 和单片机的双核的可控整流电路故障诊断系统，并在实际装置上进行了实 硕士学位论文 第一章绪论 验。 具体研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 深入分析同相逆并联大功率整流装置的特点，在现有方法和m a t l a b 仿真基础上探索出故障诊断方法。对诊断对象的深入了解是建立一个故障诊断系 统的第一步。本文首先研究了同相逆并联可控整流电路的拓扑结构及工作原理， 对整流电路正常工作和各种故障状态下的输出整流电压波形进行了详细分析和 归类。总结出基于变压器阀侧电流信号变化的故障诊断方法。 ( 2 ) 对比各种诊断方法的优劣，确定了基于小波包分析的特征码提取方法， 利用小波包变换对信号进行高低频段进行分解，基于分解后的小波系数提取信号 的功率谱，作为信号的特征码。 ( 3 ) 利用模糊识别方法进行故障诊断：将提取的特征码作为模糊识别系统 的输入变量，通过模糊化、应用模糊算子、模糊推理等过程完成故障诊断的功能。 ( 4 ) 确定故障诊断系统的总体结构。 通过对诊断系统所研究的对象的深刻认识，结合实际情况，设计了故障诊断 系统的总体方案。整个系统主要包括同步信号的取样与隔离、电流信号的采样、 小波包算法和故障诊断算法及诊断显示报警电路等四部分。 ( 5 ) d s p 系统的软硬件设计。本系统以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，进行实现 外围电路的设计、系统软件设计及p c b 板设计。此外，还需考虑系统的软硬件 的抗干扰能力。 在目标系统上运行实现，完成整个诊断系统的设计与调试。制作整个实验样 机，调试硬件电路，结合编制的软件程序在目标系统上实验和完善。 6 硕士学位论文第二章系统设计方案 第二章系统设计方案 2 1 研究对象及其故障诊断方法探讨 2 1 1 三相桥并联同相逆并联结构的特点 同相逆并联常用的联结型式分为六脉波双反星形带平衡电抗器联结和三相 桥式并联结构的同相逆并联两种结构。当输出相同的直流电压时，前者每臂承受 的峰值电压为后者的两倍，而输出相同的直流电流时，前者的每臂平均电流为后 者的一半。因此前者适用于电压较低、电流较大的电路，后者适用于输出电压较 高、电流较大的电路【。本文研究的是两组三相桥式整流系统并联的同相逆并联 系统。 同相逆并联电路的特点是：将两个整流系统组合在一起，使两个系统紧靠在 一起的铜排电流，在任何瞬间均大小相等、方向相反，从而减少各部分线路电抗， 并增加相间、臂间阻抗的对称度 6 1 。 图2 1同相逆并联结构图 图2 1 为两个三相桥式电路组成的同相逆并联系统，两个桥的三相交流 电压互差1 8 0 0 ，因此当图中右侧桥导电相序为a l b l ，a l e i ，b i t l ，b l a l ，c l a l ， c l b l 时，相应地左侧桥的导电相序为b 2 a 2 ，c 2 a 2 ，c 2 b 2 ，a 2 6 2 ，a 2 c 2 ，b 2 c 2 ，两 桥组合在一起使得任何瞬间两桥相邻电路内的电流大小相等，方向相反，磁 通得到最大限度的抵消。表2 1 为两组桥的导通顺序。 7 硕士学位论文 第二章系统设计方案 表2 - 1 两组桥臂的导通顺序 第一组桥导通 k p l l k p l 3k p l 5k p l lk p l 3k p l 5k p l l 顺序 k p l 6 k p l 2k p l 4k p l 6k p l 2k p l 4k p l 6k p l 2 第二组桥导通 k p 2 6k p 2 2k p 2 4k p 2 6k p 2 2k p 2 4k p 2 6 顺序 k p 2 1k p 2 3k p 2 5k p 2 1k p 2 3k p 2 5k p 2 1k p 2 3 2 1 2 故障诊断的特殊性 同相逆并联由于是两组完全相同桥处于并联工作方式，其故障诊断信号采集 不同于单组三相桥或其他结构的整流装置。因为当一组桥出现故障，另一组桥正 常工作时，负载两端的直流端电压不会发生明显变化。直流电压不变化，负载不 变化，使得在故障初期，直流侧电流不能及时反映系统状态，变压器网侧电流也 不会发生明显变化。所以基于直流端电压和变压器网侧电流研究方法不再是理想 的方法。 2 1 3 故障诊断方法探讨 上述两种方法不能为同相逆并联结构整流装置采用，必须探索新的故障信号 采集点。本节方法探讨都是在软件仿真环境下进行研究： ( 一) 仿真说明：用m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台对此种系统进行仿真，探索另 一种研究途径，仿真条件如下： ( 1 ) 网侧为线电压为3 8 0 v 的工频交流。整流变压器变压阀侧线电压为 1 7 3 v ，为便于对电流的观察，原边和副边都采用y 型连接。触发角为0 0 。 ( 2 ) 整流主回路是两组完全一致的三相桥采用同相逆并联结构。 ( 3 ) 负载为5 欧纯电阻。仿真时间从0 0 6 s 0 1 8 s ，系统在0 1 秒时刻出现 故障，图中( 1 ) 一( 5 ) 为第一组桥的k p l l 脉冲丢失，( 6 ) 为第二组桥k p 2 1 脉冲丢失。 仿真结果如图2 2 ：图形中横轴单位为秒( o 0 1 s 格) ，纵轴：当是电流信号时单 位为安培( 2 0 a 格) ，当为电压信号时单位为伏特( 5 0 v 格) 。 ( 1 ) 直流电压波形( 2 ) 变压器网侧a 相电流 8 硕士学位论文第二章系统设计方案 ( 3 ) 变压器阀侧a 相电流( 4 ) 变压器阀侧b 相电流 ( 5 ) 变压器阀侧c 相电流( 6 ) 第二组k p 2 1 故障a 相电流 图2 - 2 仿真实验各相电流波形 ( 二) 仿真结论： a 、单组桥故障产生后，直流侧电压有微小变化，但不会缺失波头，因此采用 直流电压波形分析方法不适合此种结构的整流系统；变压器网侧电流没有明显变 化，故障信息无法检测，因此采用变压器网侧电流检测的方法也不适合此种结构 的整流系统。 b 、整流变压器阀侧两组三相支路能检测到故障信息，并且当一组桥内发生 故障时，两组三相支路都有异常变化，不同桥的同一位置晶阐管发生故障，三相 电流突变信息是不同的，因此可以通过检测一组桥的三相电流来完成故障信息的 检测。设检测组为第一组时，当第一组有故障时，第一组对应故障那组的相电流 会出现失两个波头现象，其他相电流也会出现丢一个波头现象；当为第二组有故 障时，测量组会有一相两个波头幅值显著增加，另两相相电流会有一个波头的幅 值显著增加。 c 、原因分析：两组三相桥为并联连接，当一组桥出现故障，另一组桥正常 时，整流电压并不会发生变化，当负载没变化时，根据欧姆定律，则整流直流电 流也不会发生改变。由于一组桥内晶阐管出现故障，则该组桥的各管导通情况会 发生改变，电流会出现大小变化和断流情况。总电流不变化，分组电流变化，则 一组减小的电流会加到另一组正常的桥内，从而引起上述变化。 2 2 系统设计 2 2 1 方案设计 故障诊断系统用于实现信号的采集、信号的处理、故障诊断、与主控的通讯、 人机交互等功能。从硬件结构上看它由信号采集电路、信号预处理电路、核心处 9 硕士学位论文第二章系统设计方案 理器及外围电路、辅助处理器及外围电路组成。从软件功能上看需要包括信号滤 波、特征码的提取、故障诊断、通讯、人机交互等程序模块。本故障诊断系统采 用模块设计思想，主要分为硬件、软件两大部分。 系统开发流程如图2 3 所示。以下简要叙述各阶段内容和设计原则。 系统初期设计主要时将系统要实现的功能描述清楚、准确，把设计任务书转 化为量化的具体技术指标。 图2 3 系统开发流程图 ( 1 ) 主要包括由算法处理、信号频率决定的系统采样频率。本系统要求在 一个工频内采样2 0 个点，采样频率为5 0 x 2 0 = 10 0 0 h z ( 2 ) 由采样频率完成任务书最复杂的算法所需晟大时间及系统对实时程度 的要求判断系统能否完成工作。 ( 3 ) 由数据量及程序的长短决定片内r a m 的容量，是否需要扩展片外r a m 及片外r a m 容量。 ( 4 ) 由系统所要求的精度决定是1 6 位还是3 2 位，是定点还是浮点运算。 l o 硕士学位论文 第二章系统设计方案 ( 5 ) 根据系统是计算用还是控制用来决定对输入输出的要求。在一些特殊 的控制场合还有一些专门的芯片可供选用。 ( 6 ) 根据d s p 智能监测系统的逻辑复杂程度，以及单片机作为协处理器所 要完成任务所需资源，确定单片机芯片选型8 9 c 5 2 由上面的技术指标，确定应该选用的d s p 和m c u 芯片的型号。根据选用 的d s p 芯片及上述技术指标，初步确定a d ，d a ，r a m 的性能指标及可供选择 的产品。 2 2 2 系统硬件实现方案 硬件实现方案是指根据性能指标、工期、成本等，确定最优硬件实现方案( 考 虑到实际的工作情况，最理想的方案不一定是最优的方案) ，根据绘制的硬件系 统设计框图进行设计，这时具体器件的要求比较明确。 系统硬件设计应该遵循以下几条规则：( 1 ) 尽可能采用功能强的芯片，以简 化电路，如在系统中选用了功能强在的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为核心芯片。( 2 ) 功能 分化，为了使系统具有较好的兼容性和独立性，一般将复杂的系统进行功能分化， 由不同的硬件部分或芯片来完成不同的功能。如在本系统中采用了d s p 和m c u 相结合的结构。( 3 ) 具有可扩展性，以便将来系统的修改、扩展的方便。( 4 ) 要 有较强的抗干扰能力。 本系统硬件采用d s p 和m c u 的双c p u 结构，d s p 为t i 公司3 2 位的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，m c u 为8 位单片机8 9 c 5 2 。两个子系统承担不同系统任务：d s p 负责实时数据采集、处理和故障分析，m c u 主要负责人机交互、远程通信等。 a d ：根据采样频率、精度来确定a d 型号，是否要求片上自带采保、多路 选择器、基准电源等。 存储器：包括s r a m ，ep r o m ( 或e e p r o m 或f l a s h me m o r y ) 。它们的 选型主要应考虑工作频率、内存容量、数据线、地址线宽度( 8 位1 6 位3 2 位) 、 接口方式( 串行还是并行) 、工作电压是5 v 还是3 3 v 或其它。 人机接口：有键盘、显示器等，它们可以通过与8 9 c 5 2 单片机的通信来构 成，也可以在d s p 基础上直接构成，视情况而定。 电源：主要是电压的高低匹配以及电流容量的大小。 与主控通信：通信的要求一般系统都是需要的。首先需要根据通信的速率决 定采用的通信方式。一般采用串口能达到1 9 2 k b p s ( r s 2 3 2 ) ，而并口则可达到 1 m b p s 以上。同时，在选型时还必须充分考虑到供货能力、性能价格比、技术支 持、使用经验等因素。 硕士学位论文第二章系统设计方案 2 2 3 软件设计 系统软件采用模块化软件编程思想，根据系统需求的功能和自上而下的原 则，将整个系统划分为若干个模块，规定好模块的功能和对外的接口。模块化程 序设计使得我们能够较为轻松地添加、去除部分程序而不影响其它部分，易于检 查和修改。 软件流程图绘制在软件开发过程中起着重要的作用，一个好的流程图，不仅 可以明确系统程序走向，还能帮助程序员理清思路，也为软件查错提供方便， 本系统采用c 语言在c c s 2 0 0 0 环境下进行软件开发，c 语言编写软件的最 大优点是可读性和可维护性强，并且功能容易实现，编程相对来说要稍简单。 为最终实现系统的脱离仿真器运行，本文给出了系统软件的在线装载到 f l a s h m e m o r y 的方法。 2 2 4 系统集成 在完成系统的软硬件设计之后，将进行系统集成。系统集成是将软、硬件结 合起来，并组装成为一台样机，并在现场环境中运行，进行全面的系统测试。如 果系统测试结果符合指标，则样机的设计完毕。但由于在软硬件调试阶段调试的 环境是模拟的，因此在系统测试中往往可能会出现一些问题，如精度不够、稳定 性不好等。出现问题时一般采用修改软件的方法。如果软件修改无法解决问题， 则必须调整硬件，这时问题就比较严重。所以，初期的系统设计是很重要的。 2 3 小波包分析和模糊理论在故障诊断中的运用 基于小波理论分析是一种信号时频分析方法，它弥补了傅立叶变换不能同时 描述信号时域和频域信息和短时傅立叶变换在整个时频平面分辨率相同的缺点。 虽然小波分解是一种有效的时频分析方法，但是它每次只对低频部分进行分解， 高频部分并不分解，因此高频部分的频率分辨率差【1 9 1 。小波包分解则更进一步， 它不仅对低频部分进行分解，而且对高频部分也进行分解，也就是说小波包分解 是一种更为精确的分解方法。 基于相对小波包能量的故障诊断依赖标准特征数据库。标准数据库的建立步 骤如下： ( 1 ) 通过对已经存在的先验工程情况分析，确定故障的主要类型，使某一 种特定的故障对应一组特征数据。 ( 2 ) 根据文章前面提出的小波包分解理论，对特征数据进行小波包分解。 ( 3 ) 计算各个频段的相对小波包能量，得出该故障的特征向量。 1 2 硕士学位论文第二章系统设计方案 ( 4 ) 对每一组特征数据进行上述分析。构成特征数据库。 标准特征向量库具有开放性，所谓的开放性是指故障库随着实践中故障种类 的增加而增加。标准特征向量库建立以后，剩下的工作就是模式判别的内容了 本文采用模糊诊断的模式识别进行大功率整流装置电流信号分析和故障诊 断的方法。采用小波包变换提高了特征提取的精度，利用模糊诊断中的能量谱距 离指标( j 散度) 确定隶属度、用最大从属原则进行模糊诊断。 模糊模式识别方法：模糊模式识别在故障诊断中的应用主要是运用模糊理论 与最大从属原则进行故障模式的分类与识别。 ( 1 ) 建立标准模糊子集、待识别状态的模糊子集。 对一组状态已知的信号提取k 个特征参数，本文中即为小波包系数的能量 谱。取信号特征值建立该状态的标准模糊子集如f - a ，= ( j j l , j 2 ，3 ，肺) ， 其中j 为状态类别数目，j = l ，2 ，- ，1 。 给定一个未知状态的数据，同样计算其k 个特征向量。k 个隶属度就确定了 待识别状态的模糊子集：b j = 恤l ，, 3，_，女j2, ( 2 ) 按j 散度计算隶属度。 完成建立标准状态模糊子集和待识别状态的模糊子集后，就可以按照j 散落 度确定待识别状态的子集与标准状态模糊子集库中各子集的。能量谱距离指标( j 散度) 是度量两模糊集( 能量特征值) 分散程度的数量指标，可以用来进行隶属 度的求解。 ( 3 ) 按最大从属原则的诊断方法来进行模糊诊断。 最大从属原则是根据隶属度的大小来确定模糊子集属于某类集合的可能性。 当待识别状态与标准数据库中某类状态的特征向量的隶属度最大时，就判决待识 别状态属于该类状态。 小波包模糊诊断识别方法实现步骤： ( 1 ) 对信号进行时域分析。同相逆并联由于其特殊性，即常规的直流电压 波形检测方法不适应此种结构故障检测，故对整流变压器阀侧电流信 号进行检测，采集一组三相电流i a ，i b ，i c 作为故障诊断的输入信号。 ( 2 ) 对信号进行小波包分解分析，对小波系数的各个频率带进行特征提 取。利用d b 3 小波对三相电流进行三层小波包分解，分别得到高频和 低频各频带的8 个小波系数，即各频段的能量谱。将此能量谱作为信 号的特征值。 ( 3 ) 利用模糊诊断方法对特征值进行模式识别和分类。 硕士学位论文 第三章基于小波包分析理论的特征值提取 第三章基于小波包分析理论的特征值提取 故障特征提取方法的研究是电力电子故障诊断技术的关键。含有丰富信息的 电力电子设备运行状态信号的特征提取是建立在信号处理基础上的。本章讨论利 用小波分析理论之一的小波包分析方法提取故障信号的特征值。 3 1 小波分析理论 信号分析的目的是通过对运行状态信号的处理，确定能很好的表征设备运行 状态的特征量。几乎一切信号都较难只跟据原始观察数据来作解释，总要提取它 的某些特征来表征它，提取什么特征是根据信号特点和分析目的来决定。 目前的故障诊断技术大都基于傅里叶变换，因而必然面临傅里叶分析的一对 基本矛盾：时域和频域局部化的矛盾，并且傅里叶分析是以信号平稳性假设为前 提的，而绝大多数的控制系统的故障信号往往包含在瞬态信号及时变信号中。小 波的时频分析方法不仅能够提供信号的全部信息，而且又能提供在任一局部时间 内信号变化激烈程度的信息，即可提供时频同时局部化的信息。 小波变换在故障诊断领域中的应用已经引起了广泛注意，许多学者投入到这 方面的研究。小波变换属于线性变换，无干扰项，它具有多分辨率分析的特点， 即时频分辨率可变，具有“变焦”特性，因此具有对非平稳信号局部化分析的突 出优点，有良好的时频定位功能，很适合探测正常信号中夹带的瞬态反常现象 并展示其成分， 在实际电力电子设备故障诊断系统中，尤其是冲击信号、波动信号、谐波信 号比较丰富的场合，比如，电力变压器、电压电流变换器等。信号在任意时刻附 近的频率特征都很重要。对这类信号的处理，仅从频域或时域上来分析是不够的， 必须有一种新的方法能够将时域和频域结合起来描述观察信号的时域特征，而小 波分析的优点使得小波分析能够很好地解决这类问题。 小波变换的多尺度分析( 多分辨率分析) 技术或小波包分析技术可以将信号 分解在不同的频