基于小波包神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整流電路晶閘管故障識(shí)別

馬立新　范麗君

摘要：

在電力能效監(jiān)控管理系統(tǒng)中，提出了基于小波包的特征提取和BP（back propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，對(duì)三相整流電路中故障晶閘管位置進(jìn)行診斷和識(shí)別.根據(jù)整流電路原理，對(duì)22種故障情況分別進(jìn)行編碼.建立三相整流電路故障模型，采用小波包分解的方法，對(duì)直流端輸出電壓的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，構(gòu)建特征向量，作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，將對(duì)應(yīng)故障的編碼作為網(wǎng)絡(luò)輸出，用簡(jiǎn)化的訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即可以實(shí)現(xiàn)整流電路的故障位置識(shí)別.仿真結(jié)果證明，采用小波包特征提取，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本，既可以簡(jiǎn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)構(gòu)，又可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障定位識(shí)別.研究具有很大的工程實(shí)踐意義.

關(guān)鍵詞：

電力能效測(cè)評(píng)； 小波包； 特征向量； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 整流電路； 故障識(shí)別

中圖分類號(hào)： TM 92文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：

In the power energy efficiency management system，the feature extraction based on wavelet packet combining with back propagation（BP） neural network was proposed and applied to thyristor fault diagnosis and identification in the threephase rectifier circuit.According to the principles of rectifier circuit，22 kinds of fault were encoded respectively.The fault model of threephase rectifier circuit was set up.Using the wavelet packet decomposition method，feature extraction of the DC output voltage was conducted to construct the feature vectors，which was saved as training samples of BP neural network.The corresponding fault codes were used as the network output.This simplified trained neural network could recognize the fault position of the rectifier circuit.The simulation results showed that the wavelet packet feature extraction，used as the neural network training sample，not only simplified the structure of neural network training，but also located the fault thyristor accurately.It indicated the engineering significance.

Keywords：

electric energy efficiency evaluation； wavelet packet； feature vector； neural network； rectifier circuit； fault identification

三相整流電路廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備中.晶閘管本身?yè)p壞以及觸發(fā)脈沖一場(chǎng)導(dǎo)致的不導(dǎo)通和誤導(dǎo)通都會(huì)使該晶閘管所在的整流電路發(fā)生故障以至于整流電壓畸變.因此，對(duì)電力電子電路實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷顯得很有必要.在對(duì)故障診斷快速性和準(zhǔn)確性要求越來越高的同時(shí)，人們也不斷尋找如何對(duì)三相全控整流電路中故障晶閘管快速、準(zhǔn)確地定位，應(yīng)用先進(jìn)的算法實(shí)現(xiàn)智能故障診斷也越來越受到重視.

傳統(tǒng)的檢測(cè)方法有電壓電流檢測(cè)法、傅里葉分析法、頻譜分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合、粗糙集與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等.近年來，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷越來越成為研究的熱點(diǎn).文獻(xiàn)[1]將故障波形的采樣數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本，將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于整流電路的故障診斷.文獻(xiàn)[2]將直流母線電壓的采樣值作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入進(jìn)行故障診斷.直接將采樣數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入時(shí)，采樣數(shù)據(jù)過多會(huì)造成訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)龐大，訓(xùn)練過程緩慢，采樣數(shù)據(jù)過少則樣本特征不明顯，導(dǎo)致結(jié)果偏差.采用BP（back propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行故障識(shí)別的理論相對(duì)比較成熟，但是在工程實(shí)現(xiàn)上面臨很大的困難.文獻(xiàn)[3]中僅實(shí)現(xiàn)了晶閘管故障類別的診斷.

本文提出采用小波包特征提取與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障識(shí)別相結(jié)合的方法，將22種故障電路的電壓波形數(shù)據(jù)通過小波包分解，提取特征向量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入進(jìn)行訓(xùn)練，大大簡(jiǎn)化了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).根據(jù)該訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠準(zhǔn)確地利用電路的輸出波形進(jìn)行故障晶閘管的定位，可以在電力能效監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用.

1電力能效監(jiān)控管理系統(tǒng)

電力能效監(jiān)控管理系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層、通訊管理層和系統(tǒng)管理層，如圖1所示.該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、信號(hào)傳輸、信號(hào)處理.通過對(duì)系統(tǒng)設(shè)備信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)中的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和故障監(jiān)測(cè)，提高了電氣系統(tǒng)的安全可靠度；通過對(duì)能效監(jiān)控管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度的處理和分析，為制定合理的綜合能耗管理方案提供數(shù)據(jù)依據(jù).

在電力能效監(jiān)控管理系統(tǒng)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各用電設(shè)備的監(jiān)控和管理.在電氣系統(tǒng)中，整流電路在線監(jiān)控和故障快速診斷也很有必要.圖2為整流電路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu).整流電路監(jiān)測(cè)流程為：電壓信號(hào)經(jīng)過電壓傳感器送進(jìn)信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由DSP系統(tǒng)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行參數(shù)處理和傳輸，通過現(xiàn)代化的高速通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，將數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本，進(jìn)行故障診斷識(shí)別.

2小波包分析

小波分析由于其對(duì)信號(hào)的時(shí)頻分析特性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用.在工程應(yīng)用領(lǐng)域，特別是信號(hào)處理、圖像處理、語音分析等領(lǐng)域，小波變換被認(rèn)為是信號(hào)分析工具和方法上的重大突破[4].小波包分解為信號(hào)提供了一種非常精細(xì)的分析方法，它將頻帶進(jìn)行多層次劃分，對(duì)小波分解沒有細(xì)分的高頻進(jìn)一步分解，并能夠根據(jù)被分析信號(hào)的特征，自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶，使之與信號(hào)頻譜相匹配.小波包變換將信號(hào)分解至獨(dú)立的頻帶中，這些頻帶的信號(hào)能量對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)非常有用.

圖3為小波包分解樹結(jié)構(gòu).小波分析是將信號(hào)s分解成低頻a1和高頻d1兩部分.在分解中，低頻a1中失去的信息由高頻d1捕獲.在下一層分解中，又將a1分解成低頻aa2和高頻da2兩部分，低頻aa2中失去的信息由高頻da2捕獲.以此類推，可以進(jìn)行更深層次的分解.對(duì)小波包分解系數(shù)重構(gòu)，提取各個(gè)頻帶范圍的信號(hào)特征.小波包分解時(shí)，有

4三相整流電路故障識(shí)別

電路中某處晶閘管發(fā)生故障后，輸出波形為非平穩(wěn)信號(hào).由于輸出各個(gè)故障波形的各個(gè)頻率成分的能量不同，提出了基于“能量故障”的故障診斷識(shí)別模式[6-8].故障識(shí)別過程如圖5所示.直接提取各個(gè)故障波形中各個(gè)頻率成分能量的變化作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，在能夠表征各個(gè)故障特征的同時(shí)，使得輸入數(shù)據(jù)大大減少.由于單個(gè)晶閘管故障的6種波形相同，但相位

不同，因此在A相電壓上升過零點(diǎn)時(shí)開始采樣，采樣間隔0.000 1 s.經(jīng)過1個(gè)周期（0.02 s）得到200個(gè)數(shù)據(jù)樣本.

4.1小波分解

對(duì)200個(gè)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行三層小波包分解，分別提取第三層從低頻到高頻8個(gè)頻率成份的信號(hào)特征.圖6為VT1開路時(shí)的故障波形和小波包分解樹結(jié)構(gòu)，其中：（0，0）代表原始信號(hào)s，即數(shù)據(jù)樣本；（1，0）為小波包分解的第一層低頻系數(shù)；（1，1）為小波包分解的第一層高頻系數(shù)；（3，0）為第三層第0個(gè)結(jié)點(diǎn)的低頻系數(shù)；（3，1）為第三層第0個(gè)結(jié)點(diǎn)的高頻系數(shù).其他以此類推.

4.2小波重構(gòu)

對(duì)小波包分解系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，提取各頻帶范圍的信號(hào).用S（13m）表示各結(jié)點(diǎn)的重構(gòu)系數(shù)（m=0，1，…，7）.則總信號(hào)可表示為S1=S（130）+S（131）+S（132）+S（133）+S（134）+S（135）+S（136）+S（137）.晶閘管VT1開路時(shí)輸出電壓的各結(jié)點(diǎn)重構(gòu)系數(shù)如圖7所示.

4.3構(gòu)造特征向量

由于晶閘管故障時(shí)輸出波形的各頻帶的能量

有一定的變化，因此，以能量為元素可以構(gòu)造一個(gè)根據(jù)以上步驟，每種故障時(shí)的輸出波形可構(gòu)造一個(gè)特征向量.以單個(gè)晶閘管故障為例，6種故障狀態(tài)可產(chǎn)生6組特征向量，如表2所示，其中：s0表示正常狀態(tài)下的特征向量；si表示VTi故障時(shí)的特征向量（i=1，2，3，4，5，6）.

4.4建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)已總結(jié)的故障模式種類，將各狀態(tài)下經(jīng)小

波包分解的特征向量作為輸入，將對(duì)應(yīng)編碼構(gòu)建一個(gè)矩陣作為輸出，設(shè)置一個(gè)三層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9]，其參數(shù)設(shè)置如表3所示.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練迭代過程如圖8所示.

4.5故障模式識(shí)別與方案驗(yàn)證

訓(xùn)練完成后，提取單個(gè)晶閘管故障波形數(shù)據(jù)和加入隨機(jī)噪聲.經(jīng)小波包分解進(jìn)行特征提取，將特征向量作為訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入再進(jìn)行檢驗(yàn).未加噪聲的訓(xùn)練結(jié)果如表4所示，平均診斷誤差為0.000 5.表5為加隨機(jī)噪聲后的訓(xùn)練結(jié)果，平均診斷誤差為0.055 2.

5結(jié)論

本文提出了應(yīng)用于電力能效監(jiān)控管理系統(tǒng)的對(duì)整流電路進(jìn)行故障診斷和識(shí)別的方法.先建立模型，采集故障波形數(shù)據(jù)，進(jìn)行特征提取等處理，以此作為輸入樣本，建立一個(gè)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).再通過對(duì)故障監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采樣、特征提取，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，即可判斷出三相整流電路中晶閘管故障的準(zhǔn)確位置.采樣數(shù)據(jù)經(jīng)小波包分析處理后作為輸入樣本，簡(jiǎn)化了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu).本文以波形數(shù)據(jù)最相近的單管故障為例進(jìn)行研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性.

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭連清，王騰，鄒濤.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三相全控橋整流電路故障診斷[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，27（9）：72-75.

[2]王孟蓮，龍飛.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整流電路故障診斷[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2013，37（3）：578-580.

[3]田質(zhì)廣，趙剛.基于小波包與Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整流電路故障診斷[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009（10）：2981-2984.

[4]胡昌華.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)—4—小波分析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

[5]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[6]錢蘇翔，杜琦，顧小軍，等.基于小波包特征能量提取的變壓器繞組變形故障診斷[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（9）：135-137.

[7]陳少東，李宏.晶閘管整流裝置的幾種故障處理方法淺析[J].電子測(cè)試，2013（3/4）：34-37.

[8]劉樂平，林鳳濤.基于小波包特征向量與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滾動(dòng)軸承故障診斷[J].軸承，2008（4）：46-48.

[9]朱凱，王正林.精通MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.