多橋并聯(lián)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元故障診斷方法

龔俊名，劉 偉

(1.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 重慶 400054；2.重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心， 重慶 400054)

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多橋并聯(lián)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元故障診斷方法

龔俊名1,2，劉 偉1,2

(1.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 重慶 400054；2.重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心， 重慶 400054)

針對(duì)多橋并聯(lián)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元的開路故障，提出了一種基于小波分析的故障診斷方法。通過對(duì)功率單元主回路的仿真分析，得到輸出電壓、電流波形的故障特征，總結(jié)得出了干擾判斷的3個(gè)因素：故障時(shí)間、故障晶閘管位置、觸發(fā)角α。利用小波變換將小波能譜熵、小波模極大值點(diǎn)和總結(jié)得到的故障類型判斷真值表通過分步式的故障診斷方法消除干擾因素，將所有故障情況統(tǒng)一起來，對(duì)功率單元進(jìn)行故障診斷。該方法大大減少了傳感器的使用數(shù)量，降低了設(shè)備成本，提高了系統(tǒng)可靠性。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性和可靠性。

多橋并聯(lián)勵(lì)磁系統(tǒng)；功率單元；故障診斷；小波分析；小波能譜熵；模極大值

勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，其出現(xiàn)故障與否直接影響發(fā)電機(jī)輸出電能質(zhì)量的好壞，進(jìn)而影響整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。目前，多橋并聯(lián)勵(lì)磁系統(tǒng)在提升同步發(fā)電機(jī)容量以及滿足N-1冗余配置提高系統(tǒng)可靠性方面的能力得到了廣泛應(yīng)用。由于長時(shí)間處于頻繁通斷的惡劣工作狀態(tài)，導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元極易發(fā)生故障。

其故障主要表現(xiàn)為兩大類：晶閘管直通故障和晶閘管開路故障。發(fā)生晶閘管直通故障時(shí)，由于流過故障晶閘管上的電流瞬間增大，導(dǎo)致保護(hù)電路動(dòng)作，將故障晶閘管切除。發(fā)生晶閘管開路故障時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)仍繼續(xù)工作，導(dǎo)致輸出勵(lì)磁電壓波形發(fā)生畸變，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)發(fā)電質(zhì)量，并對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾[1]。

目前，應(yīng)用于勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元主回路故障診斷的方法種類繁多[2-7]。其中，基于快速傅里葉變換(FFT)的故障診斷方法因無法對(duì)包含時(shí)域特征的信號(hào)進(jìn)行分析，導(dǎo)致多種故障波形對(duì)應(yīng)相同頻譜的情況，使其應(yīng)用受到局限；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)因需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期輸入大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，且需要長期的系統(tǒng)調(diào)試，在實(shí)際應(yīng)中往往達(dá)不到預(yù)期效果?；谛畔⑷诤系墓收显\斷方法則需要對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行云計(jì)算，無法在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。小波分析[8]作為近年來在故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的一種方法在單勵(lì)磁功率單元故障診斷方面也得到了大量應(yīng)用，但在多橋并聯(lián)勵(lì)磁功率單元中仍研究較少。因此，本文針對(duì)多橋并聯(lián)勵(lì)磁功率單元開路故障特征，研究基于小波分析的故障診斷方法。

1 基于小波的多尺度分析方法

1.1 方法介紹

小波變換是一種新的變換分析方法，它繼承和發(fā)展了短時(shí)傅里葉變換局部化的思想，同時(shí)又克服了窗口大小不隨頻率變化的缺點(diǎn)，具有在高頻處時(shí)域分辨率高、在低頻處時(shí)域分辨率低的特點(diǎn)，被稱為“數(shù)學(xué)顯微鏡”[9-12]。

離散小波變換(discrete wavelet transform,DWT)是指通過對(duì)尺度a和偏移b同時(shí)離散，將信號(hào)f(t)分解到不同尺度上。信號(hào)的離散小波變換系數(shù)計(jì)算式為

(1)

重構(gòu)式(1)為式(2)。

(2)

Mallat算法是一種建立在多分辨率基礎(chǔ)上的離散小波變換的快速算法。它通過采用一系列小波濾波器H、G和h、g對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解重構(gòu)，算法如式(3)。

(3)

其中，f(t)為原始信號(hào)，j為分解層數(shù)，j=1,2，…，J，Aj為第j層的小波逼近系數(shù)，Dj為第j層的小波細(xì)節(jié)系數(shù)。

將小波變換與Shannon信息熵相結(jié)合所得出的小波能譜熵能夠定性地反映信號(hào)頻域空間的能量分布特征[13]。定義一時(shí)間窗w，在該時(shí)窗內(nèi)，定義小波能譜熵WEE如式(4)。

(4)

1.2 模極大值與奇異點(diǎn)間的關(guān)系

數(shù)學(xué)上通過是否存在突變點(diǎn)來判斷信號(hào)的奇異與否，主要通過Lipschize指數(shù)a描述。Lipschize指數(shù)越小，說明信號(hào)的奇異越嚴(yán)重。在一個(gè)具有n階消失矩的連續(xù)小波函數(shù)下，對(duì)信號(hào)y(t)有

可得Lipschize指數(shù)：

由此，Lipschize指數(shù)可由信號(hào)經(jīng)小波變換得到的模極大值點(diǎn)處的小波系數(shù)得到。

2 單勵(lì)磁功率單元故障分析

2.1 故障信號(hào)的分析

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：晶閘管開路故障是勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元故障的主要形式，其中以2個(gè)及以下晶閘管同時(shí)故障為主?？偨Y(jié)故障主要類型有5類：

0.正常；

1.僅一個(gè)晶閘管開路；

2.連接同一相兩只晶閘管同時(shí)開路；

3.同一半橋兩只晶閘管同時(shí)開路；

4.相交錯(cuò)兩只晶閘管同時(shí)開路。

共22種故障情況。

對(duì)功率單元輸出電壓波形進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：故障發(fā)生時(shí)間、故障晶閘管位置、觸發(fā)角α這3個(gè)因素共同決定故障奇異點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間。進(jìn)行故障晶閘管的故障定位關(guān)鍵在于消除這3種因素對(duì)奇異點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻的影響。

小波分析方法是一種能夠?qū)π盘?hào)不連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別的方法。由于三相全控整流電路輸出電壓的波形特征，在用小波變換的方法進(jìn)行分析時(shí)，在細(xì)尺度下故障奇異點(diǎn)處與正常情況下的不連續(xù)點(diǎn)處都會(huì)反映為模極大值點(diǎn)，給判斷帶來了困難。運(yùn)用分步式的故障診斷策略，即先進(jìn)行故障識(shí)別再進(jìn)行故障定位的方法能夠有效將故障信號(hào)與正常信號(hào)分離開來，避免了上述問題。

2.2 故障定位

在故障晶閘管、觸發(fā)角α固定時(shí)，故障發(fā)生時(shí)間對(duì)奇異點(diǎn)時(shí)間的影響呈現(xiàn)周期性特征，因此用小波能譜熵WEE首先識(shí)別故障周期是一種消除故障發(fā)生時(shí)間對(duì)故障奇異點(diǎn)發(fā)生時(shí)間影響的方法。

由于db系列小波的正交性和緊支性，能夠敏感地識(shí)別出故障信號(hào)，因此選用消失矩為3的db小波對(duì)故障輸出電壓波形進(jìn)行2層小波分解，從而進(jìn)行勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元故障診斷，如圖1所示。

圖1 故障波形的2層db3分解重構(gòu)波形

圖1中：s為原始信號(hào);d1、d2分別為第1、第2層小波細(xì)節(jié)重構(gòu)信號(hào);a1是小波逼近重構(gòu)信號(hào)。引入小波能譜熵的方法，在不同α值下，將時(shí)窗窗寬定義為一個(gè)周期T，對(duì)d1的重構(gòu)波形進(jìn)行小波能譜熵計(jì)算，得到隨時(shí)間變化的d1重構(gòu)信號(hào)的小波能譜熵(圖2)，可見在故障周期處發(fā)生一個(gè)明顯的能量熵跳變。

圖2 d1重構(gòu)波形小波能譜熵

對(duì)故障周期進(jìn)行識(shí)別并截取，由于細(xì)尺度下的小波模極大值點(diǎn)能夠表征信號(hào)奇異點(diǎn)[14],將得到的故障信號(hào)d1層細(xì)節(jié)重構(gòu)信號(hào)中的若干模極大值點(diǎn)中取其中一個(gè)作為奇異點(diǎn)即故障定位點(diǎn)[15]，該定位點(diǎn)的特征為其左側(cè)有一段長時(shí)間的恒0值段，對(duì)應(yīng)著故障發(fā)生時(shí)，在感性負(fù)載下波形的平滑部分。以VT1故障為例，在不同觸發(fā)角α下，d1細(xì)節(jié)重構(gòu)波形如圖3所示。

圖3 VT1故障時(shí)的d1波形

在工頻50 Hz下，記觸發(fā)角α的時(shí)間歸算值t′，定位點(diǎn)時(shí)刻t，得到式(5)。

Δt=t-t′

(5)

無論α的值如何變化，總有一個(gè)Δt能夠特征性地表征參與故障的晶閘管，對(duì)應(yīng)關(guān)系總結(jié)如表1，由此判斷參與故障的晶閘管編號(hào)，消除了觸發(fā)角α對(duì)奇異點(diǎn)判斷的影響，并且得到了不同晶閘管參與故障時(shí)奇異點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間的關(guān)系，同時(shí)消除了參與故障晶閘管位置對(duì)奇異點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間的影響。對(duì)于故障情況2，即單個(gè)晶閘管故障情況，僅通過表1就能夠完成故障診斷工作。

對(duì)于2個(gè)晶閘管同時(shí)故障，則需要將一個(gè)時(shí)窗內(nèi)的所有模極大值點(diǎn)用于故障類型的判斷，再結(jié)合表1進(jìn)行故障定位。觀察并截取圖4中的正常周期[0.68 s,0.7 s]的波形，見圖4。

圖4 無故障波形的d1細(xì)節(jié)重構(gòu)信號(hào)

故障晶閘管VT1VT2VT3Δt/s0．00490．00820．0116故障晶閘管VT4VT5VT6Δt/s0．01490．01830．0016

總結(jié)在此周期中所有模極大值點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻(令周期起始點(diǎn)為0時(shí)刻)，結(jié)果見表2。

由表2總結(jié)出式(6)來描述隨α的變化，模極大值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間的變化規(guī)律,進(jìn)而將所有α的情況統(tǒng)一到α=0°。

(6)

表2 無故障時(shí)模極大值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻

以VT1參與的4類故障為例，根據(jù)式(6)將所有α下，一個(gè)時(shí)窗內(nèi)的d1重構(gòu)波形中的所有模極大值點(diǎn)統(tǒng)一到α=0°時(shí)的情況，作d1細(xì)節(jié)重構(gòu)波形進(jìn)行分析，見圖5。

圖5 4種故障情況的d1細(xì)節(jié)重構(gòu)信號(hào)

將其與正常情況下模極大值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行比較，構(gòu)造一個(gè)定義域?yàn)?0,1/f)的函數(shù)：

(7)

進(jìn)行如式(8)所示的運(yùn)算，得到故障類型判斷真值(表3)。

n=1,2,…,6

(8)

其中D1(tn)為故障周期內(nèi)的d1模極大值。

表3 故障類型真值

對(duì)于VT2，…，VT6參與故障的情況可以先用表1統(tǒng)一到VT1參與故障的情況，再用式(6)將故障周期中的所有模極大值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻全部統(tǒng)一到α=0°，最后利用真值表3和細(xì)分表4進(jìn)行故障定位。

表4 故障定位細(xì)分

3 并聯(lián)勵(lì)磁功率單元故障診斷

目前的大功率同步發(fā)電機(jī)多采用多橋并聯(lián)運(yùn)行的方式，通過提高勵(lì)磁電流達(dá)到提升同步發(fā)電機(jī)輸出容量的目的，通過N-1冗余配置提升勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定性。與單橋勵(lì)磁系統(tǒng)相同，勵(lì)磁功率單元開路故障仍是其主要故障形式，主要由于整流橋間的均流問題導(dǎo)致某一整流橋負(fù)荷較重，加速其中元件的損壞。針對(duì)多橋并聯(lián)勵(lì)磁故障診斷，有方法提出在勵(lì)磁柜間的三相聯(lián)絡(luò)線上分別安裝電流檢測單元用以進(jìn)行多橋并聯(lián)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元開路故障診斷[16]。該方法通過判斷電流波頭的缺失與否對(duì)故障晶閘管進(jìn)行定位，但在并聯(lián)勵(lì)磁柜較多的情況下存在傳感器使用過多、系統(tǒng)可靠性降低等缺點(diǎn)。因此，本文試圖尋求一種降低傳感器用量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法以解決上述問題。

以雙橋并聯(lián)勵(lì)磁功率單元為例對(duì)多橋并聯(lián)勵(lì)磁功率單元進(jìn)行研究。圖6為一個(gè)雙橋并聯(lián)勵(lì)磁功率單元的結(jié)構(gòu)。

多橋并聯(lián)勵(lì)磁系統(tǒng)與單橋勵(lì)磁系統(tǒng)之間的不同在于功率單元之間具有互補(bǔ)性，即當(dāng)其中某一功率單元中的某一晶閘管發(fā)生故障后，另一功率單元中相同位置的晶閘管會(huì)分擔(dān)故障晶閘管所應(yīng)該承擔(dān)的負(fù)荷。將1號(hào)勵(lì)磁柜中的晶閘管編號(hào)為VT11～VT16，2號(hào)勵(lì)磁柜中的晶閘管編號(hào)為VT21～VT26。如圖7所示，以VT1、VT2導(dǎo)通時(shí)為例，當(dāng)1號(hào)勵(lì)磁功率單元中的共陽極組中的VT11開路后，流過VT21的電流會(huì)由I/2上升為I，而流過共陰極組中的VT12、VT22的電流則不會(huì)發(fā)生改變。相反，若共陰極組中的VT12故障，流過共陽極組的電流將不會(huì)發(fā)生改變。

圖6 雙橋并聯(lián)勵(lì)磁功率單元的結(jié)構(gòu)

圖7 VT1、VT2導(dǎo)通時(shí)的等效電路

因此，本文在1號(hào)勵(lì)磁功率單元的共陽極側(cè)和共陰極側(cè)分別加入一電流檢測單元，記為I1、I2，與輸出電壓U一起作為雙橋并聯(lián)勵(lì)磁功率單元故障檢測的依據(jù)。

圖8 VT11、VT22故障的I1、I2、U波形

模極大值點(diǎn)編號(hào)123t″n/sI10．00410．01090．0241I20．00750．01410．0275

(7)

再以α=45°，故障時(shí)間為0.5 s。以VT11、VT12、VT22、VT24故障為例，I1、I2、U波形見圖9。

對(duì)I1、I2進(jìn)行上述分析，能夠得到VT11、VT24故障的結(jié)論，但與實(shí)際情況不符。這是由于2個(gè)勵(lì)磁功率單元的VT2位置同時(shí)故障，且大感性負(fù)載的儲(chǔ)能作用使I2在故障位置處的電流波形無突變，因此在I2的小波分解重構(gòu)波形中并不能以模極大值的形式體現(xiàn)。但2個(gè)勵(lì)磁功率單元同位置故障的情況可等價(jià)于單個(gè)勵(lì)磁功率單元故障。因此，借助U，并對(duì)其進(jìn)行前述針對(duì)單個(gè)勵(lì)磁功率單元的故障診斷方法，不難判斷出VT12、VT22同時(shí)故障。

推廣至多橋并聯(lián)，當(dāng)并聯(lián)橋個(gè)數(shù)為N時(shí)，只需在勵(lì)磁功率單元的輸出端裝設(shè)2(N-1)個(gè)電流互感器，1個(gè)電壓互感器，故障診斷原理、方法及步驟與雙橋并聯(lián)時(shí)相同。

圖9 VT11、VT12、VT22、VT24故障的I1、I2、U波形

4 實(shí)例分析

雙橋并聯(lián)勵(lì)磁功率單元故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由勵(lì)磁控制柜、三相異步電機(jī)、勵(lì)磁變壓器組成，如圖10所示。其中，勵(lì)磁控制柜為SGE-4A型，模擬機(jī)端電壓為380 V，頻率為50 Hz，三相異步電機(jī)采用三角形連接兩端抽頭的方式連在勵(lì)磁功率主回路直流側(cè)作感性負(fù)載。

通過斷開VT11、VT22觸發(fā)信號(hào)模擬對(duì)應(yīng)晶閘管開路故障，得到3個(gè)周期內(nèi)的故障波形，如圖11所示。

圖10 雙橋并聯(lián)勵(lì)磁功率單元故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

由圖11容易看出：系統(tǒng)中1號(hào)勵(lì)磁柜較2號(hào)勵(lì)磁柜承擔(dān)較多的負(fù)荷，反映在故障波形上當(dāng)VT22開路時(shí)，VT12多承擔(dān)的負(fù)荷明顯較VT11開路時(shí)VT21多承擔(dān)的負(fù)荷少。由于實(shí)驗(yàn)針對(duì)雙橋并聯(lián)勵(lì)磁開路故障進(jìn)行分析，故未對(duì)均流問題做進(jìn)一步討論。

對(duì)I1進(jìn)行db3小波分解重構(gòu)，結(jié)果如圖12所示。

圖12 I1故障波形及其db3小波分解重構(gòu)波形

根據(jù)本文給出的雙橋故障判斷方法得到VT11開路故障，同理對(duì)I2進(jìn)行如上所述的分析，可得VT22開路故障。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元主回路輸出電壓、電流故障波形進(jìn)行分析，通過小波變換的方法，運(yùn)用分步式的故障診斷方法首先判斷故障周期，再判斷多橋并聯(lián)勵(lì)磁功率單元中有無重復(fù)故障位置，對(duì)電壓、電流故障周期中的小波模極大值分布情況進(jìn)行分析總結(jié)，分別將電壓、電流小波分解重構(gòu)后的模極大值點(diǎn)通過一系列公式統(tǒng)一到α=0°，通過建立故障類型判斷真值表及故障細(xì)分表進(jìn)行最終的故障定位。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可靠性，相較以往的方法，該方法減小了電流互感器的運(yùn)用數(shù)量，提高系統(tǒng)可靠性。

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(責(zé)任編輯 陳 艷)

Fault Diagnosis Scheme Based on Wavelet Analysis of Power Unit in Excitation System

GONG Jun-ming1,2， LIU Wei1,2

(1.College of Electrical and Electronic Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China; 2.Energy Internet Engineering Research Center of Chongqing, Chongqing 400054, China)

This article presents a fault diagnosis method based on wavelet analysis in case of locating the fault thyristors in multi-bridge parallel power unit of excitation system. Summarizing three factors that influence the apparent time of singular point: fault time, location of fault thyristors,α(the firing angle) through the simulation of power unit. The usage of wavelet energy entropy, wavelet modulus maxima and the truth table of fault categories can be applied to remove the effect of disturbing factor and unifies all the fault situations with progressive fault diagnosis strategy that reduce the quantity of current sensors, lower the equipment cost and improve the system reliability. According to simulation and experiment, an improvement method was proposed to test the reliability of this method.

power unit of excitation system; power unit; fault diagnosis; wavelet analysis; wavelet energy entropy; wavelet modulus maximum

2017-02-09

龔俊名(1991—)，男，碩士研究生，主要從事電力設(shè)備故障分析與檢測研究,E-mail：gjm@2014.cqut.edu.cn；劉偉(1963—)，男，副教授，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制、電力設(shè)備故障診斷與容錯(cuò)控制研究,E-mail: liuwei@cqut.edu.cn。

龔俊名，劉偉.多橋并聯(lián)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元故障診斷方法[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(6):171-178.

format：GONG Jun-ming，LIU Wei.Fault Diagnosis Scheme Based on Wavelet Analysis of Power Unit in Excitation System[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(6):171-178.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.06.026

TM711

A

1674-8425(2017)06-0171-08