基于VMD 的電力電子電路軟故障診斷方法

顧雄，儲海兵

（1.六盤水職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，貴州六盤水，553000；2.江蘇易立電氣股份有限公司，江蘇南京，210000）

1 電路軟故障VMD 診斷方法設(shè)計

1.1 分析電路軟故障信號

在自然狀態(tài)下，電力電子電路可能受內(nèi)部老化或電流的影響出現(xiàn)電容偏差，采集到的電路軟故障信息不準確，無法有效地進行故障診斷。常規(guī)的電力電子電路故障診斷方法主要通過測量電容值來進行故障診斷，容易出現(xiàn)較高的診斷偏差，因此，本文分析了電路軟故障信號，提高故障信息采集效果，實現(xiàn)動態(tài)化故障信息采集。

電力電子電路內(nèi)部的負壓值會隨著實際運行狀況而改變，因此，為了保證采集數(shù)據(jù)的有效性，需要通過電路元件來進行電路軟故障信號分析。首先，可以設(shè)計一個電路軟故障信號分析電路，如圖1 所示。

圖1 電路軟故障信號分析電路

由圖1 可知，當信號分析電路時，可以將該電路看成一個電感充電通路，不斷對輸入輸出的電流電壓進行記錄，分析此時的電路信號狀態(tài)，有效地采集電路軟故障信息可以提高電路信息采集的敏感性，避免漏采、錯采。

經(jīng)過多次采集發(fā)現(xiàn)，當該電路的三極管截止時，電路內(nèi)部處于斷路狀態(tài)，不斷進行電感放電，形成新的電路回路，在這種狀態(tài)下，MOS 管將電感轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的磁能，產(chǎn)生反向電動勢，導(dǎo)致電壓電流緩慢變化，降低故障診斷的有效性。因此，在分析電路軟故障信號時，需要不斷地調(diào)整MOS 管的狀態(tài)，使其滿足閉環(huán)回路需求，保證軟故障信號穩(wěn)定輸出。

故障信號采集分析電路設(shè)置完畢后，需要選取Buck 電路內(nèi)部的分析參數(shù)。電流紋波比是一種代表電感電流均值及擺幅的特殊參數(shù)，因此在故障診斷初期，該參數(shù)必須進行多次確認，避免因其不穩(wěn)定導(dǎo)致的信號診斷異常。該參數(shù)設(shè)置完畢后，可以根據(jù)伏秒法則，計算電路內(nèi)部的占空比，從而得到一個周期內(nèi)的全部電路軟故障信號。

使用上文中計算的參數(shù)可以設(shè)置合理的電容值和電感值，連接等效電阻，根據(jù)此時生成的電路故障特征參數(shù)設(shè)置故障判別范圍，設(shè)置電路電容與電感參數(shù)，調(diào)節(jié)電路的工況模式。經(jīng)過多次提取發(fā)現(xiàn)，電路軟故障的類型復(fù)雜，獲取的故障信號數(shù)據(jù)較多，難以進行處理，因此本文使用MatlabSimulink 搭建電路模型，設(shè)置合理的故障模式，進行仿真，仿真的流程如圖2 所示。

由圖2 可知，該仿真流程具有較高的融合性，符合各種類型的電路軟故障診斷需求，且仿真精度較高，能實時判別信號的狀態(tài)，有效地完成故障信號分析，最大程度上提高故障診斷的有效性。

圖2 仿真流程

■1.2 基于VMD 提取電路軟故障特征

經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)，當電路內(nèi)部出現(xiàn)故障時，相應(yīng)的輸出電壓及電感會迅速發(fā)生改變，造成故障特征提取不準確，提高故障診斷難度，因此本文使用VMD 模態(tài)分解法細化提取電路的軟故障特征，降低電路軟故障診斷難度，提高診斷的有效性。首先，根據(jù)電路軟故障狀態(tài)判斷電路軟故障存在的若干個時域特征參數(shù)，即峰值、平均值、脈沖指標、裕度等，可以將上述時域特征參數(shù)劃分為一個時序信號序列，并根據(jù)該信號序列的組成狀態(tài)設(shè)置電路軟故障特征提取點。

在電路運行的某一時刻，存在信號振幅最高值，該最高值可以診斷電路內(nèi)部的沖擊故障，反應(yīng)信號的能量變化狀態(tài)，因此在電路軟故障特征提取時，可以根據(jù)沖擊信號的參數(shù)變化狀態(tài)及敏感性關(guān)系，判定故障特征的穩(wěn)定性，完成故障特征診斷。

VMD 可以模擬電路內(nèi)部故障的變化情況，判斷故障的最優(yōu)位置，完成故障特征值求解。因此，在故障信息提取時，不斷對得到的故障最優(yōu)解進行尋優(yōu)，獲取目標函數(shù)，進一步判定電路軟故障的實際位置，此時可以設(shè)計VMD 電路軟故障特征提取圖，如圖3 所示。

由圖3 可知，使用VMD 法進行故障特征提取可以有效地降低故障特征提取的復(fù)雜性，避免過于復(fù)雜的提取參數(shù)影響故障特征提取效率。

圖3 VMD 電路軟故障特征 提取圖

為了保證電路軟故障特征提取的效果，需要使用支持向量機進行診斷效果識別，即通過初始化設(shè)置判斷各個故障診斷點位的故障特征個數(shù)，再進行多次迭代，確定故障診斷因子，優(yōu)化各項診斷參數(shù)，判斷故障診斷范圍，完成故障特征提取，若該過程中出現(xiàn)某些特殊的診斷個體，需要使用適應(yīng)度函數(shù)來降低故障診斷誤差，降低故障特征提取難度，使電路軟故障診斷更簡單。

1.3 構(gòu)建電路軟故障智能診斷平臺

為了提高電路軟故障診斷效率，可以構(gòu)建一個電路軟故障智能診斷平臺。本文設(shè)計的方法使用RCCA-SVM 模擬軟件分析電路中的軟故障信息，并使用MATLAB 構(gòu)建智能化診斷平臺，完成診斷程序的開發(fā)，有效地對大量電路軟故障數(shù)據(jù)進行診斷分析。

構(gòu)建的電路軟故障診斷平臺屬于GUI 平臺，具有先進的人機交互界面，其核心交互中心由各種各樣的圖像接口、按鍵、文本框組成，能提高用戶與故障智能化診斷平臺的交互效率，保證實際診斷效果。構(gòu)建的智能化電路軟故障診斷平臺使用仿真軟件結(jié)合技術(shù)設(shè)計內(nèi)部核心PSPICE 故障智能診斷模塊，其可以使用PAPICE 實時進行故障樣本分析，定期進行故障訓(xùn)練，提高故障診斷的效率，該電路軟故障智能診斷平臺的開發(fā)過程如圖4 所示。

圖4 電路軟故障智能診斷 平臺開發(fā)

由圖4 可知，本文設(shè)計的電路軟故障智能診斷平臺可以明確電路軟故障的診斷需求，再根據(jù)診斷需求制定智能化電路軟故障診斷方案。

用戶界面外觀對故障診斷效果有重要影響，因此，本文設(shè)計的電路軟故障診斷平臺使用GUIDE 完成界面設(shè)計，編排合理的故障診斷界面，再使用回調(diào)函數(shù)進行初始化。故障診斷平臺內(nèi)部每個控件都有相應(yīng)的屬性，可以使用響應(yīng)函數(shù)不斷進行功能測試，保證軟故障診斷平臺的診斷效果。

設(shè)計的電路軟故障診斷平臺主要包括幾個功能模塊，界面服務(wù)模塊可以對使用者進行提示，降低用戶使用難度；特征提取模塊可以讀取數(shù)據(jù)特征，進行數(shù)據(jù)特征編程，對樣本數(shù)據(jù)進行WPT 分析，得到樣本的能量頻域特征；模型訓(xùn)練模塊可以進行特征加權(quán)融合，處理樣本特征數(shù)據(jù)，再將特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入到分類模型中得到診斷結(jié)果，從而完成電力電子電路軟故障診斷。

2 實驗

為了驗證本文設(shè)計的電路軟故障VMD 診斷方法的診斷效果，本文搭建了故障診斷檢測平臺，將其與常規(guī)的電力電子電路軟故障診斷方法對比，進行實驗。

2.1 實驗準備

在開始實驗前，首先需要設(shè)置電力電子電路的故障模式，本文選取CN79000 作為控制芯片進行實驗，該控制芯片可以模擬電路軟故障發(fā)生時內(nèi)部故障回路的狀態(tài)，控制回路內(nèi)部的故障電壓，符合本實驗的故障診斷需求，該控制芯片的參數(shù)如表1 所示。

表1 控制芯片參數(shù)

根據(jù)表1 的控制芯片參數(shù)，可以設(shè)置合理的電路故障方案，選取DC 電路設(shè)置10 組不同類型的電路軟故障，調(diào)整電路中的電壓衰退參數(shù)，劃分故障權(quán)重占比，設(shè)置的故障模式及其組成權(quán)重如表2 所示。

表2 故障模式及組成權(quán)重

由表2 可知，上述故障模式符合本實驗的診斷需求，各個故障存在電容退化作用，根據(jù)設(shè)置的軟故障模式可以搭建故障診斷平臺，其組成如圖5所示。

由圖5可知，該故障診斷平臺由示波器、實驗Boost 電路、分壓電阻、數(shù)據(jù)采集卡、故障設(shè)置模塊共同組成，檢測核心為Boost電路，該電路針對實驗需求隨機設(shè)定故障診斷參數(shù)，并根據(jù)故障模式及組成權(quán)重校核電容退化標準值，該電路的核心組成部分原理圖如圖6 所示。

圖5 故障診斷平臺

圖6 Boost 核心電路組成原理圖

根據(jù)圖6 的核心電路組成，可以進一步設(shè)定電容故障模式，如表3 所示。

表3 電容故障模式

由表3 可知，設(shè)置的電容故障模式的退化程度與規(guī)劃的故障類別相擬合，滿足實驗需求，在實驗的全過程均需要采集大量的電子電路軟故障數(shù)據(jù)，因此本文選取PCI8335A 數(shù)據(jù)采集芯片作為核心采集裝置完成故障數(shù)據(jù)的采集和處理。

經(jīng)過多次分析發(fā)現(xiàn)，各個測點的電壓受測點放置位置影響，可能產(chǎn)生實驗誤差，因此，為了提高實驗的準確性，本文布置多個中心測點，并保證每個測點的采樣次數(shù)相同，且進行多次采樣，保證電路的故障狀態(tài)。全部故障設(shè)置完畢后，還需要根據(jù)VMD 分解原則，選擇合適的判別因子，假設(shè)故障診斷分解層共有7 層，則每一層都含有相應(yīng)的故障分量，此時的故障組成十分復(fù)雜，難以進行分析，因此需要將分解后的故障因子進行重構(gòu)，提取相應(yīng)的故障特征，劃分合理的故障參數(shù)，完成故障分解，最大程度上提高故障診斷試驗的有效性，保證實驗結(jié)果的權(quán)威性。

2.2 實驗結(jié)果

結(jié)合上述的實驗準備，可以進行電力電子電路故障診斷實驗，即分別使用本文設(shè)計的電路軟故障VMD 診斷方法和常規(guī)的電力電子電路軟故障診斷方法進行實驗，使用PCO8335A 數(shù)據(jù)采集芯片采集兩種方法診斷的電路故障電壓，并將其與實際電路故障電壓對比，實驗結(jié)果如表4 所示。

表4 實驗結(jié)果

由表4 可知，本文設(shè)計的電路軟故障VMD 診斷方法診斷的故障電壓與實際電路軟故障電壓差值較小，而常規(guī)的電路軟故障診斷方法診斷的電路故障電壓與實際電路軟故障電壓相差較大，證明本文設(shè)計的電路軟故障診斷方法的診斷效果更好，診斷精度更高，具有有效性，有一定的應(yīng)用價值。

3 結(jié)束語

綜上所述，電力電子電路是一種高效率、低損耗的轉(zhuǎn)換型電路，在工業(yè)生產(chǎn)的各個方面都得到了廣泛的應(yīng)用，受其特殊的緩變性影響，常規(guī)的電力電子電路軟故障診斷方法難以有效地診斷內(nèi)部故障電壓，因此本文設(shè)計了一種新的電路軟故障VMD 診斷方法。進行實驗，結(jié)果表明，設(shè)計的電路軟故障VMD 診斷方法診斷的電路故障電壓與實際電路軟故障電壓相差較小，診斷效果更好，具有有效性，有一定的應(yīng)用價值，可以作為電力電子電路后續(xù)維護的參考。