專利名稱：一種dc-dc電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測的方法，特別涉及一種利用統(tǒng)計學理論來評估DC-DC電源系統(tǒng)健康狀況的方法。
背景技術：
近年來，DC-DC電源作為一種新式電源憑借其體積小、重量輕、效率高等特點在生產(chǎn)和生活中的應用日益廣泛。所以，由于DC-DC電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障所帶來的損失也與日俱增，但是由于沒有統(tǒng)一的故障模型、存在元器件容差和非線性等因素，采用常規(guī)或傳統(tǒng)的故障診斷理論和方法難以解決它的故障診斷和故障預測問題。
目前對于DC-DC電源系統(tǒng)進行故障分析的方法較多，如DC-DC電源系統(tǒng)中關鍵器件建模分析，故障樹分析等，這些方法大多采用邏輯分析的方法，分析事件之間的因果關系，特點是直觀、明了，思路清晰，邏輯性強，可以做定性分析，也可以做定量分析。但是這些方法也具有無法清楚分析故障機理，構造故障樹的難度較大等缺點；并且由于事件之間的因果關系并不是簡單的肯定或否定關系(I或O)，因此，根據(jù)故障樹進行分析容易發(fā)生遺漏。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法，其克服了上述現(xiàn)有技術中存在的問題。該方法可以實時基于對DC-DC電源系統(tǒng)的輸出電壓的變化趨勢來監(jiān)測DC-DC電源系統(tǒng)的故障和預測DC-DC電源系統(tǒng)將要發(fā)生的故障。該方法實施簡便，故障報警率高，故障誤報率低而且不改變DC-DC電源系統(tǒng)原有的拓撲結構。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采取的技術方案為一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法，該方法包括如下步驟(I)結合DC-DC電源系統(tǒng)的電氣特性，基于對DC-DC電源系統(tǒng)的輸出電壓的監(jiān)測和分析，分別給出DC-DC電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時和將要出現(xiàn)故障時的判定標準；(2)在DC-DC電源系統(tǒng)啟動后，在其輸出電壓達到平穩(wěn)狀態(tài)時開始監(jiān)測該輸出電壓，并基于所述判定標準監(jiān)測故障或預測故障。特別地，在上述步驟⑴中，定義DC-DC電源系統(tǒng)標準輸出電壓的±1%做為±1σ界，±5%做為±2 σ界，±10%做為±3 σ界。進一步地，在上述步驟(2)中，當輸出電壓越過±3σ界后，啟動故障判定程序，開始實時計算DC-DC電源系統(tǒng)輸出電壓的斜率變化，進行故障計數(shù)，并根據(jù)以下三種情況分別做出處理①若DC-DC電源系統(tǒng)輸出電壓越過±3 σ界的次數(shù)少于3個判定時鐘周期，并在3個判定時鐘周期內(nèi)回到±3σ界內(nèi)，則判定此時DC-DC電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障愈合狀態(tài)，這種狀態(tài)只進行記錄，但不進行報警若該斜率在連續(xù)上升或下降1-2個判定時鐘周期后變?yōu)榱?，但卻未回到±3σ界內(nèi)，則判定為嚴重故障狀態(tài)，進行報警；③若此斜率連續(xù)三次全為正數(shù)或全為負數(shù)，則表明DC-DC電源系統(tǒng)輸出電壓在超過±3σ界后呈現(xiàn)連續(xù)上升或下降趨勢，則判定為致命故障狀態(tài)，進行報警。進一步地，在上述步驟(2)中，在輸出電壓達到平穩(wěn)狀態(tài)時開始記錄該輸出電壓，選擇適當?shù)狞c數(shù)m,每m個點做一次平均值計算,并記錄其平均值結果η,將η值與以下六種情況進行對照，如果相符合，則判定DC-DC電源系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)異常，這六種情況分別為①η值中有一個點超出±3σ ;②在±3σ范圍內(nèi)，連續(xù)6個η值出現(xiàn)連續(xù)上升或連續(xù)下降連續(xù)的3個η值中，至少有2個落在+2 σ和+3ο之間或在-2 ο和-3 σ之間；ι 連續(xù)7個η值中至少有3個落在+2 σ和+3 σ之間或在-2 σ和-3 σ之間；⑤連續(xù)15個η值集中在±1σ范圍內(nèi)；⑥連續(xù)11個η值中至少有10個在中心線的同一側；當DC-DC電源系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)三種以上的異常情況時，則預測DC-DC電源系統(tǒng)將要出現(xiàn)故障。上述方法中，DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測的方法可以實時判定DC-DC電源系統(tǒng)發(fā)生的故障，并在三個判定時鐘周期內(nèi)給出DC-DC電源系統(tǒng)故障狀態(tài)，報警迅速，可在DC-DC電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時對DC-DC電源系統(tǒng)本身和其負載起到良好的保護作用。DC-DC電源系統(tǒng)故障預測方法則是結合數(shù)理統(tǒng)計的方法，通過對DC-DC電源系統(tǒng)的輸出電壓分析和評估，預測DC-DC電源系統(tǒng)將要出現(xiàn)的故障。


圖I是本發(fā)明所述的一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法中愈合情況示意圖。圖2是本發(fā)明所述的一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法中越界后呈連續(xù)上升故障模式示意圖。圖3是本發(fā)明所述的一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法中越界后呈平衡故障模式示意圖。圖4是本發(fā)明所述的一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法中第一種異常規(guī)則示意圖。圖5是本發(fā)明所述的一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法中第二種異常規(guī)則示意圖。圖6是本發(fā)明所述的一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法中第三種異常規(guī)則示意圖。圖7是本發(fā)明所述的一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法中第四種異常規(guī)則示意圖。圖8是本發(fā)明所述的一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法中第五種異常規(guī)則示意圖。圖9是本發(fā)明所述的一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法中第六種異常規(guī)則示意圖。圖10是本發(fā)明所述的一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法中故障監(jiān)測方法 流程圖。圖11是本發(fā)明所述的一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法中故障預測方法流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發(fā)明。圖I至圖9中，X為DC-DC電源系統(tǒng)的標準輸出，UCL和LCL分別為判定是否越過±3 σ界的控制上界和控制下界，A區(qū)域范圍為-3 σ和-2 σ之間或+2 σ和+3 σ之間，B區(qū)域范圍為-2 σ和-I σ之間或I σ和2 σ之間，C區(qū)域范圍為_1 σ和O之間或在O和+Io之間。當DC-DC電源系統(tǒng)運行在平穩(wěn)狀態(tài)下時，可以根據(jù)其輸出電壓的±1%、±5%和±10%分別計算出±1σ、±2 σ和±3σ界，為DC-DC電源系統(tǒng)故障的監(jiān)測和預測提供判定依據(jù)。圖I、圖2和圖3是DC-DC電源系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)故障的監(jiān)測的具體實施方式
。圖I所示情況為DC-DC電源系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的愈合狀態(tài)，即在DC-DC電源系統(tǒng)運行過程中，輸出電壓出現(xiàn)一次超過±3σ界后再回到規(guī)定輸出電壓值范圍。這種情況下只進行記錄，并不進行故障報警。圖2、圖3所示為DC-DC電源系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的兩種故障模式①輸出電壓越過±3σ界后呈連續(xù)上升模式(參見圖2) 輸出電壓越過±3σ界后保持在平衡狀態(tài)(參見圖3)。當出現(xiàn)這兩種故障模式時，會對DC-DC電源系統(tǒng)和負載設備造成致命破壞，這種情況下應當輸出報警信號，并對DC-DC電源系統(tǒng)做出相應措施。圖4、圖5、圖6、圖7、圖8和圖9為DC-DC電源系統(tǒng)在運行過程中可能會出現(xiàn)的異常情況，根據(jù)這些異常情況可以預測DC-DC電源系統(tǒng)將要出現(xiàn)的故障。在異常情況發(fā)生時，并不實施報警，只是記錄下該情況。當以下所述六種情況中的三種以上同時發(fā)生時，則預測該DC-DC電源系統(tǒng)將要發(fā)生故障，并給出預警信號。下面分別說明這六種情況。圖4所示為DC-DC電源系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的第一種異常模式一個特征點落在A區(qū)外，出現(xiàn)這種情況的顯著水平為O. 27%，其為異常的概率為99. 73%，所以判為異常。圖5所示為DC-DC電源系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的第二種異常模式連續(xù)6個或更多個特征點呈上升或下降趨勢，說明被測系統(tǒng)參數(shù)在緩慢漂移，系統(tǒng)發(fā)生緩變型故障，此時系統(tǒng)的顯著水平為O. 27%，系統(tǒng)出現(xiàn)異常的概率為99. 73%，所以判為異常。圖6所示為DC-DC電源系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的第三種異常模式連續(xù)3點中至少有2點落在-3 σ和-2σ之間或+2σ和+3 σ之間的控制界限之內(nèi)，表明系統(tǒng)可能受到了異常因素的影響，工作不穩(wěn)定，此時，其顯著水平為O. 53%，即發(fā)生異常的概率為99. 47%,所以判為異常。圖7所示為DC-DC電源系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的第四種異常模式連續(xù)7點中至少有3點落在-3 σ和-2σ之間或+2σ和+3 σ之間控制界限之內(nèi)，此時，顯著水平為
O.24%，如果出現(xiàn)這樣的數(shù)據(jù)，其為異常的概率為99. 76%，所以判為異常。圖8所示為DC-DC電源系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的第五種異常模式特征點距離中心線在±1倍標準差± (I O )以內(nèi)，連續(xù)15點集中在中心線附近，此時顯著水平為O. 33%，如果出現(xiàn)此種數(shù)據(jù)，系統(tǒng)異常的概率為99，67%。所以判為異常。
圖9所示為DC-DC電源系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的第六種異常模式連續(xù)11個特征點中至少有10個特征點在中心線的同一側，此時顯著水平為I. 14%，如果出現(xiàn)這種情況，系統(tǒng)異常的概率為98. 86%，所以判為異常。圖10所示為DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測方法流程圖具體實施方法如下當DC-DC
,AU U0-U1
電源系統(tǒng)輸出電壓越過±3σ界時故障計數(shù)器開始計數(shù)，并通過斜率(^ = —=>
\ι I
其中U為輸出電壓，t為時間)來判定DC-DC電源系統(tǒng)的輸出電壓的趨勢，若輸出電壓越界次數(shù)不連續(xù)超過3個判定時鐘周期后回到(-3σ，3σ)范圍內(nèi)，則判定為愈合狀態(tài)，對該狀態(tài)進行記錄；若輸出電壓在超過±3 σ界后在三個判定時鐘周期(例如可以以采集芯片的采集周期，或周期的整數(shù)倍做為判定時鐘)內(nèi)呈現(xiàn)連續(xù)上升趨勢，即k > O或k < 0，則 DC-DC電源系統(tǒng)出現(xiàn)致命故障，應進行故障報警，并采取相應保護措施；若輸出電壓在越過±3 σ界后在三個判定時鐘周期呈平穩(wěn)電壓趨勢，即k = 0，則判定為嚴重故障，應進行故障報警，并采取相應保護措施。圖11所示為DC-DC電源系統(tǒng)故障預測方法流程圖，具體實施方法如下在DC-DC電源系統(tǒng)運行過程中，實時采集并分析DC-DC電源系統(tǒng)的輸出電壓vo并將其存貯到一個適當位長m(例如m = 1000)的隊列中，當該隊列隊滿時,則計算這m個數(shù)的平均值η,并將結果保存，根據(jù)上面計算所得出的結果去動態(tài)匹配圖4、圖5、圖6、圖7、圖8和圖9所描述的六種情況，如果同時出現(xiàn)三種以上的情況時，則預測DC-DC電源系統(tǒng)將要出現(xiàn)故障，并進行故障預警。這六種情況分別為①η值中有一個點超出±3σ ;②在±3σ范圍內(nèi)，連續(xù)6個η值出現(xiàn)連續(xù)上升或連續(xù)下降；③連續(xù)的3個η值中，至少有2個落在+2 σ和+3 σ之間或在-2 σ和-3 σ之間；④連續(xù)7個η值中至少有3個落在+2 σ和+3 σ之間或在_2 σ和-3 σ之間；⑤連續(xù)15個η值集中在±1 σ范圍內(nèi)；⑥連續(xù)11個η值中至少有10個在中心線的同一側。本發(fā)明不只限定于上述的實施方式，而是可以在不脫離權利要求限定的范圍內(nèi)具
有許多變形。
權利要求
1.一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法， 該方法包括如下步驟 (I)結合DC-DC電源系統(tǒng)的電氣特性，基于對DC-DC電源系統(tǒng)的輸出電壓的監(jiān)測和分析，分別給出DC-DC電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時和將要出現(xiàn)故障時的判定標準；(2)在DC-DC電源系統(tǒng)啟動后，在其輸出電壓達到平穩(wěn)狀態(tài)時開始監(jiān)測該輸出電壓，并基于所述判定標準監(jiān)測故障或預測故障。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于在上述步驟(I)中，定義DC-DC電源系統(tǒng)標準輸出電壓的±1%做為±1σ界，±5%做為±2 σ界，±10%做為±3σ界。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于在上述步驟(2)中，當輸出電壓越過±3σ界后，啟動故障判定程序，開始實時計算DC-DC電源系統(tǒng)輸出電壓的斜率變化，進行故障計數(shù)，并根據(jù)以下三種情況分別做出處理①若DC-DC電源系統(tǒng)輸出電壓越過±3 σ界的次數(shù)少于3個判定時鐘周期，并在3個判定時鐘周期內(nèi)回到±3 σ界內(nèi)，則判定此時DC-DC電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障愈合狀態(tài)，這種狀態(tài)只進行記錄，但不進行報警若該斜率在連續(xù)上升或下降1-2個判定時鐘周期后變?yōu)榱?，但卻未回到±3 σ界內(nèi)，則判定為嚴重故障狀態(tài)，進行報警；③若此斜率連續(xù)三次全為正數(shù)或全為負數(shù)，則表明DC-DC電源系統(tǒng)輸出電壓在超過±3σ界后呈現(xiàn)連續(xù)上升或下降趨勢，則判定為致命故障狀態(tài)，進行報警。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的方法，其特征在于在上述步驟(2)中，在輸出電壓達到平穩(wěn)狀態(tài)時開始記錄該輸出電壓，選擇適當?shù)狞c數(shù)m，每m個點做一次平均值計算，并記錄其平均值結果n，將η值與以下六種情況進行對照，如果相符合，則判定DC-DC電源系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)異常，這六種情況分別為①η值中有一個點超出±3 σ ;②在±3σ范圍內(nèi)，連續(xù)6個η值出現(xiàn)連續(xù)上升或連續(xù)下降連續(xù)的3個η值中，至少有2個落在+2 σ和+3 σ之間或在-2 σ和-3 σ之間；④連續(xù)7個η值中至少有3個落在+2 σ和+3 σ之間或在-2 σ和-3 σ之間；⑤連續(xù)15個η值集中在±1σ范圍內(nèi)；⑥連續(xù)11個η值中至少有10個在中心線的同一側；當DC-DC電源系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)三種以上的異常情況時，則預測DC-DC電源系統(tǒng)將要出現(xiàn)故障。
全文摘要
一種DC-DC電源系統(tǒng)故障監(jiān)測與預測方法，該方法包括如下步驟(1)結合DC-DC電源系統(tǒng)的電氣特性，基于對DC-DC電源系統(tǒng)的輸出電壓的監(jiān)測和分析，分別給出DC-DC電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時和將要出現(xiàn)故障時的判定標準；(2)在DC-DC電源系統(tǒng)啟動后，在其輸出電壓達到平穩(wěn)狀態(tài)時開始監(jiān)測該輸出電壓，并基于所述判定標準監(jiān)測故障或預測故障。該方法可以實時判定DC-DC電源系統(tǒng)發(fā)生的故障，并在三個判定時鐘周期內(nèi)給出DC-DC電源系統(tǒng)故障狀態(tài)，報警迅速，可在DC-DC電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時對DC-DC電源系統(tǒng)本身和其負載起到良好的保護作用。
文檔編號G01R31/40GK102621502SQ20121008808
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權日2012年3月29日
發(fā)明者關永, 吳立鋒, 周松文, 潘巍, 王國輝 申請人:首都師范大學