一種基于鍵合圖的電力電子系統(tǒng)故障診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于鍵合圖的電力電子系統(tǒng)故障診斷方法，該方法包括以下步驟：(1)以標準鍵合圖元件可調(diào)制變換器MTF和阻性元件R組合構建固定因果關系的開關鍵合圖元件；(2)建立電力電子系統(tǒng)行為鍵合圖模型，仿真系統(tǒng)正常和故障時的運行狀態(tài)；(3)建立模型中結(jié)構獨立的全局解析冗余關系，獲得電路故障特征矩陣和系統(tǒng)運行時殘差集合，與故障特征矩陣比對，確定系統(tǒng)健康狀態(tài)和定位故障元件。本發(fā)明提出的鍵合圖建模與故障診斷方法可對機電等多能量域系統(tǒng)進行統(tǒng)一建模和故障診斷，解決了傳統(tǒng)對不同能量域分別建模再融合易出錯的問題，為基于模型方法進行多能量域系統(tǒng)建模和故障診斷提供了基于鍵合圖方法的解決方案。
【專利說明】—種基于鍵合圖的電力電子系統(tǒng)故障診斷方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于鍵合圖的電力電子系統(tǒng)在線故障診斷方法，屬于電路故障診斷領域。
【背景技術】
[0002]包含控制、驅(qū)動電路和電機的電力電子系統(tǒng)，在設備中通常作為執(zhí)行機構出現(xiàn)，其對整個系統(tǒng)的可靠性有著決定性影響。電力電子系統(tǒng)在線故障診斷和定位技術，可以在不影響設備運行和在最短的停機時間內(nèi)排除和解決故障。因此研究電力電子系統(tǒng)的故障診斷，對提高設備的可靠性有著極其重要的意義。
[0003]鍵合圖法是實現(xiàn)多能量域復雜系統(tǒng)動態(tài)分析建模和仿真的重要工具，其以能量守恒定律為依據(jù)，由一些基本元件以一定的連結(jié)方式，用規(guī)定的符號來表示系統(tǒng)功率的傳輸、儲存、耗散等，可直觀統(tǒng)一地表示不同能量域系統(tǒng)的動態(tài)性能。目前，對多能量域共存系統(tǒng)建模和故障診斷，一般都是采用分別建立某一種能量域系統(tǒng)數(shù)學模型模，然后將各能量域系統(tǒng)模型進行復雜的數(shù)學融合，這一過程復雜且易出錯。鍵合圖方法在多能量域系統(tǒng)統(tǒng)一建模方面有先天的優(yōu)勢，可以很好的解決機、電、液、化等多能量域系統(tǒng)的統(tǒng)建模問題。但目前標準鍵合圖元件庫中沒有開關等非線性元件，因此鍵合圖方法在電力電子系統(tǒng)等混雜系統(tǒng)中建模和故障診斷的應用受到了限制。
[0004]基于鍵合圖方法進行故障診斷是利用模型中各結(jié)構獨立的節(jié)點，利用物理系統(tǒng)的結(jié)構分析，通過消除被診斷對象的未知變量，得到僅有已知參數(shù)和可測量信號組成的解析冗余關系，獲得故障特征矩陣和殘差集合來檢測和定位對象故障。電力電子系統(tǒng)是離散事件和連續(xù)動態(tài)系統(tǒng)相互作用的混雜系統(tǒng)，運用傳統(tǒng)的解析冗余關系進行故障診斷，需要根據(jù)電路開關的每一種模式分別分析。以典型的三相逆變電路為例，在不加約束的情形下，采用傳統(tǒng)的解析冗余關系進行電路故障診斷，需要分析電路26種情形的解析冗余關系；加上同相開關不可同時導通，且至少有一個導通的約束條件，也需要分析電路23種情形的解析冗余關系?？梢?，傳統(tǒng)的解析冗余關系在開關電路故障診斷中受到了極大的約束。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服鍵合圖和解析冗余關系在電力電子系統(tǒng)建模和故障診斷中存在的問題，采用可調(diào)制變換器MTF和阻性元件R組合的方式，構建非理想的開關鍵合圖元件，利用全局解析冗余關系進行電力電子系統(tǒng)故障診斷。
[0006]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的電力電子系統(tǒng)鍵合圖建模和故障診斷方法，包括以下步驟:
[0007]1.電力電子系統(tǒng)鍵合圖建模
[0008]鍵合圖建模方法最早運用于連續(xù)系統(tǒng)中，因此在連續(xù)系統(tǒng)中的研究和應用較多。為了將這種能針對多能量域系統(tǒng)統(tǒng)一建模方法運用于混雜系統(tǒng)，即離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)共存的系統(tǒng)，構建新的開關鍵合圖元件是首先需要解決的問題。因此，電力電子系統(tǒng)鍵合圖建模的主要步驟如下:
[0009]步驟1:構建開關鍵合圖元件，本發(fā)明采用可調(diào)制變換器MTF和開關等效導通電阻[Ron組合的方法實現(xiàn)開關鍵合圖元件建模。此方法不需要增加非標準鍵合圖元件，因果關系固定，仿真過程中系統(tǒng)狀態(tài)因果關系不變，不會出現(xiàn)因因果關系再分配導致因果關系沖突和代數(shù)環(huán)問題，可以有效的提高系統(tǒng)鍵合圖模型的穩(wěn)定性和仿真效率
[0010]步驟2:建立電力電子系統(tǒng)無因果鍵合圖模型，電路的基本元件均有相應鍵合圖元件與之對應，利用O-結(jié)、1-結(jié)和步驟I)中構建的開關鍵合圖元件可以方便的將電路圖轉(zhuǎn)化為無因果混雜鍵合圖模型。對于簡單的電路系統(tǒng)，可直接利用觀察法建立無因果鍵合圖模型；對于較復雜電路，則需要利用結(jié)點法建立無因果鍵合圖模型。
[0011]步驟3:電力電子系統(tǒng)無因果鍵合圖模型因果關系分配，電路鍵合圖模型因果關系分配和連續(xù)系統(tǒng)因果關系分配程序相似，僅有著細微的不同，即首先考慮開關鍵合圖元件的因果關系。
[0012]2.故障診斷方法
[0013]故障診斷方法起始于硬件冗余方法，但是由于這種方法需要的測試設備很多、過程復雜難以進行，所以解析冗余方法逐漸進入研究范圍，由美國學者R.V.Beard于1971年在其論文中正式提出。由于電力電子系統(tǒng)是典型的多離散狀態(tài)和連續(xù)狀態(tài)的混雜系統(tǒng)，存在多種開關模式，傳統(tǒng)的解析冗余關系只能針對某一種離散狀態(tài)進行解析冗余關系分析。對于電力電子系統(tǒng)的解析冗余關系分析則需要根據(jù)不同的開關模式分別推導其解析冗余關系，分析復雜易出錯，所以本發(fā)明采用增加開關變量來統(tǒng)一表述電路的全局解析冗余關系O
[0014]通過全局解析冗余關系進行電力電子系統(tǒng)故障診斷的步驟如下:
[0015]步驟1:推導電力電子系統(tǒng)鍵合圖模型的全局解析冗余關系，以模型中所有的0/1-結(jié)點為對象，推導電路全局解析冗余關系式，保留電路中結(jié)構相互獨立的全局解析冗余關系式，其個數(shù)和模型中包含的傳感器個數(shù)一致。
[0016]步驟2:將模型參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)代入全局解析冗余關系式中，確定電路殘差集合和一致性向量。
[0017]步驟3:根據(jù)步驟I中的解析冗余關系式和步驟2中的殘差集合確定電路故障特征矩陣，判斷電路的可診斷性和可定位性。
[0018]將模型中采集的數(shù)據(jù)帶入解析冗余關系式中，獲得殘差集合和殘差一致性向量，結(jié)合故障特征矩陣可診斷電路中元件的健康狀態(tài)。對于故障可定位元件，通過殘差集合可直接定位出元件位置；不可定位元件，亦可通過故障特征矩陣縮小可能故障元件的范圍，縮短診斷時間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是固定因果關系的開關鍵合圖元件
[0020]圖2是基于鍵合圖的電力電子系統(tǒng)故障診斷框圖
[0021]圖3是基于解析冗余關系的電力電子系統(tǒng)故障診斷流程框圖
【具體實施方式】[0022]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進一步的詳細闡述。
[0023]本發(fā)明是一種基于鍵合圖的電力電子系統(tǒng)故障診斷方法，是基于模型的故障診斷方法。首先建立電力電子系統(tǒng)鍵合圖模型，然后利用全局解析冗余關系進行電力電子系統(tǒng)故障診斷。本發(fā)明主要由兩部分組成，即電力電子系統(tǒng)建模和故障診斷方法。
[0024]基于鍵合圖模型的電力電子系統(tǒng)故障診斷方法，包括以下步驟:
[0025]1.電力電子系統(tǒng)鍵合圖建模
[0026]鍵合圖建模方法最早運用于連續(xù)系統(tǒng)中，因此在連續(xù)系統(tǒng)中的研究和應用較多。為了將這種針對多能量域系統(tǒng)統(tǒng)一建模方法運用于混雜系統(tǒng)，即離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)共存的系統(tǒng)，構建新的開關鍵合圖元件是首先需要解決的問題。因此，電力電子系統(tǒng)鍵合圖建模的主要步驟如下:
[0027]I)構建開關鍵合圖元件，本發(fā)明采用可調(diào)制變換器MTF和開關等效導通電阻1--組合的方法實現(xiàn)開關鍵合圖元件建模。
[0028]MTF是一個理想的可調(diào)制變換器，表示功率在兩個端口之間的流動以及勢變量與流變量的數(shù)量關系(變換比)。變換比可以通過外部信號的控制設置，可以是恒定的也可以是連續(xù)變化的?；贛TF-Rm組合的開關鍵合圖模型如圖1所示，圖1 (a)中m為開關的控制變量，為布爾值，O和I狀態(tài)分別表示開關處于斷開和閉合狀態(tài)。開關鍵合圖的建模方法是對開關的非理想建模，考慮開關等效串聯(lián)電阻Rm，其另一個優(yōu)勢是開關的因果關系可被固定。為了在開關鍵合圖的端口處獲得時不變因果關系，開關鍵合圖元件始終固定為阻抗因果關系(Conductance Causality)。為使鍵合圖模型更加簡潔,使用層次建模，因此開關鍵合圖元件可簡化為圖1( b)所示的一通口形式，通口處勢變量e和流變量f的特性方程為fi = (l/Ron) HP^e1。
[0029]此方法不需要增加非標準鍵合圖元件，因果關系固定，仿真過程中系統(tǒng)狀態(tài)因果關系不變，不會出現(xiàn)因因果關系再分配而導致因果關系沖突和代數(shù)環(huán)問題，可以有效的提高系統(tǒng)鍵合圖模型的穩(wěn)定性和仿真效率。
[0030]2)建立電力電子系統(tǒng)無因果鍵合圖模型，電路的基本元件均有相應的鍵合圖元件與之對應，利用O-結(jié)、1-結(jié)和步驟I中構建的開關鍵合圖元件可以方便的將電路圖轉(zhuǎn)化為無因果混雜鍵合圖模型。對于簡單的電路系統(tǒng)，可直接利用觀察法建立無因果混雜鍵合圖模型；對于較復雜電路，則需要利用結(jié)點法建立無因果混雜鍵合圖模型。
[0031]鍵合圖結(jié)點法建模步驟如下:
[0032]步驟1:在電路中每個并聯(lián)結(jié)點處建立O-結(jié)，電路接地點為零電位點，在鍵合圖模型中不放置O-結(jié)。
[0033]步驟2:在源元件和O-結(jié)之間建立一個1-結(jié)，1-結(jié)連接串聯(lián)支路上的所有元件，其中開關鍵合圖元件SW在建模過程中，視為普通的鍵合圖元件處理。
[0034]步驟3:按照功率方向標注原則標注功率流向。
[0035]步驟4:進行鍵合圖模型結(jié)構簡化，包括節(jié)型結(jié)構簡化、環(huán)狀結(jié)構簡化、二通口元件結(jié)構簡化和一通口元件合并等。
[0036]3)電力電子系統(tǒng)無因果鍵合圖模型因果關系分配，混雜系統(tǒng)鍵合圖模型因果關系分配和連續(xù)系統(tǒng)因果關系分配程序相似，僅有著細微的不同，即首先考慮開關鍵合圖元件的因果關系?；祀s系統(tǒng)鍵合圖模型因果關系分配主要步驟如下:[0037]步驟1:選擇任意開關鍵合圖元件SW，固定其因果關系如圖1 (b)所示。
[0038]步驟2:重復上一步驟，直到模型中所有開關鍵合圖無件都分配了因果關系。
[0039]步驟3:選擇任一源元件，確定其因果關系，并按0/1-結(jié)、TF和GY的因果關系進行擴展，直到模型中所有源元件都分配了因果關系。
[0040]步驟4:選擇儲能元件C或I，指定優(yōu)先積分因果關系，并按0/1-結(jié)、TF和GY的因果關系進行擴展，直到模型中所有儲能元件都分配了優(yōu)先的因果關系。
[0041]步驟5:選擇未指定因果關系的阻性元件，指定因果關系，并根據(jù)鍵合圖元件因果關系擴展。
[0042]根據(jù)上述步驟，可正確的繪制電力電子系統(tǒng)的鍵合圖模型。同時，也可以借助市場目前已經(jīng)開發(fā)成功的鍵合圖應用平臺，快速建立電力電子系統(tǒng)鍵合圖模型。
[0043]2.故障診斷方法
[0044]故障診斷方法起始于硬件冗余方法，但是由于這種方法需要的測試設備很多、過程復雜難以進行，所以解析冗余方法逐漸進入研究范圍。目前，基于解析冗余方法的故障檢測及診斷技術得到了廣泛關注，但是電力電子系統(tǒng)是典型的多離散狀態(tài)和連續(xù)狀態(tài)的混雜系統(tǒng)，存在多種開關模式，傳統(tǒng)的解析冗余關系只能針對某一種離散狀態(tài)進行解析冗余關系分析。對電力電子系統(tǒng)進行解析冗余關系分析，需要根據(jù)不同的開關模式分別推導其解析冗余關系，分析復雜易出錯，所以本發(fā)明采用增加開關變量來統(tǒng)一表述電路的全局解析幾余關系。
[0045]基于鍵合圖模型和全局解析冗余關系的電力電子系統(tǒng)故障診斷，是指基于鍵合圖方法對電力電子系統(tǒng)進行系統(tǒng)建模，獲得電路混雜鍵合圖行為模型，結(jié)合系統(tǒng)行為模型和測量信號進行系統(tǒng)健康狀態(tài)的 分析，其故障診斷框架如圖2所示。框架主要有實際電力電子系統(tǒng)、開關模式跟蹤、系統(tǒng)行為鍵合圖模型、全局解析冗余關系、故障檢測、故障隔離和故障參數(shù)估計等結(jié)構組成，其中系統(tǒng)行為鍵合圖模型模擬系統(tǒng)的運行狀態(tài)，將模型參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)代入全局解析冗余關系可獲得電路殘差集合，通過殘差可進行電力電子系統(tǒng)故障診斷。
[0046]本發(fā)明進行電力電子系統(tǒng)故障診斷流程框圖如圖3所示。
[0047]I)全局解析冗余關系定義及推導
[0048]基于解析冗余關系方法故障診斷和定位是利用物理系統(tǒng)的結(jié)構分析，通過消除被診斷對象的未知變量得到僅有已知參數(shù)和可測量信號組成的表達系統(tǒng)特征的關系式，式中得到的數(shù)值估計稱為殘差，并對殘差進行分析和處理來實現(xiàn)系統(tǒng)的故障診斷。精確的系統(tǒng)模型得到的殘差和系統(tǒng)健康狀態(tài)是一一對應的，當系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時，殘差趨于零，反之則偏離零。利用解析冗余關系進行故障檢測與隔離的關鍵是建立合適的解析冗余關系。
[0049]全局解析冗余關系是在解析冗余關系的基礎上擴展得出的，適用于混雜系統(tǒng)故障檢測與隔離的一組約束關系式。根據(jù)電力電子系統(tǒng)的離散特性，在解析冗余關系的基礎上，增加開關變量α，用于描述電力電子系統(tǒng)的開關狀態(tài)。全局解析冗余關系的通式為:
[0050]
【權利要求】
1.一種基于鍵合圖的電力電子系統(tǒng)故障診斷方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)電力電子系統(tǒng)鍵合圖建模 以能量守恒定律為原則的鍵合圖方法適合于機電等多能量域共存系統(tǒng)的統(tǒng)一建模，為了將這種建模方法運用于電力電子系統(tǒng)建模，首先構建開關鍵合圖元件，并在此基礎上建立電力電子系統(tǒng)鍵合圖模型。 2)故障診斷方法 電力電子系統(tǒng)是典型的多離散狀態(tài)和連續(xù)狀態(tài)的混雜系統(tǒng)，存在多種開關模式，傳統(tǒng)的解析冗余關系只能針對某一種離散狀態(tài)進行解析冗余關系分析，因此本發(fā)明利用增加開關變量的方法統(tǒng)一表述電路的全局解析冗余關系，仿真時將模型中采集的數(shù)據(jù)帶入解析冗余關系式中，獲得殘差集合和一致性向量，結(jié)合故障特征矩陣可診斷系統(tǒng)健康狀態(tài)和定位故障元件。
2.根據(jù)權利要求1所述的電力電子系統(tǒng)鍵合圖建模方法，其特征在于，在構建開關鍵合圖元件的基礎上進行電路的建模分析，具體步驟如下: 步驟1:構建開關鍵合圖元件，采用標準鍵合圖元件可調(diào)制變換器MTF和開關等效導通電阻Rm組合的方法，構建固定因果關系的開關鍵合圖元件。 步驟2:建立電力電子系統(tǒng)無因果鍵合圖模型，電路的基本元件均有相應鍵合圖元件與之對應，利用0/1-結(jié)和步驟I中構建的開關鍵合圖元件可以方便的將電路圖轉(zhuǎn)化為無因果混雜鍵合圖模型，對于簡單的電路系統(tǒng)，直接利用觀察法建立無因果鍵合圖模型，對于較復雜電路，則需要利用結(jié)點法建立無因果鍵合圖模型。 步驟3:分配電力電子系統(tǒng)無因果鍵合圖模型因果關系，首先考慮開關鍵合圖元件的因果關系，然后按照連續(xù)系統(tǒng)因果關系分配程序分配電路鍵合圖模型因果關系。
3.根據(jù)權利要求1所述電力電子系統(tǒng)故障診斷方法，其特征在于，利用電力電子系統(tǒng)鍵合圖模型進行全局解析冗余關系分析，并將模型參數(shù)帶入全局解析冗余關系式中獲得電路殘差集合進行電路故障診斷分析，具體步驟如下: 步驟1:推導電力電子系統(tǒng)鍵合圖模型的全局解析冗余關系，以模型中所自的0/1-結(jié)點為對象，推導電路全局解析冗余關系式，保留電路中結(jié)構相互獨立的全局解析冗余關系式，其個數(shù)和模型中包含的傳感器個數(shù)一致。 步驟2:將模型參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)帶入全局解析冗余關系式中，確定電路殘差集合和一致性向量。 步驟3:根據(jù)步驟I中的解析冗余關系式和步驟2中的殘差集合確定電路故障特征矩陣，判斷電路的可診斷性和可定位性。 對于故障可定位元件，通過殘差集合可直接定位出元件位置；不可定位元件，亦可通過故障特征矩陣縮小可能故障元件的范圍，縮短診斷時間。
【文檔編號】G06F17/50GK103853889SQ201410087698
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月12日 優(yōu)先權日:2014年3月12日
【發(fā)明者】陳則王, 施龍生, 王友仁, 崔江, 謝琪 申請人:南京航空航天大學