基于小波分析的船舶同步發(fā)電機(jī)定子繞組故障在線診斷仿真研究

崔志超 阮礽忠 徐華勇 陳 甜 鄭依妹

集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門(mén) 361021

基于小波分析的船舶同步發(fā)電機(jī)定子繞組故障在線診斷仿真研究

崔志超 阮礽忠 徐華勇 陳 甜 鄭依妹

集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門(mén) 361021

應(yīng)用MATLAB／Simulink仿真軟件，對(duì)船舶同步發(fā)電機(jī)定子繞組兩種匝間短路故障進(jìn)行了建模仿真，然后運(yùn)用MATLAB小波工具箱里的小波函數(shù)對(duì)仿真的故障信號(hào)進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了故障特征提取，表明小波方法對(duì)船舶同步發(fā)電機(jī)定子繞組故障實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)并診斷是可行的，為設(shè)計(jì)船舶同步發(fā)電機(jī)定子繞組故障在線監(jiān)測(cè)診斷儀提供了理論依據(jù)。

船舶同步發(fā)電機(jī)；定子繞組；故障診斷；小波分析

1 引言

船舶同步發(fā)電機(jī)是船舶電力系統(tǒng)的核心，因此，現(xiàn)代船舶要求對(duì)船舶同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種故障，要能做到適時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)和診斷，以便及時(shí)排除故障，保證船舶電力系統(tǒng)的供電可靠性［1］。

小波分析作為數(shù)學(xué)學(xué)科的一個(gè)分支，汲取了現(xiàn)代分析學(xué)中如泛函分析、數(shù)值分析、傅氏分析等眾多分支的精華［2］，同時(shí)，其還具有時(shí)頻特性及多分辨率分析的特點(diǎn)，特別適于分析船舶同步發(fā)電機(jī)中的暫態(tài)非平穩(wěn)信號(hào)，可充分有效地提取故障信號(hào)的特征［3］。因此，本文將小波分析方法應(yīng)用到了船舶同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)部故障在線診斷中，并對(duì)其進(jìn)行了仿真研究。

2 小波分析原理

小波就是小的波形，“小”是指其具有衰減性，“波”則指它的波動(dòng)性，即振幅正負(fù)相間的振蕩形式［4］。設(shè)ψ（t）∈L2（R），當(dāng)滿(mǎn)足允許條件：

我們稱(chēng)ψ（t）為一個(gè)基小波。對(duì)于一個(gè)給定的基小波ψ（t），將其伸縮和平移后，可以得到一個(gè)小波序列，對(duì)于連續(xù)的情況，小波序列為：式中，a為伸縮因子；b為平移因子。

再設(shè)f（t）∈L2（R），則f關(guān)于函數(shù)族ψa，b（t）為積分核的連續(xù)小波變換定義為：

3 定子匝間短路故障

在船舶同步發(fā)電機(jī)故障中，定子繞組故障所占的比例相對(duì)較高，而定子匝間短路則只是常見(jiàn)的故障形式。定子匝間故障應(yīng)分為少匝數(shù)匝間短路故障和多匝數(shù)匝間短路故障兩種，前者短路環(huán)流小，同步發(fā)電機(jī)屬帶病工作；后者短路環(huán)流大，線圈極易燒毀，屬?lài)?yán)重故障［5］。多匝數(shù)匝間短路一般都是由少匝數(shù)匝間短路發(fā)展而來(lái)，所以，及時(shí)檢測(cè)、診斷出少匝數(shù)匝間短路故障并維修就可防止多匝數(shù)匝間短路故障的發(fā)生。

船舶同步發(fā)電機(jī)發(fā)生匝間短路故障后，定子繞組的對(duì)稱(chēng)性就會(huì)遭到破壞，由定子繞組產(chǎn)生的氣隙磁勢(shì)將變?yōu)闄E圓形。該橢圓形磁勢(shì)可分解為正轉(zhuǎn)分量和反轉(zhuǎn)分量，二者轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反，凸極式同步發(fā)電機(jī)的阻尼作用一般較差，負(fù)序磁場(chǎng)則可能更強(qiáng)。反轉(zhuǎn)分量可在定子繞組中感應(yīng)出交流電勢(shì)，因此，定子電流中除了主要的正序分量外，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)一定程度的負(fù)序分量，這就是主要的故障特征。少匝數(shù)故障與多匝數(shù)故障間的主要區(qū)別在于量的變化。少匝的故障量小，不易被檢測(cè)出，但它的奇異性是存在的，可用小波方法檢測(cè)出。

4 仿真實(shí)現(xiàn)

MATLAB／Simulink可以與MATLAB實(shí)現(xiàn)無(wú)縫結(jié)合，可直接使用MATLAB中的所有分析工具并對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行分析，同時(shí)，還能可視化顯示其結(jié)果［6］。

定子匝間短路屬定子內(nèi)部不對(duì)稱(chēng)故障，對(duì)同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)設(shè)置即可形成匝間短路故障。下面將以定子A相繞組發(fā)生匝間短路為例進(jìn)行分析，如圖1所示。

Simulink中提供的同步發(fā)電機(jī)模型是基于Park方程的模型，其三相參數(shù)是對(duì)稱(chēng)的，而定子繞組內(nèi)部的短路故障卻是不對(duì)稱(chēng)故障，不能應(yīng)用現(xiàn)有模型進(jìn)行仿真，因此，本文提出采用準(zhǔn)分布式發(fā)電機(jī)等效電路來(lái)近似模擬同步發(fā)電機(jī)的特性。定

根據(jù)國(guó)產(chǎn)某船用同步發(fā)電機(jī)定子繞組線圈匝數(shù)，本文選擇每相由兩個(gè)分支并聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)分支由20個(gè)基本單元電路串聯(lián)而成。

對(duì)于少匝數(shù)匝間短路故障，選擇三相中第一相第一分支的一端的第一個(gè)單元電路作為短路回路并建立仿真模型。其中，Subsystem1～5由20個(gè)基本單元電路串聯(lián)而成，而Subsystem子系統(tǒng)則由19個(gè)基本單元電路串聯(lián)組成，另一單元電路作為短路單元，這樣，便可建立仿真模型，如圖3所示。運(yùn)行仿真，可得到少匝數(shù)匝間短路故障的電流與電壓，如圖4～6所示。由圖可見(jiàn)，故障相的電壓變化并不大，而短路環(huán)流則是從無(wú)到有，但在外部無(wú)法檢測(cè)出。

對(duì)于多匝數(shù)匝間短路故障，選擇三相中第一相第一分支的一端的5個(gè)單元電路作為短路回路并建立仿真模型。其中，Subsystem1～5由20個(gè)基本單元電路串聯(lián)而成，而Subsystem子系統(tǒng)則由15個(gè)基本單元電路串聯(lián)組成，另5個(gè)單元電路組成Subsystem0，作為短路單元，這樣，便類(lèi)似于少匝數(shù)匝間短路時(shí)的情況，可建立仿真模型。運(yùn)行仿真，得到多匝數(shù)匝間短路故障的電流與電壓，如圖7～10所示。由圖可見(jiàn)，故障相的電壓明顯下降，這說(shuō)明多匝數(shù)匝間短路故障的外特征較明顯。

對(duì)比以上仿真結(jié)果圖可看出，少匝數(shù)故障與多匝數(shù)故障的短路相電壓波形區(qū)別較大，而正常相的電壓波形則基本一樣。少匝數(shù)故障與多匝數(shù)故障的短路相電流波形區(qū)別很大，多匝數(shù)故障的短路相電流要比少匝數(shù)故障大得多，這說(shuō)明仿真結(jié)果與實(shí)際分析結(jié)果基本一致。需指出的是，圖的后段波形是仿真計(jì)算不收斂引起的。

Daubechies（db）小波函數(shù)是一有限緊支集正交小波基。研究表明，對(duì)于給定的具有N階消失矩的正交小波基，低級(jí)小波分解的精細(xì)不夠，識(shí)別時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，而消失矩階數(shù)越高，小波基的分辨率也越高。但隨著階數(shù)的增加，受噪聲程度的影響，在db函數(shù)支撐長(zhǎng)度相差不大時(shí)，識(shí)別率會(huì)有波動(dòng)情況出現(xiàn)，其時(shí)域局域性變差，不利于在時(shí)域上確定信號(hào)位置，正交小波基的性能有所下降［7-9］。

船舶同步發(fā)電機(jī)的故障信號(hào)為奇異信號(hào)，其故障暫態(tài)信號(hào)具有不確定的奇異度，為有效確定故障信號(hào)的奇異性特征，所選的小波基必須為具有足夠階數(shù)的消失矩［10］。經(jīng)比較分析，本文選取正交性能較好的db5小波函數(shù)來(lái)對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行三層小波分解。

應(yīng)用小波分析函數(shù)分別對(duì)兩種不同故障情況的短路相空載電壓進(jìn)行小波分解，得到了不同層的細(xì)節(jié)系數(shù)，如圖11和圖12所示。其中，s為原始信號(hào)，a3、d3、d2、d1分別為db5小波函數(shù)處理后的信號(hào)和1～3層分解后的信號(hào)，s＝a3+d3+d2+d1。

經(jīng)過(guò)db5小波函數(shù)的3層分解，從圖11和圖12的波形可看出，發(fā)生匝間短路故障時(shí)，由于同步發(fā)電機(jī)的對(duì)稱(chēng)性被破壞，模擬信號(hào)的d1、d2層出現(xiàn)了突變，根據(jù)這一變化，可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障并實(shí)現(xiàn)故障診斷。同時(shí)，還能準(zhǔn)確確定故障發(fā)生的時(shí)刻，如圖的第200 ms時(shí)刻，即為該時(shí)刻發(fā)生了故障。該方法不僅能檢測(cè)出較嚴(yán)重的多匝數(shù)故障，也能對(duì)少匝數(shù)不明顯故障情況進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)并診斷。

5 結(jié) 論

本文對(duì)將小波分析法應(yīng)用于船舶同步發(fā)電機(jī)定子兩種不同情況的匝間短路故障進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)在船舶同步發(fā)電機(jī)定子兩種不同情況的匝間短路故障出現(xiàn)時(shí)，其故障信號(hào)發(fā)生了突變，而應(yīng)用小波分析能夠?qū)崿F(xiàn)故障特征的提取，其對(duì)船舶同步發(fā)電機(jī)定子繞組的匝間短路故障的診斷是有效的，為船舶同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的在線檢測(cè)和診斷儀的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。只要同步發(fā)電機(jī)一啟動(dòng)，空載運(yùn)行進(jìn)行在線檢測(cè)，就能檢測(cè)出是否存在繞組匝間短路故障，以防帶載后故障擴(kuò)大，從而使故障損失減少到最小。它也可以與繼電保護(hù)配合，有效保護(hù)發(fā)電機(jī)。可見(jiàn)，研發(fā)這種診斷儀具有重大的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 史際昌.船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng)［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，1998.

［2］ 梁學(xué)章.小波分析［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［3］ 楊建國(guó).小波分析及其工程應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］ 任震，黃雯瑩，黃群古，等.小波分析及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.

［5］ 陳權(quán)濤，楊向宇.基于小波變換的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在線檢測(cè)方法 ［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2007，34（12）：40－42，53.

［6］ DEVANNEAUX V，DAGUES B，F(xiàn)AUCHER J，et al.An accurate model of squirrel cage induction machines under stator fault［J］.Mathematics and Computer in Simulation，2003，63（3/5）：377－391.

［7］ 周偉主編.MATLAB小波分析高級(jí)技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

［8］ 陳茂春.對(duì)EHV輸電線路暫態(tài)保護(hù)中小波函數(shù)選擇的研究［J］.電力科學(xué)與工程，2005（2）：6－8.

［9］ 田玉平.基于高頻特性的發(fā)電機(jī)定子匝間短路故障信號(hào)檢測(cè)［J］.船電技術(shù)，2007，27（5）：265－268，289.

［10］飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心編著.小波分析理論與MATLAB7實(shí)現(xiàn)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

Online Fault Diagnosis Simulation of Stator Winding of Marine Synchronous Generator Based on Wavelet Analysis

Cui Zhi-chao Ruan Reng-zhong Xu Hua-yong Chen Tian Zheng Yi-mei
Marine Engineering College，Jimei University，Xiamen 361021，China

Abstrack：MATLAB／Simulink was applied to simulate the shorted fault between two circles of stator winding of marine synchronous generator.Then the wavelet function in minor MATLAB wavelet toolbox was adopted to analyze the signal of malfunction and recognize the fault characteristics.Simulation results show that it is practical for the use of wavelet to conduct online monitoring and diagnosis to the fault of stator winding of marine synchronous generator，hence，providing theoretical basis for the design of apparatus for online faults monitoring and diagnosis of stator winding of marine synchronous generator.

marine synchronous generator；stator winding；fault diagnosis；wavelet analysis

U665.11

A

1673－3185（2011）02－69－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.014

2010-07-16

崔志超（1983－），男，碩士研究生。研究方向：船舶電氣工程及其自動(dòng)化。E-mail：cjcme@163.com

阮礽忠（1957－），男，教授。研究方向：船舶電氣工程及其自動(dòng)化。E-mail：ruanrengzhong@163.com