多橋并聯勵磁系統功率單元故障診斷方法

龔俊名，劉 偉

(1.重慶理工大學 電氣與電子工程學院， 重慶 400054；2.重慶市能源互聯網工程技術研究中心， 重慶 400054)

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多橋并聯勵磁系統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 電氣與電子工程學院， 重慶 400054；2.重慶市能源互聯網工程技術研究中心， 重慶 400054)

針對多橋并聯勵磁系統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，總結得出了干擾判斷的3個因素：故障時間、故障晶閘管位置、觸發(fā)角α。利用小波變換將小波能譜熵、小波模極大值點和總結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，將所有故障情況統一起來，對功率單元進行故障診斷。該方法大大減少了傳感器的使用數量，降低了設備成本，提高了系統可靠性。通過實驗驗證了該方法的可行性和可靠性。

多橋并聯勵磁系統；功率單元；故障診斷；小波分析；小波能譜熵；模極大值

勵磁系統是同步發(fā)電機的重要組成部分，其出現故障與否直接影響發(fā)電機輸出電能質量的好壞，進而影響整個電力系統運行的安全穩(wěn)定。目前，多橋并聯勵磁系統在提升同步發(fā)電機容量以及滿足N-1冗余配置提高系統可靠性方面的能力得到了廣泛應用。由于長時間處于頻繁通斷的惡劣工作狀態(tài)，導致勵磁系統功率單元極易發(fā)生故障。

其故障主要表現為兩大類：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，由于流過故障晶閘管上的電流瞬間增大，導致保護電路動作，將故障晶閘管切除。發(fā)生晶閘管開路故障時，勵磁系統仍繼續(xù)工作，導致輸出勵磁電壓波形發(fā)生畸變，嚴重影響發(fā)電機發(fā)電質量，并對電網產生諧波干擾[1]。

目前，應用于勵磁系統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包含時域特征的信號進行分析，導致多種故障波形對應相同頻譜的情況，使其應用受到局限；神經網絡和專家系統因需要在系統設計初期輸入大量的訓練數據，且需要長期的系統調試，在實際應中往往達不到預期效果。基于信息融合的故障診斷方法則需要對電網數據進行云計算，無法在現場進行實時診斷。小波分析[8]作為近年來在故障診斷領域應用廣泛的一種方法在單勵磁功率單元故障診斷方面也得到了大量應用，但在多橋并聯勵磁功率單元中仍研究較少。因此，本文針對多橋并聯勵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)展了短時傅里葉變換局部化的思想，同時又克服了窗口大小不隨頻率變化的缺點，具有在高頻處時域分辨率高、在低頻處時域分辨率低的特點，被稱為“數學顯微鏡”[9-12]。

離散小波變換(discrete wavelet transform,DWT)是指通過對尺度a和偏移b同時離散，將信號f(t)分解到不同尺度上。信號的離散小波變換系數計算式為

(1)

重構式(1)為式(2)。

(2)

Mallat算法是一種建立在多分辨率基礎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對信號進行分解重構，算法如式(3)。

(3)

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

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

(4)

1.2 模極大值與奇異點間的關系

數學上通過是否存在突變點來判斷信號的奇異與否，主要通過Lipschize指數a描述。Lipschize指數越小，說明信號的奇異越嚴重。在一個具有n階消失矩的連續(xù)小波函數下，對信號y(t)有

可得Lipschize指數：

由此，Lipschize指數可由信號經小波變換得到的模極大值點處的小波系數得到。

2 單勵磁功率單元故障分析

2.1 故障信號的分析

實驗發(fā)現：晶閘管開路故障是勵磁系統功率單元故障的主要形式，其中以2個及以下晶閘管同時故障為主。總結故障主要類型有5類：

0.正常；

1.僅一個晶閘管開路；

2.連接同一相兩只晶閘管同時開路；

3.同一半橋兩只晶閘管同時開路；

4.相交錯兩只晶閘管同時開路。

共22種故障情況。

對功率單元輸出電壓波形進行分析發(fā)現：故障發(fā)生時間、故障晶閘管位置、觸發(fā)角α這3個因素共同決定故障奇異點發(fā)生的時間。進行故障晶閘管的故障定位關鍵在于消除這3種因素對奇異點出現時刻的影響。

小波分析方法是一種能夠對信號不連續(xù)點進行識別的方法。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行分析時，在細尺度下故障奇異點處與正常情況下的不連續(xù)點處都會反映為模極大值點，給判斷帶來了困難。運用分步式的故障診斷策略，即先進行故障識別再進行故障定位的方法能夠有效將故障信號與正常信號分離開來，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，故障發(fā)生時間對奇異點時間的影響呈現周期性特征，因此用小波能譜熵WEE首先識別故障周期是一種消除故障發(fā)生時間對故障奇異點發(fā)生時間影響的方法。

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

圖1 故障波形的2層db3分解重構波形

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

圖2 d1重構波形小波能譜熵

對故障周期進行識別并截取，由于細尺度下的小波模極大值點能夠表征信號奇異點[14],將得到的故障信號d1層細節(jié)重構信號中的若干模極大值點中取其中一個作為奇異點即故障定位點[15]，該定位點的特征為其左側有一段長時間的恒0值段，對應著故障發(fā)生時，在感性負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細節(jié)重構波形如圖3所示。

圖3 VT1故障時的d1波形

在工頻50 Hz下，記觸發(fā)角α的時間歸算值t′，定位點時刻t，得到式(5)。

Δt=t-t′

(5)

無論α的值如何變化，總有一個Δt能夠特征性地表征參與故障的晶閘管，對應關系總結如表1，由此判斷參與故障的晶閘管編號，消除了觸發(fā)角α對奇異點判斷的影響，并且得到了不同晶閘管參與故障時奇異點出現時間的關系，同時消除了參與故障晶閘管位置對奇異點出現時間的影響。對于故障情況2，即單個晶閘管故障情況，僅通過表1就能夠完成故障診斷工作。

對于2個晶閘管同時故障，則需要將一個時窗內的所有模極大值點用于故障類型的判斷，再結合表1進行故障定位。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細節(jié)重構信號

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

總結在此周期中所有模極大值點出現的時刻(令周期起始點為0時刻)，結果見表2。

由表2總結出式(6)來描述隨α的變化，模極大值點出現時間的變化規(guī)律,進而將所有α的情況統一到α=0°。

(6)

表2 無故障時模極大值點出現時刻

以VT1參與的4類故障為例，根據式(6)將所有α下，一個時窗內的d1重構波形中的所有模極大值點統一到α=0°時的情況，作d1細節(jié)重構波形進行分析，見圖5。

圖5 4種故障情況的d1細節(jié)重構信號

將其與正常情況下模極大值點出現時間進行比較，構造一個定義域為(0,1/f)的函數：

(7)

進行如式(8)所示的運算，得到故障類型判斷真值(表3)。

n=1,2,…,6

(8)

其中D1(tn)為故障周期內的d1模極大值。

表3 故障類型真值

對于VT2，…，VT6參與故障的情況可以先用表1統一到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出現時刻全部統一到α=0°，最后利用真值表3和細分表4進行故障定位。

表4 故障定位細分

3 并聯勵磁功率單元故障診斷

目前的大功率同步發(fā)電機多采用多橋并聯運行的方式，通過提高勵磁電流達到提升同步發(fā)電機輸出容量的目的，通過N-1冗余配置提升勵磁系統穩(wěn)定性。與單橋勵磁系統相同，勵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致某一整流橋負荷較重，加速其中元件的損壞。針對多橋并聯勵磁故障診斷，有方法提出在勵磁柜間的三相聯絡線上分別安裝電流檢測單元用以進行多橋并聯勵磁系統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故障晶閘管進行定位，但在并聯勵磁柜較多的情況下存在傳感器使用過多、系統可靠性降低等缺點。因此，本文試圖尋求一種降低傳感器用量，提高系統穩(wěn)定性的方法以解決上述問題。

以雙橋并聯勵磁功率單元為例對多橋并聯勵磁功率單元進行研究。圖6為一個雙橋并聯勵磁功率單元的結構。

多橋并聯勵磁系統與單橋勵磁系統之間的不同在于功率單元之間具有互補性，即當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分擔故障晶閘管所應該承擔的負荷。將1號勵磁柜中的晶閘管編號為VT11～VT16，2號勵磁柜中的晶閘管編號為VT21～VT26。如圖7所示，以VT1、VT2導通時為例，當1號勵磁功率單元中的共陽極組中的VT11開路后，流過VT21的電流會由I/2上升為I，而流過共陰極組中的VT12、VT22的電流則不會發(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發(fā)生改變。

圖6 雙橋并聯勵磁功率單元的結構

圖7 VT1、VT2導通時的等效電路

因此，本文在1號勵磁功率單元的共陽極側和共陰極側分別加入一電流檢測單元，記為I1、I2，與輸出電壓U一起作為雙橋并聯勵磁功率單元故障檢測的依據。

圖8 VT11、VT22故障的I1、I2、U波形

模極大值點編號123t″n/sI10．00410．01090．0241I20．00750．01410．0275

(7)

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

對I1、I2進行上述分析，能夠得到VT11、VT24故障的結論，但與實際情況不符。這是由于2個勵磁功率單元的VT2位置同時故障，且大感性負載的儲能作用使I2在故障位置處的電流波形無突變，因此在I2的小波分解重構波形中并不能以模極大值的形式體現。但2個勵磁功率單元同位置故障的情況可等價于單個勵磁功率單元故障。因此，借助U，并對其進行前述針對單個勵磁功率單元的故障診斷方法，不難判斷出VT12、VT22同時故障。

推廣至多橋并聯，當并聯橋個數為N時，只需在勵磁功率單元的輸出端裝設2(N-1)個電流互感器，1個電壓互感器，故障診斷原理、方法及步驟與雙橋并聯時相同。

圖9 VT11、VT12、VT22、VT24故障的I1、I2、U波形

4 實例分析

雙橋并聯勵磁功率單元故障診斷實驗平臺由勵磁控制柜、三相異步電機、勵磁變壓器組成，如圖10所示。其中，勵磁控制柜為SGE-4A型，模擬機端電壓為380 V，頻率為50 Hz，三相異步電機采用三角形連接兩端抽頭的方式連在勵磁功率主回路直流側作感性負載。

通過斷開VT11、VT22觸發(fā)信號模擬對應晶閘管開路故障，得到3個周期內的故障波形，如圖11所示。

圖10 雙橋并聯勵磁功率單元故障診斷實驗平臺

由圖11容易看出：系統中1號勵磁柜較2號勵磁柜承擔較多的負荷，反映在故障波形上當VT22開路時，VT12多承擔的負荷明顯較VT11開路時VT21多承擔的負荷少。由于實驗針對雙橋并聯勵磁開路故障進行分析，故未對均流問題做進一步討論。

對I1進行db3小波分解重構，結果如圖12所示。

圖12 I1故障波形及其db3小波分解重構波形

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

5 結束語

本文通過對勵磁系統功率單元主回路輸出電壓、電流故障波形進行分析，通過小波變換的方法，運用分步式的故障診斷方法首先判斷故障周期，再判斷多橋并聯勵磁功率單元中有無重復故障位置，對電壓、電流故障周期中的小波模極大值分布情況進行分析總結，分別將電壓、電流小波分解重構后的模極大值點通過一系列公式統一到α=0°，通過建立故障類型判斷真值表及故障細分表進行最終的故障定位。通過實驗驗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用數量，提高系統可靠性。

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(責任編輯 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，主要從事電力系統運行與控制、電力設備故障診斷與容錯控制研究,E-mail: liuwei@cqut.edu.cn。

龔俊名，劉偉.多橋并聯勵磁系統功率單元故障診斷方法[J].重慶理工大學學報(自然科學)，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