基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通信電源逆變器故障診斷方法

張 勇

（積成電子股份有限公司，山東 濟(jì)南 250104）

0 引 言

通信電源逆變器能夠?qū)⒅绷麟娫崔D(zhuǎn)換為交流電源，為通信設(shè)備提供穩(wěn)定的電力環(huán)境。在通信環(huán)境中，受電源故障和設(shè)備老化等因素的影響，電壓可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，電流也可能出現(xiàn)異常情況，影響逆變器的正常運(yùn)行。針對(duì)逆變器故障問(wèn)題，研究人員設(shè)計(jì)多種診斷方法。其中，基于混合電源控制（Mixed Power Control，MPCC）的通信電源逆變器故障診斷方法和基于模型預(yù)測(cè)的通信電源逆變器故障診斷方法在應(yīng)用中較為廣泛。

基于MPCC 的通信電源逆變器故障診斷方法利用模型預(yù)測(cè)電流控制，將故障診斷模型的代價(jià)函數(shù)與電流檢測(cè)相結(jié)合，縮短故障診斷時(shí)間[1]。而基于模型預(yù)測(cè)的通信電源逆變器故障診斷方法利用模型預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)逆變器中的故障點(diǎn)進(jìn)行診斷，利用負(fù)載電壓與電流的幅值來(lái)確定故障診斷的計(jì)算扇區(qū)，已提高故障診斷效率[2]。以上兩種方法均能完成逆變器故障診斷的任務(wù)，但是受逆變器故障信號(hào)特征的影響，診斷結(jié)果不準(zhǔn)確[3]。因此，文章結(jié)合小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)通信電源逆變器故障診斷方法。

1 通信電源逆變器故障的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法設(shè)計(jì)

1.1 提取通信電源逆變器故障特征

通信電源逆變器主電路的元件包括逆變橋、直流濾波器、逆變輸出端口，能夠?qū)崿F(xiàn)電流轉(zhuǎn)換、電流濾波、電流負(fù)載連接等功能[4]。文章根據(jù)通信電源逆變器的能量交換環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)逆變器故障進(jìn)行分類(lèi)，并從中提取通信電源逆變器的故障特征。為簡(jiǎn)化逆變器故障診斷過(guò)程，將開(kāi)關(guān)器件看做理想器件，不考慮導(dǎo)通壓降。在逆變器故障狀態(tài)下，當(dāng)負(fù)載電流方向?yàn)檎龝r(shí)，電流從直流側(cè)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)器件流向交流側(cè)[5]。當(dāng)負(fù)載電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，電流從交流側(cè)經(jīng)過(guò)二極管流向直流側(cè)。無(wú)論輸出電流方向?yàn)檎€是負(fù)，交流側(cè)的輸出端均與通信電源正端等電位，則交流側(cè)與直流側(cè)的故障電壓特征為

式中：Ua為交流側(cè)故障點(diǎn)a的電壓輸出值；Up為通信電源正端故障點(diǎn)p的電壓輸出值；Ud為逆變器正常運(yùn)行電壓輸出值。當(dāng)負(fù)載電流為正方向時(shí)，故障點(diǎn)a與母線電容等電位，則Ua=0。逆變器輸出電壓存在正、負(fù)兩種狀態(tài)，由此定義逆變器的故障狀態(tài)為

當(dāng)Pa=1 時(shí)，交流側(cè)故障點(diǎn)a的電壓輸出值為正，點(diǎn)a為正常運(yùn)行狀態(tài)；Pa=-1 時(shí)，交流側(cè)故障點(diǎn)a的電壓輸出值為負(fù)，點(diǎn)a 為故障運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建電源逆變器故障診斷模型

將逆變器故障特征作為診斷模型的輸入?yún)?shù)，并根據(jù)通信電源逆變器的電壓變化情況，分析逆變器故障的等效電路。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖中：x1、x2、xi為通信電源逆變器的故障特征；Wij為第i個(gè)輸出故障點(diǎn)與第j個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)之間的連接權(quán)重值；Wjk為第j個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)與第k個(gè)輸出參數(shù)的權(quán)重值；y為故障診斷輸出結(jié)果[8]。小波輸出層的輸出值公式為

式中：hj為第j個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的輸出參數(shù)。將Ua轉(zhuǎn)換為有限信號(hào)Ua(t)，在小波基下信號(hào)處理，構(gòu)建逆變器故障診斷模型，表達(dá)式為

式中：W(t)為逆變器故障診斷模型；yk(t)為小波輸出層的輸出信號(hào)；Ψ(·)為小波母函數(shù)；t為故障時(shí)刻；τ為平移參數(shù)；a為尺寸參數(shù)。a與τ為連續(xù)變化狀態(tài)，針對(duì)Ua(t)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，以提取更加準(zhǔn)確的故障特征。當(dāng)小波母函數(shù)Ψ(·)滿(mǎn)足容許條件時(shí)，將Ua(t)與yk(t)進(jìn)行逆變換，并離散化處理a與τ。當(dāng)a＞0、τ≠0時(shí)，小波采樣頻率帶寬較大，間隔同樣增加，不會(huì)出現(xiàn)故障丟失的情況。當(dāng)逆變器處于故障狀態(tài)時(shí)，逆變器繞組與通信電源的負(fù)極相連，W(t)=0。Ua(t)與yk(t)經(jīng)過(guò)小波變換之后，等效電路流出繞組的方向?yàn)樨?fù)，負(fù)載電流與繞組形成回路。

1.3 求解通信電源逆變器故障電壓空間矢量

求解電壓空間矢量，相關(guān)表達(dá)式為

式中：Ur為電壓空間矢量；α為電壓狀態(tài)參數(shù)。將P、N、O作為電壓空間矢量，得到多種電壓狀態(tài)組合。逆變器輸出電壓空間矢量的不同情況如表1 所示。

表1 逆變器輸出電壓空間矢量的不同情況

將故障電壓空間設(shè)定為P、O、N，并考慮三者之間的任意排列組合。具體來(lái)說(shuō)，PPP、OOO和NNN表示零矢量的情況。當(dāng)矢量無(wú)變化時(shí)，則為零矢量；當(dāng)存在矢量變化時(shí)，則為小矢量；當(dāng)有3 個(gè)不同的矢量時(shí)，則為中矢量；當(dāng)有2 個(gè)相同的矢量時(shí)，則為大矢量。輸出的矢量不允許出現(xiàn)重復(fù)的情況，避免診斷冗余的情況。

2 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證文章所提方法，需要開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果以基于MPCC的通信電源逆變器故障診斷方法、基于模型預(yù)測(cè)的通信電源逆變器故障診斷方法、文章設(shè)計(jì)的基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通信電源逆變器故障診斷方法進(jìn)行對(duì)比的形式呈現(xiàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選擇一個(gè)型號(hào)的通信電源進(jìn)行測(cè)試，輸入電壓范圍為100 ～240 V，輸出電壓范圍為10 ～220 V，輸入頻率為50 ～60 Hz，額定功率為1 000 W，質(zhì)量為10 kg，尺寸為220 mm×180 mm×120 mm。負(fù)載電流、輸出電壓可直接獲得，故障電流無(wú)法獲得，在逆變器結(jié)構(gòu)上加入電流傳感器，而監(jiān)測(cè)故障電流情況。通信電源逆變器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 逆變器結(jié)構(gòu)

F1出現(xiàn)故障時(shí)，為輸入電源故障；F2出現(xiàn)故障時(shí)，為輸出電壓故障；F3出現(xiàn)故障時(shí)，為輸出電流故障；F4出現(xiàn)故障時(shí)，為溫度異常故障；F5出現(xiàn)故障時(shí)，為保護(hù)電路故障；F6出現(xiàn)故障時(shí)，為通信故障；F7出現(xiàn)故障時(shí)，為風(fēng)扇故障；F8出現(xiàn)故障時(shí)，為內(nèi)部電路故障；F9出現(xiàn)故障時(shí)，為外部連接故障；F10出現(xiàn)故障時(shí)，為電源模塊故障。為獲取逆變器結(jié)構(gòu)的電流變化情況，增加電流傳感器。將診斷輸出結(jié)果函數(shù)定義為K，并通過(guò)輸出電壓K進(jìn)行故障診斷。如果K≥（220±10）V，則逆變器發(fā)生開(kāi)路故障；如果K＜（220±10）V，則逆變器發(fā)生短路故障。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文章隨機(jī)選取出10 種通信電源逆變器故障類(lèi)別，將逆變器的輸出電壓與F[i]作為故障診斷的評(píng)價(jià)指標(biāo)。F[i]指用于故障診斷的參考標(biāo)準(zhǔn)，比較和評(píng)估逆變器的狀態(tài)和性能。將文獻(xiàn)[1]中基于MPCC 的通信電源逆變器故障診斷方法的性能指標(biāo)、文獻(xiàn)[2]中基于模型預(yù)測(cè)的通信電源逆變器故障診斷方法的性能指標(biāo)、文章設(shè)計(jì)的基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通信電源逆變器故障診斷方法的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

輸出電壓正常狀態(tài)為10 ～220 V，超過(guò)或低于該值，診斷為逆變器故障狀態(tài)。在其他條件均一致的情況下，使用基于MPCC 的通信電源逆變器故障診斷方法后，輸出電壓在132 ～240 V 變化，F(xiàn)[i]在75%～89%變化。可見(jiàn)，該方法的故障診斷準(zhǔn)確性較低，容易出現(xiàn)故障診斷失誤的問(wèn)題。使用基于模型預(yù)測(cè)的通信電源逆變器故障診斷方法后，輸出電壓和F[i]范圍有所改善，但F[i]仍低于95%，需要進(jìn)一步優(yōu)化。文章設(shè)計(jì)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法表現(xiàn)出更高的故障診斷準(zhǔn)確性，F(xiàn)[i]波動(dòng)小，多處達(dá)到100%，滿(mǎn)足通信電源逆變器故障診斷需求，應(yīng)用效果最好。

3 結(jié) 論

通信電源逆變器是通信網(wǎng)絡(luò)的重要元件，其運(yùn)行狀態(tài)是保障通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，文章利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)一種通信電源逆變器故障診斷方法。從故障特征、診斷模型、電壓空間矢量等方面，快速尋找逆變器運(yùn)行中的非線性、非穩(wěn)態(tài)信號(hào)。通過(guò)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理故障信號(hào)，可以更好地處理信號(hào)中的噪聲和異常，提高逆變器故障診斷的準(zhǔn)確性。