一种静止变流器的电流传感器微小故障诊断方法

本发明涉及故障诊断领域，尤其涉及静止变流器电流传感器微小故障诊断方法。

背景技术：

1、传统的三相三桥臂逆变器能够适应三相平衡负载，但由于三桥臂之间互相耦合，在携带不平衡负载时，三相相电压幅值不相等。而静止变流器三相四桥臂逆变器采用模型预测控制策略，使其在不平衡负载的条件下，输出相电压具有极高的对称性和稳定性。而电流传感器是静止变流器的重要部件之一，很容易产生故障，从而导致整个静止变流器故障，造成严重的交通事故、人员伤亡和财产损失。

2、传感器故障指传感器的输出信号与信号的真实值存在较大误差，传感器故障主要包括：完全失效故障、固定偏差故障、漂移偏差故障以及精度下降故障等等，而传感器微小故障属于精度下降故障的一种。电流传感器故障诊断方法主要可分为基于电路模型的诊断方法和基于信号特征的诊断方法两类。

3、目前针对传感器微小故障诊断的方法，主要有以下两种诊断方法：

4、1、基于电路模型的诊断方法。这类方法通常包括生成残差和诊断决策两个阶段。首先建立逆变器的混合逻辑动态模型，通过观测器得到故障系统输出的估计值，将估计值与真实值做差，得到残差，之后基于相应的决策规则判断故障类别。相关论文及专利如《基于滑模技术故障诊断和容错控制及应用于高速列车的研究》(张康康，南京航空航天大学，2018年12月)、中国发明专利申请公开《新能源电动汽车静止变流器电流传感器微小故障诊断方法》(cn 113534035 a)等，此类方法模型机理清楚、易实现、可进行实时诊断，但其难点在于建立控制系统的精确解析数学模型且尽可能提高模型的可靠性。

5、2、基于信号特征的诊断方法。由于不同信号引发的历史故障数据或统计数据集，很难确认适用于何种模型诊断；在研究许多实际的故障预测问题时，建立复杂部件或者系统的数学模型是很困难甚至不可能的，因此系统设计、仿真、运行和维护等各个阶段的测试、传感器历史数据就成为判断系统性能的主要手段，即数据驱动诊断方法，整个阶段分为训练阶段和测试阶段。相关论文及专利如《data-driven incipient fault detection viacanonical variate dissimilarity and mixed kernel principal componentanalysis》(基于典型变量相异性和混合核主成分分析的数据驱动早期故障检测，吴平，ieee transactions on industrial informatics，2021年8月)、中国发明专利申请公开《一种用于高铁逆变器的微小故障诊断系统的设计方法》(cn 106959397a)等，此类方法不需要知道系统精确的数学模型，但是需要大量准确的系统数据，以及合适的数据诊断方法。

6、综上所述，现有的技术存在诊断周期长、计算量大、发生滑模运动时趋近速率慢且抖动明显、自适应阈值抗干扰性差、数学模型要求高和鲁棒性差等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种静止变流器的电流传感器微小故障诊断方法，解决上述现有技术中存在的问题。具体的，将原系统的状态方程和故障表示成增广形式，进行故障重构，让故障对系统的影响更直观的表现出来；利用新型自适应滑模观测器通过合理的参数设计，可以更快的到达滑模面并减小滑模运动的抖振，从而达到更好的跟踪实际情况的效果；利用自适应阈值取代传统的常数阈值，防止漏报或者误报，提高故障诊断的鲁棒性。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种静止变流器电流传感器微小故障诊断方法，所述静止变流器涉及的拓扑结构包括直流电源、三相四桥臂逆变器、lc滤波器、电流传感器、控制模块和三相负载电阻rk，k表示相序，k＝a,b,c；所述三相四桥臂逆变器共有四相桥臂，四相桥臂均与直流电源并连，将其中的三相桥臂记为k相桥臂，第四相桥臂记为f相桥臂；在四相桥臂中，每相桥臂均由两个开关管串联组成，将k相桥臂的两个开关管的连接点记为点f相桥臂的两个开关管的连接点记为点所述lc滤波器包括三相滤波电感lk、第四桥臂的滤波电感lf和三相滤波电容ck，其中三相滤波电感lk的一端接点另一端与三相滤波电容ck的一端、三相负载电阻rk的一端相接，三相滤波电容ck的另一端、三相负载电阻rk的另一端通过第四桥臂的滤波电感lf接点所述电流传感器的检测端分为三相，并记为检测端γk，该检测端γk连接在三相滤波电容ck和负载电阻rk之间，电流传感器的输出端连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别与四相桥臂中的开关管连接；

3、所述诊断方法包括以下步骤：

4、步骤1，根据三相四桥臂逆变器的电路回路结构构建电压电流基本关系式为：

5、

6、

7、其中，irk为三相输出线电流，ilk为三相滤波电感lk处的电流，ick为三相滤波电容ck处的电流，ukg为三相输出线电压，ukh为三相输出相电压，l为三相滤波电感lk的电感值，c为三相滤波电容ck的电容值；

8、步骤2，建立三相四桥臂逆变器的电流状态方程，其表达式为：

9、

10、其中，为三相输出电流ira,irb,irc的导数，r为三相电路的等效电阻值；

11、步骤3，令电流传感器的微小故障为微小故障f，建立微小故障方程，其表达式如下：

12、

13、其中，为微小故障f的导数，af为hurwitz矩阵，ζ为微小故障激励信号，其表达式为：

14、

15、式中，t为静止变流器运行的时间；

16、步骤4，采用状态增广法对微小故障方程和三相四桥臂逆变器的电流状态方程建立增广系统，增广系统的表达式如下：

17、

18、步骤5，给定状态变量xi，i＝1,2,3,4，状态变量xi的表达式为

19、

20、将状态变量xi的导数记为状态变量导数则状态变量导数与增广系统输出yi的表达式分别如下；

21、

22、

23、步骤6，将状态变量xi的估计值记为状态变量估计值将状态变量估计值的导数记为状态变量估计值导数构建新型自适应滑模观测器，其表达式为：

24、

25、其中，k1为可调参数1，且k1＞0，k2为可调参数2，且k2＞0，λ为可调参数3，且λ∈(0,1)，α为可调参数4，p为可调参数5，sign()为符号函数，s为滑模面，且

26、步骤7，定义残差ei，则残差ei的导数的表达式为：

27、

28、步骤8，给定电流传感器微小故障状态阈值tth1、电流传感器故障状态阈值tth2和电流传感器失灵状态阈值tth3；

29、步骤9，定义故障检测特征量fs，表达式为：

30、fs＝(sign(||e4||-tth1)+1)/2+(sign(||e4||-tth2)+1)/2+

31、(sign(||e4||-tth3)+1)/2

32、根据故障检测特征量fs对电流传感器故障进行诊断：

33、若fs＝0，则认定电流传感器为正常状态；

34、若fs＝1，则认定电流传感器为微小故障状态；

35、若fs＝2，则认定电流传感器为故障状态；

36、若fs＝3，则认定电流传感器为失灵状态。

37、优选地，步骤8所述电流传感器微小故障状态阈值tth1、电流传感器故障状态阈值tth2和电流传感器失灵状态阈值tth3的给定依据残差e4，给定过程如下：

38、首先定义残差e4：

39、

40、其中，e为自然对数函数的底数，e4(0)表示残差e4在t＝0时刻的初始值；τ是时间常数，d表示微分，∫表示一重积分号；|| ||为范数符号；

41、为微小故障激励信号ζ的三个临界值，即j＝1,2,3,其中，为电流传感器发生微小故障时所对应的微小故障激励信号ζ的临界值，为电流传感器发生故障时所对应的微小故障激励信号ζ的临界值，为电流传感器发生失灵时所对应的微小故障激励信号ζ的临界值；

42、电流传感器微小故障状态阈值tth1、电流传感器故障状态阈值tth2和电流传感器失灵状态阈值tth3分别定义如下：

43、

44、

45、

46、由于采用了上述故障诊断方法，与现有技术相比，本发明的有益效果为：

47、1、采用预测控制的静止变流器，可携带不平衡负载，输出相电压具有很强的稳定性和对称性；

48、2、采用了新型自适应滑模观测器，改善了滑模运动时趋近速率慢和抖振大的问题；

49、2、设计新型的自适应阈值和残差比较进行故障诊断，提高了故障检测的准确性和鲁棒性；

50、3、实现了对电流传感器微小故障与其他故障的区分。