1.本发明涉及变流器故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法及系统。
背景技术：2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.电力变流器中的功率器件长期工作在高频开关状态，产热损耗多，加之有限散热、时变负载、机械振动、强电磁干扰等恶劣因素，将带来元件老化、参数偏移等一系列问题，最终导致功率器件故障频发。功率器件是电力变流器中最为脆弱的部件，功率器件故障主要分为短路故障与开路故障，既有的电力变流器开路故障诊断研究主要聚焦于模型驱动与数据驱动两个维度，模型驱动基于电磁动力学模型，深入探究开路故障的故障机理与本质特征，数据驱动为凭借智能算法的聚类能力，实现故障快速精确辨识。具体而言，模型驱动的故障诊断方法多基于电压/电流残差；数据驱动的故障诊断方法则多采用神经网络、支持向量机等智能算法对故障特征数据进行离线训练，进而实现快速诊断。但是，基于模型驱动的诊断方法虽能够快速提取开路故障特征，但其强依赖于系统模型，诊断精度受系统运行状态影响大，鲁棒性差；基于数据驱动的诊断方法缺乏对故障特征的有效提取，计算负担重，难以进行大规模工业应用。
技术实现要素：4.本发明为了解决上述问题，提出了一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法及系统，实现了对变流器开路故障的快速准确诊断，且诊断时仅依赖于电力变流器拓扑，适用范围广，鲁棒性强，算法简单，计算量低，易于实现。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.第一方面，提出了一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法，包括：
7.获取变流器的三相输出电流、电容电流、负载电流和各开关状态；
8.根据电容电流和负载电流，获得直流电流；
9.根据变流器的三相输出电流、直流电流、各开关状态和变流器各开关状态下的拟功率和模型，获得变流器的拟功率和，其中，变流器各开关状态下的拟功率和模型为：根据特勒根定理1构建变流器各开关状态下的功率和模型，根据特勒根定理2确定代替实际电路电压的拟电压，将拟电压替换变流器各开关状态下的功率和模型中的实际电路电压获得；
10.当变流器的拟功率和超出诊断阈值时，判断变流器存在功率器件开路故障。
11.进一步的，当判断变流器存在功率器件开路故障后，还根据变流器各开关状态和三相电流方向，获得故障后每相的拟功率和；
12.当三相拟功率和中最小者小于诊断阈值时，该相发生故障；
13.根据发生故障相的相电流方向，确定故障开关管位置。
14.进一步的，拟电压符合基尔霍夫定律。
15.进一步的，拟电压包括直流链路低电位点n的拟电压，高电位点p的拟电压和电网中性点o处的拟电压，设定直流链路低电位点n 的拟电压为0，高电位点p的拟电压为3，电网中性点o处的拟电压为变流器的共模电压。
16.进一步的，变流器各开关状态下的拟功率和模型为：
[0017][0018]
其中，为变流器各开关状态下的拟功率和；ia、ib、ic为变流器的三相输出电流，i
bus
为直流电流，v0,v1,...,v7为变流器的8种开关状态。
[0019]
进一步的，变流器的开关状态用0、1表示，其中，0表示同一桥臂的下开关管导通，1表示同一桥臂的上开关管导通。
[0020]
进一步的，开关管的位置指同一桥臂的上开关管或下开关管。
[0021]
第二方面，提出了一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断系统，包括：
[0022]
电流获取模块，用于获取变流器的三相输出电流、电容电流、负载电流和各开关状态；
[0023]
直流电流获取模块，用于根据电容电流和负载电流，获得直流电流；
[0024]
变流器的拟功率和获取模块，用于根据变流器的三相输出电流、直流电流、各开关状态和变流器各开关状态下的拟功率和模型，获得变流器的拟功率和，其中，变流器各开关状态下的拟功率和模型为：根据特勒根定理1构建变流器各开关状态下的功率和模型，根据特勒根定理2确定代替实际电路电压的拟电压，将拟电压替换变流器各开关状态下的功率和模型中的实际电路电压获得；
[0025]
开路故障判断模块，用于当变流器的拟功率和超出诊断阈值时，判断变流器存在功率器件开路故障。
[0026]
第三方面，提出了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法所述的步骤。
[0027]
第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法所述的步骤。
[0028]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0029]
1、本发明通过获取变流器的三相输出电流、电容电流、负载电流和各开关状态，进而计算变流器的拟功率和，根据变流器的拟功率和就能对变流器功率器件开路故障进行判断，诊断速度快，准确率高，易于实现。
[0030]
2、本发明在确定变流器存在功率器件开路故障后，能够通过计算故障后每相的拟功率和，确定变流器发生故障相，并能根据发生故障相的相电流方向，确定故障开关管位置，即本技术既能对变流器是否发生开路故障进行判断，又能对发生故障的开关管位置进
行判断。
[0031]
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0032]
构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
[0033]
图1为实施例1公开方法的流程图；
[0034]
图2为实施例1提及的两电平pwm变流器拓扑结构图；
[0035]
图3为实施例1提及的8种开关状态下的pwm变流器等效拓扑图；
[0036]
图4为实施例1提及的两电平pwm变流器电流路径图；
[0037]
图5为实施例1提及的电力变流器故障下的拟功率和。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0039]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0040]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0041]
实施例1
[0042]
在该实施例中，公开了一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法，如图1所示，包括：
[0043]
s1：获取变流器的三相输出电流、电容电流、负载电流和各开关状态；
[0044]
s2：根据电容电流和负载电流，获得直流电流；
[0045]
s3：根据变流器的三相输出电流、直流电流、各开关状态和变流器各开关状态下的拟功率和模型，获得变流器的拟功率和，其中，变流器各开关状态下的拟功率和模型为：根据特勒根定理1构建变流器各开关状态下的功率和模型，根据特勒根定理2确定代替实际电路电压的拟电压，将拟电压替换变流器各开关状态下的功率和模型中的实际电路电压获得；
[0046]
s4：当变流器的拟功率和超出诊断阈值时，判断变流器存在功率器件开路故障；
[0047]
s5：根据变流器各开关状态和三相电流方向，获得故障后每相的拟功率和；
[0048]
s6：当三相拟功率和中最小者小于诊断阈值时，该相发生故障；
[0049]
s7：根据发生故障相的相电流方向，确定故障开关管位置。
[0050]
以三相两电平pwm变流器为例对本实施例公开的一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法进行详细说明。
[0051]
三相两电平pwm变流器拓扑结构图如图2所示，该整流系统包括一个三相电压源
ea,eb,ec、网侧滤波电感lg、网侧等效电阻rg、六个开关管igbtga,...,gc、六个反并联二极管da,...,dc、直流母线电容c 以及直流侧负载。v
dc
和i
dc
分别为母线电容电压及电流，i
l
为负载电流。u
x
和i
x
为变流器三相输出电压与电流，其中，x∈{a，b，c}。由于同一桥臂上下两开关管状态互补，变流器的开关状态用0、1表示，其中，0 表示同一桥臂的下开关管导通，1表示同一桥臂的上开关管g
x
导通，变流器开关状态s
x
可定义为：
[0052][0053]
根据基尔霍夫电压定律，可以得到pwm变流器的数学模型如下：
[0054][0055]
其中，v
on
为共模电压，其表达式为：
[0056][0057]
变流器三相输出电压u
xn
表达式为：
[0058]uxn
＝v
dc
·sx
。
ꢀꢀ
(4)
[0059]
特勒根定理适用于任何集总电路。且在分析与电路相类似的复杂网络时，特勒根定理也是一种常用的工具，复杂网络如神经网络、代谢网络、管道网络等。本实施例则将特勒根定理应用于电力变流器的开路故障诊断中。特勒根定理具体内容如下。
[0060]
特勒根定理1：对于一个具有n个结点和b条支路的电路，假设各支路电流和支路电压取关联参考方向，并令(i1,i2,...,ib)与(u1,u2,...,ub)分别为b条支路的电流和电压，则对任何时间t，有：
[0061][0062]
特勒根定理2：如果有两个具有n个结点和b条支路的电路，它们具有相同的图，但支路内容不同。假设各支路电流与电压都取关联参考方向，并分别用(i1,i2,...,ib)，(u1,u2,...,ub)与(i
′1，i
′2，...，i
′b)，(u
′1，u
′2，...，u
′b)表示两电路中b条支路的电流和电压，其中，(i1,i2,...,ib)，(u1,u2,...,ub)为实际的电流电压，(i
′1，i
′2，...，
′
ib)，(u
′1，u
′2，...，u
′b)为代替实际的电流电压的拟电流、拟电压，则在任何时间t，有：
[0063][0064]
如图2所示，三相pwm变流器可简化为包含6个节点与7条支路的拓扑结构，6个节点分别为a、b、c、o、p、n；7条支路分别为o-a、o-b、o-c、p-n、a-p/n、b-p/n、c-p/n。其中，a-p/n、 b-p/n、c-p/n三条支路状态由变流器的开关状态决定。两电平变流器共有8种开关状态分别为：v0,v1,...,v7，分别对应8种等效拓扑，如图3中(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)所示。其中，
ua,ub,...,un为各节点电压，i
bus
为电容电流i
dc
与负载电流i
l
之和。由特勒根定理1可得，变流器各开关状态下的功率和模型为：
[0065][0066]
其中，p为功率和，a1＝u
o-un，a2＝u
o-u
p
，a3＝u
p-un。
[0067]
由特勒根定理2可知，实际电路中电压、电流的大小可以用符合基尔霍夫定律的拟电压、电流代替，由式(6)求得的拟功率和也为 0。因此，为减少故障诊断所需测量的信号，本实施例将公式(7)中实际电路电压uo,u
p
,un替换为拟电压u
′o，u
′
p
，u
′n。假设直流链路低电位点n 的拟电压u
′n为0，高电位点p的拟电压u
′
p
为3，电网中性点o处的拟电压u
′o可按式(3)计算确定。由此，变流器各开关状态下的拟功率和模型为：
[0068][0069]
其中，为拟功率和，(m∈{0，1，...，7})。
[0070]
由上所述可知，拟功率和只与电力变流器的电路网络拓扑有关，而拓扑是由电力变流器开关状态决定的。当开关状态与实际拓扑一致时，计算出的拟功率和0。但是，开路故障将打破这种一致性，故障后的拟功率和将不再为0，依据故障前后的拟功率和的差异可进行开路故障诊断。
[0071]
如图4所示，两电平pwm变流器有4条电流通路，每条支路的电流路径由其开关状态和电流方向决定。例如，当s
x
＝1时，负向电流流经开关管g
x
，如图4中(a)所示，而正向电流流经二极管d
x
，如图4中(c)所示。但当开关管发生开路故障后，正常的电流路径会发生变化。如g
x
发生开路故障后，图4中(a)所示的负向电流通路被阻断，电流将流经桥臂下方的反并联二极管，即变为图4中(b)的电流路径。此时，电路等效拓扑因开关管故障而强行改变，拟功率和继而发生突变，不再为0。
[0072]
图5给出了8种开关状态下，pwm变流器各开关管故障后的拟功率和的变化，依据此表可进行变流器功率器件开路故障的迅速诊断。
[0073]
变流器的拟功率和取决于其开关状态vm。因此，该诊断方法的关键点在于通过获取变流器的开关状态，计算出其拟功率和正常情况下，拟功率和接近于0。当超出预定义的诊断阈值thr时，则说明变流器存在功率器件开路故障。
[0074]
当系统故障被检测出后，需执行故障定位算法以确定故障开关管位置。变流器故
障后的实际等效拓扑及拟功率和将发生变化。根据变流器开关状态vm和三相电流方向即可得到故障后的拟功率和如图5所示。将其与诊断阈值thr进行比较，若三者中最小者小于阈值，即则说明该相发生故障。最后，依据该相电流方向，确定故障开关管位置。该算法的详细流程图如图1所示。
[0075]
故障开关管位置指同一桥臂的上开关管或下开关管。
[0076]
本实施例公开的一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法，通过特勒根定理构建了变流器各开关状态下的拟功率和模型，在此基础上，通过获取变流器的三相输出电流、电容电流、负载电流和各开关状态，计算获得变流器的拟功率和，根据变流器的拟功率和完成对变流器功率器件开路故障的判断，诊断速度快，准确率高，易于实现，并在确定变流器存在功率器件开路故障后，能够通过计算故障后每相的拟功率和，确定变流器发生故障相，并能根据发生故障相的相电流方向，确定故障开关管位置，即本实施例公开方法既能对变流器是否发生开路故障进行判断，又能对发生故障的开关管位置进行判断。
[0077]
实施例2
[0078]
在该实施例中，公开了一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断系统，包括：
[0079]
电流获取模块，用于获取变流器的三相输出电流、电容电流、负载电流和各开关状态；
[0080]
直流电流获取模块，用于根据电容电流和负载电流，获得直流电流；
[0081]
变流器的拟功率和获取模块，用于根据变流器的三相输出电流、直流电流、各开关状态和变流器各开关状态下的拟功率和模型，获得变流器的拟功率和，其中，变流器各开关状态下的拟功率和模型为：根据特勒根定理1构建变流器各开关状态下的功率和模型，根据特勒根定理2确定代替实际电路电压的拟电压，将拟电压替换变流器各开关状态下的功率和模型中的实际电路电压获得；
[0082]
开路故障判断模块，用于当变流器的拟功率和超出诊断阈值时，判断变流器存在功率器件开路故障。
[0083]
实施例3
[0084]
在该实施例中，公开了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1公开的一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法所述的步骤。
[0085]
实施例4
[0086]
在该实施例中，公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1公开的一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法所述的步骤。
[0087]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
技术特征：1.一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法，其特征在于，包括：获取变流器的三相输出电流、电容电流、负载电流和各开关状态；根据电容电流和负载电流，获得直流电流；根据变流器的三相输出电流、直流电流、各开关状态和变流器各开关状态下的拟功率和模型，获得变流器的拟功率和，其中，变流器各开关状态下的拟功率和模型为：根据特勒根定理1构建变流器各开关状态下的功率和模型，根据特勒根定理2确定代替实际电路电压的拟电压，将拟电压替换变流器各开关状态下的功率和模型中的实际电路电压获得；当变流器的拟功率和超出诊断阈值时，判断变流器存在功率器件开路故障。2.如权利要求1所述的一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法，其特征在于，当判断变流器存在功率器件开路故障后，还根据变流器各开关状态和三相电流方向，获得故障后每相的拟功率和；当三相拟功率和中最小者小于诊断阈值时，该相发生故障；根据发生故障相的相电流方向，确定故障开关管位置。3.如权利要求1所述的一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法，其特征在于，拟电压符合基尔霍夫定律。4.如权利要求1所述的一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法，其特征在于，拟电压包括直流链路低电位点n的拟电压，高电位点p的拟电压和电网中性点o处的拟电压，设定直流链路低电位点n的拟电压为0，高电位点p的拟电压为3，电网中性点o处的拟电压为变流器的共模电压。5.如权利要求1所述的一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法，其特征在于，变流器各开关状态下的拟功率和模型为：其中，为变流器各开关状态下的拟功率和；i
a
、i
b
、i
c
为变流器的三相输出电流，i
bus
为直流电流，v0,v1,...,v7为变流器的8种开关状态。6.如权利要求1所述的一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法，其特征在于，变流器的开关状态用0、1表示，其中，0表示同一桥臂的下开关管导通，1表示同一桥臂的上开关管导通。7.如权利要求1所述的一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法，其特征在于，开关管的位置指同一桥臂的上开关管或下开关管。8.一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断系统，其特征在于，包括：电流获取模块，用于获取变流器的三相输出电流、电容电流、负载电流和各开关状态；直流电流获取模块，用于根据电容电流和负载电流，获得直流电流；变流器的拟功率和获取模块，用于根据变流器的三相输出电流、直流电流、各开关状态和变流器各开关状态下的拟功率和模型，获得变流器的拟功率和，其中，变流器各开关状态
下的拟功率和模型为：根据特勒根定理1构建变流器各开关状态下的功率和模型，根据特勒根定理2确定代替实际电路电压的拟电压，将拟电压替换变流器各开关状态下的功率和模型中的实际电路电压获得；开路故障判断模块，用于当变流器的拟功率和超出诊断阈值时，判断变流器存在功率器件开路故障。9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项所述的一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法的步骤。
技术总结本发明公开的一种基于特勒根定理的电力变流器故障诊断方法及系统，包括：获取变流器的三相输出电流、电容电流、负载电流和各开关状态；根据电容电流和负载电流，获得直流电流；根据变流器的三相输出电流、直流电流、各开关状态和变流器各开关状态下的拟功率和模型，获得变流器的拟功率和，其中，变流器各开关状态下的拟功率和模型为：根据特勒根定理1构建变流器各开关状态下的功率和模型，根据特勒根定理2确定代替实际电路电压的拟电压，将拟电压替换变流器各开关状态下的功率和模型中的实际电路电压获得；当变流器的拟功率和超出诊断阈值时，判断变流器存在功率器件开路故障。实现了对变流器开路故障的快速准确诊断。现了对变流器开路故障的快速准确诊断。现了对变流器开路故障的快速准确诊断。
技术研发人员：张祯滨 陈昊宇 张明远 李真 张新晴 曾琦器 刘世明
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2022.07.21
技术公布日：2022/11/1
