电力电子系统故障检测方法及装置与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种电力电子系统故障检测方法及装置。

背景技术：

近年来风能、太阳能等可再生能源蓬勃发展，由换流器构成的电力系统因其运行灵活、可控性好，成为未来电网互联的主流结构。应用于电力系统的交直流电网互联、分布式能源并网、无功动态补偿等领域的电力电子装置是一个复杂的非线性时变元素。其高频换流器也存在诸多问题(如，故障、谐波、控制与保护等)，引起学者广泛关注。为提高其可靠性，保证安全运行，必须对电力电子装置的电力电子系统进行大量的仿真测试研究。而采用真实的试验来对系统进行分析验证的难度较大且成本高昂，通常需要采用仿真技术来缩短开发周期、降低开发费用。

电力电子设备的调节方式和自身结构的特殊性导致在传输线路发生故障时，极易使其控制失衡造成停电事故。如，输电线路易受故障影响产生故障电流，故障电流反馈至igbt中，使器件受损造成停电事故。而当下直流断路器技术不成熟，直流侧故障不能由直流断路器断开，一般采用交流断路器切除故障电流。传统的输电线路继电保护涉及三个主要任务：检测、分类和故障定位。为保证安全运行，对其有效的故障检测必不可少。因此，对交、直流输电线路故障检测和保护提出了更高要求。对于交流线路产生的单线接地、双相短路等故障，不仅需要一种快速准确的方法对故障进行检测，也需要相应措施对发生的故障类型加以识别区分，并对处理结果进行进一步甄别判断，以减少故障对换流器件、输电线路和系统的损害。如何从换流器侧识别区分此类故障，根据故障波形的暂升、暂降中断等判断定位，检测预警成为当下关注的重点。

现有技术中，基于电力电子系统的仿真对暂态仿真、数字建模与故障的问题作出细致的研究，但对电力电子模型分割、故障实时检测等问题未作详细论述。因此，如何实现电力电子系统故障实时检测成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于如何实现电力电子系统故障实时检测。

为此，根据第一方面，本发明实施例公开了一种电力电子系统故障检测方法，包括：

将三相两电平逆变器闭环控制仿真算例模型划分为快速逆变器子模型以及慢速控制子模型，以将算例仿真模型分成包含线性子模型与非线性子模型的快速逆变器子模型以及慢速控制子模型；对仿真算例模型的线性子模型进行建模得到的状态空间方程；获取采集到电力电子系统的原始信号；对原始信号分割频域得到高频小波分解系数；根据高频小波分解系数确定电力电子系统是否故障。

可选地，根据高频小波分解系数确定电力电子系统是否故障包括：获取高频小波分解系数的突变信号；判断突变信号是否存在模极大值；如果突变信号不存在模极大值，则确定原始信号为稳态信号。

可选地，如果突变信号存在模极大值，则提取高频小波分解系数的熵暂态特征；根据熵暂态特征确定电力电子系统是否故障。

可选地，根据熵暂态特征确定电力电子系统是否故障包括：判断熵暂态特征是否大于预设阈值；如果熵暂态特征大于预设阈值，则确定电力电子系统故障。

可选地，如果熵暂态特征小于预设阈值，则确定电力电子系统无故障。

根据第二方面，本发明实施例公开了一种电力电子系统故障检测装置，包括：

模型划分模块，用于将三相两电平逆变器闭环控制仿真算例模型划分为快速逆变器子模型以及慢速控制子模型，以将算例仿真模型分成包含线性子模型与非线性子模型的快速逆变器子模型以及慢速控制子模型；建模模块，用于对仿真算例模型的线性子模型进行建模得到的状态空间方程；信号获取模块，用于获取采集到电力电子系统的原始信号；分割模块，用于对原始信号分割频域得到高频小波分解系数；故障确定模块，用于根据高频小波分解系数确定电力电子系统是否故障。

可选地，故障确定模块包括：突变获取单元，用于获取高频小波分解系数的突变信号；判断单元，用于判断突变信号是否存在模极大值；稳态单元，用于如果判断单元判断突变信号不存在模极大值，则确定原始信号为稳态信号。

可选地，故障确定模块还包括：提取单元，用于如果判断单元判断突变信号存在模极大值，则提取高频小波分解系数的熵暂态特征；确定单元，用于根据熵暂态特征确定电力电子系统是否故障。

可选地，确定单元包括：特征判断子单元，用于判断熵暂态特征是否大于预设阈值；故障子单元，用于如果特征判断子单元判断熵暂态特征大于预设阈值，则确定电力电子系统故障。

可选地，确定单元包括：确定子单元，用于如果特征判断子单元判断熵暂态特征小于预设阈值，则确定电力电子系统无故障。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的电力电子系统故障检测方法及装置，通过三相两电平逆变器闭环控制仿真算例模型建立快速逆变器子模型以及慢速控制子模型，而后建模得到状态空间方程，由于建立的模型能够仿真电力系统，在获取电力电子系统的原始信号后，通过建立的模型可以确定电力电子系统是否存在故障，从而实现了电力电子系统故障的实时检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例中一种电力电子系统故障检测方法流程图；

图2为本实施例中一种仿真算例模型划分示意图；

图3为本实施例中一种小波函数的高频小波系数波形示意图；

图4为本实施例中一种电力电子系统故障检测装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

为了实现电力电子系统故障实时检测，本实施例公开了一种电力电子系统故障检测方法，请参考图1，为该电力电子系统故障检测方法流程图，该电力电子系统故障检测方法包括：

步骤s101，将三相两电平逆变器闭环控制仿真算例模型划分为快速逆变器子模型以及慢速控制子模型。在具体实施例中，可以在例如matlab仿真环境中对三相两电平逆变器闭环控制模型仿真算例进行单速率离线仿真，具体地，可以采用延迟信号以及过零点信号将三相两电平逆变器闭环控制仿真算例模型划分为快速逆变器子模型以及慢速控制子模型，并对其进行离线多速率仿真测试。从而，可以将算例仿真模型分成包含线性子模型与非线性子模型的快速逆变器子模型以及慢速控制子模型，具体地，如图2所示。以统一的系统时钟tclk为基准，这里要求慢速系统的仿真步长ts与快速系统的仿真步长为ts1都是tclk的整数倍，而且还存在慢速系统的仿真步长ts是快速系统的仿真步长ts1的整数倍。设m、n、k均为整数，则：

步骤s102，对仿真算例模型的线性子模型进行建模得到的状态空间方程。本实施例中，结合连续离散分离法与状态空间法对仿真算例模型的线性子模型进行建模，实现浮点型线性解算器的设计。最终得到的状态空间方程表达式如(1)所示。

浮点型非线性解算器设计，采用开关函数法建模就是将每相的上桥臂与下桥臂上的两个功率开关器件看作是理想的开关，则其相对应的开关函数表达式如(2)所示：

结合连续离散分离法与开关函数法来实现非线性解算器的设计，式(3、4、5)所示。

is＝[iaibic](5)

步骤s103，获取采集到电力电子系统的原始信号。本实施例中，可以完成fpga(电力电子系统端的fpga)向控制器提供闭环控制的电压、电流信号，而控制器向fpga提供pwm波驱动fpga的非线性解算器，从而实现闭环控制。实现spwm控制。产生符合要求的三角载波，并将正弦调制波与三角载波进行比较输出对称spwm波。生成的spwm波经io接口再反馈给逆变器。由此实现了处理器与fpga之间的接口设计，从而能够获取fpga采集到电力电子系统的原始信号。

步骤s104，对原始信号分割频域得到高频小波分解系数。将解算后的实时波形经da输出到ad采集卡中，将采集到的原始信号送至mallat暂态信号检测端，检测后的平稳信号进行稳态谐波测量，非平稳信号通过小波熵暂态特征提取识别故障发生相。具体地，采用高通、低通分解滤波器来实现小波变换，其基本思想是将原始信号x(t)通过一个低通滤波器(lp)和一个高通滤波器(hp)进行平滑和细节分解，即求出第一层小波变换。然后对第一层变换后的低频部分继续通过高、低滤波器进行分解得到高频小波分解系数。

需要说明的是，当信号的采样率满足nyquist要求时，归一频带必定限制在-π～+π之间。此时可以分别用理想低通和理想高通滤波器lp和hp将它分解为频带在的低频和的高频部分，分别反映信号的概貌和细节。处理后的两路信号一定是正交的，因为频带不交叠，而且两种输出的带宽均减半，此时可以使采样率下降一般而不至于丢失信息。

步骤s105，根据高频小波分解系数确定电力电子系统是否故障。在具体实施中，可以获取高频小波分解系数的突变信号；判断突变信号是否存在模极大值；如果突变信号不存在模极大值，则确定原始信号为稳态信号。具体地，请参考图3，为小波函数的高频小波系数波形示意图，用daubechies滤波器中的db5小波对突变信号进行分析，db5小波适合于暂态电能质量的检测，可以确定是否具有模极大值。如果突变信号不存在模极大值，则确定原始信号为稳态信号。

在可选的实施例中，如果突变信号存在模极大值，则提取高频小波分解系数的熵暂态特征；根据熵暂态特征确定电力电子系统是否故障。在具体实施例中，可以判断熵暂态特征是否大于预设阈值；如果熵暂态特征大于预设阈值，则确定电力电子系统故障。如果熵暂态特征小于预设阈值，则确定电力电子系统无故障。具体地，分解后高频部分包含的细节分量为小波系数，为小波熵暂态特征可以采用如下公式计算得到，每相所得高频分解小波系数由上式所得计算相应线路故障小波熵，与预设阈值相比较。本实施例中，所称预设阈值可以通过先验知识得到。

为便于本领域技术人员理解，本实施例以实验为例进行说明，本实验为一个2000mva，230kv，50hz的交流系统(送电端)通过电压源换流器换相为200mva，±100kv的直流系统，经直流输电线路传输后转换成另一功率、电压、频率相同的交流系统(受电端)。当发生接地故障、短路故障时，根据高频小波系数的模极大值设定交流故障阈值为24390。针对换流器出现的交流故障，在仿真电路变压器一次侧设置故障检测点，对以下7类故障进行故障电压检测。所得的交流故障三相小波熵函数如表1所示。由表中可得出，当发生故障时，故障点处小波熵明显比非故障线路处要大。

根据表格中数据无故障正常相与故障相比较得出，若该相发生故障时，其小波熵比正常值高很多。

表1交流故障点处小波熵结果

表2直流故障点处小波熵结果

表2为输电线路中发生直流单极故障、双极短路故障时系统的小波熵值与正常值对比结果。从表2我们可以得出，当发生故障时其小波系数与小波熵明显比正常值要大。故可依据小波熵值大小判别是否发生故障。

本实施例还公开了一种电力电子系统故障检测装置，请参考图4，该电力电子系统故障检测装置包括：模型划分模块401、建模模块402、信号获取模块403、分割模块404和故障确定模块405，其中：

模型划分模块401用于将三相两电平逆变器闭环控制仿真算例模型划分为快速逆变器子模型以及慢速控制子模型，以将算例仿真模型分成包含线性子模型与非线性子模型的快速逆变器子模型以及慢速控制子模型；建模模块402用于对仿真算例模型的线性子模型进行建模得到的状态空间方程；信号获取模块403用于获取采集到电力电子系统的原始信号；分割模块404用于对原始信号分割频域得到高频小波分解系数；故障确定模块405用于根据高频小波分解系数确定电力电子系统是否故障。

在可选的实施例中，故障确定模块包括：突变获取单元，用于获取高频小波分解系数的突变信号；判断单元，用于判断突变信号是否存在模极大值；稳态单元，用于如果判断单元判断突变信号不存在模极大值，则确定原始信号为稳态信号。

在可选的实施例中，故障确定模块还包括：提取单元，用于如果判断单元判断突变信号存在模极大值，则提取高频小波分解系数的熵暂态特征；确定单元，用于根据熵暂态特征确定电力电子系统是否故障。

在可选的实施例中，确定单元包括：特征判断子单元，用于判断熵暂态特征是否大于预设阈值；故障子单元，用于如果特征判断子单元判断熵暂态特征大于预设阈值，则确定电力电子系统故障。

在可选的实施例中，确定单元包括：确定子单元，用于如果特征判断子单元判断熵暂态特征小于预设阈值，则确定电力电子系统无故障。

本实施例提供的电力电子系统故障检测方法及装置，通过三相两电平逆变器闭环控制仿真算例模型建立快速逆变器子模型以及慢速控制子模型，而后建模得到状态空间方程，由于建立的模型能够仿真电力系统，在获取电力电子系统的原始信号后，通过建立的模型可以确定电力电子系统是否存在故障，从而实现了电力电子系统故障的实时检测。

此外，本实施例提供的电力电子系统故障检测方法及装置可以对电力电子模型进行连续离散分离，提取线性与非线性模型并通过多速率联合仿真的系统对高频开关器件进行实时仿真测试分析，缩短开发周期、降低开发费用。

本实施例提供的电力电子系统故障检测方法及装置，以mallat分解法分割频域后得到的高频小波分解系数来区分暂、稳态扰动更加简洁。对高频分解系数进行小波熵暂态特征提取，在频域计算结果不准确时通过计算小波分解系数熵来判决故障发生的相，结果更加精确。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。