一种基于BP神经网络诊断静止变频器故障的方法与流程

本发明属于电力电子器件故障诊断领域，运用bp神经网络技术，根据静止变频器晶闸管故障时的全控整流桥和全控逆变桥的输出电压，诊断出故障的晶闸管。

背景技术：

随着电网容量的日益增大，抽水蓄能电站应用越来越多，其承担调峰填谷、事故备用。抽水蓄能电站在发电状态是与普通的水轮发电机组一样，当其在抽水状态时，发电机组工作在电动机状态，其快速平稳的启动，减少对电网的冲击，在电站内设置一套公用的静止变频装置是技术、经济上最佳的处理办法。

静止变频器的原理图如图1所示，静止变频器利用晶闸管换流装置将工频交流电转换成频率连续可调的变频交流电，将该变频电流输出到同步电机定子绕组，形成定子旋转磁场，同时在转子上施加励磁电流，形成转子磁场，旋转的定子磁场与转子磁场相互作用，牵引转子转动，即可实现机组的启动。

静止变频器中全控整流桥和全控逆变桥能否实现电流的整流和逆变是静止变频器能否正常工作的关键因素。静止变频器上任何一个晶闸管的损坏或者故障都会导致静止变频器的失效。晶闸管属于易损坏器件，所以，能否及时找出故障的晶闸管是静止变频器工作效率的保障。

技术实现要素：

本发明的目的是，提供一种基于bp神经网络诊断静止变频器故障的方法，用于实时快速检测静止变频器的故障状态，诊断出故障的晶闸管进行替换修理，稳定静止变频器的工作效率，提高安全保障。

为了达成上述目的，本发明提出了一种基于bp神经网络诊断静止变频器故障的方法，所述静止变频器包括全控整流桥、平波电抗器和全控逆变桥，所述全控整流桥的交流侧作为静止变频器的三相输入端，全控整流桥直流侧的一端通过平波电抗器连接全控逆变桥直流侧的一端，全控整流桥直流侧的另一端直接连接全控逆变桥直流侧的另一端；全控逆变桥的交流侧连接电机；所述方法包括如下步骤：

步骤1：取所述全控整流桥触发角为0时在全控整流桥中只有一只晶闸管损坏、全控整流桥同一桥臂的上下两只晶闸管损坏、全控整流桥同一半桥的其中两只晶闸管损坏及全控整流桥不同半桥的交叉两只晶闸管损坏这四种情况下的所有故障可能作为网络训练样本，取全控整流桥阴极和阳极的电位差的直流分量x1、基波幅值x2、二次谐波幅值x3、三次谐波幅值x4作为输入值，对全控整流桥bp神经网络进行训练；得到输出值和全控整流桥故障晶闸管的对应关系；

步骤2：取所述全控逆变桥触发角为0时在全控逆变桥中只有一只晶闸管损坏、全控逆变桥同一桥臂的上下两只晶闸管损坏、全控逆变桥同一半桥的其中两只晶闸管损坏以及全控逆变桥不同半桥的交叉两只晶闸管损坏这四种情况下的所有故障可能作为网络训练样本，取全控逆变桥的输入电压幅值u1、a相输出电压幅值u2、b相输出电压幅值u3、c相输出电压幅值u4作为输入值，对全控逆变桥bp神经网络进行训练；得到输出值和全控逆变桥故障晶闸管的对应关系；

步骤3：实时检测静止变频器全控整流桥和全控逆变桥输出电压，检测到全控整流桥输出电压异常时进入步骤4，检测到全控逆变桥输出电压异常时进入步骤5；

步骤4：提取全控整流桥阴极和阳极的电位差的直流分量x1、基波幅值x2、二次谐波幅值x3、三次谐波幅值x4输入全控整流桥bp神经网络得到对应的输出，根据输出值和全控整流桥故障晶闸管的对应关系定位故障晶闸管；

步骤5：计算全控逆变桥的输入电压幅值u1、a相输出电压幅值u2、b相输出电压幅值u3、c相输出电压幅值u4输入全控逆变桥bp神经网络得到对应的输出，根据输出值和全控逆变桥故障晶闸管的对应关系定位故障晶闸管。

进一步地，所述全控整流桥有六个晶闸管vt1、vt2、vt3、vt4、vt5、vt6，其中，所述晶闸管vt1、vt4位于同一桥臂；所述晶闸管vt3、vt6位于同一桥臂；所述晶闸管vt5、vt2位于同一桥臂；

所述步骤1具体包括：

全控整流桥晶闸管故障类型为：

故障类型一，全控整流桥中只有一只晶闸管损坏；

故障类型二，全控整流桥同一桥臂的上下两只晶闸管损坏；

故障类型三，全控整流桥同一半桥的其中两只晶闸管损坏；

故障类型四，全控整流桥不同半桥的交叉两只晶闸管损坏；

所述全控整流桥bp神经网络分为3层，输入层，隐含层，输出层；

所述全控整流桥bp神经网络输入节点数取4，取全控整流桥阴极和阳极的电位差的直流分量x1、基波幅值x2、二次谐波幅值x3、三次谐波幅值x4作为输入值；

所述全控整流桥bp神经网络隐含层节点数取15；

所述全控整流桥bp神经网络输出节点数取6，分别为y1、y2、y3、y4、y5、y6；每个节点输出值为0或1；y1y2y3为001时，表示故障类型一；y1y2y3为010时，表示故障类型二；y1y2y3为011时，表示故障类型三；y1y2y3为100时，表示故障类型四；

当y1y2y3为001时，故障类型一有6种故障情况：y4y5y6为001时，表示vt1故障；y4y5y6为010时，表示vt2故障；y4y5y6为011时，表示vt3故障；y4y5y6为100时，表示vt4故障；y4y5y6为101时，表示vt5故障；y4y5y6为110时，表示vt6故障；

当y1y2y3为010时，故障类型二有3种故障情况：y4y5y6为001时，表示vt1、vt4故障；y4y5y6为010时，表示vt2、vt5故障；y4y5y6为011时，表示vt3、vt6故障；

当y1y2y3为011时，故障类型三有6种故障情况：y4y5y6为001时，表示vt1、vt3故障；y4y5y6为010时，表示vt2、vt4故障；y4y5y6为011时，表示vt3、vt5故障；y4y5y6为100时，表示vt4、vt6故障；y4y5y6为101时，表示vt1、vt5故障；y4y5y6为110时，表示vt2、vt6故障；

当y1y2y3为100时，故障类型四有6种故障情况：y4y5y6为001时，表示vt1、vt2故障；y4y5y6为010时，表示vt2、vt3故障；y4y5y6为011时，表示vt3、vt4故障；y4y5y6为100时，表示vt4、vt5故障；y4y5y6为101时，表示vt5、vt6故障；y4y5y6为110时，表示vt1、vt6故障。

进一步地，所述全控整流桥bp神经网络诊断方法输出值的归一化处理原则为y1、y2、y3的输出值大于或等于0.5时取1，小于0.5时取0。

进一步地，所述全控逆变桥有六个晶闸管vt7、vt8、vt9、vt10、vt11、vt12，其中，所述晶闸管vt7、vt10位于同一桥臂；所述晶闸管vt9、vt12位于同一桥臂；所述晶闸管vt11、vt8位于同一桥臂；所述步骤2具体包括：

全控逆变桥晶闸管故障类型：

故障类型一，全控逆变桥中只有一只晶闸管损坏；

故障类型二，全控逆变桥同一桥臂的上下两只晶闸管损坏；

故障类型三，全控逆变桥同一半桥的其中两只晶闸管损坏；

故障类型四，全控逆变桥不同半桥的交叉两只晶闸管损坏。

所述全控逆变桥bp神经网络分为3层，输入层，隐含层，输出层；

所述全控逆变桥bp神经网络输入节点数取4，取全控逆变桥的输入电压幅值u1、a相输出电压幅值u2、b相输出电压幅值u3、c相输出电压幅值u4作为输入值；

所述全控逆变桥bp神经网络隐含层节点数取15；

所述全控逆变桥bp神经网络输出节点数取6，分别为n1、n2、n3、n4、n5、n6；每个节点输出值为0或1；n1n2n3为001时，表示故障类型一；n1n2n3为010时，表示故障类型二；n1n2n3为011时，表示故障类型三；n1n2n3为100时，表示故障类型四；

当n1n2n3为001时，故障类型一有6种故障情况：n4n5n6为001时，表示vt7故障；n4n5n6为010时，表示vt8故障；n4n5n6为011时，表示vt9故障；n4n5n6为100时，表示vt10故障；n4n5n6为101时，表示vt11故障；n4n5n6为110时，表示vt12故障；

当n1n2n3为010时，故障类型二有3种故障情况：n4n5n6为001时，表示vt7、vt10故障；n4n5n6为010时，表示vt8、vt11故障；n4n5n6为011时，表示vt9、vt12故障；

当n1n2n3为011时，故障类型三有6种故障情况：n4n5n6为001时，表示vt7、vt9故障；n4n5n6为010时，表示vt8、vt10故障；n4n5n6为011时，表示vt9、vt11故障；n4n5n6为100时，表示vt10、vt12故障；n4n5n6为101时，表示vt7、vt11故障；n4n5n6为110时，表示vt8、vt12故障；

当n1n2n3为100时，故障类型四有6种故障情况。n4n5n6为001时，表示vt7、vt8故障；n4n5n6为010时，表示vt8、vt9故障；n4n5n6为011时，表示vt9、vt10故障；n4n5n6为100时，表示vt10、vt11故障；n4n5n6为101时，表示vt11、vt12故障；n4n5n6为110时，表示vt7、vt12故障。

进一步地，所述全控逆变桥bp神经网络诊断方法输出值的归一化处理原则为n4、n5、n6的输出值大于或等于0.5时取1，小于0.5时取0。

本发明的有益效果是：本发明对晶闸管故障类型做了详细的分类，基于静止变频器的一般构造，给出了静止变频器发生故障时的诊断步骤，建立bp神经网络，对静止变频器的机桥和网桥中的晶闸管进行诊断，找出故障晶闸管。本发明提供了一种便捷的诊断静止变频器晶闸管故障方法，可以有效节约人力物力，维护以静止变频器为核心的机组的安全和稳定。

附图说明

图1是现有技术中静止变频器的经典结构示意图。

图2是本发明设计的基于bp神经网络诊断静止变频器故障类型，进行故障定位的流程图。

图3是运用bp神经网络对全控整流桥所有故障可能进行网络训练后，得出的关系对应图。

图4是运用bp神经网络对全控逆变桥所有故障可能进行网络训练后，得出的关系对应图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图2所示为本发明的一种基于bp神经网络诊断静止变频器故障的方法实施例，其中，静止变频器包括全控整流桥、平波电抗器和全控逆变桥，所述全控整流桥的交流侧作为静止变频器的三相输入端，全控整流桥直流侧的一端通过平波电抗器连接全控逆变桥直流侧的一端，全控整流桥直流侧的另一端直接连接全控逆变桥直流侧的另一端；全控逆变桥的交流侧连接电机。方法包括如下步骤：

步骤1：取所述全控整流桥触发角为0时在全控整流桥中只有一只晶闸管损坏、全控整流桥同一桥臂的上下两只晶闸管损坏、全控整流桥同一半桥的其中两只晶闸管损坏及全控整流桥不同半桥的交叉两只晶闸管损坏这四种情况下的所有故障可能作为网络训练样本，取全控整流桥阴极和阳极的电位差的直流分量x1、基波幅值x2、二次谐波幅值x3、三次谐波幅值x4作为输入值，对全控整流桥bp神经网络进行训练；得到输出值和全控整流桥故障晶闸管的对应关系。

步骤2：取所述全控逆变桥触发角为0时在全控逆变桥中只有一只晶闸管损坏、全控逆变桥同一桥臂的上下两只晶闸管损坏、全控逆变桥同一半桥的其中两只晶闸管损坏以及全控逆变桥不同半桥的交叉两只晶闸管损坏这四种情况下的所有故障可能作为网络训练样本，取全控逆变桥的输入电压幅值u1、a相输出电压幅值u2、b相输出电压幅值u3、c相输出电压幅值u4作为输入值，对全控逆变桥bp神经网络进行训练；得到输出值和全控逆变桥故障晶闸管的对应关系。

步骤3：实时检测静止变频器全控整流桥和全控逆变桥输出电压，检测到全控整流桥输出电压异常时进入步骤4，检测到全控逆变桥输出电压异常时进入步骤5；

步骤4：提取全控整流桥阴极和阳极的电位差的直流分量x1、基波幅值x2、二次谐波幅值x3、三次谐波幅值x4输入全控整流桥bp神经网络得到对应的输出，根据输出值和全控整流桥故障晶闸管的对应关系定位故障晶闸管；

步骤5：计算全控逆变桥的输入电压幅值u1、a相输出电压幅值u2、b相输出电压幅值u3、c相输出电压幅值u4输入全控逆变桥bp神经网络得到对应的输出，根据输出值和全控逆变桥故障晶闸管的对应关系定位故障晶闸管。

如图1所示为现有技术中静止变频器的经典结构示意图。全控整流桥有六个晶闸管vt1、vt2、vt3、vt4、vt5、vt6，其中，所述晶闸管vt1、vt4位于同一桥臂；所述晶闸管vt3、vt6位于同一桥臂；所述晶闸管vt5、vt2位于同一桥臂。全控逆变桥有六个晶闸管vt7、vt8、vt9、vt10、vt11、vt12，其中，所述晶闸管vt7、vt10位于同一桥臂；所述晶闸管vt9、vt12位于同一桥臂；所述晶闸管vt11、vt8位于同一桥臂。以下图1的结构为例介绍本发明的方法实施例2。本实施例中，bp神经网络分为三层，输入层，隐含层，输出层。用于诊断静止变频器全控整流桥和全控逆变的输入节点数均取4，隐含层均为15，输出节点数均取6。

全控整流桥故障的原理说明，晶闸管工作的六种情况：

-情况一，在此种情况下，故障的晶闸管个数为零，静止变频器处于正常工作状态，此时无需bp神经网络参与诊断；

-情况二，在此种情况下，全控整流桥的上半桥或者下半桥的三只晶闸管全部损坏，即vt1、vt3、vt5或vt2、vt4、vt6同时损坏，负载输出电压波形为一条零直线。在此种情况下，只存在两种损坏情况，对同一桥臂上下晶闸管分别更换即可诊断出故障原因，此时无需bp神经网络参与诊断；

-情况三，在此种情况下，全控整流桥中只有一只晶闸管损坏。在此种情况下，晶闸管损坏的可能有(1)vt1损坏；(2)vt2损坏；(3)vt3损坏；(4)vt4损坏；(5)vt5损坏；(6)vt6损坏。

-情况四，在此种情况下，全控整流桥同一桥臂的上下两只晶闸管损坏。在此种情况下，晶闸管损坏的可能有(1)vt1、vt4损坏；(2)vt2、vt5损坏；(3)vt3、vt6损坏。

-情况五，在此种情况下，全控整流桥同一半桥的其中两只晶闸管损坏。在此种情况下，晶闸管损坏的可能有(1)vt1、vt3损坏；(2)vt2、vt4损坏；(3)vt3、vt5损坏；(4)vt4、vt6损坏；(5)vt1、vt5损坏；(6)vt2、vt6损坏。

-情况六，在此种情况下，全控整流桥不同半桥的交叉两只晶闸管损坏。在此种情况下，晶闸管损坏的可能有(1)vt1、vt2损坏；(2)vt2、vt3损坏；(3)vt3、vt4损坏；(4)vt4、vt5损坏；(5)vt5、vt6损坏；(6)vt6、vt1损坏。

所述情况三至六分别本申请中的全控整流桥的故障类型一、故障类型二、故障类型三、故障类型四。

取所述全控整流桥触发角为0时的所有故障可能作为网络训练样本，取全控整流桥阴极和阳极的电位差的直流分量x1、基波幅值x2、二次谐波幅值x3、三次谐波幅值x4作为输入值，对全控整流桥bp神经网络进行训练。所述全控整流桥bp神经网络诊断方法输出值y1、y2、y3、y4、y5、y6为0或1。所述bp神经网络诊断方法输出值的归一化处理原则为y1、y2、y3、y4、y5、y6的输出值大于或等于0.5时取1，小于0.5时取0。训练后的样本对应数据如图3所示：

y1y2y3为001时，表示故障类型一；y1y2y3为010时，表示故障类型二；y1y2y3为011时，表示故障类型三；y1y2y3为100时，表示故障类型四；

当y1y2y3为001时，故障类型一有6种故障情况：y4y5y6为001时，表示vt1故障；y4y5y6为010时，表示vt2故障；y4y5y6为011时，表示vt3故障；y4y5y6为100时，表示vt4故障；y4y5y6为101时，表示vt5故障；y4y5y6为110时，表示vt6故障；

当y1y2y3为010时，故障类型二有3种故障情况：y4y5y6为001时，表示vt1、vt4故障；y4y5y6为010时，表示vt2、vt5故障；y4y5y6为011时，表示vt3、vt6故障；

当y1y2y3为011时，故障类型三有6种故障情况：y4y5y6为001时，表示vt1、vt3故障；y4y5y6为010时，表示vt2、vt4故障；y4y5y6为011时，表示vt3、vt5故障；y4y5y6为100时，表示vt4、vt6故障；y4y5y6为101时，表示vt1、vt5故障；y4y5y6为110时，表示vt2、vt6故障；

当y1y2y3为100时，故障类型四有6种故障情况：y4y5y6为001时，表示vt1、vt2故障；y4y5y6为010时，表示vt2、vt3故障；y4y5y6为011时，表示vt3、vt4故障；y4y5y6为100时，表示vt4、vt5故障；y4y5y6为101时，表示vt5、vt6故障；y4y5y6为110时，表示vt1、vt6故障。

全控逆变桥故障的原理说明，晶闸管工作的六种情况：

-情况一，在此种情况下，故障的晶闸管个数为零，静止变频器处于正常工作状态，此时无需bp神经网络参与诊断；

-情况二，在此种情况下，全控逆变桥的上半桥或者下半桥的三只晶闸管全部损坏，即vt8、vt12、vt10或vt11、vt9、vt7同时损坏，a相、b相、c相电压波形为一条零直线。在此种情况下，只存在两种损坏情况，对同一桥臂上下晶闸管分别更换即可诊断出故障原因，此时无需bp神经网络参与诊断；

-情况三，在此种情况下，全控逆变桥中只有一只晶闸管损坏。在此种情况下，晶闸管损坏的可能有(1)vt7损坏；(2)vt8损坏；(3)vt9损坏；(4)vt10损坏；(5)vt11损坏；(6)vt12损坏。

-情况四，在此种情况下，全控逆变桥同一桥臂的上下两只晶闸管损坏。在此种情况下，晶闸管损坏的可能有(1)vt7、vt10损坏；(2)vt8、vt11损坏；(3)vt9、vt12损坏。

-情况五，在此种情况下，全控逆变桥同一半桥的其中两只晶闸管损坏。在此种情况下，晶闸管损坏的可能有(1)vt7、vt9损坏；(2)vt8、vt10损坏；(3)vt9、vt11损坏；(4)vt10、vt11损坏；(5)vt7、vt11损坏；(6)vt8、vt12损坏。

-情况六，在此种情况下，全控逆变桥不同半桥的交叉两只晶闸管损坏。在此种情况下，晶闸管损坏的可能有(1)vt7、vt8损坏；(2)vt8、vt9损坏；(3)vt9、vt10损坏；(4)vt10、vt11损坏；(5)vt11、vt12损坏；(6)vt12、vt7损坏。

所述情况三至六分别对应本申请中全控逆变桥的故障类型一、故障类型二、故障类型三、故障类型四。

取所述全控逆变桥触发角为0时的所有故障可能作为网络训练样本，取全控逆变桥的输入电压幅值u1、a相输出电压幅值u2、b相输出电压幅值u3、c相输出电压幅值u4作为输入值，对bp神经网络进行训练。所述bp神经网络诊断方法输出值n1、n2、n3、n4、n5、n6为0或1。所述bp神经网络诊断方法输出值的归一化处理原则为n1、n2、n3、n4、n5、n6的输出值大于或等于0.5时取1，小于0.5时取0。训练后的样本对应数据如图4所示：

n1n2n3为001时，表示故障类型一；n1n2n3为010时，表示故障类型二；n1n2n3为011时，表示故障类型三；n1n2n3为100时，表示故障类型四；

当n1n2n3为001时，故障类型一有6种故障情况：n4n5n6为001时，表示vt7故障；n4n5n6为010时，表示vt8故障；n4n5n6为011时，表示vt9故障；n4n5n6为100时，表示vt10故障；n4n5n6为101时，表示vt11故障；n4n5n6为110时，表示vt12故障；

当n1n2n3为010时，故障类型二有3种故障情况：n4n5n6为001时，表示vt7、vt10故障；n4n5n6为010时，表示vt8、vt11故障；n4n5n6为011时，表示vt9、vt12故障；

当n1n2n3为011时，故障类型三有6种故障情况：n4n5n6为001时，表示vt7、vt9故障；n4n5n6为010时，表示vt8、vt10故障；n4n5n6为011时，表示vt9、vt11故障；n4n5n6为100时，表示vt10、vt12故障；n4n5n6为101时，表示vt7、vt11故障；n4n5n6为110时，表示vt8、vt12故障；

当n1n2n3为100时，故障类型四有6种故障情况。n4n5n6为001时，表示vt7、vt8故障；n4n5n6为010时，表示vt8、vt9故障；n4n5n6为011时，表示vt9、vt10故障；n4n5n6为100时，表示vt10、vt11故障；n4n5n6为101时，表示vt11、vt12故障；n4n5n6为110时，表示vt7、vt12故障。

当静止变频器处于正常工作状态，并且全控整流桥阴极和阳极的电位差的直流分量x1、基波幅值x2、二次谐波幅值x3、三次谐波幅值x4，全控逆变桥的输入电压幅值u1、a相输出电压幅值u2、b相输出电压幅值u3、c相输出电压幅值u4处于被实时检测的状态。某一时刻检测到全控整流桥输出电压波形异常，运用bp神经网络进行诊断，输入x1、x2、x3、x4，得到y1y2y3y4y5y6的值为010010，得知vt2、vt5故障。

当静止变频器处于正常工作状态，并且全控整流桥阴极和阳极的电位差的直流分量x1、基波幅值x2、二次谐波幅值x3、三次谐波幅值x4，全控逆变桥的输入电压幅值u1、a相输出电压幅值u2、b相输出电压幅值u3、c相输出电压幅值u4处于被实时检测的状态。某一时刻检测到全控逆变桥输出电压波形异常，运用bp神经网络进行诊断，输入u1、u2、u3、u4，得到n1n2n3n4n5n6的值为100001，得知vt7、vt8故障。