一种基于小波变换的同步调相机定子绕组短路故障诊断方法

本发明属于电机故障诊断技术领域。

背景技术：

由于电网电压等级不断提高、联网规模不断扩大，具有远距离、大容量、高效率等优点的特高压直流输电技术得到了迅速发展。随着特高压直流输电工程的推进，电力系统对直流输电送、受端动态无功需求日益增强。为解决特高压直流输电系统中无功补偿问题，同步调相机作为一种大容量动态无功补偿装置得到了广泛的应用。与基于电力电子技术的无功补偿器件相比较，调相机不仅具有更好的无功出力特性，还能为系统提供短路容量。因此，国家电网公司已经对多条特高压直流输电系统加装了300mvar调相机，以解决系统无功补偿问题。

调相机并网运行后主要用于解决电力系统故障工况下的无功补偿问题，然而电力系统故障时，调相机所受的冲击电流较大，长时间受到大电流冲击后调相机端部绝缘易发生老化破损导致调相机定子绕组发生单相短路、两相接地、两相短路以及三相短路等故障。对调相机所发生的短路故障进行快速诊断，能够大幅度缩短调相机停机时间，进而减少因调相机停机而产生的经济损失。因此对同步调相机定子绕组短路故障进行诊断是十分必要的。

目前现有的针对同步调相机定子绕组短路故障的诊断方法仅能诊断出调相机发生了何种故障，而不能诊断出具体故障相，这将对调相机检修造成极大的阻碍。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有对同步调相机定子绕组短路故障的诊断方法仅能诊断出调相机发生了何种故障，而不能诊断出具体故障相的问题，现提供一种基于小波变换的同步调相机定子绕组短路故障诊断方法。

一种基于小波变换的同步调相机定子绕组短路故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤一：采集同步调相机在当前故障工况下的励磁电流信号和当前故障工况下的转子位置角θα，α＝a，b，c，θa、θb和θc分别为励磁绕组轴线分别与a相、b相和c相绕组轴线的夹角；

步骤二：对步骤一获得的励磁电流信号依次进行fft变换和小波变换，获得十个频段小波序列；

步骤三：在十个频段小波序列中选取特征频段、并计算特征频段的频段能量和；

步骤四：构建同步调相机故障工况模型，调整该模型参数，获得频率最小的两个特征频段的能量范围以及不同故障工况下的励磁电流信号和转子位置角，利用不同故障工况下的励磁电流信号和转子位置角，分别获得不同故障工况下的转子位置角-能量和曲线；

步骤五：将步骤三获得的特征频段中频率最小的两个特征频段的能量分别与相应能量范围进行比较，确定当前故障工况下同步调相机定子绕组的故障类型；

步骤六：判断当前故障工况的故障类型是否为三相短路故障，是则确定当前故障工况的故障相为a相、b相和c相，并结束诊断，否则执行步骤七；

步骤七：根据步骤五获得的故障类型选取出相应工况的转子位置角-能量和曲线，利用该曲线与步骤三获得的频段能量和获得疑似夹角；

步骤八：判断步骤七获得的所有疑似夹角中是否有与θα相等的情况，是则执行步骤九，否则返回步骤一；

步骤九：当步骤五获得的当前故障工况的故障类型是为单相故障，则当前故障工况下同步调相机定子绕组的故障相为α相，

当步骤五获得的当前故障工况的故障类型是为两相故障，则当前故障工况下同步调相机定子绕组的非故障相为α相，所述两相故障包括两相短路故障和两相接地短路故障。

进一步的，上述步骤一中，对同步调相机发生定子绕组短路故障后0s～0.08s内的励磁电流信号进行采集，采样频率为5000hz。

进一步的，上述步骤一中，根据下式获得短路时刻的转子位置角：

其中，δt＝t1-t2，t1为同步调相机转子大齿表面励磁绕组轴线上的信号发生器不再发出信号时刻，t2为同步调相机定子铁芯内圆a相定子绕组轴线上的位置传感器上一次接收信号时刻。

进一步的，上述步骤二具体为：首先，对励磁电流信号进行标幺化处理，然后，对标幺化处理后的励磁电流信号进行fft变换，获得信号频谱图，最后，在信号频谱图中查找信号特征频率，并对标幺化处理后的励磁电流信号进行九层离散小波变换，获得十个频段小波序列，所述九层离散小波变换的采样频率为5000hz。

进一步的，上述步骤三具体为：

在十个频段小波序列中选取信号特征频率所在频段作为特征频段，根据下式分别计算每个特征频段的能量ej：

其中，ej为第j层频段能量，dj为第j层小波分解系数，n为小波变换的采样点数，

将特征频段按照能量从小到达进行排序，排除排序第二的特征频段，然后将剩余特征频段的能量求和，获得特征频段的频段能量和。

进一步的，上述步骤四中，同步调相机故障工况模型能够模拟同步调相机单相短路故障、两相短路故障、两相接地短路故障和三相短路故障。

进一步的，上述步骤四中，调整同步调相机故障工况模型参数的步长为10°。

进一步的，上述步骤四中，获得频率最小的两个特征频段的能量范围的具体方法为：

调整同步调相机故障工况模型参数，获得同步调相机不同故障工况，根据步骤一至步骤三获得每种工况下最小的两个特征频段的能量范围，分别将这两个特征频段所有能量范围中的最小值作为下限、最大值作为上限，获得各自的能量范围。

进一步的，设步骤三获得的特征频段中频率最小的特征频段为频段1，第二小的特征频段为频段2，在频段1对应的能量范围中由大到小按顺序选取5个阈值点，所述5个阈值点分别为：第1个阈值点与第2个阈值点分别为两相接地短路故障工况下频段1能量范围的上、下界，第3个阈值点与第5个阈值点分别为单相短路故障工况下频段1能量范围的上、下界，第4个阈值点为两相短路故障工况下频段1能量范围的下界，在频段2对应的能量范围内选取一个预设阈值点，该预设阈值点为单相短路故障工况下频段2能量范围上界的0.5倍，

当频段1的能量大于第1个阈值点时，当前故障工况的故障类型为三相短路故障，

当频段1的能量位于第1个阈值点与第2个阈值点之间时，当前故障工况的故障类型为两相接地短路故障，

当频段1的能量位于第2个阈值点与第3个阈值点之间时；或当频段1的能量位于第3个阈值点与第4个阈值点之间，且频段2的能量大于预设阈值点时，当前故障工况的故障类型为两相短路故障，

当频段1的能量位于第3个阈值点与第4个阈值点之间，且频段2的能量小于预设阈值点时；或当频段1的能量位于第4阈值点与第5个阈值点之间时，当前故障工况的故障类型为单相短路故障。

进一步的，上述步骤七中，将步骤五获得的故障类型相应工况的转子位置角-能量和曲线作为判断曲线，将步骤三获得的频段能量和与判断曲线放在同一坐标系下，所述坐标系的横坐标为转子位置角、纵坐标为能量和，将频段能量和所在直线与判断曲线的交点对应的转子位置角作为疑似夹角。

本发明的有益效果：

本发明结合了fft变换与离散小波变换对同步调相机定子绕组发生短路故障后冲击较小的励磁电流进行处理，综合考虑了特征频段能量以及短路时刻转子位置角，不仅能对故障种类进行诊断还能对故障相进行诊断。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于小波变换的同步调相机定子绕组短路故障诊断方法的流程图；

图2为具体实施方式一步骤五中判断当前故障工况的故障类型的方法流程图；

图3为转子位置角测量装置安装示意图；

图4为转子位置角示意图；

图5为两相接地短路故障工况下的转子位置角-能量和曲线；

图6为具体实施方式二所述一种基于小波变换的同步调相机定子绕组短路故障诊断系统结构框图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至5具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于小波变换的同步调相机定子绕组短路故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤一：采集同步调相机在当前故障工况下的励磁电流信号和当前故障工况下的转子位置角θα，α＝a，b，c，θa、θb和θc分别为励磁绕组轴线分别与a相、b相和c相绕组轴线的夹角。

进一步的，对同步调相机发生定子绕组短路故障后0s～0.08s内的励磁电流信号进行采集，采样频率为5000hz。考虑到目前调相机所配备的继电保护装置的故障切除时间(0.04-0.08s)与目前电力系统所配备的300mvar同步调相机直轴超瞬态时间常数(约为0.06s)。因此本实施方式对同步调相机发生定子绕组短路故障后0.04s内的励磁电流信号进行采集。

考虑到短路故障后0.04s内属于短路初始阶段，电机转速可视为短路前转速，结合图3所示，将同步调相机转子大齿表面励磁绕组轴线上的信号发生器不再发出信号时刻t1与同步调相机定子铁芯内圆a相定子绕组轴线上的位置传感器上一次接收信号时刻t2做差处理，所得δt＝t1-t2根据下述公式计算当前故障工况下转子位置角θα(如图4所示，短路时刻转子位置角为励磁绕组轴线与a、b、c三相绕组轴线夹角，该角度的周期为360°)：

步骤二：首先，对励磁电流信号进行标幺化处理，基值取空载励磁电流数值；然后，对标幺化处理后的励磁电流信号进行fft变换，获得信号频谱图；最后，在信号频谱图中查找信号特征频率，并对标幺化处理后的励磁电流信号进行九层离散小波变换，获得十个频段小波序列，所述九层离散小波变换的采样频率为5000hz。

本实施方式中，给出信号特征频率分别为0hz、25hz、50hz、100hz与150hz。

步骤三：在十个频段小波序列中选取信号特征频率所在频段作为特征频段，即获得的5个特征频段分别为：d5(156.25-78.125hz)、d6(78.125-39.0625hz)、d7(39.0625-19.5313hz)、d9(9.7656-4.8828hz)、a9(4.8828-0hz)。

根据下式分别计算每个特征频段的能量ej：

其中，ej为第j层频段能量，dj为第j层小波分解系数，n为小波变换的采样点数，

上述5个特征频段按照能量从小到达进行排序，将d9作为辅助判据，将d5、d6、d7和a9的能量求和，获得特征频段的频段能量和。

步骤四：构建同步调相机故障工况模型，该同步调相机故障工况模型能够模拟同步调相机单相短路故障、两相短路故障、两相接地短路故障和三相短路故障。

以步长10°调整同步调相机故障工况模型的参数，获得同步调相机不同故障工况，根据步骤一至步骤三获得d9和a9不同故障工况下的能量范围。假设获得n个d9，则在n个d9的下限中选取最小值作为d9的能量范围下限，在n个d9的上限中选取最大值作为d9的能量范围上限，从而获得d9的能量范围。同理获得a9的能量范围。

同时还执行步骤一至步骤三获得同步调相机不同故障工况下的频段能量和与转子位置角，以转子位置角为横坐标、频段能量和为纵坐标绘制不同故障工况下的转子位置角-能量和曲线。

步骤五：在步骤四获得的a9的能量范围中由大到小按顺序选取5个阈值点，所述5个阈值点的选取依据为：第1个阈值点与第2个阈值点分别为两相接地短路故障工况下a9能量范围的上、下界，第3个阈值点与第5个阈值点分别为单相短路故障工况下a9能量范围的上、下界，第4个阈值点为两相短路故障工况下a9能量范围的下界。

在步骤四获得的d9的能量范围内选取一个预设阈值点，该预设阈值点为单相短路故障工况下d9能量范围上界的0.5倍。

将步骤三获得的d9和a9的能量分别与步骤四获得的d9的能量范围和a9的能量范围进行比较，如图2所示：

当步骤三获得的a9的能量大于第1个阈值点时，当前故障工况的故障类型为三相短路故障，

当步骤三获得的a9的能量位于第1个阈值点与第2个阈值点之间时，当前故障工况的故障类型为两相接地短路故障，

当步骤三获得的a9的能量位于第2个阈值点与第3个阈值点之间时；或当步骤三获得的a9的能量位于第3个阈值点与第4个阈值点之间，且步骤三获得的d9的能量大于预设阈值点时，当前故障工况的故障类型为两相短路故障，

当步骤三获得的a9的能量位于第3个阈值点与第4个阈值点之间，且步骤三获得的d9的能量小于预设阈值点时；或当步骤三获得的a9的能量位于第4阈值点与第5个阈值点之间时，当前故障工况的故障类型为单相短路故障。

步骤六：判断步骤五获得的当前故障工况的故障类型是否为三相短路故障，是则确定当前故障工况的故障相为a相、b相和c相，并结束诊断，否则执行步骤七；

步骤七：根据步骤五获得的故障类型在步骤四获得的不同故障工况下的转子位置角-能量和曲线中选取出相应工况的转子位置角-能量和曲线，利用该曲线与步骤三获得的频段能量和获得疑似夹角。具体为：

将步骤五获得的故障类型相应工况的转子位置角-能量和曲线作为判断曲线。

将步骤三获得的频段能量和与判断曲线放在同一坐标系下，如图5所示，步骤三获得的频段能量和在横坐标转子位置角、纵坐标为频段能量和的坐标系中为一条平行于横坐标的直线。将该直线与判断曲线的交点作为疑似点，疑似点对应的转子位置角作为疑似夹角，如图所示共获得4个疑似夹角。

步骤八：判断步骤七获得的4个疑似夹角中是否有与θα相等的情况，是则执行步骤九，否则返回步骤一；

步骤九：针对单相短路故障，转子位置角为励磁绕组轴线与故障相轴线夹角；针对两相短路与两相接地短路故障，转子位置角为励磁绕组轴线与非故障相夹角。因此有：

当步骤五获得的当前故障工况的故障类型是为单相故障，则当前故障工况下同步调相机定子绕组的故障相为α相，

当步骤五获得的当前故障工况的故障类型是为两相故障(包括两相短路故障和两相接地短路故障)，则当前故障工况下同步调相机定子绕组的非故障相为α相。

以上所述仅为本发明的优选方案，本发明对该优选方案进行了详细的描述，但不能因此对本发明的发明范围进行限制，对于本领域的工程技术人员在本发明的基础上不付出创造性的劳动所获得的成果均应在本发明的保护范围之内。

具体实施方式二：参照图6具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于小波变换的同步调相机定子绕组短路故障诊断系统，包括信号采集模块m1、信号处理模块m2、有限元模块m3与故障诊断模块m4：

所述信号采集模块m1用于对同步调相机定子绕组短路故障后的励磁电流信号、信号发生器信号以及位置传感器信号进行采样；

所述信号处理模块m2，用于对所述的励磁电流信号进行标幺化处理、进行fft变换与小波变换，并且计算各个频段能量，将九层离散小波变换后得到十个频段小波序列中d5、d6、d7、d9、a9频段设为特征频段，并计算特征频段能量，将d5、d6、d7、a9频段能量做求和处理并将该结果定义为能量和，将d9频段能量定义为辅助判据用于区分单相短路与两相短路故障；

所述有限元模块m3，用于构建调相机故障工况模型，对故障工况进行仿真并且计算d9、a9频段能量阈值与转子位置角-能量和曲线；

所述故障诊断模块m4，根据d9、a9频段能量阈值与转子位置角角-能量和曲线对故障种类与故障相进行诊断。