一种基于数据挖掘的MMC子模块开路故障定位方法

一种基于数据挖掘的mmc子模块开路故障定位方法
技术领域
1.本发明涉及模块化多电平换流器技术领域，具体为一种基于数据挖掘的 mmc子模块开路故障定位方法


背景技术：

2.模块化多电平换流器(mmc)已成为柔性直流输电系统的首选换流器拓扑， 其由多个结构相同的子模块(sub-module，sm)级联构成，mmc子模块功率开 关器件(igbt)故障可分为开路故障和短路故障，igbt短路故障通过常规的 过压检测、过流检测等诊断方法即可识别，igbt开路故障在一些工况下不具 有显著的故障特征，很难在没有特定诊断方法的情况下被及时发现。因此，为 保证mmc安全可靠运行，研究mmc子模块中igbt开路故障特征并提出有 效的igbt开路故障诊断与定位方法至关重要。
3.现有技术中关于mmc子模块开路故障检测与定位方法有多种，大致分为 三类：1)基于附加传感器的方法；2)基于数学模型的方法；3)基于机器学习 的方法。但是上述方法会增加换流器的构建成本，且需要构建复杂的数学模型， 通常需要手动设置阈值，增加了设计难度和系统的运行成本但大多都实行难度 较大，会大大增加构建成本与运行成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于数据挖掘的mmc子模块开路故障定位方 法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于数据挖掘的mmc 子模块开路故障定位方法，包括：
6.在每一个故障检测周期δt，更新单个桥臂上的n个子模块的电容电压值并 进行采样，根据n个子模块电容电压集合u＝{u
c1
,u
c2
,u
c2
,
···
,u
cn
}得到指示坐标集 合iu＝{1,2,3,
···
,n}；
7.获取单个桥臂中n个子模块在每个采样时刻实际采集的电容电压值，得出 自适应参数截断距离dc；
8.获取单个桥臂上n个子模块中第i个子模块的平均局部距离avei：
[0009][0010]
其中ρi是第i个子模块的局部密度，δi是第i个子模块的局部距离
[0011]
定义单个桥臂上的n个子模块中数值最大的平均局部距离ave为异常，若 某一个子模块的平均局部距离ave连续三个采样周期为n个子模块ave中的 最大值，则对应的子模块为故障子模块。
[0012]
根据本发明的一个方面，自适应参数截断距离dc的获取方法如下：
[0013]
剔除单个桥臂n个子模块中的电容电压的最大值和最小值，将剩余n-2个 子模块的电容电压作如下处理：
[0014][0015][0016]
其中mseu代表剩余n-2个子模块的平均电容电压值，u
cj
是n个子模块中的电 容电压最小值，u
ck
是n个子模块中的电容电压的最大值。
[0017]
则截断距离dc可表示为：
[0018][0019]
其中u
ci
是第i个子模块的电容电压值
[0020]
进一步的，单个桥臂上的n个子模块中的第i个子模块的局部密度ρi：
[0021]
先根据n个子模块的电容电压值计算距离分布矩阵dn×n：
[0022]dn
×n＝{dist(i,j)|1≤i≤n,1≤j≤n}
[0023]
其中
[0024]
dist(i,j)＝|u
ci-u
cj
|
[0025]uci
、u
cj
分别是第i个子模块的电容电压值和第j个子模块的电容电压值， dist(i,j)为u
ci
和u
cj
之间的欧式距离。
[0026]
再获取u
ci
的局部密度ρi：
[0027][0028]
进一步的，第i个子模块的局部距离δi：
[0029][0030]
其中
[0031][0032]
其中ρi、ρk分别是第i个子模块的局部密度和第k个子模块的局部密度
[0033]
根据本发明的又一个方面，本发明提供一种模块化多电平换流器，其包括 6个桥臂，每个桥臂又由若干个结构相同的子模块及桥臂电感构成，子模块采 用半桥型结构，且子模块包含功率开关器件、电性连接在所述功率开关器件上 的二极管、电性连接在所述功率开关器件上的直流电容。
[0034]
根据本发明的又一个方面，本发明还涉及一种柔性直流输电系统，模块化 多电平换流器作为柔性直流输电系统的换流元件，且柔性直流输电系统还包含 换流器解锁控制器，换流器解锁控制器通过直流电压解锁模块化多电平换流器。
[0035]
根据本发明的又一个方面，本发明提供了一种设备，包含一个或多个处理 器、存储器，存储器用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述 一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器运行一种基于数据挖掘的mmc 子模块开路故障定位方法。
[0036]
本发明至少具备以下有益效果：
[0037]
本发明提出的基于数据挖掘的mmc子模块开路故障定位方法，无需附加 传感器，不会增加模块化多电平变换器的建设成本且易于在现有模块化多电平 变换器系统中实施,具有较强的实用性，且在实施时无需构建复杂的数学模型， 仅仅基于故障子模块和正常子模块之间电容电压变化的差异性，利用数据特征 的相互关系开展故障诊断研究，计算的数据量较少，大大减小了运行成本，同 时本发明不需要改变mmc系统的运行状态，例如引入环流，因此，不会影响 mmc系统的运行性能，同时在mmc系统运行在任何工况下均能够适用，进 一步提高了实用性。
[0038]
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0039]
图1为本发明整体方法的流程示意图；
[0040]
图2为本发明三相mmc及子模块拓扑结构图。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
[0042]
本发明提出了一种基于数据挖掘的mmc子模块开路故障定位方法，其中 mmc拓扑结构由六个桥臂组成，如图2所示，每个桥臂上包含了n个相同的 子模块以及一个桥臂电感ls，子模块采用半桥结构，每个子模块由两个功率开 关t1、t2，两个二极管d1、d2和一个直流电容组成。
[0043]
根据图1所示，一种基于数据挖掘的mmc子模块开路故障定位方法，包 括以下步骤：
[0044]
在每一个故障检测周期δt(20ms)，更新单个桥臂上的n个子模块的电容 电压值，根据电容电压集合u＝{u
c1
,u
c2
,u
c2
,
···
,u
cn
}得到指示坐标集合 iu＝{1,2,3,
···
,n}，该指示坐标集主要用于求取n个子模块的局部距离；
[0045]
获取单个桥臂中n个子模块在每个采样时刻实际采集的电容电压值，利用 截断平均数方法得出自适应参数截断距离dc；
[0046]
使用高斯核方法生成局部密度ρ，进而得到局部距离δ，根据局部密度和局 部距离得出每个子模块的平均局部距离ave；
[0047]
单个桥臂上的n个子模块中数值最大的平均局部距离ave为异常，若某一 个子模块的ave连续三个采样周期为n个子模块ave中的最大值，则对应的 子模块为故障子模块。
[0048]
需要说明的是，自适应参数截断距离dc的获取包括以下步骤：
[0049]
剔除单个桥臂中n个子模块中的电容电压的最大值和最小值，将剩余n-2 个子模
块的电容电压作如下处理：
[0050][0051]
其中u
cj
是n个子模块中的电容电压最小值，u
ck
是n个子模块中的电容电压最 大值。
[0052]
截断距离dc可表示为：
[0053][0054]
其中u
ci
是第i个子模块的电容电压值。
[0055]
进一步的，根据n个子模块的电容电压值计算距离分布矩阵dn×n的方法 如下：
[0056]dn
×n＝{dist(i,j)|1≤i≤n,1≤j≤n}
[0057]
其中，
[0058]
dist(i,j)＝|u
ci-u
cj
|
[0059]uci
、u
cj
分别是第i个子模块的电容电压值和第j个子模块的电容电压值， dist(i,j)为u
ci
和u
cj
之间的欧式距离。
[0060]
计算第i个子模块的局部密度ρi：
[0061][0062]
另一方面，第i个子模块的局部距离δi的计算公式为：
[0063][0064]
其中
[0065][0066]
其中ρi、ρk分别是第i个子模块的局部密度和第k个子模块的局部密度。
[0067]
由此可得，第i个子模块的平均局部距离avei计算方法如下：
[0068][0069]
其中ρi是第i个子模块的局部密度，δi是第i个子模块的局部距离。
[0070]
需要说明的是，本发明还提供一种模块化多电平换流器，其包括6个桥臂， 每个桥臂又由若干个结构相同的子模块级联构成，子模块采用半桥型结构，且 子模块包含功率开关器件、电性连接在所述功率开关器件上的二极管、电性连 接在所述功率开关器件上的直流电容。
[0071]
进一步的，本发明还涉及一种柔性直流输电系统，其应用模块化多电平换 流器作为换流元件，且其还包含换流器解锁控制器，换流器解锁控制器通过直 流电压解锁模块化多电平换流器。
[0072]
另一方面，本发明还提供了一种设备，包含一个或多个处理器、存储器， 存储器用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处 理器执行，使得一个或多个处理器运行一种基于数据挖掘的mmc子模块开路 故障定位方法
[0073]
具体的，本发明尤其适用于mmc系统，与传统的子模块开路故障定位方 法相比，本发明无需构建复杂的数学模型，无需使用额外的传感器，也无需手 动设置故障阈值，可及时定位并清除故障子模块，提高模块化多电平变换器的 运行可靠性。
[0074]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些 实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包 含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素 的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的 其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0075]
对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发 明中的具体含义。当元件被称为“装配于”、“安装于”、“固定于”或“设 置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。 当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或 者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、
ꢀ“
下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯 一的实施方式。
[0076]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言， 可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变 化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
[0077]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例
”ꢀ
等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含 于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表 述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或 者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。