本發(fā)明涉及電力電子技術領域，具體涉及一種電力電子系統(tǒng)故障檢測方法及裝置。

背景技術：

傳統(tǒng)應用于電力系統(tǒng)中的電力電子設備，因其調(diào)節(jié)方式和自身結構的特殊性導致在傳輸線路發(fā)生故障時，極易使其控制失衡造成停電事故。例如，直流線路的故障電流具有上升速度快、峰值大的特點，極易損壞換流器件和設備絕緣，且輸電系統(tǒng)無法通過自身調(diào)節(jié)實現(xiàn)故障自清除。因此，對交、直流輸電線路故障處理和保護提出了更高要求。對于交流線路產(chǎn)生的單線接地、雙相短路等故障，不僅需要一種快速準確的方法對故障進行檢測，也需要相應措施對發(fā)生的故障類型加以識別區(qū)分，并對處理結果進行進一步甄別判斷，以減少故障對換流器件、輸電線路和系統(tǒng)的損害。

基于柔性直流輸電線路的故障特征，可分為交流故障和直流故障兩大類。其中交流故障包括：單線接地、兩線短路、三線接地等。直流故障包括：斷線故障、單極接地故障和雙極短路故障等。如何從換流器側(cè)識別區(qū)分此類故障，根據(jù)故障波形的暫升、暫降中斷等判斷定位，檢測預警成為當下關注的重點。

目前，已知信號檢測方法，如快速傅里葉變換、小波變換、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯等，通常離線仿真模式(例如matlab、emtdc、pscad等)進行電信號的諧波、間諧波、電壓暫升、暫降、中斷等的識別與分類。相對于一個完整的輸電系統(tǒng)，因其傳輸距離及電力電子元器件的復雜性與多樣性，尚不能完全、有效、實時的檢測各類故障引起的電能質(zhì)量問題。

因此，如何實時地更準確地確定電力電子系統(tǒng)是否存在故障成為亟待解決的技術問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題在于如何實時地更準確地確定電力電子系統(tǒng)是否存在故障。

為此，根據(jù)第一方面，本發(fā)明實施例公開了一種電力電子系統(tǒng)故障檢測方法，包括：

獲取電力電子系統(tǒng)的換流器側(cè)的電信號；對電信號進行至少一次分解得到分解后的信號；判斷分解后的信號中是否存在模極大值；如果分解后的信號中存在模極大值，則提取電信號的特征值能量信號；根據(jù)特征值能量信號確定電力電子系統(tǒng)的故障狀況。

可選地，如果分解后的信號中不存在模極大值，則確定電力電子系統(tǒng)的電信號為穩(wěn)態(tài)信號。

可選地，換流器側(cè)的電信號包括電流信號；根據(jù)特征值能量信號確定電力電子系統(tǒng)的故障狀況包括：根據(jù)特征值能量信號提取電流信號的前波峰；判斷電流信號的前波峰是否在預設波峰范圍內(nèi)；如果電流信號的前波峰在預設波峰范圍內(nèi)，則確定電力電子系統(tǒng)無故障。

可選地，如果電流信號的前波峰不在預設波峰范圍，則還包括：根據(jù)特征值能量信號提取能量最大值；判斷能量最大值是否大于或等于預設能量值；如果能量最大值小于預設能量值，則確定電力電子系統(tǒng)無故障。

可選地，如果能量最大值大于或等于預設能量值，則還包括：根據(jù)特征值能量信號提取電流信號的后波峰；判斷電流信號的前波峰是否大于或等于預設倍數(shù)的電流信號的后波峰；如果電流信號的前波峰小于預設倍數(shù)的電流信號的后波峰，則確定電力電子系統(tǒng)無故障。

可選地，如果電流信號的前波峰大于或等于預設倍數(shù)的電流信號的后波峰，則還包括：判斷電流信號的前波峰與電流信號的后波峰的差值是否大于或等于預設倍數(shù)的電流信號的前波峰和電流信號的后波峰的最大值；如果電流信號的前波峰與電流信號的后波峰的差值小于預設倍數(shù)的電流信號的前波峰和電流信號的后波峰的最大值，則確定電力電子系統(tǒng)無故障。

可選地，如果電流信號的前波峰與電流信號的后波峰的差值大于或等于預設倍數(shù)的電流信號的前波峰和電流信號的后波峰的最大值，則確定電力電子系統(tǒng)有故障。

根據(jù)第二方面，本發(fā)明實施例公開了一種電力電子系統(tǒng)故障檢測裝置，包括：

信號獲取模塊，用于獲取電力電子系統(tǒng)的換流器側(cè)的電信號；信號分解模塊，用于對電信號進行至少一次分解得到分解后的信號；極大值判斷模塊，用于判斷分解后的信號中是否存在模極大值；能量提取模塊，用于如果極大值判斷模塊判斷分解后的信號中存在模極大值，則提取電信號的特征值能量信號；故障確定模塊，用于根據(jù)特征值能量信號確定電力電子系統(tǒng)的故障狀況。

可選地，換流器側(cè)的電信號包括電流信號；故障確定模塊包括：

第一提取單元，用于根據(jù)特征值能量信號提取電流信號的前波峰；第一判斷單元，判斷電流信號的前波峰是否在預設波峰范圍內(nèi)；第一確定單元，用于如果第一判斷單元判斷電流信號的前波峰在預設波峰范圍內(nèi)，則確定電力電子系統(tǒng)無故障。

可選地，還包括：第二提取單元，用于根據(jù)特征值能量信號提取能量最大值；第二判斷單元，用于判斷能量最大值是否大于或等于預設能量值；第二確定單元，用于如果第二判斷單元判斷能量最大值小于預設能量值，則確定電力電子系統(tǒng)無故障。

本發(fā)明技術方案，具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明實施例提供的電力電子系統(tǒng)故障檢測方法及裝置，由于獲取電力電子系統(tǒng)的換流器側(cè)的電信號，從而能夠在線獲取得到用于檢測的電信號，而后，對電信號進行至少一次分解得到分解后的信號，判斷分解后的信號中是否存在模極大值，可以區(qū)分出穩(wěn)態(tài)信號和故障信號，如果分解后的信號中存在模極大值，則根據(jù)特征值能量信號確定電力電子系統(tǒng)的故障狀況，由此，實現(xiàn)了實時地更準確地確定電力電子系統(tǒng)是否存在故障。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例中一種電力電子系統(tǒng)故障檢測方法的一個具體示例的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例中離散信號的mallat算法分解過程及信號頻譜的一種示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中一種電力電子系統(tǒng)故障檢測裝置的一個具體示例的原理框圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，還可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可以是無線連接，也可以是有線連接。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

此外，下面所描述的本發(fā)明不同實施方式中所涉及的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互結合。

為了實時地更準確地確定電力電子系統(tǒng)是否存在故障，本實施例公開了一種電力電子系統(tǒng)故障檢測方法，請參考圖1，為該電力電子系統(tǒng)故障檢測方法流程圖，該電力電子系統(tǒng)故障檢測方法包括：

步驟s101，獲取電力電子系統(tǒng)的換流器側(cè)的電信號。在具體實施例中，可以通過數(shù)據(jù)采集裝置采集換流器側(cè)的電信號，而后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而獲取得到電力電子系統(tǒng)的換流器側(cè)的電信號。例如，可以通過fpga進行采樣，采樣率可以設置成例如64khz，輸入信號增益例如為0db。

步驟s102，對電信號進行至少一次分解得到分解后的信號。在具體實施例中，經(jīng)數(shù)據(jù)采集裝置采集的按時信號，輸送至小波變換濾波器組中，其中，應用在信號消噪與處理等領域的離散小波變換其原理是將連續(xù)小波變換中的尺度參數(shù)和平移參數(shù)離散化后得出，實現(xiàn)算法多為mallat算法。根據(jù)多分辨分析理論，尺度函數(shù)φ(t)的二尺度方程和小波函數(shù)ψ(t)的二尺度方程滿足式(1)和式(2)：

其構造過程實際為低通、高通濾波器的設計。將輸入采集后信號經(jīng)過高通濾波器系數(shù)g(k)與低通濾波器系數(shù)h(k)，即可實現(xiàn)對信號的分解。

濾波器組的基本思想是將采集信號通過一個低通濾波器(lp)和一個高通濾波器(hp)進行平滑和細節(jié)分解得出其概貌信號與細節(jié)信號，即求出第一層小波變換。然后對第一層變換后的低頻部分繼續(xù)通過高、低濾波器進行分解。一般地，依據(jù)所要檢測的突變信號頻率的大小，將信號的基頻位于最低頻帶的中心處，選取適當分解層數(shù)。

各層高、低通濾波器系數(shù)g(ω)、h(ω)是一樣的，因為濾波器是根據(jù)歸一頻率來設計的。且歸一頻率滿足：歸一頻率＝真實頻率×采樣間隔，即各級濾波器的一致性原則。第一層濾波器h(ω)的真實頻帶是0～π/2t_s(t_s是輸入的采樣間隔)，其歸一頻率則是0～π/2。第二層h(ω)的真實頻帶是0～π/4t_s(二抽取后2t_s是輸入的采樣間隔)，但是歸一頻率也是0～π/2。根據(jù)得到的第一層和第二層高頻系數(shù)確定突變點的位置，從而判斷vsc-hvdc系統(tǒng)故障類型及產(chǎn)生原因等。請參考圖2，示意了離散信號的mallat算法分解過程及信號頻譜。采用daubechies濾波器中的db5小波對突變信號進行分析，其高頻分解系數(shù)在故障處具有模極大值。db5系數(shù)如下式(3)、(4)所示：

lo_d＝[1,-3,-2,20,-8,-62,35,185,155,41](3)

hi_d＝[-41,155,-185,35,62,-8,-20,-2,3,1](4)

需要說明的是，在具體進行至少一次分解的操作中，為檢測和提取電能質(zhì)量故障信號，必須確定合理的分解層數(shù)并正確劃分信號的頻帶。頻帶劃分的原則如下：盡量使信號的基頻ff位于最低子頻帶的中心，以限制基頻分量對其它子頻帶的影響。故障信號的采樣頻率為fs時，mallat算法的實際頻帶劃分數(shù)目pz可由公式(5)向最近的整數(shù)取整獲得：

式中，p為理論頻帶劃分數(shù)目；最高子頻帶的中心頻率；本實施例中，電能質(zhì)量信號的基頻為50hz，采樣頻率為8khz(ad73360采集頻率)。由式(5)求得的實際子頻帶數(shù)目pz＝6，即應對信號進行例如5層多分辨分析，因此其頻帶范圍依次為0～100hz、100～200hz、200～400hz、400～800hz、800～1600hz和1600～3200hz。當系統(tǒng)頻率在50hz左右波動時，基頻會落在最低子頻帶0～100hz的中心附近。

步驟s103，判斷分解后的信號中是否存在模極大值。在具體實施例中，可以經(jīng)過若干次信號分解，本實施例中，經(jīng)過第k層分解后的信號，其中k為正整數(shù)。如果分解后的信號中不存在模極大值，則確定電力電子系統(tǒng)的電信號為穩(wěn)態(tài)信號，可以送入fifo緩存后進行fft諧波運算。如果分解后的信號中存在模極大值，則執(zhí)行步驟s104。

需要說明的是，在fft進行諧波運算詳細過程說明如下：

電信號經(jīng)fft處理后的頻譜經(jīng)平頂窗系數(shù)進行系數(shù)補償，旨在討論電信號的幅度特性(m)的補償問題，從而防止頻譜泄露。

譬如，n個采樣點(采樣點為2的冪次方形式方便計算)經(jīng)基-4fft之后，可得到n個頻域結果。設定電信號峰值若為a，fifo采樣頻率為fs＝2.048khz，電信號頻率f＝50hz。fft的結果為復數(shù)(a+bi)，頻率點的模值(an)就是該頻率值下的幅度特性。其模值計算公式為式(6)，相角即為該信號在該點的相位(pn)如式(7)所示：

其幅度特性與信號峰值之間滿足公式(8)：

某點n所表示的頻率為公式(9)：

上式可以看出，fn所能分辨到的頻率為fs/n(本實驗頻率分辨率為1hz)。許多窗函數(shù)(矩形窗等)應用時域乘積來處理頻譜泄露問題，本實施例應用矩形窗對電信號進行截取經(jīng)fft變換后應用平頂窗多項式系數(shù)乘以x(m)。其中x(m)為該信號經(jīng)fft變換后的最大幅值，m為為頻域系數(shù)。由公式(10)可得經(jīng)平頂窗補償后頻譜xft(m)：

選取sft3f系數(shù)(平頂窗函數(shù))如下：h0＝0.26526，h1＝0.5，h2＝0.23474。系數(shù)經(jīng)歸一化、二進制轉(zhuǎn)換后如式(11)所示：

為降低fpga計算復雜度，將公式(12)帶入公式(10)

c＝x(m)

p＝x(m-1)+x(m+1)

q＝x(m-2)+x(m+2)

r＝q-p(12)

其中x(m±1)、x(m±2)為x(m)相鄰頻點?；喓蟮霉?13)

由公式(8)得，幅度特性與信號峰值之間滿足公式(14)，最終得到電信號幅值及頻率：

步驟s104，提取電信號的特征值能量信號。本實施例中，可以采用s-熵方法進行故障信號的特征值能量信號的提取，具體地，采用式(15)進行故障信號的特征值能量信號的提取。

步驟s105，根據(jù)特征值能量信號確定電力電子系統(tǒng)的故障狀況。具體地，針對式(15)，將細節(jié)信號第j層的第k個節(jié)點信號經(jīng)仿真后，通過與預置閾值比較大小來區(qū)分信號種類。

在具體實施例中，換流器側(cè)的電信號包括電流信號，在執(zhí)行步驟s105的操作中，根據(jù)特征值能量信號確定電力電子系統(tǒng)的故障狀況包括：根據(jù)特征值能量信號提取電流信號的前波峰ipre；判斷電流信號的前波峰ipre是否在預設波峰范圍內(nèi)；如果電流信號的前波峰ipre在預設波峰范圍內(nèi)，則確定電力電子系統(tǒng)無故障。本實施例中，將每周期電流信號前波峰ipre和后波峰ipos提取作比較，如果電流信號的前波峰ipre在預設波峰范圍內(nèi)，則確定電力電子系統(tǒng)無故障，具體地，預設范圍可以是ipre≈0，需要說明的是，具體的誤差大小可以根據(jù)先驗知識或者實際實驗數(shù)據(jù)來確定。

在可選的實施例中，如果電流信號的前波峰ipre不在預設波峰范圍，則還包括：根據(jù)特征值能量信號提取能量最大值emax；判斷能量最大值emax是否大于或等于預設能量值；如果能量最大值emax小于預設能量值，則確定電力電子系統(tǒng)無故障。本實施例中，可以經(jīng)過s-熵特征信號的能量提取最大值emax，如果emax≤e^*，則無故障發(fā)生，其中，e^*為小波系數(shù)一個故障判別閾值，可以根據(jù)先驗知識進行確定。

在可選的實施例中，如果能量最大值emax大于或等于預設能量值，則還包括：根據(jù)特征值能量信號提取電流信號的后波峰ipos；判斷電流信號的前波峰ipre是否大于或等于預設倍數(shù)的電流信號的后波峰ipos；如果電流信號的前波峰ipre小于預設倍數(shù)的電流信號的后波峰ipos，則確定電力電子系統(tǒng)無故障。本實施例中，預設倍數(shù)可以是例如0.2，當然，在其它實施例中，也可以根據(jù)經(jīng)驗確定為其它倍數(shù)。

在可選的實施例中，如果電流信號的前波峰ipre大于或等于預設倍數(shù)的電流信號的后波峰ipos，則還包括：判斷電流信號的前波峰ipre與電流信號的后波峰ipos的差值是否大于或等于預設倍數(shù)的電流信號的前波峰ipre和電流信號的后波峰ipos的最大值；如果電流信號的前波峰ipre與電流信號的后波峰ipos的差值小于預設倍數(shù)的電流信號的前波峰ipre和電流信號的后波峰ipos的最大值，則確定電力電子系統(tǒng)無故障。

在可選的實施例中，如果電流信號的前波峰ipre與電流信號的后波峰ipos的差值大于或等于預設倍數(shù)的電流信號的前波峰ipre和電流信號的后波峰ipos的最大值，則確定電力電子系統(tǒng)有故障。本實施例中，預設倍數(shù)可以是例如0.2。在具體實施例中，當確定電力電子系統(tǒng)有故障時，可以進行熵特征提取，通過熵特征進行故障分類。

本實施例還公開了一種電力電子系統(tǒng)故障檢測裝置，請參考圖3，為該電力電子系統(tǒng)故障檢測裝置結構示意圖，該電力電子系統(tǒng)故障檢測裝置包括：信號獲取模塊301、信號分解模塊302、極大值判斷模塊303、能量提取模塊304和故障確定模塊305，其中：

信號獲取模塊301用于獲取電力電子系統(tǒng)的換流器側(cè)的電信號；信號分解模塊302用于對電信號進行至少一次分解得到分解后的信號；極大值判斷模塊303用于判斷分解后的信號中是否存在模極大值；能量提取模塊304用于如果極大值判斷模塊判斷分解后的信號中存在模極大值，則提取電信號的特征值能量信號；故障確定模塊305用于根據(jù)特征值能量信號確定電力電子系統(tǒng)的故障狀況。

在可選的實施例中，換流器側(cè)的電信號包括電流信號；故障確定模塊包括：第一提取單元，用于根據(jù)特征值能量信號提取電流信號的前波峰ipre；第一判斷單元，判斷電流信號的前波峰ipre是否在預設波峰范圍內(nèi)；第一確定單元，用于如果第一判斷單元判斷電流信號的前波峰ipre在預設波峰范圍內(nèi)，則確定電力電子系統(tǒng)無故障。

在可選的實施例中，還包括：第二提取單元，用于根據(jù)特征值能量信號提取能量最大值emax；第二判斷單元，用于判斷能量最大值emax是否大于或等于預設能量值；第二確定單元，用于如果第二判斷單元判斷能量最大值emax小于預設能量值，則確定電力電子系統(tǒng)無故障。

本發(fā)明實施例提供的電力電子系統(tǒng)故障檢測方法及裝置，由于獲取電力電子系統(tǒng)的換流器側(cè)的電信號，從而能夠在線獲取得到用于檢測的電信號，而后，對電信號進行至少一次分解得到分解后的信號，判斷分解后的信號中是否存在模極大值，可以區(qū)分出穩(wěn)態(tài)信號和故障信號，如果分解后的信號中存在模極大值，則根據(jù)特征值能量信號確定電力電子系統(tǒng)的故障狀況，由此，實現(xiàn)了實時地更準確地確定電力電子系統(tǒng)是否存在故障。

此外，本實施例的故障檢測方法中，通過對原始的電信號進行采樣，后經(jīng)濾波器組分割頻域進行處理，得模極大值判決穩(wěn)態(tài)信號與故障信號；對于穩(wěn)態(tài)信號采用平頂窗多項式系數(shù)補償頻譜泄露；而故障信號中的模極大值點處可作為故障發(fā)生的起止點，進而以時間差來判決故障發(fā)生。本發(fā)明根據(jù)設定的故障判別方法，以頻域計算為主，時域計算作為參考的方法，在進行s-熵擾動信號能量特征提取時，可以在頻域計算結果不準的結果下，通過時域計算得到的時間差進行結果補償，保證算法盡可能的精準性。

本領域內(nèi)的技術人員應明白，本發(fā)明的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、cd-rom、光學存儲器等)上實施的計算機程序產(chǎn)品的形式。

本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實施例的方法、設備(系統(tǒng))、和計算機程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由計算機程序指令實現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備的處理器以產(chǎn)生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些計算機程序指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機實現(xiàn)的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。