CN111650444A - 基于回归分析的电磁环境中tcu失效预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于回归分析的电磁环境中TCU失效预警方法，包括步骤：(1)通过电磁时域仿真软件确定TCU电路板图上的敏感器件；(2)在敏感器件上设置若干个探头，监视感应电压波动或感应电流波动，若出现异常则记录到异常日志中；(3)对异常日志p_n进行信息提取，构造异常信息向量s_n，并评估其失效模式概率

(4)建立历史异常信息与失效模式之间的关系，构造失效检测器；(5)利用失效检测器对实时异常信息向量s_n进行评估，判断其失效趋势及是否发出预警。本发明充分利用回归分析有监督学习的特征，不断扩大失效模式，修正预警时间参数，提高预警的精确性。本发明方法可为晶闸管级的检修提供支撑，应用价值和前景巨大。

Description

基于回归分析的电磁环境中TCU失效预警方法

技术领域

本发明涉及电磁兼容技术，尤其涉及一种基于回归分析的电磁环境中TCU失效预警方法。

背景技术

高压直流输电(HVDC)是目前世界上解决高电压、大容量、远距离送电以及电网互联的一个重要手段。较之传统换流站，高压直流换流站中有更多的交直流一次设备与二次设备。高压直流换流站站内的电磁干扰源众多，电磁环境恶劣，严重影响阀控***的正常运行，进而导致换流阀无法正常工作。

ABB公司换流阀的阀控***技术是目前国内直流工程最广泛采用的阀控技术之一，它能够可靠地触发、保护并监视晶闸管。ABB阀控***主要由晶闸管控制单元(Thyristor Control Unit，TCU)、阀控制单元(Valve Control Unit，VCU)、晶闸管监视单元(Thyristor Monitoring，THM)及光纤传输设备构成。其中，晶闸管控制单元TCU被固定在晶闸管阴极侧的散热器上，承担着晶闸管的触发导通与截止任务，是阀控设备中的关键部件。由于阀塔内部电磁干扰源众多，TCU又是触发晶闸管的直接部件，因此经常出现TCU故障而导致的换流阀工作异常，从而使整个电能转化***故障。

在晶闸管级投入运行后，由于电磁骚扰的存在，TCU的运行状况严峻，经常出现因过电流、过电压引发的器件的损坏，从而导致IP丢失、IP震荡、门极触发脉冲丢失等异常现象，有时也可能引发隐性失效，即内部器件虽然已经发生失效，但仍能保持运行，只有当外部扰动时才能将问题暴露出来。对此，传统的检测方法已不再适用，亟需一个可靠的预警方法让***在TCU失效之前发出预警，从而使得维护检修能在充足的时间内完成。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于回归分析的电磁环境中TCU失效预警方法，利用回归分析监督学习，扩大失效模式，修正预警时间参数，从而提高预警精确性。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于回归分析的电磁环境中TCU失效预警方法，包括步骤：

(1)通过电磁时域仿真软件确定TCU电路板图上的敏感器件；

(2)在敏感器件上设置若干个探头，监视感应电压波动或感应电流波动，若出现异常则记录到异常日志中；

(3)对异常日志p_n进行信息提取，构造异常信息向量s_n，并评估其失效模式概率

(4)建立历史异常信息与失效模式之间的关系，构造失效检测器；

(5)利用失效检测器对实时异常信息向量s_n进行评估，判断其失效趋势及是否发出预警。

进一步地，所述步骤1具体包括：

(1.1)将TCU电路板图导入电磁时域仿真软件中；

(1.2)设置相关材料属性、边界条件与电磁骚扰信号；

(1.3)在特定频率点设立电场监视器与磁场监视器；

(1.4)监测得到电场强度大的器件和磁场强度大的线路。

进一步地，所述步骤3具体包括：

异常信息向量s_n表示：

其中，

为s_n中第j个变量，为***每次采集到该变量的新增错误计数

求和得到。

失效模式概率

为：

其中，e(n)表示第n条异常信息记录时产生的异常总数，e(N)表示TCU失效时最终产生的异常总数，m表示失效模式，class(m)为1或0，分别表示该次失效属于失效模式、不属于失效模式。

进一步地，所述步骤4具体包括：

(4.1)在历史失效记录中提取出失效模式库{m₁,m₂,…,m_M}，每种失效模式至少发生一次；

(4.2)针对历史失效信息以及已知的失效模式，形成一个(J+1)*N阶的异常信息矩阵X与失效模式概率列向量Y_m；

(4.3)利用最小二乘法回归，构造失效模式m的失效模式概率检测器H^m。

进一步地，所述步骤5中，对于已知的失效模式，基于回归分析求得的失效模式概率，检测器通过判断阈值大小来确定TCU的失效趋势，进行特定失效模式的预测与报警。

进一步地，所述步骤5中，对于未知的失效模式，使用传统概率统计的方法来判断，并存入失效模式库，用于下一次的失效检测。

有益效果：本发明充分利用回归分析有监督学习的特征，不断扩大失效模式，修正预警时间参数，提高预警的精确性，即使是在故障模式贫瘠、新的故障模式未知的情况下也能够保持良好的预测精度。本发明方法可为晶闸管级的检修提供支撑，应用价值和前景巨大。

本发明针对电磁骚扰源作用下的敏感器件，进行电压监测或电流监测，更能适应实际情况；设计基于回归分析的电磁环境中TCU失效检测器，用该检测器来对实时异常信息预警的准确性高达86％以上，优于传统的电力电子电路故障预警算法。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是该模型运行50日的平均预警精度；

图3是该模型与传统方法的预警精度对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的基于回归分析的电磁环境中TCU失效预警方法，包括步骤：

步骤一，将TCU电路板图导入至CST MWS微波工作室中，通过电磁时域仿真确定电路板的敏感器件；

其中，CST是以有限元积分为基础的通用电磁场仿真软件，有限元积分法以麦克斯韦方程组为基础，主要为：

式中，B＝μH，J＝γE，D＝εE，E为电场强度，D为电场的电通密度，H为磁场强度，B为磁场的磁通密度，J为电流密度，ρ为电荷密度，ε为介电常数，μ为磁导率，γ为电导率。

基于上述有限元分析法，将绘制好的TCU电路板图导入CST MWS微波工作室中，设置相关材料属性、边界条件与电磁骚扰信号，并在特定频率点设立电场监视器与磁场监视器。监测得到电场强度大的器件和磁场强度大的线路。

步骤二，在这些敏感器件上设置若干个探头，监视其感应电压波动或感应电流波动，若出现异常则记录到异常日志中；

针对电场强度大的器件设立电压探头，实时监测其电压信息；针对磁场强度大的线路设立电流探头，监测其电流信息。对于正常工作时的TCU来说，每个器件的电压、每条线路的电流都有一个正常工作范围，若在其波动过程中某一时刻超过了其正常工作范围，即可认为该器件出现了一次异常，该段时间内的新增异常数被记录在异常日志中。

步骤三，对每个异常日志p_n进行信息提取，构造出一个异常信息向量s_n，并评估其失效模式概率

从此前的异常日志中能够得到表征***该时刻的异常信息，用一个一维向量s_n表示。

式中，s_n是对应第n条异常信息的向量，表征TCU该时刻的状态。

为s_n中第j个变量，由此前***每次采集到该变量的新增错误计数

求和组成，因此，s_n又能写作下式：

每一条异常信息都对应着该状态下TCU发生失效的概率，即失效概率，取值范围为[0,1]，0表示该状态下TCU运行状态一切正常，不可能发生失效，1表示TCU已经发生失效。

而在实际运行过程中，TCU所受到的电磁骚扰来源复杂，形式多变，这就导致其失效的过程并不唯一，例如，有的失效是由芯片引脚电压波动过大引起，有的则是由三极管反向电压过大而被击穿引起。虽然最终会导致相同的失效结果，但因其失效过程不同，表现出的参数也不同，因此引入失效模式的概念，将不同器件异常引发的失效视为不同的失效模式。此时失效概率就划分成了若干个失效模式概率。失效模式概率的定义如下：

式中，e(n)表示第n条异常信息记录时产生的异常总数，e(N)表示TCU失效时最终产生的异常总数，m表示失效模式，class(m)为1或0，分别表示该次失效属于失效模式m、不属于失效模式m。

表示遵从失效模式m的情况下TCU发生失效的概率。

越接近于1，TCU距离失效的时刻就越接近，情况也就越严重。

步骤四，随后建立历史异常信息与失效模式之间的关系，构造失效检测器，从而在TCU运行期间基于实时异常信息就能区分出对应的失效模式。

设TCU处于运行状态，在{t₁,t₂,…,t_n}时刻分别产生异常日志{p₁,p₂,…,p_n}，这些日志均被存储在数据库中，包含了每次TCU异常的全部信息，包括***自动判别出的失效模式。

步骤4.1，在历史失效记录中提取出失效模式库{m₁,m₂,…,m_M}，每种失效模式至少发生一次；

步骤4.2，针对历史失效信息以及已知的失效模式，形成一个(J+1)*N阶的异常信息矩阵X与失效模式概率列向量Y_m；

其中，J是每一个异常信息向量中变量个数，N是异常信息向量数。

步骤4.3，利用最小二乘法回归，构造失效模式m的失效模式概率检测器H^m；

a^m＝(X^TX)^-1X^TY_m

H^m(X)＝Xa^m

其中，a^m为回归系数的最小二乘估计值。

步骤五，利用该检测器，对实时异常信息向量s_n进行评估，判断其失效趋势及是否发出预警，期间不断扩充与修正失效模式库。

对于任意的实时异常信息向量s_n，均可利用检测器H^m预测失效模式m的发生概率。设s_n对应一维向量x_n，则由已知异常信息检测出的失效模式概率

如下所示：

因为失效概率越小，TCU就越安全，因此需要保证

小于等于阈值α∈[0,1]，否则表示***正处于危险阶段。

通常情况下，通过判断失效概率

的大小，即可确定***是否发出预警。然而***做出响应以及工作人员进行维修都需要一定的时间，一旦这个时间和超出了TCU距离发生失效所剩余的时间，那么就认为这次的预警属于无效预警，因为它既没有成功避免失效的发生，又浪费了***资源。

因此，还需要综合考虑预警时间的影响。设从记录第n条异常信息到TCU发生失效的时间为t_r，检测器发出预警且***给以响应的时间为t_p，维修时间为t_q。若满足(t_p+t_q)/t_r≤1，即可认为此时发出了有效预警，***能够立即响应并维护，从而避免失效。相反，如果(t_p+t_q)/t_r>1，此时即使报警，***也无法做出及时处理，这就需要人为进行检修，该预警为无效预警。针对无效预警的情况，需要适当降低失效模式概率的阈值，使***能在足够的时间内完成响应与维修工作。

步骤5.1，基于回归分析求得的失效模式概率以及预警时间，可以进行特定失效模式的预测与报警。对于已知的失效模式m，***在对实时异常信息向量进行计算后，若满足下式即可进行有效预警：

初始阶段，所有的失效模式概率

均设为0.6，高于0.6且预警时间满足要求时即发出有效预警。然后随着无效预警的出现以及模式库的更新，不断调整各个

的值。

步骤5.2，而对于未知的失效模式，失效模式库中没有对应的异常信息，上述的回归模型就不再适用了。此时考虑用传统的概率统计的方法来判断，设未知失效模式的异常信息向量为s_n。

式中，failure(s_n)表示s_n在所有已知模式下的预警次数，success(s_n)表示s_n在所有已知模式下未发生预警的次数。根据未知失效模式概率h_n是否超出阈值β∈[0,1]，即判断***是否发生失效。若超出阈值，则发出失效预警。在此次未知失效模式发生后，将异常信息向量、失效模式概率、各时间参数均记录下来，扩充完善失效模式库，进而用于下一次的失效检测。

以江苏省某换流站阀控装置为例，对TCU在电磁骚扰作用下进行分析。板子左右两端、线路处、部分芯片处的电场强度较大，供电线路、部分触发线路处的磁场强度较大，因此他们更容易受到电磁骚扰的影响。在电场强度较大的电压比较器U2、双JK触发器U7、单稳态触发器U13、晶体管T44、晶体管D60以及供电端口六个地方设立电压探头，监测其感应电压变化情况；在磁场强度较大的供电线路与触发线路处设立电流探头，监测其感应电流变化情况。

接着在TCU上运行监测器，捕捉运行时间段内的错误日志，并将其分为两部分。第一部分涵盖大部分的早期数据，用于预测模型的建立，得到失效模型的检测器。第二部分是小部分的近期数据，用于检验模型的优劣，观察预测精度。在此期间不断调整参数、扩充模式库，使模型尽可能达到最佳状态。

如表1错误日志中各变量的新增错误计数和表2异常信息矩阵与失效模式概率所示，***捕获到一系列的错误日志，并将其匹配到失效模式3，该失效模式的异常值只体现在两个芯片与一个晶体管中，对应s_n中变量

表1

表2

该模式的初始阈值定为0.6，若预警时间符合要求，则在第8条日志时发出预警。如若不及时预警，***在第10条日志发生的时候就会产生失效，导致整个阀控装置工作异常。

图2是该模型运行50日后的平均预测精度变化趋势图，可以看出随着时间的增长，失效模式库不断扩充，平均预测精度也在不断增加，40日后的平均预测精度可高达86.60％。

图3是该模型运行50日后的两种方法预测精度对比图。本论文的方法对应实线，传统方法对应虚线。从整体上来看，两个模型的预测精度都呈上升趋势。但对比来看，本论文的方法的预测精度要更高一些。刚开始时，两种方法使用的失效模式库相同，因此预测精度较为接近。但是随着时间的推移以及电磁环境的改变，TCU的新型失效模式产生，传统方法对此难以辨识。而本文方法可以将新型失效模式加入库中，使得TCU在下次发生类似失效的时候能被准确识别，因此中后期的预测精度相对传统方法要更高一些。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内.因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于回归分析的电磁环境中TCU失效预警方法，其特征在于，包括步骤：

(1)通过电磁时域仿真软件确定TCU电路板图上的敏感器件；

(2)在敏感器件上设置若干个探头，监视感应电压波动或感应电流波动，若出现异常则记录到异常日志中；

(3)对异常日志p_n进行信息提取，构造异常信息向量s_n，并评估其失效模式概率

(4)建立历史异常信息与失效模式之间的关系，构造失效检测器；

(5)利用失效检测器对实时异常信息向量s_n进行评估，判断其失效趋势及是否发出预警。

2.根据权利要求1所述的基于回归分析的电磁环境中TCU失效预警方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

(1.1)将TCU电路板图导入电磁时域仿真软件中；

(1.2)设置相关材料属性、边界条件与电磁骚扰信号；

(1.3)在特定频率点设立电场监视器与磁场监视器；

(1.4)监测得到电场强度大的器件和磁场强度大的线路。

3.根据权利要求1所述的基于回归分析的电磁环境中TCU失效预警方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

异常信息向量s_n表示：

其中，

为s_n中第j个变量，为***每次采集到该变量的新增错误计数

求和得到；

失效模式概率

为：

其中，e(n)表示第n条异常信息记录时产生的异常总数，e(N)表示TCU失效时最终产生的异常总数，m表示失效模式，class(m)为1或0，分别表示该次失效属于失效模式、不属于失效模式。

4.根据权利要求1所述的基于回归分析的电磁环境中TCU失效预警方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

(4.1)在历史失效记录中提取出失效模式库{m₁,m₂,…,m_M}，每种失效模式至少发生一次；

(4.2)针对历史失效信息以及已知的失效模式，形成一个(J+1)*N阶的异常信息矩阵X与失效模式概率列向量Y_m；

(4.3)利用最小二乘法回归，构造失效模式m的失效模式概率检测器H^m。

5.根据权利要求1所述的基于回归分析的电磁环境中TCU失效预警方法，其特征在于，所述步骤5中，对于已知的失效模式，基于回归分析求得的失效模式概率，检测器通过判断阈值大小来确定TCU的失效趋势，进行特定失效模式的预测与报警。

6.根据权利要求1所述的基于回归分析的电磁环境中TCU失效预警方法，其特征在于，所述步骤5中，对于未知的失效模式，使用传统概率统计的方法来判断，并存入失效模式库，用于下一次的失效检测。

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