CN117970183A - 一种牵引传动***主回路接地故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种牵引传动***主回路接地故障诊断方法，基于机理对全工况下不同接地故障类型的等效电路进行分析，建立W₁‑W₃工况下能区分不同接地故障类型的故障特征变量和故障特征指标，并基于无故障运行工况下残差统计规律设置相关阈值；通过分析在W₄和W₅工况下能表征不同故障类型的故障特征指标，基于决策树分类方法建立决策树诊断模型并转换成相应的规则库。实时诊断阶段，采集相关传感器信号和状态信息，基于相关方程计算残差及相关检测统计量并与相应阈值比较生成故障标志；得到相关故障标志；最后，利用***相关状态进行当前工况判断，根据工况以及不同工况下的诊断模型输出结果进行综合诊断决策。

Description

一种牵引传动***主回路接地故障诊断方法

技术领域

本申请属于接地故障诊断技术领域，具体涉及一种牵引传动***主回路接地故障诊断方法。

背景技术

牵引***是列车的核心动力单元，由于列车运行环境复杂，牵引***容易受到环境温度、湿度和供电浪涌等因素的影响，导致列车在行驶过程中发生故障。牵引***主回路接地故障是在列车行驶过程中常见的故障之一，如图1所示，图1表示表示机车和动车典型牵引传动***主回路结构示意图，据统计，牵引***主回路接地故障通常发生在图1中的①-⑥位置，当发生单点故障时，对列车的危害可以忽略，不会影响***的正常工作，但两点或多点接地，就可能产生很大的短路电流，造成电传动***部件的烧损，严重情况下甚至会导致机破，因此，为了避免形成多点故障，实时诊断出故障位置，实现故障溯源，对提高列车的行驶安全具有重要意义。而现有技术只考虑列车运行在特定工况时的故障特征来进行接地故障检测，无法满足全工况接地故障实时检测的要求。

因此，实有必要提供一种牵引传动***主回路接地故障诊断方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

本申请提供一种牵引传动***主回路接地故障诊断方法，基于牵引传动***主回路全工况下不同接地故障类型的等效电路进行分析，得到不同运行工况下接地检测电压所关联的***信号，以该***信号为基础构建能够区分不同故障类型的故障特征变量，实现全工况下的故障类型诊断，有效解决背景中采用单一工况下的故障特征来进行接地故障检测无法满足全工况接地故障检测的缺陷。

为解决上述技术问题，本申请的技术方案在于：

一种牵引传动***主回路接地故障诊断方法，包括如下步骤：

步骤S1，构建牵引传动***主回路全工况下不同接地故障类型的等效电路，对不同故障类型下的等效电路进行分析，得到不同运行工况下接地检测电压所关联的***信号，以该***信号为基础构建能够区分不同故障类型的故障特征变量；

步骤S2，以所述故障特征变量为基础定义检测统计量和检测阈值，将某一运行工况未发生接地故障时的检测阈值设定为该工况下是否发生接地故障的判定依据，若在该运行工况下的检测统计量超出未发生接地故障时的检测阈值，则判定在该运行工况下发生接地故障，执行步骤S3；反之，则判定在该工况下未发生接地故障；

步骤S3，以所述故障特征变量为基础定义特征指标，将某一运行工况发生某类型接地故障时的特征指标值定义为决策阈值，以所述决策阈值作为该工况下是否发生该类型接地故障的判定依据，确定故障类型。

优选的，牵引传动***主回路由牵引变压器、牵引变流器和牵引电机三大部分组成，其中牵引变流器包括充电回路、四象限整流器、接地检测回路、中间直流环节和逆变器；充电回路包括并行设置的第一分支和第二分支，第一分支上串联设置有充电电阻和接触器KM1；第二分支上设置有接触器KM2；接地检测回路用于检测形成接地检测电压，运行工况包括：

运行工况W₁，KM1和KM2均断开，四象限整流器和逆变器均未运行；

运行工况W₂，KM1闭合，KM2断开，四象限整流器和逆变器均未运行；

运行工况W₃，KM1断开，KM2闭合，四象限整流器和逆变器均未运行；

运行工况W₄，KM1断开，KM2闭合，四象限整流器运行，逆变器未运行；

运行工况W₅，KM1断开，KM2闭合，四象限整流器和逆变器均运行。

优选的，故障类型包括：

故障F₁，次边绕组正端接地故障；

故障F₂，四象限整流器输入侧正端接地故障；

故障F₃，四象限整流器输入侧负端接地故障；

故障F₄，正母排接地故障；

故障F₅，负母排接地故障；

故障F₆，逆变器输出侧接地故障。

优选的，运行工况W₁、W₂、W₃时，定义故障特征指标J_j：

；

式中，N表示滑动周期窗口的采样数；k表示任意采样点，表示该采样点对应的故障特征变量，/>表示故障特征变量/>对应的方差，其中：

；

式中，表示接地检测电压的实测值，/>表示接地检测电压的理论值，，/>；

运行工况W₄和W₅下，定义故障特征指标J₆和J₇：

；

式中，表示故障特征变量，/>；/>表示电压传感器VH1的采样值；

；

式中，表示故障特征变量，/>；/>表示供电网侧电压互感器TV的采样值折算到次边绕组的值。

优选的，是否发生接地故障的判定逻辑F表示为：

；

式中，F=1表示发生接地故障，F=0表示未发生接地故障；表示检测统计量；/>表示检测阈值；

其中，；

式中，表示无故障运行工况下故障特征变量/>残差的方差；/>满足具有自由度为N的/>标准分布，且/>，/>表示无故障假设/>条件下检测量/>大于/>的概率；

通过近似/>分布得到，表示为：

；

式中， 表示自由度为N-1的卡方分布；/>表示置信水平，为容许出现误检测的概率。

优选的，运行工况W₁、W₂、W₃时，基于故障特征指标以CUSUM算法进行诊断决策，形成故障隔离决策逻辑，确定故障类型；运行工况W₄、W₅时，基于故障特征指标构建决策树，将决策树转换为规则库，得到故障隔离决策规则，确定故障类型。

优选的， CUSUM算法来进行诊断决策的过程具体为：

定义故障隔离决策函数，表示为：

；

则故障类型确定的决策逻辑为：

；

式中，为故障/>的决策阈值，/>表示发生故障/>，/>表示未发生故障/>。

本申请的有益效果在于：

在离线设计阶段，基于机理对全工况下不同接地故障类型的等效电路进行分析，建立W₁-W₃工况下能区分不同接地故障类型的故障特征变量和故障特征指标，并基于无故障运行工况下残差统计规律设置相关决策阈值；对于W₄~W₅工况，因存在高频开关信号无法精确采集，我们通过分析在W₄和W₅工况下能表征不同故障类型的故障特征指标，基于决策树分类方法建立决策树诊断模型并转换成相应的规则库。实时诊断阶段，首先采集相关传感器信号和状态信息，然后基于相关方程计算残差及相关检测统计量并与相应检测阈值比较生成故障标志；其次，基于相关信号，结合离线建立的W₁~W₃工况的机理诊断模型以及W₄~W₅工况下的数据驱动模型得到相关故障标志；最后，利用***相关状态进行当前工况判断，根据工况以及不同工况下的诊断模型输出结果进行综合诊断决策，得到当前工况下的故障类型。

附图说明

图1表示牵引传动***典型主电路原理图；

图2表示主回路接地全工况实时诊断原理框图；

图3表示故障F₁的等效电路；

图4表示故障F₂的等效电路；

图5表示故障F₃的等效电路；

图6表示故障F₄的等效电路；

图7表示故障F₅的等效电路；

图8表示故障F₆的等效电路；

图9表示运行工况W₄、W₅下的故障隔离决策树模型。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，图1表示机车和动车典型牵引传动***主回路结构示意图。牵引传动***主回路由牵引变压器、牵引变流器和牵引电机三大部分组成，其中牵引变流器包括充电回路、四象限整流器（4QC）、接地检测回路、中间直流环节和逆变器(INV)。

充电回路包括并行设置的第一分支和第二分支，第一分支上串联设置有充电电阻和接触器KM1；第二分支上设置有接触器KM2。

四象限整流器包括并行设置的A相桥臂和B相桥臂，A相桥臂上串联设置有IGBT模块VT1和VT2；B相桥臂上串联设置有IGBT模块VT3和VT4。

所述充电回路的第一分支与所述四象限整流器的A相桥臂连接，连接点位于VT1和VT2之间；所述充电回路的第二分支与所述四象限整流器的B相桥臂连接，连接点位于VT3和VT4之间。

牵引变流器包括并行设置的U相桥臂、V相桥臂和W相桥臂，U相桥臂串联设置有IGBT模块VT5和VT6；V相桥臂串联设置有IGBT模块VT7和VT8；W相桥臂串联设置有IGBT模块VT9和VT10。

单相AC 25kV交流电经过受电弓、主断路器VCB和牵引变压器原边进入车体，由牵引变压器次边绕组向变流电路提供交流电。交流电流在四象限整流器的作用下变换成直流电，经中间直流环节滤波后，利用逆变器转换成频率和幅值可变的三相交流电驱动牵引电机，从而控制机车以不同速度和牵引力前进。

如图1所示，供电网侧电压互感器TV采集牵引变压器网侧电压，电压传感器VH1和VH2分别用来采集主回路中间直流电压和接地检测电压，电流传感器LH1用来采集四象限整流器输入电流。

根据主回路上相关部件的不同工作状态，可以将主回路的运行工况划分为W₁-W₅五种，具体如表1所示。

表1 牵引传动***主回路运行工况

通过对长时间的运行数据分析发现，接地故障通常发生在图1中①-⑥所示的位置，整理后如表2所示：

表2 牵引传动***常见主回路接地故障点

本申请提供的牵引传动***主回路接地故障诊断方法，包括如下步骤：

步骤S1，构建牵引传动***主回路全工况下不同接地故障类型的等效电路，对不同故障类型下的等效电路进行分析，得到不同运行工况下接地检测电压所关联的***信号，以该***信号为基础构建能够区分不同故障类型的故障特征变量。

首先，需要构建牵引传动***主回路的等效电路，以等效电路来模拟牵引传动***主回路；然后，根据表2，在对应的标注点位置做短路处理，形成牵引传动***主回路不同接地故障类型的等效电路，如图3-图8所示。

不同运行工况的模拟可以通过调整充电电阻的阻值R_chr来实现，模拟运行工况W₁时，将R_chr设置为无穷大；模拟运行工况W₂时，将R_chr设置为充电电阻的真实值；模拟运行工况W₃、W₄、W₅时，将R_chr设置为0；

其中，故障F₁的等效电路如图3所示，故障F₁时，不同运行工况W_i下接地检测电压的理论值分别表示为：

（1）在运行工况W₁下

；

式中，表示供电网侧电压互感器TV的采样值折算到次边绕组的值；/>表示电压传感器VH1的采样值；/>表示电流传感器LH1的采样值；e ₁表示中间电压阈值容差。

（2）在运行工况W₂下

；

式中，R_chr表示充电电阻阻值；e ₂为四象限输入电流阈值容差；

（3）在运行工况W₃下

；

（4）在运行工况W₄下

；

式中，与IGBT模块VT1和VT2的开通状态有关，VT1开通时/>取值为1；VT2开通时/>取值为0。

（5）在运行工况W₅下

。

故障F₂的等效电路如图4所示，故障F₂时，不同运行工况W_i下接地检测电压的理论值分别表示为：

（1）在运行工况W₁下

；

（2）在运行工况W₂下

；

（3）在运行工况W₃下

；

（4）在运行工况W₄、W₅下

；

式中，与四象限整流器A相桥臂上IGBT模块VT1和VT2的开通状态有关，VT1开通时/>取值为1；VT2开通时/>取值为0。

故障F₃的等效电路如图5所示，故障F₃时，不同运行工况W_i下的理论值分别表示为：

（1）在运行工况W₁下

；

（2）在运行工况W₂、W₃下

；

（3）在运行工况W₄、W₅下

；

式中，与四象限整流器B相桥臂上TGBT模块VT3和VT4开通状态有关，VT3开通时为1；VT4开通时/>为0。

故障F₄的等效电路如图6所示，故障F₅的等效电路如图7所示。由图6和图7可知，故障F₄及F₅时，接地检测电压的理论值仅与中间电压采样值以及对地绝缘电阻阻值R_jd有关，因此，故障F₄及F₅，不同运行工况W_i下的理论值、/>分别表示为：

；

。

故障F₆的等效电路如图8所示，从图8可以看出，故障F₆时，在运行工况W₁、W₂、W₃、W₄下，接地检测电压的理论值与正常情况（未出现接地故障）无差异，即：

；

在运行工况W₅下，接地检测电压传感器VH2的采样值将随着逆变器开关动作状态在0与值间变化，变化频率与逆变模块工作时开关频率相等。以牵引变流器为例，接地检测电压理论值/>表示为：

；

式中，与牵引变流器U相桥臂VT5和VT6开通状态有关，VT5开通时/>为1，VT6开通时/>为0。

牵引变流器V相桥臂和W相桥臂发生接地故障时，理论值的表达式与U相桥臂发生接地故障时的表达式保持一致。

由上述分析可知，不同运行工况下接地检测电压的理论值关联的***信号不同。运行工况W₁、W₂、W₃时，主要与/>、/>和/>相关，而运行工况W₄、W₅时，主要与牵引变流器中的IGBT模块状态相关。因此针对不同运行工况下关联的***信号不同的特性，可以用不同的特征指标来实现各类接地故障的精确诊断。

针对运行工况W₁、W₂、W₃，由于4QC和INV均未运行，因此不会出现故障，为实现故障F₁-F₅的判别，在特征指标构建之前，先定义故障特征变量/>，表示为：

；

式中，表示接地检测电压的实测值，/>表示接地检测电压的理论值，，/>。

而运行工况W₄、W₅时，因IGBT模块开关状态为高频信号，所需采样率高，且目前车载TCU（自动变速箱控制单元）一般未实时采集，无法采用运行工况W₁、W₂、W₃相同特征指标进行故障类型的判别。

因此，针对运行工况W₄、W₅，定义故障特征变量、/>，表示为：

；

。

步骤S2，以所述故障特征变量为基础定义检测统计量和检测阈值，将某一运行工况未发生接地故障时的检测阈值设定为该工况下是否发生接地故障的判定依据，若在该运行工况下的检测统计量超出未发生接地故障时的检测阈值，则判定在该运行工况下发生接地故障，执行步骤S3；反之，则判定在该工况下未发生接地故障。

以故障特征指标为例，由/>的表达式可知，在无故障运行工况下故障特征变量满足/>，其中，/>为/>的均值，/>为/>残差的方差，数值可通过正常的历史数据可以学习得到。

因此故障特征变量除了能够对运行工况W₄、W₅下不同故障类型进行区分外，还可以作为全工况（包括无故障运行工况和所有故障运行工况）下是否发生接地故障的判定依据。

定义的检测统计量如下：

；

式中，表示无故障运行工况下故障特征变量/>残差的方差；/>满足具有自由度为N的/>标准分布，且/>，/>表示无故障假设/>条件下检测量/>大于/>的概率；

检测阈值通过近似/>分布得到，表示为：

；

式中，表示自由度为N-1的卡方分布；/>表示置信水平，为容许出现误检测的概率。

则针对任意一次接地故障的判定，首先计算得到该次采样下的检测统计量，然后将其与无故障运行工况下的检测阈值/>进行比较，若超过检测阈值/>，则判定为发生接地故障；反之，则判定为未发生接地故障。

接地故障的判定逻辑F表示为：

；

式中，F=1表示发生接地故障，F=0表示未发生接地故障；表示检测检测统计量；表示检测阈值。

步骤S3，以所述故障特征变量为基础定义特征指标，将某一运行工况发生某类型接地故障时的特征指标值定义为决策阈值，以所述决策阈值作为该工况下是否发生该类型接地故障的判定依据，确定故障类型。

针对运行工况W₁、W₂、W₃，当***存在故障时，与该类故障/>对应的故障特征变量/>的均值为0，方差为较小估计误差对应的方差，其余故障类型对应的故障特征变量/>均存在较大的残差；

基于上述故障特征变量定义故障特征指标/>，表示为：

；

式中，N表示滑动周期窗口的采样数；k表示任意采样点，表示该采样点对应的故障特征变量，/>表示故障特征变量/>对应的方差。

基于故障特征指标的变化规律，同时为了克服测量噪声及工况变化时对诊断算法的影响，我们利用CUSUM算法来进行诊断决策。定义故障隔离决策函数，表示为：

；

则故障隔离决策逻辑为：

；

式中，为故障/>的决策阈值，/>表示发生故障/>，/>表示未发生故障/>。

运行工况W₄、W₅时，故障特征变量和/>的变化规律如表3所示。

表3 运行工况W₄、W₅时，故障特征变量和/>的变化规律

基于和/>在不同故障类型时所呈现的变化规律，定义/>和/>的均值为特征指标J₆、J₇，分别表示为：

；

。

决策树是一种常用的数据分类方法，本申请利用在工况W₄和W₅下发生不同接地故障时，特征故障指标J₆和J₇存在的不同分布的特点，基于现场故障案例数据分析，可利用决策树可建立不同J₆和J₇数值组合与接地故障类型F₁-F₆的非线性对应关系模型，并可将该非线性对应关系模型转化成含有多个规则的规则库。如图9所示，根据生成的决策树模型可得到判断F6故障的规则为：

若J7≤-0.241且J6 > 0.049，则判定为故障F6。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (7)

1.一种牵引传动***主回路接地故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，构建牵引传动***主回路全工况下不同接地故障类型的等效电路，对不同故障类型下的等效电路进行分析，得到不同运行工况下接地检测电压所关联的***信号，以该***信号为基础构建能够区分不同故障类型的故障特征变量；

步骤S2，以所述故障特征变量为基础定义检测统计量和检测阈值，将某一运行工况未发生接地故障时的检测阈值设定为该工况下是否发生接地故障的判定依据，若在该运行工况下的检测统计量超出未发生接地故障时的检测阈值，则判定在该运行工况下发生接地故障，执行步骤S3；反之，则判定在该工况下未发生接地故障；

步骤S3，以所述故障特征变量为基础定义特征指标，将某一运行工况发生某类型接地故障时的特征指标值定义为决策阈值，以所述决策阈值作为该工况下是否发生该类型接地故障的判定依据，确定故障类型。

2.根据权利要求1所述的牵引传动***主回路接地故障诊断方法，其特征在于，牵引传动***主回路由牵引变压器、牵引变流器和牵引电机三大部分组成，其中牵引变流器包括充电回路、四象限整流器、接地检测回路、中间直流环节和逆变器；充电回路包括并行设置的第一分支和第二分支，第一分支上串联设置有充电电阻和接触器KM1；第二分支上设置有接触器KM2；接地检测回路用于检测形成接地检测电压，运行工况包括：

运行工况W₁，KM1和KM2均断开，四象限整流器和逆变器均未运行；

运行工况W₂，KM1闭合，KM2断开，四象限整流器和逆变器均未运行；

运行工况W₃，KM1断开，KM2闭合，四象限整流器和逆变器均未运行；

运行工况W₄，KM1断开，KM2闭合，四象限整流器运行，逆变器未运行；

运行工况W₅，KM1断开，KM2闭合，四象限整流器和逆变器均运行。

3.根据权利要求2所述的牵引传动***主回路接地故障诊断方法，其特征在于，故障类型包括：

故障F₁，次边绕组正端接地故障；

故障F₂，四象限整流器输入侧正端接地故障；

故障F₃，四象限整流器输入侧负端接地故障；

故障F₄，正母排接地故障；

故障F₅，负母排接地故障；

故障F₆，逆变器输出侧接地故障。

4.根据权利要求3所述的牵引传动***主回路接地故障诊断方法，其特征在于，运行工况W₁、W₂、W₃时，定义故障特征指标J_j：

；

式中，N表示滑动周期窗口的采样数；k表示任意采样点，表示该采样点对应的故障特征变量，/>表示故障特征变量/>对应的方差，其中：

；

式中，表示接地检测电压的实测值，/>表示接地检测电压的理论值，/>，；

运行工况W₄和W₅下，定义故障特征指标J₆和J₇：

；

式中，表示故障特征变量，/>；/>表示电压传感器VH1的采样值；

；

式中，表示故障特征变量，/>；/>表示供电网侧电压互感器TV的采样值折算到次边绕组的值。

5.根据权利要求4所述的牵引传动***主回路接地故障诊断方法，其特征在于，是否发生接地故障的判定逻辑F表示为：

；

式中，F=1表示发生接地故障，F=0表示未发生接地故障；表示检测统计量；/>表示检测阈值；

其中，；

式中，表示无故障运行工况下故障特征变量/>残差的方差；/>满足具有自由度为N的/>标准分布，且/>，/>表示无故障假设/>条件下检测量大于/>的概率；

通过近似/>分布得到，表示为：

；

式中， 表示自由度为N-1的卡方分布；/>表示置信水平，为容许出现误检测的概率。

6.根据权利要求5所述的牵引传动***主回路接地故障诊断方法，其特征在于，运行工况W₁、W₂、W₃时，基于故障特征指标以CUSUM算法进行诊断决策，形成故障隔离决策逻辑，确定故障类型；运行工况W₄、W₅时，基于故障特征指标构建决策树，将决策树转换为规则库，得到故障隔离决策规则，确定故障类型。

7.根据权利要求6所述的牵引传动***主回路接地故障诊断方法，其特征在于， CUSUM算法来进行诊断决策的过程具体为：

定义故障隔离决策函数，表示为：

；

则故障类型确定的决策逻辑为：

；

式中，为故障/>的决策阈值，/>表示发生故障/>，/>表示未发生故障/>。