基于区间观测器的励磁系统转子绕组匝间短路故障诊断技术方案

本专利设计了一种基于区间观测器的励磁系统转子绕组匝间短路故障诊断方法。针对发生转子绕组匝间短路故障后，引发电流不平衡的现象，对区间观测器上下界函数进行设计。引入l1和H

【技术实现步骤摘要】
基于区间观测器的励磁系统转子绕组匝间短路故障诊断


[0001]本专利设计了一种基于区间观测器的励磁系统转子绕组匝间短路故障诊断方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着我国各大新兴经济体基础设施和城市化的持续推进，对于供电系统在大功率、长距离输送条件下的工作稳定性要求逐渐提高。在发电机组规模不断扩大的发展趋势下，保证其智能化、自动化与可靠性已经成为当前领域中的关键性问题。作为发电机组的重要组成部分，励磁系统常工作于交变磁场与电场中，其可靠性受到极大的考验，励磁系统发生故障时，直接影响到发电机组的使用性能，甚至造成严重的安全事故。由于励磁系统结构较为复杂，故障刚开始发生时特征不明显，难以通过基于固定阈值的传统方法进行及时识别。由故障识别不及时导致的励磁系统欠维护现象严重影响发电机组的运行效率，并对后续维修工作造成较大困难。

技术实现思路

[0003]近年来，具有高精度、高鲁棒性等优点的状态观测器在故障诊断领域得到了广泛应用。针对励磁系统状态信号特点，本专利提出了一种残差区间观测器，将状态判别依据从传统状态域转移到残差域，使状态信号对于故障发生更为敏感，故障状态判别更为可靠。
附图说明
[0004]图1 转子定子励磁过程；图2 转子绕组短路情况；
具体实施方式
[0005]1、转子绕组电路模型励磁系统由转子和定子组成，转子定子励磁过程如图1所示。
[0006]图1中，uA、iA、yA为定子A端电压、电流与磁势，uB、iB、yB为定子B端电压、电流与磁势，ua、ia、ya为转子a端电压、电流与磁势，ub、ib、yb为转子b端电压、电流与磁势，Rs为定子电阻，Rr为转子电阻。则定子、转子电压可表示为：
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(1)励磁系统发生短路故障时，励磁磁势发生改变，励磁电流增加，损耗增大，短路点局部温度升高，可以视为在短路匝增加一条故障回路，如图2所示。
[0007]设此短路回路为c，则系统模型需要再增加一支故障回路方程，即矩阵增加一阶，可表示为：
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(2)该转子绕组状态方程可转化为如下线性系统：
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(3)式中，x(t), y(t), d(t), f(t)分别表示系统的状态，输出，未知扰动与故障信号，A，C，D，F分别为系统的矩阵系数。
[0008]2、区间观测器设计为提高故障辨识度，本专利设计了区间观测器，通过产生残差对故障进行判别。
[0009]将系统的状态信号表示为x(t)，则观测器中上界函数与下界函数可分别表示为,，其中
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(4)将观测器中上下界函数分别构造为
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(5)
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(6)式中，C+=max{0,C},C
‑
=C+
‑
C;D+=max{0,D},D
‑
=D+
‑
D。L为矩阵增益，W为松弛矩阵。为系统残差下界，为系统残差上界。通过设置矩阵增益L与松弛矩阵W，将故障状态信号与上下界之间的距离放大，便于实现故障信息的精确获取。定义误差为
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(7)式中为观测器观测值，残差为
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(8)观测器受电磁干扰的影响可通过l1性能与H∞性能衡量，l1性能与H∞性能指标如下式所示：
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(9)
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(10)式中，干扰d为有界函数，，其中为已知常数。
[0010]3、扰动鲁棒性分析观测器的扰动鲁棒性由Lyapunov函数进行界定，如下式所示：
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(11)式中ed为f(t)=0时系统误差，若存在参数对称矩阵,使得矩阵满足以下不等式：
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(12)
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(13)则可认为系统稳定并满足l1指标。式(12)中有
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(14)因此式(12)等价于存在矩阵M，使
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(15)同理，式(13)等价于存在矩阵N，使
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(16)当系统无故障时，f(t)=0，可由等式(11)
‑
(16)推理得以下不等式约束：
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(17)
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(18)4、故障灵敏度分析构造如下式所示的Lyapunov函数：
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(19)其中P2>0，ef为d(t)=0时系统误差。若存在参数矩阵g >0，松弛矩阵W>0，使得矩阵满足以下不等式：
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(20)则可认为系统稳定并满足H∞指标，且给出了敏感度条件。
[0011]5、故障检测方案通过线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality, LMI)对增益矩阵进行优化,在LMI中给出了的Metzler条件。
[0012]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
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(22)通过以下算法求解出增益矩阵的最优值，进而实现对电机的故障诊断。在满足约
束条件(17),(18),(20),(21)和(22)的前提下,通过求解以下凸优化问题可以求解得观测器中的未知增益矩阵。
[0013]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)其中和为松弛因子。当无故障发生时，状态信号在观测器上下界之间，残差上界大于0，残差下界小于0.当故障发生时，无法保证状态信号在观测器上下界之间，残差上界与下界的取值范围发生变化，可能出现上界小于0或者下界大于0的情况。通过观测残差上下界的波动情况，可以获取系统故障状态，进行故障判别。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本专利设计了一种基于区间观测器的励磁系统转子绕组匝间短路故障诊断方法；针对发生转子绕组匝间短路故障后，引发电流不平衡的现象，对区间观测器上下界函数进行设计；引入和的性能指标，提高了系统对故障的敏感性和对电磁干扰的鲁棒性；通过线性矩阵不等式对观测器增益矩阵进行凸优化，对故障诊断效果进行了分析。2.如权利要求1中所述的一种基于区间观测器的励磁系统转子绕组匝间短路故障诊断方法，其特征在于：对区间观测器上下界函数进行设计；将系统的输入状态信号表示为x(t)，则观测器中上界函数与下界函数可分别表示为,，其中
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(1)。3.如权利要求1中所述的一种基于区间观测器的励磁系统转子绕组匝间短路故障诊断方法，其特征在于：引入和的性能指标，提高了系统对故障的敏感性和对电磁干扰的鲁棒性；观测器受电磁干扰的影响可通过性能与性能衡量，性能与性能指标如下式所示：
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘刚，陈新琪，姚子麟，张宝龙，赵朝阳，张浙波，沙万里，许林波，顾旭斌，曹丹，杨磊，赵力航，于颖，修梦菲，赵慧勉，傅雨荷，
申请(专利权)人：浙江浙能技术研究院有限公司上海博英信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：