基于小波变换和Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布的整流柜故障诊断方法技术

本发明专利技术属于水电解制氢技术领域，涉及一种基于小波变换和Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布的整流柜故障诊断方法：根据信号中的故障信号所在频段，选择小波分解层数ｎ；选用ｄｂ１和ｄｂ３作为小波母函数，并分别做ｎ－１层多分辨率分解，把原始故障信号分解成ｎ个序列，每个序列只有一个组分；对每个组分进行Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布分析，再把各个序列Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布组合形成原信号的时频分布，实现信号的多尺度在线分析法。本发明专利技术可大大提高现有水电解制氢整流柜故障诊断的正确率、可靠性以及维修水平，从而保证水电解制氢设备更加安全可靠的工作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水电解制氢控制
，具体涉及一种水电解制氢整流柜故障诊断方法。
技术介绍
电解整流柜是水电解制氢系统的重要装置之一，对安全可靠的制氢生产具有重要意 义。其作用是将交流电改变为直流电。小容量(一般100KVA以下)的可将整流变压器内 置于整流柜内。水电解装置整流方案有可控硅整流和硅整流两种。虽然随着电力电子等 技术的发展，整流柜的可靠性越来越高，但是仍然存在变压器故障、晶闸管故障、传感 器故障和控制回路故障等不同类型故障。虽然目前电解整流柜故障检测方法已包括直接 波形分析、谱分析和基于神经网络等故障诊断方法，但最常用的故障诊断方法仍是用单 踪示波器测试整流柜的直流输出波形，用钳形表测试变压器的交流波形等常规巡视法。 其检修常规做法通常是按照检修程序先检修主回路，后检修控制回路。但回路中某一节 点出现故障，往往表现出许多点故障，使判断变难，修理复杂，需要维修的时间较长， 现场操作效果往往不好。所以在整流柜维修特别是应急情况下需要简化维修过程，建立 新的在线故障诊断方法，从而快速恢复水电解制氢系统的运行。
技术实现思路
本专利技术针对现有水电解制氢整流柜故障诊断方法简单、耗时长和可靠性不高等问题， 提出了一种基于小波变换和Wigner-Ville分布的信号分析方法，实现对水电解制氢整流 柜故障的在线诊断，可大大提高现有水电解制氢整流柜故障诊断的正确率、可靠性以及 维修水平，从而保证水电解制氢设备更加安全可靠的工作。为此，本专利技术采用如下的技 术方案一种，将提取的整流柜输 出的直流电信号，直接送至分布式1/0，然后通过现场总线转发到PLC控制站，最终传送 到，地监控站，在本地监控站上实现如下的信号分析(1) 根据信号中的故障信号所在频段，选择小波分解层数n;(2) 选用dbl和db3作为小波母函数，并分别做n-l层多分辨率分解，把原始故障信号 分解成n个序列，每个序列只有一个组分；(3) 对每个组分进行Wigner-Ville分布分析，再把各个序列Wigner-Ville分布组合形 成原信号的时频分布，实现信号的多尺度在线分析。本专利技术具有如下的技术效果(1) 采用新型时频分析策略——基于小波变换和Wigner-Ville分布的信号分析方法， 实现水电解制氢整流柜故障的非侵入式在线诊断与分析，提高了故障诊断的水平 与可靠性。(2) 通过现场总线与工业以太网相结合的混合网络控制技术，实现了水电解制氢整流 柜故障的微机检测与分析，为其实时保护与预测维修的实现奠定了基础。(3) 能实现故障信号的多尺度分析和故障信号的三维Wigner-Ville分布图直观表示。(4) 故障检测策略方法简单，所需工具少，能快速实现相关故障的检测与诊断，从而 大大提高水电解整流柜及其控制系统的可靠性，保证制氢设备长期安全运行。(5) 水电解制氢系统中的其他功能和其他水电解制氢系统可被很好地增加到现有网络 拓扑中来，实现"即插即用"式功能。附图说明图1为水电解制氢整流柜原理框图。 图2是整流柜故障检测方案图。图3是基于小波变换的Wigner-Ville时频分析策略框图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详述。图1为一水电解制氢整流柜原理图，本实施例研究对象为输入为380V/114A、输出为 1012A/53V水电解制氢整流柜。为了解决图1所示的水电解制氢整流柜在故障分析与诊断中目前存在的问题，本发 明提供了一种基于网络控制的在线水电解制氢整流柜故障检测方案，水电解制氢制氢整 流柜故障诊断系统主要由整流柜、电流采样传感器、PLC分布式I/0， PLC控制站、本地 监控站等部分组成，其基本结构如图2所示。本专利技术提出如图3所示的基于小波变换和Wigner-Ville分布的信号分析策略，并将 其应用在整流柜的故障诊断中，实现对整流柜故障的及时分析与处理，减少了制氢设备 的停机时间和维修费用。以整流柜输出直流电流为采样信号，直接将其模拟信号传送至分布式I/0(ET200)， 然后采用PROFIBUS-DP总线将其传送至PLC控制站，最后再由工业以太网将其传送至本 地监控站进行时频分析，实现水电解制氢设备整流柜故障的实时监控。分布式I/O与PLC控制站之间采用PROFIBUS-DP总线连接、PLC控制站与本地监控站 之间采用光纤介质的工业以太网连接的故障诊断方案，不但可以提高数据传输速度，保 证系统的实时性，还能确保水电解制氢设备控制系统的其他功能也能通过此网络拓扑实 现，从而实现整个水电解制氢设备控制系统的网络控制。本专利技术主要采用工业以太网技术和西门子公司的PROFIBUS总线技术实现整流柜直流4母线采样点的电流故障信号到上位机(本地监控站)的网络传输，然后通过基于小波变 换的Wigner-Ville时频分析策略对其进行分析与诊断。系统主要由包括整流柜的水电解 制氢设备、电流传感器、分布式I/0、 PLC控制站和本地监控站等部分组成。如图2所示，整个网络监控策略可以分为2层，低层通过PROFIBUS-DP总线将分布 式I/O~~ET200与单元级PLC控制站连接，上层釆用工业以太网技术实现本地监控站与 PLC控制站之间的通信。分布式I/O——ET200中的电流采用信号直接通过电流传感器由 PLC模拟输入模块获取。本专利技术提出如图3所示的基于小波变换的Wigner-Ville信号分析策略，被用在本地 监控站上对水电解制氢整流柜故障进行时频分析。根据实际诊断效果，该策略首先选用 dbl和db3作为小波母函数，并分别做n-l层多分辨率分解，把原始故障信号s分解成多 个序列，每个序列只有一个组分(sl， s2 ， s3，……sn)。小波分解层数n取决于信号 中的故障信号所在频段，这里一般选取5-7即可。具体数目由故障的类型和实际故障检 测效果决定。然后对每个组分进行Wigner-Ville分布分析，再把各个序列的 Wigner-Ville分布组合形成原信号的时频分布WVDs，这样既能消除干扰项，又不影响 Wigner-Ville分布的时频聚集性，并实现信号的多尺度分析。该故障诊断分析策略实现 了对整流柜各种常见故障的在线分析与诊断，减少了制氢设备的停机时间和维修费用。 同时故障诊断所采用的网络拓扑具有很好的可扩展性和兼容性，可将制氢设备的其他控 制功能或者其他水电解制氢设备控制系统轻易简便的整合到该网络拓扑中来。有关Wigner—Ville分布分析方法的较为详细的内容，可参见下列论文小波变换 用于Wigner—Ville分布交叉项的抑制/傅海威，傅君眉〃西安石油学院学报自然科学 版-2001. 16(5).-37-39。该文章给出了一种基于小波变换的Wigner-Ville分布交叉项抑 制方法，但是该方法是将原始信号先作Wigner-Ville分布时频分析，然后将时频分布做 小波分解与重构，得到新的Wigner-Ville分布图。而本专利技术则先对原始信号进行多尺度 分解，然后对分解后的多组信号分别进行Wigner-Ville分布分析，得到各自的 Wigner-Ville时频分布，最后进行组合得到原始信号的Wigner-Ville分布。权利要求1. 一种，将提取的整流柜输出的直流电信号，直接送至分布式I/O，然后通过现场总线转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于小波变换和Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布的整流柜故障诊断方法，将提取的整流柜输出的直流电信号，直接送至分布式Ｉ／Ｏ，然后通过现场总线转发到ＰＬＣ控制站，最终传送到本地监控站，在本地监控站上实现如下的信号分析：　（１）根据信号中的故障信号所在频段，选择小波分解层数ｎ；　（２）选用ｄｂ１和ｄｂ３作为小波母函数，并分别做ｎ－１层多分辨率分解，把原始故障信号分解成ｎ个序列，每个序列只有一个组分；　（３）对每个组分进行Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布分析，再把各个序列Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布组合形成原信号的时频分布，实现信号的多尺度在线分析。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：方红伟，许卫，肖朝霞，张宇，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]