基于小波变换和Wigner－Ville分布的整流柜故障诊断方法

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明属于水电解制氢控制技术领域，具体涉及一种水电解制氢整流柜故障诊断方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明采用如下的技术方案：

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。

本发明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。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

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/O，PLC控制站、本地监控站等部分组成，其基本结构如图2所示。

本发明提出如图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/O(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。

本发明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/O、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，上层采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。

本发明提出如图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s分解成多个序列，每个序列只有一个组分(s1，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。而本发明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。