一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法及系统

技术领域

本发明涉及中压直流变换器开路故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法及系统。

背景技术

中压直流变换器是一种重要的电力转换设备，广泛应用于电力系统、工业控制和交通运输等领域。然而，在运行过程中，由于各种原因，如组件老化、环境影响或操作错误，中压直流变换器可能会发生开路故障。

开路故障对中压直流变换器的正常运行和稳定性产生严重影响，甚至可能导致系统停机和损坏。因此，快速准确地检测和定位开路故障是提高中压直流变换器运行可靠性的关键。

目前，针对中压直流变换器开路故障的诊断方法和策略已经得到了广泛研究。传统的故障诊断方法主要基于模拟量和数字量的监测参数进行判断，但存在诊断精度较低和实时性不足的问题。另外，部分方法需要在故障发生后重新校准系统，增加了维护成本和停机时间。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明提供了一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法及系统，能够解决背景技术中提到的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法，包括：

获取模块化多电平换流器中子模块正常工作状态与发生故障状态时的开关状态、电压和电流信号数据；

根据所述子模块正常工作状态与发生故障状态时的开关状态、电压和电流信号数据，建立不同故障判断逻辑，并根据所述不同故障判断逻辑建立故障指示器；

根据所述模块化多电平换流器中子模块的结构建立子模块电容电流观测方程，并判断电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系；

根据所述电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系的判断结果，结合故障指示器显示开路故障诊断结果。

作为本发明所述的基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述根据所述模块化多电平换流器中子模块的结构建立子模块电容电流观测方程包括：

模块化多电平换流器子模块开关函数S

其中，S

当开关函数S

当开关函数S

作为本发明所述的基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述根据所述模块化多电平换流器中子模块的结构建立子模块电容电流观测方程还包括：

模块化多电平换流器子模块的电容电流的实际值表示为：

其中，u

模块化多电平换流器子模块的电容电流的预测值表示为：

其中，u

作为本发明所述的基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述判断电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系包括：

当子模块实际电容电流不小于正第一阈值I

当子模块实际电容电流在正第一阈值与负第一阈值之间，设置电流路径状态为0；

当子模块预测电容电流不小于正第一阈值I

当子模块预测电容电流在正第一阈值与负第一阈值之间，设置电流路径状态为0。

作为本发明所述的基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述根据所述电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系的判断结果，结合故障指示器显示开路故障诊断结果包括：

定义一个正常状态的指标X

其中，X

当开关状态S＝1时，桥臂电流i

X

其中，X

作为本发明所述的基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述根据所述电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系的判断结果，结合故障指示器显示开路故障诊断结果还包括：

在开关状态S＝0时，桥臂电流i

其中，X

作为本发明所述的基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述根据所述电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系的判断结果，结合故障指示器显示开路故障诊断结果还包括：

总故障指示器X定义如下：

X＝(X

其中，X

当总故障指示器X等于(0，0，0)时，MMC系统没有故障；

当总故障指示器X不等于(0，0，0)且持续至少一个周期，则说明发生了故障；

将总故障指示器X依次与(1，1，0)与(1，0，1)进行比较，若总故障指示器X等于(1，1，0)，且故障持续时间大于第二阈值T

若故障持续时间小于第二阈值T

若相等，且故障持续时间大于第二阈值T

若相等，且故障持续时间小于第二阈值T

若不相等，则结束此次判断。

一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断系统，其特征在于，包括：数据获取模块、逻辑建立模块、判断模块以及故障结果展示模块，

数据获取模块，所述数据获取模块用于获取模块化多电平换流器中子模块正常工作状态与发生故障状态时的开关状态、电压和电流信号数据；

逻辑建立模块，所述逻辑建立模块用于根据所述子模块正常工作状态与发生故障状态时的开关状态、电压和电流信号数据，建立不同故障判断逻辑，并根据所述不同故障判断逻辑建立故障指示器；

判断模块，所述判断模块用于根据所述模块化多电平换流器中子模块的结构建立子模块电容电流观测方程，并判断电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系；

故障结果展示模块，所述故障结果展示模块用于根据所述电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系的判断结果，结合故障指示器显示开路故障诊断结果。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法的步骤。

本发明的有益效果：本发明提出一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法及系统，获取模块化多电平换流器中子模块正常工作状态与发生故障状态时的开关状态、电压和电流信号数据；根据所述子模块正常工作状态与发生故障状态时的开关状态、电压和电流信号数据，建立不同故障判断逻辑，并根据所述不同故障判断逻辑建立故障指示器；根据所述模块化多电平换流器中子模块的结构建立子模块电容电流观测方程，并判断电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系；根据所述电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系的判断结果，结合故障指示器显示开路故障诊断结果。此专利利用了电容电流路径和开关状态信息，能够在故障发生时快速准确地进行故障诊断，为实际工程应用提供了一种可行的解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例提供的一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法及系统的方法流程图；

图2为本发明一个实施例提供的一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法及系统的MMC直流变换器拓扑结构图；

图3为本发明一个实施例提供的一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法及系统的上管IGBT故障下的电流路径图，(a)电流路径1示意图，(b)电流路径2示意图；

图4为本发明一个实施例提供的一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法及系统的下管IGBT故障下的电流路径图，(c)电流路径3示意图(d)电流路径4示意图；

图5为本发明一个实施例提供的一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法及系统的开路故障检测流程图；

图6为本发明一个实施例提供的一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法及系统的子模块1上管IGBT开路故障仿真波形图，(a)子模块1实际与预测电容电流图，(b)正常子模块实际与预测电容电流误差值图，(c)子模块1开关状态图，(d)子模块1故障指示器触发时间图；

图7为本发明一个实施例提供的一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法及系统的子模块1下管IGBT开路故障仿真波形图，(a)子模块1实际与预测电容电流图，(b)正常子模块实际与预测电容电流误差值图，(c)子模块1开关状态图，(d)子模块1故障指示器触发时间图；

图8为本发明一个实施例提供的一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法及系统的计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1-8，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法及系统，包括：

获取模块化多电平换流器中子模块正常工作状态与发生故障状态时的开关状态、电压和电流信号数据；

更进一步的，根据子模块正常工作状态与发生故障状态时的开关状态、电压和电流信号数据，建立不同故障判断逻辑，并根据不同故障判断逻辑建立故障指示器；

更进一步的，根据模块化多电平换流器中子模块的结构建立子模块电容电流观测方程，并判断电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系；

其中，根据模块化多电平换流器中子模块的结构建立子模块电容电流观测方程包括：

模块化多电平换流器子模块开关函数S

其中，S

应说明的是，当开关函数S

应说明的是，当开关函数S

更进一步的，根据模块化多电平换流器中子模块的结构建立子模块电容电流观测方程还包括：

模块化多电平换流器子模块的电容电流的实际值表示为：

其中，u

更进一步的，模块化多电平换流器子模块的电容电流的预测值表示为：

其中，u

应说明的是，判断电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系包括：

当子模块实际电容电流不小于正第一阈值I

当子模块实际电容电流在正第一阈值与负第一阈值之间，设置电流路径状态为0；

当子模块预测电容电流不小于正第一阈值I

当子模块预测电容电流在正第一阈值与负第一阈值之间，设置电流路径状态为0。

更进一步的，根据电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系的判断结果，结合故障指示器显示开路故障诊断结果。

其中，根据电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系的判断结果，结合故障指示器显示开路故障诊断结果包括：

定义一个正常状态的指标X

其中，X

更进一步的，当开关状态S＝1时，桥臂电流i

X

其中，X

更进一步的，根据电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系的判断结果，结合故障指示器显示开路故障诊断结果还包括：

在开关状态S＝0时，桥臂电流i

其中，X

更进一步的，根据电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系的判断结果，结合故障指示器显示开路故障诊断结果还包括：

总故障指示器X定义如下：

X＝(X

其中，X

应说明的是，当总故障指示器X等于(0，0，0)时，MMC系统没有故障；

应说明的是，当总故障指示器X不等于(0，0，0)且持续至少一个周期，则说明发生了故障；

应说明的是，将总故障指示器X依次与(1，1，0)与(1，0，1)进行比较，若总故障指示器X等于(1，1，0)，且故障持续时间大于第二阈值T

应说明的是，若故障持续时间小于第二阈值T

应说明的是，若相等，且故障持续时间大于第二阈值T

应说明的是，若相等，且故障持续时间小于第二阈值T

应说明的是，若不相等，则结束此次判断。

应说明的是，子模块故障时，子模块实际电流与模型预测电流之间会出现不一致现象，最终导致子模块电容电压与模型预测电容电压出现明显误差。

应说明的是，本专利通过及时检测和定位开路故障，可以快速采取措施进行故障修复，避免故障扩大化对整个系统的影响，提高系统的可靠性和稳定性。该方法可以在故障发生时迅速诊断并定位问题，减少了故障排查的时间和人力资源的投入，降低了维护成本。

应说明的是，故障显示器采用先进的信号处理技术，能够快速准确地诊断出模块的开路故障，并提供具体的故障位置信息。基于功率信息和其他相关参数，利用设计的算法来判断是否存在开路故障，并确定故障出现的子模块位置。

综上所述，本发明提出一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法，获取模块化多电平换流器中子模块正常工作状态与发生故障状态时的开关状态、电压和电流信号数据；根据所述子模块正常工作状态与发生故障状态时的开关状态、电压和电流信号数据，建立不同故障判断逻辑，并根据所述不同故障判断逻辑建立故障指示器；根据所述模块化多电平换流器中子模块的结构建立子模块电容电流观测方程，并判断电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系；根据所述电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系的判断结果，结合故障指示器显示开路故障诊断结果。此专利利用了电容电流路径和开关状态信息，能够在故障发生时快速准确地进行故障诊断，为实际工程应用提供了一种可行的解决方案。

在一个优选的实施例中，一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断系统，包括：数据获取模块、逻辑建立模块、判断模块以及故障结果展示模块，

数据获取模块，数据获取模块用于获取模块化多电平换流器中子模块正常工作状态与发生故障状态时的开关状态、电压和电流信号数据；

逻辑建立模块，逻辑建立模块用于根据子模块正常工作状态与发生故障状态时的开关状态、电压和电流信号数据，建立不同故障判断逻辑，并根据不同故障判断逻辑建立故障指示器；

判断模块，判断模块用于根据模块化多电平换流器中子模块的结构建立子模块电容电流观测方程，并判断电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系；

故障结果展示模块，故障结果展示模块用于根据电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系的判断结果，结合故障指示器显示开路故障诊断结果。

上述各单元模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图8所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取模块化多电平换流器中子模块正常工作状态与发生故障状态时的开关状态、电压和电流信号数据；

根据子模块正常工作状态与发生故障状态时的开关状态、电压和电流信号数据，建立不同故障判断逻辑，并根据不同故障判断逻辑建立故障指示器；

根据模块化多电平换流器中子模块的结构建立子模块电容电流观测方程，并判断电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系；

根据电容电流的实际值和预测值与第一阈值的关系的判断结果，结合故障指示器显示开路故障诊断结果。

实施例2

参照图2-7，为本发明的一个实施例，提供了一种基于MMC的中压直流变换器开路故障诊断方法及系统，为了验证本发明的有益效果，通过实验进行科学论证。

设置子模块1在0.5s处发生上管IGBT开路故障，上桥臂开关器件发生下管IGBT开路故障结果仿真结果如图6所示。

上管IGBT开路故障发生在0.5s，故障前后子模块电容电流期望值与预测值对比以及子模块开关状态仿真结果如图6所示。图6(a)和图6(b)可以明显看出，故障子模块1在0.508s时的实际电容电流状态为旁路，预测电容电流状态为放电，而其余子模块实际电容电流路径与模型预测电容电流路径基本保持一致，根据他们之间电流路径的差异，结合图6(c)中子模块的开关状态，检测定位子模块1为故障，故障诊断用为8ms。

图7为子模块1下管开路故障结果仿真图，下管IGBT开路故障发生在0.5s，图7(a)和图7(b)可以明显看出，故障子模块1在0.501s时的实际电容电流状态为充电，预测电容电流状态为旁路，而其余子模块实际电容电流路径与模型预测电容电流路径基本保持一致，根据他们之间电流路径的差异，结合图7(c)中子模块的开关状态，检测定位子模块1为故障，故障诊断时间用时为6.2ms。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。