張 雪，姜悅悅

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100）

與傳統(tǒng)的直流、交流發(fā)電機(jī)相比，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（SRG）結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、成本低，且具有可控性好、高速適應(yīng)性好以及發(fā)電效率高等優(yōu)點(diǎn)，在民用、航空、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。近年來，SRG成為研究熱點(diǎn)，但現(xiàn)有研究主要集中于SRG電磁設(shè)計(jì)、性能分析、控制策略及實(shí)現(xiàn)，對(duì)于SRG故障診斷方法的研究較為缺乏。開展SRG故障診斷研究對(duì)于促進(jìn)開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)推廣應(yīng)用具有重要意義，一方面可以實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警，減少和避免故障擴(kuò)大和發(fā)電裝置損壞；另一方面，能夠及時(shí)確診，對(duì)突發(fā)性故障可及時(shí)查明原因，維修方便。

目前電機(jī)故障診斷的基本方法有電流分析法、絕緣診斷法、溫度檢測法及振動(dòng)與噪聲診斷法等[2]。隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于多源信息融合技術(shù)的故障診斷方法在大型旋轉(zhuǎn)電機(jī)故障診斷中的應(yīng)用方興未艾，前景廣闊。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的故障類型較多，為了提高其故障診斷的水平，在其故障診斷中不應(yīng)僅局限于一種信息，而是應(yīng)充分利用多個(gè)信息源，利用多源數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性和智能計(jì)算技術(shù)綜合處理具有時(shí)空特性的數(shù)據(jù)，從而更精確的描述SRG的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)其故障狀況做出更準(zhǔn)確的識(shí)別和判斷。因此，開展基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的SRG故障診斷研究是有必要的。

數(shù)據(jù)融合方法主要有貝葉斯估計(jì)法、D-S證據(jù)理論、專家系統(tǒng)、可靠性理論等。眾所周知，D-S證據(jù)理論具有很強(qiáng)的處理不確定信息的能力，故本文主要研究應(yīng)用D-S證據(jù)理論進(jìn)行開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)故障診斷的方法。

1 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的故障類型

開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)若發(fā)生故障，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來區(qū)分故障類型，主要分為發(fā)電機(jī)本體內(nèi)部故障和發(fā)電機(jī)外圍故障。內(nèi)部故障主要為定子相繞組故障，而外圍故障包括功率變換器故障，負(fù)載故障及風(fēng)力機(jī)和齒輪箱故障等。

1）開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)繞組故障

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，定子繞組為集中線圈，轉(zhuǎn)子無繞組和永磁體，因此電氣故障主要集中于定子繞組。理論分析及實(shí)踐表明，SRG的定子繞組故障主要有：繞組開路故障，繞組短路故障，接地故障等[3-5]。

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的某相繞組開路后，該相則不再提供發(fā)電功率，發(fā)電機(jī)缺相運(yùn)行，此時(shí)控制器將通過增大勵(lì)磁電壓來增加其余正常相的電流，以維持系統(tǒng)的額定輸出。

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的相繞組短路會(huì)導(dǎo)致過流，產(chǎn)生的短路電流可能會(huì)燒毀該相繞組，故障嚴(yán)重程度取決于繞組短路的匝數(shù)。發(fā)生短路后繞組的電感值會(huì)降低，導(dǎo)致電流的變化率增大，輸出電壓的平均值降低。

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的相繞組產(chǎn)生接地故障時(shí)，該相也無法提供發(fā)電功率，發(fā)電機(jī)缺相運(yùn)行。此時(shí)的電流直接流經(jīng)功率變換器可能會(huì)導(dǎo)致功率器件損壞。

2）功率變換器故障

在系統(tǒng)發(fā)電運(yùn)行過程中，功率變換器負(fù)責(zé)為發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電源，并提取發(fā)電機(jī)的相繞組續(xù)流為蓄電池充電，因此系統(tǒng)電壓過大、電流過大，或者工作的溫度過高，都可能損壞功率變換器，造成其中的功率開關(guān)管擊穿短路。如果功率開關(guān)管被擊穿短路，則會(huì)使勵(lì)磁電流持續(xù)流到相繞組。由于開關(guān)磁阻發(fā)電控制系統(tǒng)具有容錯(cuò)性，控制器適時(shí)的切斷該故障相，使電機(jī)在缺相狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)行。

3）負(fù)載故障

發(fā)電系統(tǒng)有多種類型的負(fù)載，許多負(fù)載的運(yùn)行對(duì)發(fā)電系統(tǒng)有一定的影響，如果因?yàn)樨?fù)載發(fā)生故障，也會(huì)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生很大的影響。比如有的恒功率負(fù)載發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)，可能會(huì)影響到整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供電質(zhì)量。

經(jīng)以上分析，本文選擇開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的典型故障進(jìn)行研究，主要研究的故障類型為：發(fā)電機(jī)缺相故障、發(fā)電機(jī)繞組短路故障、負(fù)載短路故障。

2 基于D-S證據(jù)理論的數(shù)據(jù)融合

2.1 基本理論

定義1：設(shè)θ一個(gè)互不相容事件的完備集合，由θ的所有子集構(gòu)成冪集2θ。

定義 2：基本信任度分配函數(shù) m:2θ→[0，1]的映射，滿足

式中，φ為空集。A是滿足m（A）＞0的所有集合，稱為m的焦元。

定義3：信任函數(shù)Bel（A）表示對(duì)A的信任程度，定義為

定義4：似然函數(shù)Pl（A）表示A的支持證據(jù)區(qū)間，定義為

D-S證據(jù)理論是基于辨識(shí)框架的一種決策理論，辨識(shí)框架θ在數(shù)據(jù)融合中可視為一個(gè)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫，這里表示對(duì)某個(gè)事件可能結(jié)果的一個(gè)集合，并設(shè)這些結(jié)果中有且只有一個(gè)是正確的。基本信度分配函數(shù)m一般由主觀經(jīng)驗(yàn)給出，是一種可信度。D-S證據(jù)理論對(duì)A的不確定性描述如圖1所示。

圖1 D-S證據(jù)理論對(duì)A的不確定性描述Fig.1 Description of the uncertainty for A with D-S evidence theory

圖 1 中所示：[Bel（A），Pl（A）]為 A 的信任區(qū)間，它表示對(duì)A 信任的上、下限；[0，Pl（A）]表示 A 的擬信區(qū)間；[Pl（A），1]表示 A 的拒絕區(qū)間。 可見，信任區(qū)間[Bel（A），Pl（A）]越大，對(duì)A的不確定程度越大，Bel（A）越大，表示A為真的可能越大，Pl（A）越小，表示 A 為假的可能越大[6]。

2.2 Dempster組合規(guī)則

設(shè)Bel1和Bel2是同一識(shí)別框架θ上2個(gè)信度函數(shù)，m1和m2分別是其對(duì)應(yīng)的基本信度分配，其焦元分別為A1，…，Ak和 B1，…，Br。 合成后的基本信任度分配函數(shù) m:2θ→[0， 1]為

D-S證據(jù)理論中，用K來衡量證據(jù)沖突與否。若K=0，則證據(jù)之間沒有沖突，可以進(jìn)行融合。K越大表明沖突就越大。若K=1，則認(rèn)為m1和m2沖突。因此當(dāng)K≥1時(shí)，就不能對(duì)基本概率賦值進(jìn)行融合。對(duì)于多個(gè)證據(jù)的組合，可對(duì)證據(jù)進(jìn)行兩兩綜合，最終得出融合結(jié)果。

3 D-S證據(jù)理論在開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)故障診斷中的融合應(yīng)用

在開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)相繞組故障診斷中，以輸出電流、輸出電壓和輸出轉(zhuǎn)矩這3個(gè)證據(jù)信號(hào)數(shù)據(jù)，應(yīng)用上述D-S證據(jù)理論進(jìn)行融合判斷為例[7-9]。3個(gè)信號(hào)的基本信度分配為m1、m2、m3，故障的識(shí)別框架輸出共有4種情況，分別為正常A、故障B（發(fā)電機(jī)缺相故障）、故障C（發(fā)電機(jī)繞組短路故障）、故障D（接地故障），在某一時(shí)刻采集3個(gè)信號(hào)所建立的基本信度分配如表1所示。

表1 3個(gè)證據(jù)信號(hào)的基本信度分配Tab.1 Basic belief assignment of the three evidence signals

根據(jù)表1，對(duì)m1（電流信號(hào)）和m2（轉(zhuǎn)矩信號(hào)）進(jìn)行合成，得到m′。合成之前，先檢查沖突系數(shù)K，根據(jù)式（5）進(jìn)行計(jì)算。

由K判斷可以融合，融合的結(jié)果為：

繼續(xù)融合電壓信號(hào)，計(jì)算m′和m3的沖突系數(shù)。

經(jīng)判斷可以融合，合成結(jié)果為：

計(jì)算完成，3個(gè)證據(jù)信號(hào)融合的結(jié)果如表2所示。

表2 3個(gè)證據(jù)信號(hào)融合后的基本信度分配Tab.2 Basic belief assignment of the three evidence signals after fusion

從表2可見，合成后結(jié)果判斷為故障B（發(fā)電機(jī)缺相故障）的概率為1.0，而其它故障發(fā)生的概率為0，融合后的結(jié)果更具準(zhǔn)確性。從融合過程也可看出，多進(jìn)行一次D-S合成，各信度分配對(duì)故障診斷的精度和可靠性均得到提高。

4 結(jié) 論

文中將數(shù)據(jù)融合技術(shù)用于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的故障診斷中，采用D-S證據(jù)理論對(duì)不同數(shù)據(jù)源的證據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)融合較好地解決了單信號(hào)的故障診斷不確定性問題，使得診斷結(jié)果更加明確、可靠，增強(qiáng)了故障診斷能力。

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