蔡鵬飛,2,鄭樹(shù)彬,彭樂(lè)樂(lè)
(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院,上海 201620; 2.上海地鐵電子科技有限公司,上海 200233)
據(jù)統(tǒng)計(jì),在地鐵列車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,輔助逆變器的故障概率較高,較為嚴(yán)重的輔助逆變器故障可能導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法工作,使車輛無(wú)法正常行駛,需要在到達(dá)終點(diǎn)站后退出運(yùn)營(yíng)甚至清客,這將嚴(yán)重阻礙地鐵列車的正常、安全運(yùn)營(yíng)[1]。
而地鐵輔助逆變器的故障類型大致可以劃分為二極管短路故障,直流母線接地故障,電容故障,開(kāi)關(guān)設(shè)備故障等,其中在這些故障中,開(kāi)關(guān)設(shè)備故障是最頻繁的[2]。針對(duì)地鐵列車輔助逆變器的故障診斷方法已有很多,文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]分別提出了基于小波包和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法、基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法和徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法,但都只針對(duì)地鐵列車輔助逆變器的電壓波動(dòng)、脈沖暫態(tài)、頻率變化等故障進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[2]提出了基于離散小波變換和歸一化電流實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的故障診斷方法,但該方法僅對(duì)單個(gè)IGBT開(kāi)路故障進(jìn)行診斷;文獻(xiàn)[5]提出了通過(guò)檢測(cè)各相電流正、負(fù)半波部分對(duì)應(yīng)的功率進(jìn)而反應(yīng)各IGBT的輸出功率和工作狀況的方法,但該方法在輔助逆變器空載情況下故障特征不明顯,需要在帶有負(fù)載的情況下發(fā)生故障才能進(jìn)行診斷。
本文提出了基于集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)法和GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地鐵列車輔助逆變器開(kāi)路故障診斷方法。該方法以輔助逆變器輸出的三相半波電壓值為測(cè)量信號(hào),采用EEMD算法提取故障特征向量,以此作為故障樣本對(duì)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)故障智能化診斷。
以上海地鐵03A01車型輔助逆變器為研究對(duì)象,在MATLAB/SIMULINK軟件中搭建一個(gè)地鐵列車輔助逆變器的故障仿真模型,該模型分為逆變輸出模塊和逆變控制模塊兩部分。逆變輸出模塊仿真模型如圖1所示。
圖1 逆變輸出模塊仿真模型
構(gòu)成逆變輸出模塊的元器件主要有直流電源、線路濾波電感LFL、線路濾波電容LFC、放電電阻DZ、IGBT逆變橋、三相濾波電感IOFL、三相濾波電容IOFC、變壓器模塊IOT以及三相負(fù)載,電路仿真參數(shù)設(shè)置與實(shí)際電路基本一致,基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 仿真電路主要技術(shù)參數(shù)
逆變控制模塊仿真模型如圖2所示,通過(guò)將三相正弦波和三角載波進(jìn)行比較運(yùn)算,調(diào)制出所需的SPWM波形,實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變模塊的控制。逆變器IGBT開(kāi)路故障通過(guò)將正常脈沖控制信號(hào)和低電平脈沖信號(hào)進(jìn)行“與”運(yùn)算進(jìn)行模擬,其中開(kāi)關(guān)S1-S6用于控制信號(hào)是否正常。
圖2 逆變控制模塊仿真模型
調(diào)制波Sin_U、Sin_V、Sin_W為相位依次相差120度的正弦波,頻率為50 Hz。載波Carrier為等腰三角波,載波比N通常為3的整數(shù)倍以使三相輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱,設(shè)載波比N=12,即載波頻率為600 Hz。調(diào)制比m與輸入直流電源電壓UIN、輸出線電壓的基波幅值uUV的關(guān)系為:
(1)
其中:輸入直流電源電壓為1 500 V,輸出線電壓的基波幅值為715 V,計(jì)算出調(diào)制比m為0.55。
對(duì)所建立的輔助逆變器故障仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證,得到仿真電路的輸出波形,如圖3所示。
圖3 逆變器輸出三相電壓和線電壓
輔助逆變器啟動(dòng)后在0.06 s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),仿真得到的輔助逆變器輸出波形與實(shí)際相符,因此本文所建立的輔助逆變器故障仿真模型是有效的。
輔助逆變器逆變電路由6個(gè)IGBT組成,一般情況只有一個(gè)IGBT故障,最多同時(shí)有兩個(gè)IGBT發(fā)生故障。因此將輔助逆變器開(kāi)關(guān)器件開(kāi)路故障分為以下四大類。
1)單個(gè)IGBT發(fā)生故障,共6種情況;
2)同一橋臂兩個(gè)IGBT同時(shí)發(fā)生故障,共3種情況;
3)不同橋臂同一位置兩個(gè)IGBT同時(shí)發(fā)生故障,共6種情況;
4)不同橋臂不同位置兩個(gè)IGBT同時(shí)發(fā)生故障,共6種情況。
通過(guò)建立的輔助逆變器故障仿真模型對(duì)4種輔助逆變器開(kāi)路故障類型進(jìn)行仿真分析,考慮到仿真模型全部為理想元器件,因此在采樣信號(hào)中添加均值為0,方差為1的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)高斯白噪聲,以使仿真更趨于真實(shí)。
以輔助逆變器輸出三相電的正半波電壓信號(hào)及其電壓值作為測(cè)量信號(hào),設(shè)置仿真時(shí)間為0.4 s,IGBT開(kāi)路故障發(fā)生在0.3 s時(shí)刻,采樣頻率為10 kHz。故障仿真所得到的三相半波電壓信號(hào)如表2所示。
可以看出,當(dāng)發(fā)生輔助逆變器IGBT開(kāi)路故障時(shí),逆變器輸出的三相半波電壓值會(huì)出現(xiàn)明顯的異常波動(dòng),當(dāng)發(fā)生不同種類的故障情況時(shí)逆變器輸出的三相半波電壓值波動(dòng)特征不完全相同。當(dāng)發(fā)生IGBT故障時(shí)三相半波電壓信號(hào)表現(xiàn)為非線性非平穩(wěn)特性,測(cè)量輔助逆變器輸出的三相半波電壓值能很好的反應(yīng)出各IGBT的工作狀況。
經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)法是N.E.Huang等人在Hilbert-Huang變換的基礎(chǔ)上,提出的一種非常重要的信號(hào)處理的方法[6]。該方法從根本上擺脫了傅立葉變換的約束,它是一種新型的自適應(yīng)信號(hào)時(shí)頻處理方法,是一種非常適用于非平穩(wěn)、非線性數(shù)據(jù)序列的復(fù)雜信號(hào)處理方法。
表2 IGBT開(kāi)路故障的三相半波電壓信號(hào)
EMD篩選的過(guò)程實(shí)際上就是將原始信號(hào)分解為不同特征波形的疊加,將復(fù)雜信號(hào)分解為有限個(gè)具有不同特征尺度的數(shù)據(jù)序列,即本征模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function)分量,IMF反映了原始信號(hào)的本質(zhì)和真實(shí)信息。
基于上述思想,EMD算法分解得到IMF的具體步驟如下:
(1)找出原始信號(hào)x(t)所有的局部極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn),采用三次樣條函數(shù)擬合出信號(hào)的上包絡(luò)線Un和下包絡(luò)線Ln。
(2)上、下包絡(luò)線的均值為:
m1=(Un+Ln)/2
(2)
信號(hào)x(t)與m1的差值為:
h1=x(t)-m1
(3)
如果h1滿足IMF的條件,則h1是原始信號(hào)的第一個(gè)IMF分量,記為c1=h1;
(3)如果h1不滿足IMF的條件,則將h1作為原始信號(hào),進(jìn)行步驟(1)、(2),得到:
h11=h1-m11
(4)
式中,m11是h1的上、下包絡(luò)線的均值。
反復(fù)篩選k次,如果h1k滿足IMF的條件,則h1k就是原始信號(hào)的第一個(gè)IMF分量,為:
c1=h1k=h1(k-1)-m1k
(5)
(4)從信號(hào)x(t)中分離出c1,得到:
r1=x(t)-c1
(6)
r1作為原始信號(hào)重復(fù)上述步驟,得到第二個(gè)IMF分量c2;
(5)重復(fù)n次,就得到n個(gè)IMF分量:
rn=rn-1-cn
(7)
當(dāng)rn為單調(diào)函數(shù)或是一個(gè)極小的常量時(shí),停止分解過(guò)程,得到如下式子:
(8)
式中,ci為從高頻到低頻不同頻率的各IMF分量的集合;rn為最終殘余分量,是原始信號(hào)x(t)的集中趨勢(shì)。
一般認(rèn)為,一個(gè)本征模函數(shù)IMF必須滿足以下兩個(gè)條件[7]:
(1)在整個(gè)信號(hào)上,極值點(diǎn)的個(gè)數(shù)和過(guò)零點(diǎn)的個(gè)數(shù)相等或至多相差一個(gè);
(2)在任意時(shí)刻,由局部極大值點(diǎn)和局部極小值點(diǎn)分別形成的上、下包絡(luò)線的均值m1為零,即上、下包絡(luò)線相對(duì)于時(shí)間軸是局部對(duì)稱的。
在實(shí)際情況中,上下包絡(luò)的均值無(wú)法為零,通常當(dāng)滿足下面式子(標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù))時(shí),就認(rèn)為包絡(luò)的均值滿足IMF的均值為零的條件:
(9)
式中,ε稱為篩分門限,一般取值在0.2~0.3之間。
對(duì)于本征模態(tài)函數(shù),僅僅只能通過(guò)窄帶信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)與過(guò)極值點(diǎn)的關(guān)系以及非常有限的可用例子的經(jīng)驗(yàn)中獲得IMF定義,其效果很難令人滿意。盡管大部分的例子都表明了EMD結(jié)果的直觀合理性,但是其理論框尚待改善。
針對(duì)EMD中出現(xiàn)的模態(tài)混疊問(wèn)題,吳朝華和黃鍔等人提出了集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解[8](Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD),EEMD的基本思路是對(duì)原始信號(hào)多次加入不同的白噪聲進(jìn)行EMD分解,將多次分解的結(jié)果進(jìn)行平均即得到最終的IMF。
EEMD算法的具體步驟如下:
1)通過(guò)給原始信號(hào)x(t)添加白噪聲信號(hào)ω(t)獲得目標(biāo)信號(hào)X(t);
2)對(duì)X(t)進(jìn)行EMD分解,得到各階IMF分量;
3)給原始信號(hào)添加不同的白噪聲ωi(t),重復(fù)以上步驟得到:
(10)
式中,cij為加入白噪聲ωi(t)后的第j個(gè)IMF分量;
4)將上述分解結(jié)果進(jìn)行總體平均運(yùn)算,消除多次加入白噪聲對(duì)真的IMF的影響,即得到分解結(jié)果:
(11)
EEMD添加噪聲后總體個(gè)數(shù)滿足以下統(tǒng)計(jì)公式:
(12)
式中,n是總體個(gè)數(shù),ε是加入白噪聲的百分比,εn是最終誤差的標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)總體個(gè)數(shù)固定,誤差隨著添加噪聲百分比增加而增加。經(jīng)過(guò)分析對(duì)比,n在幾百次時(shí)效果較好,推薦添加噪聲比例滿足最終誤差的標(biāo)準(zhǔn)差εn=0.2。
為了將添加白噪聲后所分解的IMF平均,使得相同數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的資料每次運(yùn)算產(chǎn)生的IMF具有相近的頻率性質(zhì),且數(shù)目一致利于平均,EEMD算法固定了篩選的數(shù)目。
當(dāng)?shù)罔F列車輔助逆變器發(fā)生故障時(shí),針對(duì)故障信號(hào)非平穩(wěn)非線性特性,采用EEMD方法分解故障原始信號(hào)得到個(gè)IMF分量,計(jì)算每個(gè)包含故障特征信息的IMF分量能量,采用能量矩的方法提取故障特征向量,其步驟如下:
(1)采樣信號(hào)為輔助逆變器隔離變壓器輸出端三相半波電壓值,針對(duì)每一相電壓信號(hào)采用EEMD方法分解得到若干IMF分量,每一相選取前m個(gè)包含有故障信號(hào)的IMF分量;
(2)計(jì)算每一相各IMF分量的能量Eui、Evi、Ewi,其中:
(13)
式中,N為采樣點(diǎn)總數(shù),duik為U相IMF分量的振幅重建信號(hào);
(3)計(jì)算每相各IMF分量能量之和Eu、Ev、Ew,其中:
(14)
(4)計(jì)算三相IMF分量能量之和E:
E=Eu+Ev+Ew
(15)
(5)計(jì)算特征向量T:
T=[Eui/E,Evi/E,Ewi/E],(i=1,2,…,m)
(16)
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),通過(guò)反向傳播來(lái)不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值,使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層,如圖4所示。
圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用的算法是基于誤差函數(shù)梯度下降的方法,該算法實(shí)質(zhì)上是單點(diǎn)搜索算法,不具有全局搜索能力。因此存在學(xué)習(xí)過(guò)程收斂速度慢、容易陷入局部極小點(diǎn)、魯棒性不好以及網(wǎng)絡(luò)性能差等缺點(diǎn)[9]。針對(duì)如何加速網(wǎng)絡(luò)的收斂速度和避免陷入局部極小值的問(wèn)題,許多智能算法應(yīng)用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。
遺傳算法(Genetic Algorithms,GA)[10]是由密歇根大學(xué)J. Holland教授在1975年首先提出的,是一種模擬生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)理論來(lái)搜索問(wèn)題最優(yōu)解的自適應(yīng)全局優(yōu)化算法。它不依賴于問(wèn)題的具體模型,具有隨機(jī)優(yōu)化和自適應(yīng)全局搜索的特點(diǎn)。
GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型將遺傳算法引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程,以網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值作為種群個(gè)體仿照基因編碼,使用樣本預(yù)測(cè)值和觀測(cè)值的絕對(duì)誤差值之和作為個(gè)體適應(yīng)度函數(shù),通過(guò)選擇、交叉、變異操作不斷迭代進(jìn)化,最終得到種群最優(yōu)個(gè)體,解碼后得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全局最優(yōu)權(quán)值和閾值,從而建立遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[12]。
遺傳算法計(jì)算過(guò)程基本流程如圖5所示。
圖5 遺傳算法計(jì)算流程
遺傳算法具體步驟如下:
(1)編碼。根據(jù)所需解決問(wèn)題選擇合適的編碼方式,二進(jìn)制編碼是最常使用的編碼算法。
(2)初始化。隨機(jī)生成N個(gè)個(gè)體的初始種群,設(shè)置相應(yīng)的最大進(jìn)化代數(shù),遺傳算法從初始種群開(kāi)始迭代進(jìn)化。
(3)計(jì)算適應(yīng)度。適應(yīng)度函數(shù)是用來(lái)判斷群體中個(gè)體的優(yōu)劣程度的指標(biāo),即個(gè)體接近最優(yōu)解的程度,一般選取測(cè)試集數(shù)據(jù)誤差平方和的倒數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù),計(jì)算公式如下:
(17)
(4)選擇運(yùn)算。選擇運(yùn)算是按照進(jìn)化論“適者生存”的原則實(shí)現(xiàn)個(gè)體篩選的過(guò)程,從當(dāng)前群體中選擇適應(yīng)度值較高的優(yōu)良個(gè)體,淘汰適應(yīng)度值低的劣質(zhì)個(gè)體,選擇運(yùn)算采用模擬輪盤賭法選擇遺傳到下一代的個(gè)體。
模擬輪盤賭法個(gè)體相對(duì)適應(yīng)度計(jì)算公式如下:
(18)
(19)
(5)交叉運(yùn)算。交叉運(yùn)算是模擬生物基因重組,選擇同一種群中的兩個(gè)個(gè)體,隨機(jī)交換部分基因,形成兩個(gè)新的個(gè)體的過(guò)程。若交叉運(yùn)算采用實(shí)數(shù)交叉法,第k個(gè)染色體ak和第l個(gè)染色體al在j位的交叉運(yùn)算方法如下:
(20)
式中,b為[0, 1]區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。
(6)變異運(yùn)算。變異運(yùn)算是模擬基因突變,隨機(jī)選擇種群個(gè)體,按照一定的變異概率,改變個(gè)體一個(gè)或多個(gè)基因值,以產(chǎn)生新個(gè)體的過(guò)程。變異運(yùn)算可維持生物個(gè)體的多樣性,防止未成熟收斂。選取第i個(gè)個(gè)體的第j個(gè)基因aij進(jìn)行變異,變異運(yùn)算方法如下:
(21)
f(g)=r2(1-g/Gmax)2
(22)
式中,amax和amin分別為基因aij的上界和下界;式(5-19)中,r2為隨機(jī)數(shù),g為當(dāng)前迭代次數(shù),Gmax為最大進(jìn)化次數(shù),r為[0, 1]間隨機(jī)數(shù)。
(7)停止條件判斷。若滿足停止條件,則將進(jìn)化過(guò)程中所得最優(yōu)個(gè)體作為最優(yōu)解輸出,終止計(jì)算。若不滿足停止條件,則重復(fù)步驟(3)~(6)。
通過(guò)MATLAB環(huán)境對(duì)地鐵列車輔助逆變器開(kāi)路故障診斷進(jìn)行仿真試驗(yàn),故障診斷流程圖如圖6所示。
圖6 故障診斷流程圖
通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到的輔助逆變器IGBT開(kāi)路故障原始信號(hào),應(yīng)用EEMD算法進(jìn)行信號(hào)分析,取0.2s~0.4s之間輔助逆變器輸出的三相半波電壓信號(hào)作為原始信號(hào)。其中EEMD算法的高斯白噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差為0.2,添加噪聲的次數(shù)為100,IMF分量的個(gè)數(shù)為8。以IGBT1故障為例,故障信號(hào)的EEMD分解結(jié)果如圖7所示。
圖7 IGBT1故障信號(hào)的EEMD分解結(jié)果
由圖7可以看出,在分解得到的各IMF分量中,故障信號(hào)主要集中在前5個(gè)IMF分量中。選取前5個(gè)IMF分量,采用能量矩的方法提取故障特征向量。如表3所示列出部分故障特征向量。
為了方便對(duì)21種輔助逆變器IGBT開(kāi)路故障進(jìn)行識(shí)別,需對(duì)所有故障進(jìn)行編碼。本文擬采用6位二進(jìn)制編碼方式:G1G2G3G4G5G6,每一位編碼對(duì)應(yīng)一個(gè)IGBT的狀態(tài),編碼為0表示該IGBT正常,編碼為1表示該IGBT故障,即000000表示無(wú)故障,001000表示IGBT3故障,010010表示IGBT2、IGBT5同時(shí)故障。
為了更好的提取出輔助逆變器的故障特征,本文通過(guò)改變輔助逆變器故障仿真模型的輸入電壓,以及改變發(fā)生開(kāi)路故障的時(shí)間點(diǎn),共得到10組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)包含21種故障數(shù)據(jù)和1種正常數(shù)據(jù)。將得到的10組數(shù)據(jù)選擇前8組
表3 部分故障特征向量
數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本,后2組數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),當(dāng)隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為12時(shí),BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練結(jié)果最為理想,平均誤差為0.0427,得到的訓(xùn)練結(jié)果如圖8所示。
圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練圖
將遺傳算法引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練過(guò)程,對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化,取遺傳算法初始種群大小為20,最大遺傳代數(shù)為100。圖9為GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)度曲線,從圖中可以看出,遺傳算法在迭代了約30次后,適應(yīng)度達(dá)到0.004并保持穩(wěn)定。
圖9 GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)度曲線
選擇剩下的2組數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本對(duì)訓(xùn)練的GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表4所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知,經(jīng)GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型的診斷精度達(dá)到95.5%,算法診斷結(jié)果如表5所示。
針對(duì)地鐵列車輔助逆變器發(fā)生故障時(shí),故障信號(hào)非平穩(wěn)非線性的特性,本文提出了基于集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)和遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GA-BP)的故障診斷方法,該方法以輔助逆變器的輸出三相半波電壓值為監(jiān)測(cè)信號(hào),通過(guò)EEMD分解每一相電壓信號(hào)得到若干個(gè)本征模函數(shù)(IMF)分量,采用能量矩方法提取故障特征向量,基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)故障智能診斷。通過(guò)建立輔助逆變器仿真模型,針對(duì)輔助逆變器中常見(jiàn)的開(kāi)路故障進(jìn)行模擬仿真,結(jié)果表明,該方法可有效識(shí)別出地鐵輔助逆變器開(kāi)路故障,對(duì)于提高故障排除效率,具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。
表4 GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果
表5 GA-BP算法診斷結(jié)果