龍玉江,王杰峰,錢俊鳳,趙文彬

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 信息中心, 貴陽 550000;2.上海電力大學(xué),上海 201306)

0 引 言

電機在電力系統(tǒng)和動力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[1],永磁同步電機因其轉(zhuǎn)矩密度高、可調(diào)速度范圍寬等優(yōu)勢,應(yīng)用于眾多行業(yè)[2-3],例如電動汽車[4]、飛機[5]、風(fēng)力發(fā)電[6]等。永磁同步電機運行的可靠性和穩(wěn)定性對于整個系統(tǒng)的安全運行具有重要意義,如果電機出現(xiàn)故障,就可能會導(dǎo)致系統(tǒng)停機,帶來經(jīng)濟損失,嚴(yán)重情況下甚至危及工作人員的生命安全[7],因此,對永磁同步電機進(jìn)行故障診斷與分析是十分重要的。

永磁同步電機的故障類型主要包括機械故障[8]、永磁體故障[9]和電氣故障[10]。匝間短路故障和退磁故障是常見的永磁同步電機故障類型[11],會影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,嚴(yán)重時會損壞電機。現(xiàn)階段,匝間短路故障的診斷主要依靠電流特性分析,該方法通過檢測電流諧波,對諧波進(jìn)行FFT頻域分析和故障診斷[12],但是匝間短路引起的電流諧波分量和正常運行狀態(tài)下產(chǎn)生的諧波分量會出現(xiàn)重疊部分,而且受環(huán)境因素的影響較大,因此該方法的準(zhǔn)確性不高。退磁故障主要依靠信號變換方法,例如傅里葉變換[13]、小波變換[14]等,該方法對硬件的要求較高,并且多種故障類型會產(chǎn)生相同的故障頻率分量,檢測精度不高。

鑒于上述問題,本文介紹一種基于數(shù)字孿生的永磁同步電機故障診斷方法。首先,通過建立幾何模型、分析模型和孿生模型,構(gòu)建永磁同步電機的數(shù)字孿生模型,然后,在此模型基礎(chǔ)上,與基于深度學(xué)習(xí)的故障診斷技術(shù)相結(jié)合,提出閉環(huán)的數(shù)字孿生故障診斷系統(tǒng),形成智能化的永磁同步電機故障診斷方法。

1 數(shù)字孿生框架

根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)所要實現(xiàn)的功能,本文設(shè)計了如圖1所示的數(shù)字孿生架構(gòu)。第一層為物理實體,包括運行中的永磁同步電機設(shè)備、數(shù)據(jù)感知設(shè)備等實體。第二層為交互層,包括測量感知、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理三部分。測量感知是通過相關(guān)技術(shù)實時感知電機的運行參數(shù)和環(huán)境信息;數(shù)據(jù)傳輸需要選擇合適的設(shè)備進(jìn)行通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)的傳輸方式等;數(shù)據(jù)處理主要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式統(tǒng)一、加工、清洗等處理。第三層為數(shù)字孿生模型層,包括建模與仿真兩個部分:建模主要是對永磁同步電機物理實體進(jìn)行虛擬映射,可以通過CAD、3D掃描儀等方法創(chuàng)建模型;仿真是使用模型進(jìn)行零部件之間的裝配約束、運動仿真。第四層為用戶層,工作人員可以通過人機結(jié)構(gòu)、應(yīng)用軟件實現(xiàn)故障診斷功能。

圖1 數(shù)字孿生架構(gòu)

2 永磁同步電機數(shù)字孿生模型構(gòu)建

永磁同步電機虛擬模型主要包括幾何模型、分析模型和孿生模型,由永磁同步電機實體構(gòu)建永磁同步電機的幾何模型,在幾何模型基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的仿真分析,最后構(gòu)建出永磁同步電機的孿生模型,具體如圖2所示。

2.1 永磁同步電機幾何模型構(gòu)建

幾何模型是指在數(shù)字化空間中對物理對象進(jìn)行簡化和抽象,是進(jìn)行虛擬仿真的基礎(chǔ)。永磁同步電機的幾何模型建模主要通過CAD和SolidWorks實現(xiàn),用來描述電機的幾何參數(shù)和零件間的裝配關(guān)系。

永磁同步電機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子由定子鐵心和電樞繞組構(gòu)成。轉(zhuǎn)子是由永磁體、轉(zhuǎn)子鐵心和軸承組成。以上結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和裝配關(guān)系構(gòu)成了永磁同步電機的幾何模型。

2.2 永磁同步電機分析模型構(gòu)建

分析模型是根據(jù)永磁同步電機的數(shù)學(xué)控制模型對永磁同步電機的運行狀態(tài)進(jìn)行仿真,對永磁同步電機故障進(jìn)行分析。一方面,其仿真結(jié)果可以作為數(shù)字孿生故障診斷的數(shù)據(jù)集;另一方面,可以驗證診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2.1 永磁同步電機健康數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機在a,b,c坐標(biāo)系下的健康數(shù)學(xué)模型:

(1)

λs,abc=Lshis,abc+λPM,abc

(2)

永磁體產(chǎn)生的磁鏈:

(3)

式中:λPM為磁鏈幅值;θ為轉(zhuǎn)子電角位置。

通過式(1)～式(3)建立永磁同步電機模型,該模型可以用于退磁故障診斷。

退磁故障時磁通損耗不僅降低電動機效率,還可能產(chǎn)生磁力諧波,從而引起噪聲、振動并增加銅損。另外,由于功率因數(shù)的變化,氣隙磁通量分布的變化將導(dǎo)致電機中的電磁轉(zhuǎn)矩降低。

2.2.2 永磁同步電機匝間短路數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機A相匝間短路故障模型如圖3所示。A相發(fā)生匝間短路故障相當(dāng)于在A相增加一個短路回路,回路電阻用Rf表示,故障電流為if,ea、eb、ec為三相反電動勢,健康部分為ea1,故障部分為ea2。

圖3 A相匝間短路示意圖

永磁同步電機匝間短路故障電氣方程:

Vsf,abc=Rsfisf,abc+Lsf

(4)

永磁同步電機匝間短路時的轉(zhuǎn)矩方程:

(5)

式中:ωr為轉(zhuǎn)子機械角速度。

永磁同步電機發(fā)生匝間短路故障時,電機結(jié)構(gòu)不再對稱,進(jìn)而使電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩發(fā)生不同程度的波動。

2.3 永磁同步電機孿生模型構(gòu)建

孿生模型是將電機的實時運行狀態(tài)映射到虛擬空間中。該模型以構(gòu)建的幾何模型為基礎(chǔ),通過模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析,獲取永磁同步電機的實際運行狀態(tài),對數(shù)字孿生模型進(jìn)行修正和更新。孿生模型構(gòu)建的關(guān)鍵是永磁同步電機孿生數(shù)據(jù)的獲取和物理實體、孿生數(shù)據(jù)、虛擬模型之間的連接。

孿生數(shù)據(jù)是構(gòu)建孿生模型的根源,其將多種類、多維度的數(shù)據(jù)融合起來,將物理實體的運行狀態(tài)全面的映射出來。永磁同步電機的孿生數(shù)據(jù)主要包括永磁同步電機的參數(shù)、外界環(huán)境參數(shù)、知識數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集裝置的參數(shù)。

物理實體、孿生數(shù)據(jù)、虛擬模型之間的連接主要包括永磁同步電機實體和虛擬孿生模型之間的連接、永磁同步電機實體和孿生數(shù)據(jù)之間的連接、虛擬孿生模型和孿生數(shù)據(jù)之間的連接。永磁同步電機孿生模型調(diào)用故障診斷算法進(jìn)行故障診斷,將診斷的結(jié)果保存到孿生數(shù)據(jù)庫中。永磁同步電機實體再從孿生數(shù)據(jù)中讀取故障信息,對故障信息進(jìn)行計算分析,使永磁同步電機實體作出相應(yīng)的調(diào)整,并處理故障,形成閉環(huán)的故障診斷模型。

3 基于數(shù)字孿生的永磁同步電機故障診斷方法

目前,故障診斷向著智能化的方向發(fā)展,本文基于深度學(xué)習(xí)故障診斷方法對電機進(jìn)行故障診斷,并采用模型仿真的結(jié)果進(jìn)行驗證,構(gòu)建閉環(huán)的數(shù)字孿生故障診斷系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 數(shù)字孿生故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了保證深度學(xué)習(xí)診斷模型的可靠性以及物理實體與孿生模型之間的實時交互性,本文采用模型仿真來驗證故障診斷結(jié)果,如果兩者結(jié)果一致,則調(diào)整優(yōu)化故障診斷模型;如果兩者結(jié)果不一致,則進(jìn)行新型故障分析,實現(xiàn)在故障未知的情況下的模型自動學(xué)習(xí)功能。修正的孿生模型可以驅(qū)動數(shù)字孿生模型更新,實現(xiàn)永磁同步電機的智能化診斷。其診斷流程如圖5所示。

圖5 基于數(shù)字孿生的永磁同步電機故障診斷流程圖

3.1 基于稀疏自編碼網(wǎng)絡(luò)的故障診斷

稀疏自編碼網(wǎng)絡(luò)(Sparse Auto-Encoder Net,SAE)是一種無監(jiān)督學(xué)習(xí)模型,在訓(xùn)練時主要包括編碼階段和解碼階段兩個部分。編碼階段主要分析多維數(shù)據(jù)的特征,得到數(shù)據(jù)的重要屬性,將復(fù)雜的數(shù)據(jù)分布,利用自身的稀疏性原理實現(xiàn)局部連接和權(quán)值共享;解碼階段主要是通過對編碼后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行恢復(fù)處理,從而得出預(yù)測結(jié)果,然后通過目標(biāo)函數(shù),對比預(yù)測結(jié)果與實際數(shù)據(jù),以確定相似度,然后用梯度下降算法優(yōu)化權(quán)值,將目標(biāo)函數(shù)最小化,記錄不同狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。此時訓(xùn)練好的稀疏自編碼網(wǎng)絡(luò)模型可用于永磁同步電機的故障診斷。稀疏自編碼網(wǎng)絡(luò)模型如圖6所示。

圖6 稀疏自編碼網(wǎng)絡(luò)模型

3.2 基于模型仿真的診斷結(jié)果驗證

基于模型仿真的診斷結(jié)果驗證方法主要通過數(shù)據(jù)仿真的方法來驗證故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。建立如表1所示的電機模型,分析永磁同步電機的匝間短路和退磁故障。

表1 電機參數(shù)

通過比較永磁同步電機在無故障情況下和故障狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩,診斷永磁同步電機的故障類型,并將診斷結(jié)果與基于稀疏自編碼網(wǎng)絡(luò)的故障診斷結(jié)果比較分析,驗證診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 實驗分析

4.1 永磁同步電機匝間短路和退磁故障仿真

永磁同步電機在正常運行條件下的轉(zhuǎn)矩圖如圖7所示。

圖7 永磁同步電機正常運行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩圖

永磁同步電機發(fā)生匝間短路故障(u=0.1,Rf=0.288 6 Ω)時的轉(zhuǎn)矩圖如圖8所示。在正常運行狀態(tài)下,電磁轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)波動,當(dāng)匝間短路故障發(fā)生時,波動不再平穩(wěn)。

圖8 永磁同步電機匝間短路故障狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩圖

永磁同步電機發(fā)生退磁50%故障時的轉(zhuǎn)矩圖如圖9所示。永磁同步電機發(fā)生退磁故障時,電機轉(zhuǎn)矩降低,轉(zhuǎn)矩脈動增加。

圖9 永磁同步電機退磁50%狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩圖

通過對比永磁同步電機正常運行狀態(tài)下和發(fā)生匝間短路或退磁狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩圖,可以判斷電機是否發(fā)生匝間短路或退磁故障,以構(gòu)造故障數(shù)據(jù)集。

4.2 診斷結(jié)果對比分析

通過建模仿真得到永磁同步電機的故障數(shù)據(jù)樣本構(gòu)建實驗數(shù)據(jù)集,對數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練。將診斷結(jié)果與基于模型仿真的結(jié)果比較,驗證其正確性,選用正確率ACC和召回率RC作為評價指標(biāo),計算公式如下:

(6)

(7)

式中:TP表示預(yù)測結(jié)果和實際結(jié)果都為真;TN表示預(yù)測結(jié)果和實際結(jié)果都為假;FP表示預(yù)測結(jié)果為真,實際結(jié)果為假;FN表示預(yù)測結(jié)果為假,實際結(jié)果為真。

將本文方法和其他常用診斷方法進(jìn)行對比實驗,如表2所示。

表2 實驗結(jié)果

可以看出,小波變換和經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解作為常用的信號處理手段,與支持向量機相結(jié)合,用作永磁同步電機的故障診斷,這兩種方法過程簡單,計算方便,但是診斷的準(zhǔn)確程度不高。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于具備優(yōu)秀的監(jiān)督學(xué)習(xí)功能,也常被用于電機故障診斷領(lǐng)域,其診斷結(jié)果相較于傳統(tǒng)方法較好,但是整體的效率還需大幅度提升。本文基于數(shù)字孿生的永磁同步電機故障診斷方法,通過構(gòu)建閉環(huán)的數(shù)字孿生故障診斷系統(tǒng),對電機的故障進(jìn)行診斷,正確率和召回率都較高,相比于其他方法具有較好的診斷結(jié)果。

5 結(jié) 語

本文在數(shù)字孿生技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,探討了永磁同步電機智能化故障診斷的思路,提出了一種基于數(shù)字孿生的永磁同步電機故障診斷方法?；跀?shù)字孿生的框架,通過建立幾何模型、分析模型和孿生模型,完成永磁同步電機數(shù)字孿生模型的構(gòu)建,在此模型基礎(chǔ)上形成一種閉環(huán)的數(shù)字孿生故障診斷方法。實驗結(jié)果表明,基于數(shù)字孿生的永磁同步電機故障診斷方法相比于其他方法具有較高的準(zhǔn)確性,證明了本文方法的有效性。