試析電力電子電路故障預(yù)測(cè)技術(shù)

崔軍

（克拉瑪依市先進(jìn)能源技術(shù)創(chuàng)新有限公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

隨著科技的迅猛發(fā)展電子用戶越來(lái)越多，對(duì)電子系統(tǒng)的要求也隨之提高，但在運(yùn)行過(guò)程中，電子設(shè)備發(fā)生故障以及失效的概率也會(huì)增多，所以需要及時(shí)分析其出現(xiàn)故障的原因和解決問(wèn)題[1]。在未來(lái)電子系統(tǒng)中，預(yù)測(cè)故障技術(shù)的提高決定我國(guó)電子系統(tǒng)的發(fā)展。

1 電力電子電路故障預(yù)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)

進(jìn)行研究電力電子電路故障應(yīng)當(dāng)了解電路日常的運(yùn)行狀態(tài)，研究人員根據(jù)過(guò)去某段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)，推測(cè)電路在未來(lái)可能發(fā)生故障的地方在之后著重檢查該地方的電路運(yùn)行狀況，只有了解電力電子電路在不同時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)，才能夠更好的對(duì)故障診斷。元器件結(jié)構(gòu)特征以及制作工藝的不同也會(huì)導(dǎo)致元器件的失效。在檢查過(guò)程之中針對(duì)元器件失效機(jī)理的分析是十分困難的。在預(yù)測(cè)電力電子電路的過(guò)程之中，需要充分的了解電路故障的參數(shù)，針對(duì)不同類(lèi)型的元器件以及電路的運(yùn)行狀況，結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)而準(zhǔn)確的分析，充分的了解相關(guān)參數(shù)，將檢查之后的結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果相比對(duì)，倘若結(jié)果出入不大，那么就可以認(rèn)為檢測(cè)結(jié)果是正確的，倘若檢測(cè)結(jié)果與科學(xué)的數(shù)值相差較大，那么就需要重新進(jìn)行檢測(cè)，這樣才能夠保障檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性。

2 電力電子電路故障診斷技術(shù)應(yīng)用意義

電力電子電路智能故障診斷技術(shù)充分運(yùn)用，可以提高設(shè)備的工作效率，促進(jìn)維修人員進(jìn)行維護(hù)檢修工作，節(jié)省大量的人力[2]。運(yùn)用機(jī)械檢測(cè)來(lái)代替人力檢查，可以在發(fā)生問(wèn)題的最短時(shí)間之內(nèi)，將問(wèn)題通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上報(bào)給專業(yè)人員。尤其是對(duì)于有些企業(yè)電力電子電路元件較多，倘若其中某一個(gè)元件出現(xiàn)故障，通過(guò)人類(lèi)檢查很難在短時(shí)間之內(nèi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，而運(yùn)用智能化檢測(cè)技術(shù)則不同。這種方式能夠盡可能的節(jié)約時(shí)間，找到出現(xiàn)問(wèn)題的原因，快速的進(jìn)行維修。降低對(duì)企業(yè)造成的損失。

3 電力電子電路故障診斷

3.1 馬氏距離

馬氏距離可以計(jì)算出某一種樣本與樣本之間的相似性。它是由統(tǒng)計(jì)學(xué)家P.C.Mahalanobis提出的。它充分的考慮到不同特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，并且將這些內(nèi)在聯(lián)系與測(cè)量尺度隔離開(kāi)來(lái)。需要注意的是，在計(jì)算過(guò)程之中，要保障總體樣本數(shù)目比樣本的維數(shù)大，這樣才能夠獲得計(jì)算結(jié)果。否則將得到無(wú)效的樣品協(xié)方差矩陣逆矩陣。

3.2 電路故障診斷流程

（1）建立故障字典。運(yùn)用Pspice電路文件，建立故障集。這樣當(dāng)發(fā)生故障的時(shí)候就可以從該文件之中尋找故障的類(lèi)型，找到與之對(duì)應(yīng)的解決措施。建立完成之后，需要對(duì)健康狀況的電路開(kāi)展蒙特卡洛仿真分析，了解測(cè)量點(diǎn)的電壓值，記錄對(duì)應(yīng)的數(shù)值，將數(shù)值錄入到相關(guān)系統(tǒng)之中，得到某一個(gè)故障對(duì)應(yīng)的故障特征向量，對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，最終可以獲得故障字典。（2）故障診斷.想要獲得求取故障的特征參數(shù)，就需要工作人員結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)待測(cè)電路輸出電壓進(jìn)行取樣。將取樣結(jié)果與故障字典之中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，最后得到故障字典和未知故障電路特征參數(shù)之間的馬氏距離，尋找最小的馬氏距離。就能夠檢測(cè)出待測(cè)電路的故障。

4 電力電子電路故障預(yù)測(cè)研究

4.1 AR模型預(yù)測(cè)技術(shù)

運(yùn)用AR模型預(yù)測(cè)基數(shù)，可以更好的檢測(cè)信號(hào)的線性排序，了解功能的連續(xù)性。運(yùn)用AR模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，需要運(yùn)用到最小二乘技術(shù)。結(jié)合工作人員的專業(yè)知識(shí)與技能，利用誤差濾波器可以導(dǎo)致誤差的平均功率達(dá)到最小值。之后運(yùn)用文森遞推公式以及噪聲差分方程可以求出方差，最終得到Burg遞推技術(shù)。

4.2 BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)技術(shù)

BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)技術(shù)的原理就是從許多的樣品數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)輸出中獲得誤差函數(shù)之后，再運(yùn)用梯度下降的方式進(jìn)行計(jì)算，尋找到誤差函數(shù)的最小值。在不斷的計(jì)算和修正過(guò)程之中找到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值。只有這樣才能保障測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，保證誤差在允許的范圍之內(nèi)。在誤差反向傳播的過(guò)程之中，需要保障每一集的神經(jīng)元都處在運(yùn)算過(guò)程之中，之后再用梯度下降法尋找到權(quán)值和閾值。只有這樣才能夠根據(jù)給定極值的要求計(jì)算得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)全局的誤差。通過(guò)該技術(shù)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。在計(jì)算過(guò)程之中，這種計(jì)算方式是最成熟的，它可以尋找到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初值，將這些數(shù)值進(jìn)行最小點(diǎn)收斂。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測(cè)過(guò)程之中，選點(diǎn)隨機(jī)的缺點(diǎn)。想要增強(qiáng)模型的曲線擬合能力，就需要結(jié)合最新的計(jì)算方式與時(shí)代接軌，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初值計(jì)算過(guò)程之中，運(yùn)用到遺傳算法[3]。

計(jì)算出隱含從與輸出層的輸出數(shù)值之后，可以將這些數(shù)值進(jìn)行修正。針對(duì)權(quán)值和閾值之間的關(guān)系，結(jié)合工作人員自身的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，最終得到電力電子電路數(shù)值參數(shù)。將得到的參數(shù)與以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，技術(shù)人員通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)和數(shù)值參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過(guò)研究獲取到電力電子電路故障的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)[4]。

4.3 電力電子電路故障預(yù)測(cè)實(shí)例

運(yùn)用Buck-Boost電路故障預(yù)測(cè)針對(duì)實(shí)際案例進(jìn)行分析，確定研究電路故障性能特征數(shù)據(jù)參數(shù)，圖1為電路圖。通過(guò)均值定理的計(jì)算，得出電壓的平均值：

采樣點(diǎn)的總數(shù)目用N表示，u0(i)表示電路輸出電壓的第i個(gè)采樣點(diǎn),u0為穩(wěn)定時(shí)電路輸出電壓。根據(jù)上面的公式，將數(shù)值代入到上面的公式之中，可以尋找到電壓的平均值。

圖1 非理想情況下的Buck-Boost 電路

確定波紋電壓，根據(jù)電路之中不同元件的特點(diǎn)，分析元件之間的參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程之中設(shè)定不同元件隨著時(shí)間改變的參數(shù)變化趨勢(shì)，記錄相同時(shí)間間隔之內(nèi)的波紋電壓以及輸出平均電壓的數(shù)值，將這些數(shù)值錄入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本之中[5]。結(jié)合歷史電壓數(shù)據(jù)與當(dāng)前的參數(shù)進(jìn)行比較和分析，對(duì)當(dāng)前故障特征，性能參數(shù)進(jìn)行建模分析，可以為后續(xù)的工作提供更多的參考，最終提高電力電子電路故障預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程之中，需要工作人員對(duì)buck電路有充分的理解，利用自己的專業(yè)知識(shí)與技能選取最為恰當(dāng)?shù)碾娊怆娙萜?，一般狀況下選取的電容器額定電壓為20V，等效串聯(lián)電阻分別為144.3uF，0.46Ω。為了提高和確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠率，再選取樣本的時(shí)候，我們通常選擇十個(gè)歷史數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練樣本，最大的訓(xùn)練次數(shù)可設(shè)置為500，這樣不僅可以預(yù)測(cè)電力電子電路的故障，還可以確保保障預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性[6]。表1為參數(shù)預(yù)測(cè)值和實(shí)際測(cè)量值。

表1 參數(shù)預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值

針對(duì)上表進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)輸出平均電壓和波紋電壓的參數(shù)和實(shí)際的3項(xiàng)數(shù)值比較相似，數(shù)據(jù)與實(shí)際值相差較小。通過(guò)分析預(yù)測(cè)值來(lái)判斷整個(gè)電路是否處于故障。結(jié)合工作人員在工作之中的經(jīng)驗(yàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)輸出電壓平均值比理想的輸出電壓高0.4V，在這個(gè)狀態(tài)下，通常認(rèn)定電路是故障狀態(tài)。Buck-Boost電路正常工作狀態(tài)的輸出平均電壓為-5.8381V，波紋值為0.1372V。預(yù)測(cè)和對(duì)比表1的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，我們可以分析和預(yù)存未來(lái)時(shí)間內(nèi)電路的運(yùn)行狀態(tài)和故障發(fā)生的概率，進(jìn)而采取有效措施，提高電子電力設(shè)備的運(yùn)行效率[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

本篇文章通過(guò)分析電力電子電路故障預(yù)測(cè)技術(shù)的相關(guān)問(wèn)題，探討了電力電子電路故障預(yù)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)和故障診斷技術(shù)的應(yīng)用意義。希望能夠通過(guò)本篇文章的論述，加強(qiáng)對(duì)電路的預(yù)測(cè)和監(jiān)督，盡可能的保障電路的運(yùn)行狀態(tài)，確保電路的安全，減小電路發(fā)生故障的可能性。在預(yù)測(cè)過(guò)程中提高預(yù)測(cè)的精確度，盡可能的減小時(shí)間，幫助企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)收益，加強(qiáng)企業(yè)對(duì)設(shè)備的監(jiān)督與管理,促進(jìn)設(shè)備使用壽命的提高。