一种牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断装置及方法与流程

1.本发明涉及轨道交通装备领域，更具体的说，涉及一种牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断装置及方法。


背景技术：

2.在电力机车、动车组牵引系统中，牵引变压器用来将接触网上的标称25kv高压电进行降压，变换成能使牵引变流器正常工作的较低等级交流电。
3.牵引系统中一般设置有原边电压互感器、原边电流互感器、冷却油温、压力释放阀、布赫继电器等检测与保护装置，来实现牵引变压器异常的有效监测与保护，但这些装置无法识别如牵引变压器次边接地和次边短路等故障。
4.牵引变压器次边接地和次边短路故障对牵引系统影响较大，例如，次边接地故障若从单点接地扩大至两点接地，将导致线路短路，引发系统异常；而次边短路若未及时监测发现，将导致牵引变压器过热甚至引发火灾事故。
5.因此如何准确诊断出变压器次边短路故障，对于电气设备保护及故障排查都有非常重要的意义。
6.中国发明专利cn201610803911.7公开了一种变压器次边短路的诊断方法，通过判断主断路器闭合后预设时间内，通过统计变压器的原边电流所出现的变化沿的数目是否大于预设的门限来判断变压器次边是否发生短路故障。
7.上述方法只适用于静态工况，正常运行时无法报出次边短路故障，且无法定位次边短路的具体故障点。
8.中国发明专利cn201810663327.5公开了一种高压运行状态下车载变压器短路故障的实时诊断方法。该方法包括次边短路故障诊断方法、原边短路故障诊断方法和匝间短路故障诊断方法。
9.上述专利考虑了变压器次边短路，但无法对次边短路的具体故障点进行定位，且所述方法仅适用于运行于四象限运行工况，无法适用于其它工况时次边短路故障的诊断。
10.中国发明专利cn201811007325.7公开了一种机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法及装置，基于功率平衡原理来合理设置原边电流门槛，提高了次边短路故障诊断的精度。该专利方法无法实现次边短路具体故障点的定位。


技术实现要素：

11.本发明的目的是提供一种牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断装置，解决现有技术中牵引变压器次边绕组短路具体故障点难以精确定位的技术问题。
12.为了实现上述目的，本发明提供了一种牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断装置，包括离线设计模块和在线实现模块：
13.所述离线设计模块，基于系统原理参数及历史数据设置次边短路故障的相关事件集的阈值参数，形成不同工况下的工况事件集，结合列车牵引系统相关控制逻辑，建立故障
类型对应的工况事件时序特征模式集；
14.所述在线实现模块，与离线设计模块连接，包括故障检测单元和故障决策单元，
15.所述故障检测单元，实时采集与次边短路故障有关的传感器信号以及牵引系统状态信号，对比离线设计模块的工况事件集，判断次边短路故障的相关事件是否成立，如果成立，则将事件信息和工况信息发送到故障决策单元，如果不成立则继续进行信号监测；
16.所述故障决策单元，与故障检测单元连接，基于故障检测单元输出的事件信息以及工况信息，实时与时序特征模式集中的工况事件特征模式进行匹配，如果存在匹配的模式，则输出相应的故障类型，并执行对应的隔离策略，否则更新事件和工况信息，继续进行监测。
17.在一实施例中，所述故障检测单元，如果判断次边短路故障的相关事件成立，则输出故障标志，执行故障保护动作。
18.在一实施例中，所述故障检测单元，根据牵引系统状态信息进行当前工况的实时识别。
19.在一实施例中，所述故障检测单元，基于传感器采集的原边电流和次边电流值，判断次边短路故障的相关事件是否存在。
20.在一实施例中，所述次边短路的工况事件集，与原边电流互感器和次边电流传感器的采样值相关，且采样值的变化与对应工况对应。
21.在一实施例中，所述工况事件时序特征模式为故障类型、工况和对应的工况事件或关联相邻工况事件的映射关系。
22.在一实施例中，所述隔离策略包括：
23.禁止高压，隔离故障绕组所在变流器；
24.允许合主断，断开故障绕组所对应变流器充电、短接接触器，封锁此轴脉冲整流器脉冲。
25.为了实现上述目的，本发明提供了一种牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断方法，包括离线设计流程和在线实现流程，
26.所述离线设计流程包括以下步骤：
27.基于系统原理参数及历史数据设置次边短路故障的相关事件集的阈值参数，形成不同工况下的工况事件集；
28.结合列车牵引系统相关控制逻辑，建立故障类型对应的工况事件时序特征模式集；
29.所述在线实现流程包括故障检测步骤和故障决策步骤：
30.故障检测步骤，实时采集与次边短路故障有关的传感器信号以及牵引系统状态信号，对比离线设计流程的工况事件集，判断次边短路故障的相关事件是否成立，如果成立，则进入故障决策步骤，如果不成立则继续进行信号监测；
31.故障决策步骤，基于事件信息以及工况信息，实时与时序特征模式集中的工况事件特征模式进行匹配，如果存在匹配的模式，则输出相应的故障类型，并执行适当的隔离策略，否则更新事件和工况信息，继续进行监测。
32.在一实施例中，所述故障检测步骤，如果判断次边短路故障的相关事件成立，则输出故障标志，执行故障保护动作。
33.在一实施例中，所述故障检测步骤，根据牵引系统状态信息进行当前工况的实时识别。
34.在一实施例中，所述故障检测步骤，基于传感器采集的原边电流和次边电流值，判断次边短路故障的相关事件是否存在。
35.在一实施例中，所述次边短路的工况事件集，与原边电流互感器和次边电流传感器的采样值相关，且采样值的变化与对应工况对应。
36.在一实施例中，所述工况事件时序特征模式为故障类型、工况和对应的工况事件或关联相邻工况事件的映射关系。
37.在一实施例中，所述隔离策略包括：
38.禁止高压，隔离故障绕组所在变流器；
39.允许合主断，断开故障绕组所对应变流器充电、短接接触器，封锁此轴脉冲整流器脉冲。
40.针对当前轨道交通车辆对牵引变压器次边绕组短路的故障诊断方法较为初级，不能实现精确故障点定位，误报和漏报率高，保护隔离动作单一，存在过度保护的缺点，本发明提出的一种牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断装置和方法，可实现牵引变压器次边绕组短路具体故障点的精确定位。
41.本发明提出的一种牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断装置和方法，具体具有以下有益效果。
42.1)可实现牵引变压器次边绕组短路故障点在线精确定位；
43.2)可基于具体故障点执行差异化保护隔离动作，提升列车可用性；
44.3)不需要改变现有硬件，工程实现简单。
附图说明
45.本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
46.图1揭示了典型交-直-交传动的列车牵引系统主电路原理框图；
47.图2揭示了列车运行过程中工况转换示意图；
48.图3揭示了根据本发明一实施例的牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断方法流程图。
具体实施方式
49.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。
50.在本发明的描述中，需要说明的是，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，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连同。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。
51.本发明提出了一种牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断方法及装置，可实现牵引变压器次边绕组短路具体故障点的精确定位。
52.图1为典型交-直-交传动的机车、动车组牵引系统主电路原理框图，如图1所示，机车、动车组牵引系统主电路主要由牵引变压器，牵引变流器和牵引电机三大部分组成。
53.供电网的单相ac 25kv交流电经过受电弓、主断路器vcb和牵引变压器原边绕组流入车体，由牵引变压器次边绕组向变流电路提供交流电。
54.交流电流在脉冲整流器的作用下变换成直流电，经中间直流环节滤波后，利用逆变器转换成频率和幅值可变的三相交流电驱动牵引电机，从而控制机车以不同速度和牵引力前进。
55.牵引变流器，包括充电回路、脉冲整流器、中间直流环节、逆变器等。
56.如图1所示，原边电压互感器tv和原边电流互感器ta，分别用来采集牵引变压器的原边电压和电流，lh1～lhn为牵引变压器的次边电流传感器，用来测量每个牵引变压器次边绕组电流，用于牵引系统的脉冲整流器变流器控制。
57.coil1为牵引变压器第1个次边绕组，km11、km21分别为第1个次边绕组所对应的变流器充电接触器和短接接触器，rchr1为第1个次边绕组所对应的变流器的充电回路电阻，km11、km21和rchr1组成第1个充电回路。
58.converter1为第1个脉冲整流器，inverter1为第1个逆变器，充电回路，整流器，逆变器组成了牵引变流器。
59.traction motor1表示第1个牵引电机。
60.coiln为牵引变压器第n个次边绕组，km1n、km2n分别为第n个次边绕组所对应的变流器充电接触器和短接接触器，rchrn为第n个次边绕组所对应的变流器的充电回路电阻，km1n、km2n和rchrn组成第n个充电回路。
61.convertern表示第n个脉冲整流器，invertern为第n个逆变器，充电回路，整流器，逆变器组成了牵引变流器。
62.traction motorn表示第n个牵引电机。
63.图1中，存在将不同轴中间回路正、负端关联起来的连接线的为共中间回路形式的牵引系统(如hxd1系列)，不存在该连接线的为类似于hxd3系列车型的每轴电气结构上相互独立的牵引系统。两种牵引系统均为典型电路，本发明提出了一种牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断方法及装置均可以适用。
64.典型的次边短路故障类型有四种，如表1所示，依次记为c1～c4。
65.表1牵引变压器次边短路类型说明
[0066][0067][0068]
机车、动车组牵引系统主电路工作过程主要分成表2所示四种工况。
[0069]
表2牵引系统运行工况表
[0070][0071]
图2揭示了列车运行过程中工况转换示意图，如图2所示，机车启机过程或故障重投过程一般依次经历工况w1～w4或中间的几个工况，稳态运行时将维持在工况w3或工况w4。
[0072]
当出现过压或过流故障时，会引起机车断主断或封锁脉冲等保护动作，此时将由一个工况转换至其它工况。
[0073]
本发明提出的牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断装置，能够对不同类型的牵引变压器次边绕组短路故障进行在线精确诊断，在图1和图2所示的实施例中，能够对如表1所示四种不同类型的牵引变压器次边绕组短路故障进行在线精确诊断。
[0074]
本发明提出的牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断装置，包括离线设计模块和在线实现模块：
[0075]
所述离线设计模块，基于系统原理参数及历史数据设置次边短路故障的相关事件集的阈值参数，进行故障工况事件分析，形成不同工况下的工况事件集，结合列车牵引系统相关控制逻辑，进行工况事件时序特征模式分析，建立故障类型对应的工况事件时序特征
模式集；
[0076]
所述在线实现模块，包括故障检测单元和故障决策单元，
[0077]
所述故障检测单元，实时采集与次边短路故障有关的传感器信号以及牵引系统状态信号，对比离线设计模块的工况事件集，判断次边短路故障的相关事件是否成立，如果成立，则将事件信息和工况信息发送到故障决策单元，输出故障标志，执行故障保护动作，如果不成立则继续进行信号监测；
[0078]
所述故障决策单元，与故障检测单元连接，基于故障检测单元输出的事件信息以及工况信息，实时与时序特征模式集中的工况事件特征模式进行匹配，如果存在匹配的模式，则输出相应的故障类型，并执行适当的隔离策略，否则更新事件和工况信息，继续进行监测。
[0079]
本发明提出的牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断装置和方法，通过工况事件时序特征模式，基于故障发生后系统的一系列工况变化规律进行故障建模，实现故障的实时诊断。
[0080]
首先，对次边绕组短路故障的相关工况事件进行分析。
[0081]
对于复杂系统(例如列车牵引系统)，其内部往往存在多个运行工况，不同运行工况其系统行为和相应的故障模式也不尽相同。
[0082]
当系统出现故障时，由于系统的控制和保护作用，内部往往存在多个工况间的复杂转换。
[0083]
假设系统可能经历的工况集合sw为sw＝{wi，i＝1,...，n}，其中，n为工况的数目。
[0084]
发生故障后不同工况下可能的相关事件集合记为se为se＝{ej，j＝1,...，m}，其中，m为所有可能的事件的最大数目。
[0085]
相关事件是指基于系统采集的传感器和状态信息能检测到的变化，如传感器采样值超限，接触器动作等。
[0086]
发送故障的工况事件时序特征可定义为如下形式：
[0087]
cx:w
i1
:e
j1
→wi2
:e
j2
→
...
→wil
:e
jl
[0088]
其中，w
i1
...w
il
∈sw为某故障cx出现后可能经历的工况；
[0089]
为与经历的各工况对应的事件集合；
[0090]
l为经历的工况数目，在此称为时序特征长度；
[0091]
“→”
为工况转换符号。
[0092]
上述工况事件时序特征模式，表示系统发生的故障类型、引起的系列工况变化及对应各种工况下的事件变化过程的映射关系。
[0093]
因此，本发明提出的牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断装置和方法，可以将系统的故障诊断问题转化成工况事件时序特征模式的识别问题。
[0094]
下面对次边短路的故障工况事件进行分析。
[0095]
由图1所示牵引系统主电路原理图可知，次边短路的工况事件集，与原边电流互感器和次边电流传感器的采样值相关，且采样值的变化与对应工况对应。
[0096]
当出现次边短路故障时，原边电流互感器ta和次边电流传感器lh采样值将发生明显变化，且采样值变化规律与所处工况对应强相关。
[0097]
基于电路理论和系统控制原理，总结不同工况下故障类型分别为c1～c4时与原边
电流互感器ta、次边电流传感器lh采样信号的相关事件集如表3所示：
[0098]
表3次边短路故障相关事件说明
[0099][0100]
表3中，i
p
为原边电流互感器ta采样值，i
qc
i为第i个次边绕组对应的牵引变压器次边电流传感器采样值，i为对应次边绕组序号
[0101]eita
表示与原边电流互感器ta采样信号相关的第i个事件，e
ilh
表示与次边电流传感器lh采样信号相关的第i个事件。
[0102]iplb
，i
p1lb
和i
p2lb
为基于系统参数计算出的不同工况下原边电流互传感器ta采样信号中短路特征电流，属于预先计算设定的值
[0103]iqclb
和i
qc1lb
为次边电流传感器lh采样信号中短路电流分量。
[0104]
基于机车系统参数分析和工程应用经验，仅i
qclb
数值远超系统过流保护门槛值。远超系统过流保护门槛值，则用过流保护有可能数值超过传感器采样范围，此时，工程实现时可将此数值设置成稍大于系统过流保护门槛的数值，以满足采样要求。
[0105]
ε1～ε8为误差阈值，其数值根据短路阻抗允许偏差以及工况切换时刻冲击电流大小综合设置。
[0106]
表4为次边短路故障c1～c4在不同工况下的相关事件，如表4所示，总结故障类型c1～c4在不同工况下的相关事件集合。
[0107]
表4中，cx_i(x＝1,2,3,4)表示可定位出具体哪类故障，且可定位出故障点所在次边绕组序号。
[0108]
表4次边短路故障c1～c4在不同工况下的相关事件
[0109][0110]
下面对工况事件时序特征模式进行分析。
[0111]
在列车运行过程中，其工况w1～w4之间变化模式主要有如下几种：w1
→
w2
→
w3
→
w4、w4
→
w3、w4
→
w1、w3
→
w1、w2
→
w1。
[0112]
基于这些工况变化模式，形成对应的工况事件时序特征模式，以实现快速和准确的故障检测与定位。
[0113]
工况w1时，由于次边短路故障c1相关事件集合{e
1ta
，e
4lh
}，无法实现具体故障点定位，因此可关联下一工况进行联合诊断。
[0114]
此时，可定义如公式(1)的工况事件时序特征模式，当在工况w1识别出事件集合{e
1ta
，e
4lh
}时，报出相关故障；
[0115]
再检测系统进入工况w2时是否存在事件集合{e
2ta
，e
4lh
，e
6lh
}；
[0116]
若存在则可精确定位出故障所在绕组序号。
[0117]
c1:w1:{e
1ta
，e
4lh
}
→
w2:{e
2ta
，e
4lh
，e
6lh
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0118]
工况w3和w4时，由于次边短路故障c1与c3，c2与c4之间故障类型无法区分，因此增加后续工况事件集合来实现诊断。
[0119]
c1:w3:{e
4ta
，e
4lh
，e
5lh
}
→
w1:{e
1ta
，e
4lh
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0120]
c2:w3:{e
4ta
，e
1lh
，e
5lh
}
→
w1:{e
1ta
，e
1lh
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0121]
c3:w3:{e
4ta
，e
4lh
，e
5lh
}
→
w2:{e
3ta
，e
4lh
，e
6lh
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0122]
c4:w3:{e
4ta
，e
1lh
，e
5lh
}
→
w2:{e
3ta
，e
3lh
，e
6lh
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0123]
c1:w4:{e
4ta
，e
4lh
，e
5lh
，e
2lh
}
→
w1:{e
1ta
，e
4lh
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0124]
c2:w4:{e
4ta
，e
1lh
，e
5lh
，e
2lh
}
→
w1:{e
1ta
，e
1lh
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0125]
c3:w4:{e
4ta
，e
4lh
，e
5lh
，e
2lh
}
→
w2:{e
3ta
，e
4lh
，e
6lh
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0126]
c4:w4:{e
4ta
，e
1lh
，e
5lh
，e
2lh
}
→
w2:{e
3ta
，e
3lh
，e
6lh
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0127]
综上，可得到故障类型c1～c4的所有工况事件特征模式集如表5所示。
[0128]
表5故障类型c1～c4对应的工况事件特征模式
[0129][0130][0131]
图3揭示了根据本发明一实施例的牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断方法流程图，如图3所示的实施例中，本发明提出的牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断方法，包括离线设计流程和在线实现流程，基于上述建立次边短路故障的相关工况事件集和工况事件时序特征模式集，可进行诊断与保护策略。
[0132]
离线设计流程包括以下步骤：
[0133]
基于系统原理参数及历史数据设置如表3所示的次边短路故障的相关事件集的各阈值参数，进行故障工况事件分析，形成如表4所示的不同工况下的相关工况事件集；
[0134]
结合列车牵引系统相关控制逻辑，进行工况事件时序特征模式分析，建立如表5所示的故障类型对应的工况事件时序特征模式集。
[0135]
在线实现流程包括故障检测步骤和故障决策步骤。
[0136]
在图3所示的实施例中，故障检测步骤在故障检测单元中实现，故障决策步骤在故障决策单元中实现。
[0137]
所述故障检测步骤为：
[0138]
故障检测单元实时采集与次边短路故障有关的相关事件的传感器信号以及牵引系统状态信号，结合对比离线设计流程中的工况事件集中各事件定义，判断次边短路故障有关的相关事件是否成立；
[0139]
如果成立，则执行故障保护动作并进入故障决策流程；
[0140]
反之，如果不成立，则继续进行信号监测。
[0141]
故障检测步骤进一步包括：工况识别、事件识别、事件判断和故障保护等步骤。
[0142]
所述工况识别为根据牵引系统状态信息(如主断路器、接触器状态、脉冲整流器/逆变启动状态等)来实现当前工况的实时识别。
[0143]
所述事件识别是基于传感器采集的原边电流和次边电流值，根据表3各事件定义，判断次边短路故障的相关事件e
1ta
～e
4ta
、e
1lh
～e
6lh
是否存在。
[0144]
所述事件判断是事件识别结果结合工况识别结果，根据表4判断是否存在次边短路故障在不同工况下的相关事件，若存在相关事件，则输出故障标志，执行相应故障保护动作，并将相关事件输出至故障决策单元。
[0145]
所述故障保护是根据事件识别和工况识别的结果来执行护动作，比如封锁脉冲，断开主断路器。
[0146]
故障决策步骤为：
[0147]
基于故障检测单元输出的相关事件信息以及工况信息，实时与时序特征模式集中的各个模式进行匹配，识别是否存在如表5所示14种工况事件时序特征模式；
[0148]
如果存在匹配模式，则输出相应的故障类型，并依据表6所示的故障隔离策略执行相关的故障隔离动作；
[0149]
如果不存在匹配模式，则周期性更新事件和工况信息，继续进行监测，进行工况事件时序特征模式识别。
[0150]
表6故障隔离策略
[0151][0152]
如表6所示，基于具体故障点执行差异化保护隔离动作：
[0153]
故障类型为c1～c2时，隔离策略为禁止高压，隔离故障绕组所在变流器。
[0154]
故障类型为c3～c4时，隔离策略为允许合主断，断开故障绕组所对应变流器充电、短接接触器，封锁此轴脉冲整流器脉冲。
[0155]
针对当前轨道交通车辆对牵引变压器次边绕组短路的故障诊断方法较为初级，不能实现精确故障点定位，误报和漏报率高，保护隔离动作单一，存在过度保护的缺点，本发明提出的一种牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断装置和方法，可实现牵引变压器次边绕组短路具体故障点的精确定位。
[0156]
本发明提出的一种牵引变压器次边绕组短路故障点在线诊断装置和方法，具体具有以下有益效果。
[0157]
1)可实现牵引变压器次边绕组短路故障点在线精确定位；
[0158]
2)可基于具体故障点执行差异化保护隔离动作，提升列车可用性；
[0159]
3)不需要改变现有硬件，工程实现简单。
[0160]
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，
这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
[0161]
如本技术和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
[0162]
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。