基于动态时间规整的相控变流器换相失败实时诊断方法

本发明涉及相控变流器领域，具体涉及一种基于动态时间规整（dynamic timewarping，dtw）的相控变流器换相失败实时诊断方法。

背景技术：

1、聚变磁体电源是磁约束核聚变装置的关键子系统之一，为等离子体的产生、约束、维持及加热提供必要的工程手段。目前，聚变磁体电源主要采用相控变流器方案以实现高功率大电流输出。然而，换相失败是相控变流器的固有缺陷，连续换相失败将引起电源紧急停机甚至失控，进而造成等离子体硬破裂，威胁装置安全。若能在相控变流器首次发生换相失败时，实时诊断出故障并调整控制参数，可有效避免换相失败故障，使系统正常运行。因此对换相失败故障诊断的实时性和准确性要求较高。

2、动态时间规整法因其鲁棒性好，非线性对齐的特性，可以根据不同的应用场景调整距离度量方式，在实时诊断领域被广泛应用。动态时间规整法主要包括局部动态时间规整法，全局动态时间规整法，窗口动态时间规整法等。其中，窗口动态时间规整法包括固定窗口动态时间规整法和动态窗口动态时间规整法，在一些精准度和计算量有一定要求的场合中，动态时间规整法效果明显，应用较为广泛，但其计算量大，参与计算的矩阵元素较多计算复杂，且因对异常值敏感造成会精度下降。由于聚变磁体电源系统的触发角度是动态变化的，因此采用动态时间规整法进行换相失败故障诊断时，所设计的模板应兼容逆变状态下触发角快速实时变化以及触发角稳定运行的不同工况。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供基于动态时间规整的相控变流器换相失败实时诊断方法，完成对于故障位置的判断，提高算法准确性和对故障判断的实时性。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于动态时间规整的相控变流器换相失败实时诊断方法包括如下步骤：

4、步骤1、设计时间序列长度为n的电压波形作为时间序列模板s0，s0=(y1~yn)，并计算时间序列模板s0的欧氏距离l；y1~yn为时间序列模板s0中的n个数据；

5、步骤2、以当前采集的时间序列的n个采样点数据作为输入样本si，si=(x1~xn)，将时间序列模板s0与输入样本si的起始点和终点对齐，对时间序列模板s0与输入样本si进行单调性检查，确认无交叉对应，其中，x1~xn 为输入样本si 的n个采样点数据，i表示第i个输入样本；

6、步骤3、以输入样本si=(x1~xn)中的n个采样点数据作为横坐标，时间序列模板s0=(y1~yn)中的n个数据作为纵坐标建立坐标系，nn矩阵m表示时间序列模板s0与输入样本si各点间的欧氏距离，采用itakura窗口对nn矩阵m进行约束，确定搜索范围h；

7、步骤4、仅计算nn矩阵m在搜索范围h内的矩阵元素值；

8、步骤5、在搜索范围h内，对nn矩阵m中的矩阵元素值设置不同的权重，寻找从坐标点（x1,y1）到坐标点（xn,yn）的nn矩阵m中的矩阵元素值之和最小的最短路径l；

9、步骤6、设定时间序列模板s0的欧氏距离l的裕量为；

10、步骤7、若最短路径l大于λl，则判断发生换相失败故障，反之则认为系统正常工作。

11、优选的，所述步骤1包括：

12、步骤1.1设定触发角范围：换相失败发生在相控变流器的逆变状态，触发角范围取π/2~5π/6；

13、步骤1.2跟据欧氏距离公式计算两个不同工作电压下的触发角α1和触发角α2之间的距离l’：

14、；

15、其中，为采样点相位角，u为输入电压，为角频率，t为时间；

16、步骤1.3获得通用欧氏距离lu：

17、；

18、其中，线电压平均值ud为：

19、；

20、其中，α为触发角；

21、步骤1.4通用欧氏距离lu与输入电压u为正相关的函数关系，具体为：

22、；

23、其中，系数为：

24、；

25、步骤1.5将触发角α1取π/2，触发角α2取π/2，将触发角α2依次增加π/18，直至触发角α2取5π/6，计算并绘制第1根曲线，然后将触发角α1取π/2+π/18，触发角α2取π/2，将触发角α2依次增加π/18，直至触发角α2取5π/6，计算并绘制第2根曲线，依次类推，计算并绘制出13根曲线，显示各个触发角下的系数的变化，获得系数图；

26、步骤1.6根据系数图得到第9根曲线，其对应的欧氏距离最大值不超过6u，即取触发角α1为130°的电压波形的时间序列为最佳的时间序列模板；

27、步骤1.7根据对应的欧氏距离的范围：，得到最佳的时间序列模板的欧氏距离为6u。

28、优选的，所述步骤5包括：前n/3个矩阵元素对应的权值取q1，中间n/3~5n/6个矩阵元素对应的权值取q2，尾部5n/6~n个矩阵元素对应的权值取q3。

29、优选的，所述步骤3中，nn矩阵m中的元素mmj根据下式计算：

30、；

31、其中，xm表示输入样本si中的第m个采样点数据，ym表示时间序列模板s0中的第m个数据，j为索引值。

32、优选的，所述步骤3中，将搜索范围h限制在斜率为1/2和2的平行四边形范围内，规划路径从坐标点（x1,y1）开始到坐标点（xn,yn）结束，搜索范围h的平行四边形的4个坐标点为（x1,y1），（xn/3,y2n/3），（x2n/3,yn/3），（xn,yn）。

33、优选的，所述步骤6中，λ为1.5。

34、优选的，q1为0.5，q2为0.8，q3为1.3。

35、本发明的有益效果为：

36、本发明通过计算各个触发角在逆变全范围内的变化，对触发角保持不变的稳定系统如高压直流输电中的恒定触发角运行，以及触发角实时变化的动态系统如采用相控整流方案的聚变磁体电源系统，均可以达到准确的换相失败故障实时诊断结果，且通过在不同序列位置应用不同的权重，优化了计算过程，有效提高了算法对相控变流器异常值的敏感度，可更快完成对于故障位置的判断，提高算法准确性和对故障判断的实时性。

技术特征：

1.基于动态时间规整的相控变流器换相失败实时诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于动态时间规整的相控变流器换相失败实时诊断方法，其特征在于，所述步骤1包括：

3.根据权利要求1所述的基于动态时间规整的相控变流器换相失败实时诊断方法，其特征在于，所述步骤5包括：前n/3个矩阵元素对应的权值取q1，中间n/3~5n/6个矩阵元素对应的权值取q2，尾部5n/6~n个矩阵元素对应的权值取q3。

4.根据权利要求1所述的基于动态时间规整的相控变流器换相失败实时诊断方法，其特征在于，所述步骤3中，nn矩阵m中的元素mmj根据下式计算：

5.根据权利要求1所述的基于动态时间规整的相控变流器换相失败实时诊断方法，其特征在于，所述步骤3中，将搜索范围h限制在斜率为1/2和2的平行四边形范围内，规划路径从坐标点（x1,y1）开始到坐标点（xn,yn）结束，搜索范围h的平行四边形的4个坐标点为（x1,y1），（xn/3,y2n/3），（x2n/3,yn/3），（xn,yn）。

6.根据权利要求1所述的基于动态时间规整的相控变流器换相失败实时诊断方法，其特征在于，所述步骤6中，λ为1.5。

7.根据权利要求3所述的基于动态时间规整的相控变流器换相失败实时诊断方法，其特征在于，q1为0.5，q2为0.8，q3为1.3。

技术总结
本发明公开一种基于动态时间规整的相控变流器换相失败实时诊断方法，涉及相控变流器领域，包括：设计涵盖相控整流器触发角变化的时间序列模板S0，长度为n，欧氏距离为L；以采集的n个数据作为输入样本Si，将S0与Si的起始点和终点对齐；用nn矩阵M表示S0与Si各点间的欧氏距离，采用Itakura窗口对矩阵M进行约束，确定搜索范围H；计算矩阵M在搜索范围H内的值；对时间序列不同位置的数据，设置不同权重，寻找从矩阵坐标点（x<subgt;1</subgt;,y<subgt;1</subgt;）到（x<subgt;n</subgt;,y<subgt;n</subgt;）的最短路径L；设定S0的欧氏距离L的裕量为λ，若L大于λL则判断为发生换相失败故障，反之则认为系统正常工作。本发明提高了诊断的准确性及实时性。

技术研发人员：陈晓娇,薛振宇,杨笑笑,黄连生,沈焰,何诗英,张秀青,左英
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23