列车牵引传动系统温度传感器实时故障诊断与容错估计.pdf
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1、 第 18 卷第 2 期 2023 年 6 月 电 气 工 程 学 报 JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING Vol.18 No.2 Jun.2023 DOI:10.11985/2023.02.028 列车牵引传动系统温度传感器实时故障诊断 与容错估计*侯鑫尧1 倪 强2 李学明3 黄 庆3(1.广州铁路职业技术学院 广州 510410;2.广东工业大学自动化学院 广州 510006;3.中车株洲电力机车研究所有限公司 株洲 412001)摘要:牵引传动系统的运行温度是列车运行状态与保护决策的重要指标,针对现有牵引传动系统中温度传感器故障诊断方法存在漏诊与误报断问
2、题,提出了一种基于信息融合的多温度传感器智能故障诊断方法。该方法首先根据牵引传动系统温度检测原理,以系统中的水温传感器与油温传感器为故障诊断对象,提出基于动态主成分分析法的各温度传感器采样值的估算方法;然后基于各温度传感器的采样值与估计值的残差变化规律,提出故障检测与故障隔离的方法;最后,为了验证所提方法的有效性,基于列车实际运行数据,与现有的方法进行比较研究。试验结果表明,所提方法不仅能提高诊断精度,还能够在温度传感器故障情况下,估计出实际温度值,有效提升了列车的可用性,具有较高的实用价值。关键词:温度传感器;实时诊断;容错估计;动态主成分分析法 中图分类号:TP273 Real-time
3、Fault Diagnosis and Fault-tolerant Estimation of Temperature Sensor in Train Traction Drive System HOU Xinyao1 NI Qiang2 LI Xueming3 HUANG Qing3(1.Guangzhou Railway Vocational and Technical College,Guangzhou 510410;2.School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006;3.CRRC Zhu
4、zhou Electric Locomotive Research Institute,Zhuzhou 412001)Abstract:The temperature of traction drive system is an important index for the system operation status monitoring and protection decision-making.To solve the problems of missing diagnosis and false alarm in the existing fault diagnosis meth
5、ods,an intelligent fault diagnosis method based on information fusion is proposed for multi-temperature sensors in traction drive system.Firstly,according to the temperature sampling mechanism of the traction drive system,a method for estimating the sampling values is proposed for the water temperat
6、ure sensors and the oil temperature sensors based on the dynamic principal component analysis(PCA)algorithm.Then based on the variation law of residual between the sampled value and estimated value of each temperature sensor,a method of fault detection and fault isolation is proposed.Finally,the act
7、ual train operation data is used to verify the proposed algorithm.The experimental results show that compared with the existing methods,the proposed method can not only improve the diagnosis accuracy,but also estimate the actual temperature when the temperature sensor fails,which effectively improve
8、s the availability of the train and has good practical value.Key words:Temperature sensor;real-time diagnosis;fault tolerance estimation;DPCA *国 家 自 然 科 学 基 金(62103109)、广 东 省 普 通 高 校 青 年 创 新 人 才(2022KQNCX220)和广州市教育局高校科研(202235280)资助项目。20220218 收到初稿,20220922 收到修改稿 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 270 1 引言 牵引
9、传动系统将从接触网获取的电能转化为列车前进的动能,是列车的核心动力变换装置,其健康状态将影响列车运行效率与行车安全,备受运营部门关注1。牵引传动系统中关键部位的实时温度是表征机车传动设备工作环境与状态的一个重要指标2,如果温度过高,需要对列车进行减功率运行、断开真空断路器等保护动作,以保证列车的安全运行3。温度传感器感知牵引传动系统关键部位温度,并通过相关信号采集电路转为与牵引传动控制系统相适应的电信号。由于牵引系统工作环境恶劣,在列车运行途中,可能出现温度传感器故障的情况,导致传感器测量值将偏离真实值。如果测量值比真实值偏高,将导致系统误动作,影响列车的正常运用4。如果测量值比真实值偏低,将
10、导致系统漏保护,对机车设备造成损害,给列车正常运行带来严重影响。因此如何有效地对列车温度传感器进行实时诊断对列车安全稳定运行具有重要意义5。近年来,列车牵引传动系统传感器故障诊断引起了国内外学者关注6。传感器故障诊断方法大致可分为解析模型法、信号分析法与基于数据驱动的方法7。解析模型法能够清晰描述系统结构与故障特征之间的关系,通过对传感器测量信号建立状态观测,然后根据观测输出与测量输出的残差变化规律,设置阈值来诊断传感器故障。文献8-9分别采用滑模观测器与龙伯格观测器进行测量值估计,基于估计值与实测值之间的残差,对列车脉冲整流器中的直流侧电压传感器与网侧电流传感器进行故障诊断。文献10采用自适
11、应观测器与决策论相结合的方法,对牵引电机与逆变器系统的速度、电流与直流电压的 3 种传感器进行故障诊断。信号处理的方法直接从测量信号出发,无需建立数学模型,通过在时域、频域、时频分析的方式提取特征,来分析特定的故障信息。文献11基于三相电机电流,通过提取并比较正常工况与故障工况下不同相电流传感器的相关特征实现故障诊断。数据驱动的方法不依赖于数学模型,工程实用性强12,在高速列车牵引传动系统故障诊断中,越来越受到国内外学者的关注13。文献14提出了一种基于智能时间自适应集成极值学习机(Extreme learning machine,ELM)的三相逆变器传感器故障诊断方法,并基于半实物仿真验证了
12、算法的有效性。文献15基于主成分分析法(Principal component analysis,PCA)对变频器供电的感应电机定子进行了故障诊断。为了改善 PCA方法诊断性能,文献16提出了将深度 PCA 模型用于多传感器潜在故障诊断。针对高速列车非线性非高斯的时间序列数据特点,文献17进一步将 PCA与概率事件相结合,用于传感器潜在故障诊断。为了提高模型的鲁棒性,文献18将赫林格距离引入了 PCA 框架。为此本文将结合列车温度传感器的数据关联及变化规律,将 PCA 的改进方法应用在温度传感器测量值的实时估计。然而,以上故障诊断方法都是围绕电流与电压传感器展开研究,牵引传动系统运行温度是列车
13、健康状态的重要评价因子,在系统中有许多温度传感器,但故障诊断方面研究相对较少。虽然电压、电流等传感器故障方法可以借鉴,但温度传感器的故障机理和特征差异较大,需要对其故障诊断方法进行研究。目前工程上普遍采用基于硬件冗余19或传感器采样值读数异常或变化率20-21来进行温度传感器故障诊断。采用基于硬件冗余的方法硬件成本较高,且仅采用两路冗余的情况下无法定位具体故障传感器。根据传感器采样值读数异常或变化过快来进行诊断,则无法诊断出传感器漂移故障,存在漏报风险。为此本文在不改变现有硬件基础上,基于牵引系统各温度传感器间的关联关系,以温度传感器的历史正常样本数据为基础,提出了基于信息融合的多温度传感器智
14、能故障诊断方法。首先基于动态主成分分析法对系统内温度传感器温度值进行估计,然后基于估计值与测试值的残差变化规律,对温度传感器的异常状态进行辨识与隔离,最后用现场故障案例对所提方法的有效性进行了验证。2 系统温度监测与故障诊断机制 2.1 牵引传动系统中温度信号采集机制 为了确保列车主要部件的正常运行以及出现异常时及时有效保护,在列车牵引系统的牵引变压器、牵引变流器、牵引电机等主要部件内均装有温度传感器。通常牵引电机为强迫风冷方式,采用独立的牵引风机和通风管道进行冷却。而牵引变流器与牵引变压器则分别为水冷和油冷散热,采用油、水复合冷却系统对其进行冷却。以某型动车组牵引系统为例,其复合冷却系统原理
15、示意图如图 1 所示,牵引变流器的温度传感器分别安装于冷却水管进出口位置,用来测量内部进、月 2023 年 6 月 侯鑫尧等:列车牵引传动系统温度传感器实时故障诊断与容错估计 271 出口水温的温度,牵引变压器温度传感器安装于牵引变压器内部顶端,用来测量内部油温温度。每套牵引系统通常包括 4 个水温传感器和 2 个油温传感器。控制系统实时采集这些温度值,并对温度异常进行诊断与保护。为此本文将对牵引传动系统的这6 个温度传感器的故障展开研究,通过挖掘它们之间的相关性,实现每个温度值的高精度估计与故障诊断功能。图 1 牵引系统中油与水复合冷却原理图 2.2 现有温度传感器故障诊断方法 目前牵引系统
16、中通常根据温度传感器采样值读数是否异常或变化过快13,即简单超限报警方法来进行温度传感器故障诊断。此方法依据工程应用经验,设定温度传感器采样值及其变化率的正常工作范围,若超过此范围,则认为此温度传感器存在故障,其数学表达描述如式(1)所示 123401 hhhhTTTTTTF=且-其他 (1)式中,F 为传感器故障标志,为 1 代表发生故障,为 0 代表工作正常;T 和 T 分别表示温度传感器采样值及其变化率;Th1和 Th2为温度传感器正常采样阈值上下限;Th3和 Th4为温度传感器正常采样值变化率阈值上下限。3 基于动态主成分分析法的故障诊断方法 3.1 动态主成分分析法基本原理 PCA1
17、4是一种多变量统计方法,用于对含有噪声的和高度相关的测量数据进行分析。它采用线性降维技术,把高维信息投影到低维子空间,并保留主要过程信息,从而可用少数的主元描述高维的数据矩阵。假设X为 nm 的数据矩阵,n 对应数据样本数,m 对应变量个数。则对矩阵X中的每个变量进行标准化处理后,可分解为如下形式 =+XXE (2)式中,X表示X的模型值;E表示建模误差。X和E可表示成如下形式 TT1liiit=XTPp (3)TT1meeiii lt=+=ET Pp (4)式中,lm为主元的个数,可采用百分比变化量测试15、平行分析法等来进行确定;T和P分别表示主成分的得分矩阵和负荷矩阵;12,lt tt?
18、且12lttt?是主成分的分向量;ip为协方差主成分特征向量,提取变量间关联信息。X的分解使合成矩阵P Pe和T Te均为正交矩阵,主成分分解使原始变量集减少成l个主成分。由于P Pe是正交的,因此X与E之间的协方差为0,即 T0=X E (5)式(5)表示X的行向量与E是正交的,这些矩阵定义了Rm的互补子空间。一个记为x的通用样本矢量经过分解后其估计值幅值将减小,这种幅值减小是由主成分投影的滤波特性引起。电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 272 X在估计子空间的映射称为主成分空间(Principal component subspace,PCS),可通过式(6)计算。TT=X
19、PPTPX (6)式中,将矩阵PPT用C表示,C通常为秩亏矩阵,即lm。上述通用PCA方法是假定某时刻测量值对于前面时刻测量值来说是统计独立的17,这对于长采样间隔是有效的,但对于动态系统,因采样间隔短,存在储能环节,其数据采样之间具有时序相关性,即当前采样值与历史采样值强相关。因此需要对数据矩阵进行扩张,增加历史时刻数据,以表示变量的动态关系。令扩张后的数据矩阵为 TTT1TTT121TTT1()ttt httt ht h nt h nt nh+=?xxxxxxXxxx (7)式中,tx为t时刻在训练集中的m1维测量向量;h为时滞因子。通过对式(7)的数据矩阵进行PCA处理,可以从数据中得到
20、包含系统输入的多变量自回归(Autoregression,AR)模型,基于式(7)的PCA方法称为动态主成分分析法(Dynamic principal component analysis,DPCA)。3.2 基于 DPCA 的温度估计 设传感器测量值与估计值分别为x和 x,由式(6)可得 T x=xPPxC (8)式中,x代表矩阵X的行向量,即一个传感器采样向量;C可基于历史故障数据样本得出。设六个温度传感器采样值分别表示为入口水温传感器TIW1,出口水温传感器TOW1,入口水温传感器TIW2,出口水温传感器TOW2,入口油温传感器TMT1和出口油温传感器TMT2,则可扩张后的数据矩阵X(h
21、)如式(9)所示()()(1)()(1)(2)(1)()(1)()ttthttthhthnthntn+=+?VVVVVVXVVV(9)式中,IW1OW1IW2OW2MT1MT2,TTTTTT=V为温度传感器采样样本值矢量。利用式(8)进行传感器测量值估计时,若x中包含故障传感器采样值,则故障传感器相关采样值仍然在估计中。为了消除故障传感器的影响,采用式(10)16来重构第i个传感器测量值iz 01TTiiiiiixxzcc+=(10)式中,12mccc=?C,T12iiimiccc=?c,下标i,i+分别由代表原始向量的前1i个元素和后mi个元素构成的向量。以入口水温传感器故障检测的传感器测量
22、值估算为例,基于式(8)进行某传感器估算时,其传感器采样值向量Z(1)为 (1)IW1OW1IW2OW2MT1MT2,TTTTTT=Z(11)式中,IW1T可由式(10)所示,将其他5个传感器采样值计算得到的入水口水温传感器重构值。同理,利用式(10)可得到基于其他5个传感器重构替代的采样值向量,依次记为Z(2)Z(6),基于此重构替代采样值,利用DPCA算法,基于式(12)进行估算。()()ii=ZZ C i=1,2,6 (12)3.3 温度传感器故障检测 基于上述分析,设传感器采样值矢量为x,则进行第i个传感器故障检测时,可基于式(13)来进行残差()(1,2,6)ijrj=?设计。()(
23、)iijjjrxz=(13)式中,()ijr表示进行第i个传感器故障检测时的第j个传感器采样值残差;jx表示第j个传感器采样值,()ijz表示()iZ的第j个传感器估计值。完成残差设计后,下一步是构造合适的检测量用于故障检测。在正常运行时,若系统无故障,则残差()ijr满足0()()()20(,()jiiijjrN,其中,0()0ji=,()0ij与残差的测量噪声有关,可以通过正常的历史数据学习得到。选择数据周期采样窗口长度为 m,即每次截取m 个()ijr的数据样本构造统计量,则其总体服从自由度为 m 的卡方分布17。故障检测统计量函数可设置为 ()21()()20()()()kijp k
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