基于Volterra级数的水轮机调速器液压系统故障诊断.pdf

水 力 发 电 第4 2卷第 2 期 2 0 1 6年 2月 基 于 Vo l t e r r a级 数 的水 轮机 调 速器 液压系统故障诊断 付一丁 ，李 穆 ，李丰攀 ，顾 然 1 ．中国长江 三峡集 团公 司，北京1 0 0 0 9 1 ； 2 ．国网 电力科 学研 究院武汉南瑞 有限责任公 司 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 摘要 针对现有水轮机调速器液压系统故障诊断存在诸如诊断精度不高 、泛化 能力不强 、在 线检测能力 不足等 问 题 ，根据 V o h e r r a级数的非线性模 型高辨识 能力以及 可实时在线计算等优点 ，本 文提出了一种基于 V o h e r r a 级 数的水 轮机调速器液 压 系统 故 障诊 断 的新 方法 。该 方 法 利用 递 推最 小 二乘 法 辨识 出系 统 V o h e r r a核 ，经 多 维广 义 离散 F o u r i e r 变换 得到系统 广义频域 响应 函数 G F R F 模型 ，最 后利用 主元分 析法 P C A 进行特 征提取及 分类 ，从 而实现 系统故障 的高效诊断 。仿真结果表 明，该方法具有较高辨识精度 ，能准确分辨出系统的不 同状态 。 关键词 V o h e r r a ；广义频域响应 函数 G F R F ；主元分析法 P C A ；故障诊断 ；调速器 ；水轮机 Ap pl i c a t i o n of Fa ul t Di ag no s i s Appr o a c h Ba s e d on Vo l t e r r a Se r i e s f o r Hy dr a ul i c Sy s t e m o f Tur bi ne Go v e r no r FU Yi d i n g ’ ， LI M u ， LI Fe n g pa n ， GU Ra n 1 ．C h i n a T h r e e Go r g e s Co r p o r a t i o n ，Be i j i n g 1 0 0 0 9 1 ，C h i n a ； 2 ．S t a t e G r i d El e c t r i c P o we r R e s e a r c h I n s t i t u t e Wu h a n NARI C o ． ，L t d ． ，Wu h a n 4 3 0 0 7 4，Hu b e i ，C h i n a Abs t r ac t At p r e s e n t ，t h e r e a r e s o me pr o b l e ms i n f a ul t di a g n o s i s o f h y d r a ul i c s y s t e m o f h y d r a ul i c t ur b i n e g o v e r n o r ， s u c h a s po o r mo d e l i d e nt i f i c a t i o n a bi l i t y ，l o w g e ne r a l i z a t i o n a bi l i t y a n d l i mi t e d o n l i n e d e t e c t i o n a b i l i t y ．By us i ng t h e h i g h i d e nt i fic a t i o n a b i l i t y i n n o n l i ne a r mo d e l a n d t h e on l i n e c a l c u l a t i o n a b i l i t y o f Vo l t e r r a s e r i e s ， a ne w f a u l t d i a g n o s i s me t h o d i s pu t f o r wa r d． Fi r s t l y， t h e me t h o d u s e s t he r e c ur s i v e l e a s t s q ua r e s t o i d e nt i f y t he Vo he r r a ke r ne l o f s y s t e m． S e c o n dl y ， t h e Di s c r e t e t i me F o u r i e r T r a n s f o r m DT F T i s a p p l i e d t o g a i n t h e Ge n e r a l i z e d F r e q u e n c y Re s p o n s e F u n c t i o n sG F RF mo d e l o f s y s t e m． F i n a l l y ，t h e c h a r a c t e r i s t i c s w h i c h b e i n g e x t r a c t e d f r o m t h e GF RF a r e p u s h e d i n t o P r i n c i p a l C o mp o n e n t An a l y s i s P C Amo d u l e t o c l a s s i f y t h e di f f e r e n t s t a t us o f s y s t e m i n a c o o r d i na t e g r i d ma p ． The s i mu l a t i o n r e s ul t s s ho w t ha t t hi s me t ho d h a s a c l e a r p r o c e s s ，a p o we r f ul a da pt a b l e a b i l i t y a n d s t r o n g i d e n t i fic a t i o n a b i l i t y ，wh i c h c a n a c c u r a t e l y d i s t i ng u i s h di f f e r e n t s y s t e m s t a t us ． Ke y W o r d s V o l t e r r a ； Ge n e r a l i z e d F r e q u e n c y R e s p o n s e F u n c t i o n s GF RF ； P r i n c i p a l C o mp o n e n t An a l y s i s P C A ； f a u l t di a g n o s i s ； g o v e r n o r ；t ur b i ne 中图分类号 T V 1 3 6 文献标识码 A 文章编号 0 5 5 9 9 3 4 2 2 0 1 6 0 2 0 0 6 4 0 6 0 引 言 水 轮 机 调 速 系 统 是 水 轮 发 电 系 统 的 重 要 控 制 子 系统之 一 ，其 稳 定 、可靠运 行是 整 个水 电机组 安 全 、 高效运 行 的 重要 条 件 。 随着 近 年 水 电站 自动 化 水 平 和 对 水 轮 发 电 系 统 安 全 运 行 要 求 的 不 断 提 高 ， 水 轮 机 调 速 系 统 的 故 障 诊 断 具 有 重 要 的 现 实 意 义 。 从 长 期 的 工 程 经 验 中 归 纳 出 水 轮 机 调 速 系 统 的 故 障 可 分 为 电 气 、机 械 和 液 压 3大 类 。据 统 计 资 料 表 明 ， 机 械 和 液 压 故 障 占 比 超 过 6 0 ％ 。 因 此 ，对 水 轮 机 调 速 器 液 压 系 统 的 故 障 诊 断 成 为 整 个 水 轮 发 电 系 统 故 障 诊 断 的 重 要 一 环 。 学 者们 已经 对水 轮机 调 速 器液 压 系统 的故 障诊 断做 了一 些 重 要 的研 究 工 作 。 文 献 [ 3] 利 用 状 态 观 收稿 日期 2 0 1 5 ． 0 8 0 1 作者简介 付一丁 1 9 8 5 ～ ，男，湖北 赤壁人 ，工程师 ，硕 仁 主要从事水 电站运行管理工作． 弟 4Z 雹 弟 z 删 1 、J J ， 寺 量 3 -V O lT e r r a嫩 裂 牝 b 调 愿 裔 股 座 系 现 蚁 1苹 断 测 器残 差 的故 障 信 息 特 征 明 显 的 特 点 ，根 据 不 同故 障下残 差 分布 的不 同 ，识 别 调 速 器 液 压 系 统 的不 同 故 障状 态 。 文献 [ 4] 通 过 对 调 速 器 液 压 系统 故 障 机 理 的研 究 ，利 用故 障树 的最 小 割 集 矩 阵进 行 故 障 树 定性 分析 ，确 定 系 统 故 障 ，通 过 基 于模 型参 考 的方 法准 确定 位故 障 ，最后 结合 专家 系 统给 出诊 断结 果 。 以上 方法 ，虽 然 取 得 了一 定 的成 就 ，但 目前 调 速 器 液压 系统 故 障诊 断方法 普遍 存 在故 障 辨识 精 度不 高 、 泛化 能力 不强 或无 法实 现在 线诊 断等 问题 。 为 此 ，本 文 提 出 了 基 于 Vo l t e r r a级 数 的 调 速 器 液 压 系统故 障 诊断方 法 。该方 法 利用 Vo h e r r a级数 的非 线性 模 型 高 辨 识 能 力 以 及 可 在 线 实 时 计 算 等 优 点 ， 通过 对液 压 系统 的输 入 输 出采 样 ，利 用 最 小 二 乘 法 辨识 出正 常状 态 下 以及 各 种故 障状 态下 液 压 系统 的 V o l t e r r a核 ，进 而 得 到 不 同 状 态 下 系 统 的 广 义 频 域 响 应 函 数 Ge n e r a l i z e d F r e q u e n c y Re s p o n s e F u n c t i o n s ， GF RF，基 于 G F RF谱 提取 相 应 特 征形 成 特 征 向量 ， 利 用 主 元 分 析 法P r i n c i p a l C o mp o n e n t A n a l y s i s ， P C A 剥 离各 个特 征指 标之 问 的 线性 关 系 、降 低 特 征 向 量 的 维 度 ，从 而 最 终 实 现 系 统 不 同 状 态 的 分 类 及 故 障 诊 断 。 1 V o lt e r r a理论 Vo h e r r a泛 函级数 是 由意 大利数 学 家 Vi t o Vo h e r r a 于 1 8 8 0年 首次 提 出 的。由 于 这 一 理 论 具 有 强 大 的 模 拟 非 线 性 系 统 行 为 的 能 力 ，引 起 了 行 业 内 的 广 泛 关 注 ，不久 便 被 应 用 于 实 际 工 程 应 用 。经 理 论 研 究 表 明 ，任 何 的 连 续 时 不 变 非 线 性 动 态 系 统 ，若 输 入 输 出 响应 是 解 析 函数 ，则 该 系 统 可 以用 式 1 的形 式完 全 描 述 。且 由实 践 证 实 ，绝 大 多数 非 线 性 系 统 只 用 有 限 项 的 形 式 即 可 满 足 实 际 应 用 的 要 求 。 对 于一 个 非 线 性 系 统 Y t t ，U t ，其 Vo l t e r r a模 型被 一 系列卷 积积 分所 表示 为 r ∞ f h 。 t r d tr J 一 ∞ ∞ 2 J J h r ， r H u 一 d 1 ∞ _ ∞ ∞ 3 I I J h ， r ， r ， r 1 - I 一 r d ∞ ∞ ∞ n f f⋯J h ， ， 兀 t r d ⋯ 式 中 ，积 分 项 内 的 “ t 代 表 系 统 的 输 入 ；y t 表 示 系统 的 响应 。每个 卷积 积分 内 的线 性 函 数 h 以及 非线 性 函数 h ，⋯ ，h 被 称 为 系 统 的 Vo l t e r r a核 ， 它们 表 征 了 整 个 系 统 的 动 态 行 为 。 即 ，一 阶 核 h ． r 是 系统 输 入 U在 时 间 上 延 时 r后 的 线 性 响 应 函 数 ，二 阶核 h ， 则 反 映 的 是 系 统 的 二 次 特 性 。 依 此类 推 ，h r 。 ，tr ，⋯7 - 作 为 系 统 的 n阶核 函 数 ， 它 包 含 了 系 统 的 n阶 非 线 性 特 征 。 根 据 式 1 ， Vo l t e r r a模 型 的离散 数学 表达 形式 如下 Ⅳ M l M 一1 ， ∑ ∑⋯∑h m ， m ， ⋯， m ⋯1 l - um u l q u k m e 2 式 中 ，Ⅳ 为 Vo l t e r r a模 型 最 大 阶 数 ；M 为 记 忆 长 度 ； e k 为截 断误差 。只要 Ⅳ 和 取得 适 当 ，截 断误 差 e k 将 很小 ，可忽 略不计 。 将 式 2中 的 h 进 行 多 维 广 义 离 散 F o u r i e r变 换 ⋯ ，即可 得到 系统 的 n阶频 域 V o l t e r r a核 ，或称 为 系统 的 n阶广义频 率 响应 函数 G F RF 。 r ∞ ， ∞ H j w 一 ， I ⋯ I - ． ， r J ∞ J一∞ e ‘ 丁 d l ⋯ d r 3 相对 于 脉 冲响应 函数描 述 线性 系统 的传递 模 型 ， Vo l t e r r a的频 域核则 是 描述 系统 非线 性 传 递 特性 的非 参 数 模 型 。 因 此 ， 针 对 不 同 状 态 下 表 现 出 的 非 线 性 传递 特性 的辨识 ，利用 Vo h e r r a模型 及其 各 阶核 的 GF RF频 谱 提 取 相 应 特 征 ， 即 可 分 辨 出 当 前 系 统 所 处 状 态 。 2 V o lt e r ra故障诊 断 本 文利 用 V o l t e r r a级 数进 行故 障诊 断 的整体 流程 如 图 1所 示 。 图 1 V o lt e r r a故障诊断过程 如 图 1所 示 ，流 程 的 核 心 在 于 通 过 实 时 对 比 系 统 当前 输 出 与 模 拟 输 出 的 偏 差 ，动 态 调 整 Vo h e r r a 核 ，使其 更 接 近 真 实 系统 。待 调 整稳 定 后 ，再利 用 多维广 义离 散 F o u r i e r变 换得 到 系统 的 GF RF模 型及 W a P o V o 1． 4 2 N o． 2 固 水／ J 仅电 ZU]b 月 其 各 阶核 的幅频 特 性 曲线 。针 对 所 得 到 的幅 频 特 性 曲线提 取 足 以表 征 曲线 特 性 的 参 量 组 成 特 征 向量 ， 经 过标 准 化处 理 后输 入 P C A模 块 ，解 析 出主要 影 响 因素 ，揭示 系统 的 本 质 ，简 化 复 杂 的 问题 ，最 终 实 现 不 同 状 态 的 识 别 。 2 ． 1 G F R F模 型 辨识 Vo h e r r a级数 用 以表示单 输 入单 输 出连续 因果 系 统 ，形 如式 1 。在 进 行 系 统 分 析 时 ，一 般 用 前 三 阶 Vo l t e r r a级 数 即可描述 一大类 非线 性系 统 的动力 学 特 性 。不考 虑 直 流 分 量 ，仅 保 留前 三 阶 ，且 利 用 Vo h e r r a核 的 对 称 性 ，式 1 可 改 写 为 Y n ∑h i M ／2一i ， h 2 ， n u n f 4 ∑ ∑ ∑．， i ， ， 尼 h ， i ,j ， “ n u ItJ ． “ ／2一k e n 式 中 ， 为 记 忆 长 度 ，e n 为 截 断 误 差 ，， i ， ．． ． r 1 ij k { ， ．， √ ， { 3 i j ≠ k - i ≠ j k 。 L6 i ≠ j ＆ j≠ k ＆ i≠ k 定 义系 统的输 入矩 阵为 n[ ， n，U n十 1 ，⋯ ，U nL一1 ] ，输 出 矩 阵 为 Y n[ Y n ，y n1 ， ⋯ ，Y ／2L一1 ] ‘ ， V o h e r r a核 矩 阵 [ h 。 0 ， ⋯ ，h M 一1 ，h 0，0，h 0， 1 ， ⋯ ，h M 一1 ，M 一1 ，h 0，0，0 ， h 0， 0， 1 ， ⋯ ，h ， 0，0，M 一1 ， ⋯ ， h M 一1 ，M 一 1 ，M 一1 ] 。其 中 ，￡为 数据 长度 ，U n [ u ／2 ， ⋯ ， “ nM 1 ， “ It ，2 u ／2 u n一1 ， ⋯ ， “ nM 1 ，U n ，3 u It I上 n一1 ， ⋯ ，U It 1 ] 。式 4 可改 写成矩 阵 的形式 l 厂 n It 0 e n 5 从 式 5 可 以 看 出 ， 求 解 V o l t e r r a核 的 问 题 可 以 转化 为一 个标 准 的最小二 乘 问题 ，即 [ n X n ] X n Y n 6 本文 采用 递 推 最 小 二乘 法 RL S 作 为 模 型 自适 应 辨 识 算 法 ，形 式 如 下 f K 1 7 ． 1 i n v I n P ／2 u T n P It It I e 1 l ， 几1 一 It 0 凡 ， 1 、 I n1 0 n n1 e n1 L p 17 ． 1 P n一K n1 n P n 其 中，初 值 P可取 l 0 0 0 e y e k e r It u m ，k e r It u m 为 核 的个 数 。将 系 统输 入 输 出实 时 采 样 数 据 经 过 多 次 递 推 后 ， 即 可 得 到 系 统 的 时 域 内 Vo h e r r a核 。 最终 ，将 求 得 的 时 域 内 Vo l t e r r a核 h m。 ，m ， 鬣 W a v 越 ． 4 2 ． 2 ⋯ ，m～经 过 离 散 时 间 F o u r i e r变 换 Di s c r e t e t i me F o u r i e r T r a n s f o r m，DT F T 一1 M 一1 t t 一 ， ∑⋯∑ m m ．0 m 0 8 之 后 即 可 得 到 系 统 频 域 内 的 GF R F模 型 。 2 ． 2 特 征提 取 在本 文 中 ，GF R F模 型的特 征提取 采用 目前 基 于 多元 统计 过程 控 制 的故 障 诊 断 技 术 的 核 心一 主元 分 析 法 P C A 。合 理 的 选 取 各 阶 GF RF模 型 中 的 最 优 特征 ，是 P C A 计 算 的 前 提 条 件 。 文 章 选 取 了 最 大 值 ，最小 值 ，均方 根作 为 系统 GF R F模 型 特 征指 标 ， 整个 计算 流程 如 图 2所示 。 磋 H 圾 套 纂 H 计 算 方 差 H 藉 篙 篓 圾 列 表 示 同一 状 态 量 l l I I I 通 过 mr 算 前 m 个 主 f I 取 前 m 个 较 大 特 征 值 对l I根 据 m 芝 ／ 目 的 l H l矩 阵 ％ ⋯ ，‰ J l 图2 P CA计算流程 3 模 型仿 真与实验 本 章 节 将 第 3节 介 绍 的 基 于 Vo h e r r a级 数 的 故 障 诊 断方法 应用 到 水 轮 机 调 速 器 液压 系 统 ，通 过 在 仿 真环 境下 进 行试 验 ，以 验 证 该 方 法 的 有效 性 。模 型 的 辨识采 用 V o l t e r r a三 阶模 型 。 3 ． 1 模 型建 立 本文 仿真 对 象 为 水 轮 机 调 速 器 液 压 系统 ，模 型 搭 建采用 Ma t l a b的 S i mu l i n k平 台 。水 轮 机 调 速 器 的 液压 系统 主 要 由 电液 转 换 器 、主 配 压 阀 、机 械 液 压 开度 限制 装置 和位 置 反 馈 等 部 分 构成 ⋯。本 文 基 于 文 献 [ I 1 ] 中 给 出 的 仿 真 系 统 ， 为 了 更 好 的 模 拟 系 统 非线性 特 点 ，在模 型 中 加入 了死 区环 节 、限 幅 环 节 和 速 度 限 制 环 节 等 非 线 性 环 节 。 整 个 模 型 构 建 如 图 3 所 示 电液转 辅导主 主配 主接 换装置 引导阀接力器限幅 1 压 阀 力器 限幅2 图 3液压系统 结构示意 整个 系统 具 有 两 级 液 压 放 大 ，其 中控 制 信 号 与 接力器 位移 信号 综合 后 ，由电液 转 换器 带 动 引 导 阀一辅 助接 力 器 完 成 第 一 级 液 压 放 大 ，同时 对 其 1 、JJ ， 守 昼- 2 1- V uI 1 r r u 城 ,Xt1 3小午 匕 茄 1 2 15 ． 糸 现似 l】早 珏『『 进 行 限 幅 主 接力 器 开 、关 机 时 间限 制 。第 一级 放 大输 出经 过死 区环 节 机 械 件 连接 问 的空 隙 后 送 人 主配 压 阀一 主接 力 器 完 成 第 二 级 液 压 放 大 ，同 时对 其 进 行 开 度 限 制 控 制 。 依据 实 际现场 中 常 见 的水 轮 机 调 速器 液 压 系统 故 障 ，此次 仿 真 的 水 轮 机 调 速 器 液 压 系 统 故 障 包 括 1 液压 阀卡 涩 。此 种 情 况 发 生 时 ，液 压 阀将 不能 产生 正 确 的机 械 位 移 信 号 ，或 使 接力 器 朝 单 一 方 向 开启 或 关 闭 运 动 ，或 使 接 力器 固定 不 动 ，故 不能 正确 控制 导 叶 或 轮 叶 的动 作 ，即 r C Y朝 恒开方 向运 动 X { 一C Y朝 恒关方 向运动 L O Y固 定 不 动 2 接 力器 位 置 反 馈 信 号 偏 移 或 消 失 。此 种 情 况发 生后 ，随动 系统 将 出现 误 差 ，甚 至会 破 坏 随动 系统 的跟 随性 能 ，即 v一 『 y 7 7反馈偏 差 【 C 反 馈 消 失 e n 迎 穗 a系统输入 善 _ 时间／ s c真实输出与模拟输出之间误差 e H 的幅频特性曲线 3 ． 2结果及 分 析 液压系统模 型参数选取 辅助接 力器 反应 时 间常数 ， 0 ． 0 1 s ，主接力器 反应 时间常数 r 0 ． 1 s ，死 区 S 0 ，Vo l t e r r a模 型阶数 为 3 ，取记 忆 长度 为 1 8 。仿 真系统 处于空载摆 动工况 ，模拟该 工 况下输 入信 号如 图 4 a所示 。图 4 b为 系统真 实输 出与模 拟输 出 的对 比 图 ，两 者 之 间 的误 差 见 图 4 c ，从 图 中 可 表 明 用 最 小 二 乘辨识 出 的 Vo l t e r r a模 型 能 够 能好 的还 原 真 实 系统 。 将辨 识 得 到 的 系 统 V o l t e r r a核 经 过 多 维 广 义 离 散 F o u r i e r 变换得到 系统 G F R F模 型 ，其各 阶核 的 幅频特 性 曲线如 图 4 d～4 f 所 示 。根据 Vo l t e r r a理论 ，系 统 的 G F RF模型在 不 同的状 态 下具 有 唯一 性 ，故 可 以通 过 对 比 不 同 状 态 下 系 统 一 阶 、二 阶 和 三 阶 广 义 频 率 响 应 函数 H， 、H 和 H 的 不 同来 识 别 系 统 所 处 状 态 。 根 据 3 ． 1小 节所 述 的 液压 系统 常见 故 障 ，通 过 仿真 的方 法模 拟 系 统 分别 处 于液 压 阀卡 涩 和 接 力 器 位置 反馈 信号 偏移 的故 障 状态 。将 图 5 8的 信号 输 入 上 述 两 种 系 统 ，得 到 相 应 状 态 下 系 统 的 输 出 。 利 用 采集 的输 入 输 出信 号 ，经 过 GF RF模 型 辨 识 后 得 到 - e 椎 鲻 时间／ S b系统真实输出与模拟输出 一 阶频率／ H z d H 的幅频特性曲线 图 4正 常 工 作 状 态 f H 的幅频特性曲线 『 P， P 。 ％ ￡ 4 2 N o ． 2 囫 第 4 2卷第 2期 付一丁， 等 基于 V o lt e r r a级数的水轮机调速器液压系统故障诊断 幅 值 上 略 微 减 小 ，反 映 在 H，中 即其 相 对 于 正 常 工 作 状 态 的 特 性 曲线 较 为 平 缓 。 再 者 ， H 体 现 的 则 是 更 为复杂 的非 线 性 关 系 ，情 况 与 H 基 本 相 同 。于 此 ， 得 到 了系统 的三种 不 同的 状态 下 系 统 的 GF RF模 型 ， 如何从 所得 到 的 曲线 图 中提 取 特 征 ，让 状 态 分 类 更 为 明显 ， 成 为 下 一 步 的 重 点 。 G E RF模型的特征提取采用 P C A方法 ，依照 3 ． 2节 所 述 ，选取 系统 H 、H 以 及 H 的 幅 频 响 应 曲 线 的 最 大值 ，最小值 ，均方根共 9个特征作为该 系统 G F RF的 特 征 指 标 ，各 指标 数 值 见 表 1 。选 取 输 出 特 征 维 度 m 2，经 过 P C A 后 得 到 的新 的主 元 特 征 如 图 7 a所 示 。 键 1 1 垛 求 _ 1 妇 第一主成分 a 3 种 故障模 式下特征 点分布 第一主成分 b新增故障模式下特征点分布 图 7 GF R F模型的 P C A方格 从 图 7 a中可 以看 出 ，将表 1中 的各 种不 同状 态 下 的特 征 向量 经 过 P C A特 征 提取 及 分类 后 ，以两 个 主元特 征表 示 的系 统 的 GF RF模 型状 态 点分 布 在 图 示 的矩 形方 格 内。从 图 中可 以看 出 ，在 3种 不 同的 状 态下 状态 点 的 分 布 位 置 的差 异 程 度 足 以分 辨 。 由 于 GF RF模 型 在 某 一 状 态 下 形 式 的唯 一 性 ，即 便 是 同类 型 的故 障 ，例 如 接 力 器 位 置 反 馈 信 号 Y偏 移 ， 假如故 障 发生 的情 况不 同 例 如接 力器位 置 反馈 信 号 偏 移分 别 为 1 ． 2 y和 1 ． 5 y，在 方 格 图 中所 呈 现 出来 的状态 点 的 位 置也 将 不 同 。这 就 是说 ，图 中某 一状 态点仅 能 代表 一 种 特 定 的 故 障状 态 。但 在 通 常 情 况 下 ，同一 类 的故 障 的状 态 点 在 方 格 图 中出 现 的 位 置 较为 接近 ，文 中给 出一 例见 图 7 b。在 实 际工 程 应 用 中 ，可先 将各 种 典 型 状 况 的状 态 点 确 定 下来 ，画 到 方 格 图 中 以 备 参 考 。 应 用 时 ，将 所 采 集 的 输 入 输 出 信号 经过 本 文所 述 流 程 分 析 过 后 ，状 态 点 将 会 唯 一 的 出 现 在 方 格 图 中 的 某 一 位 置 ，此 时 工 作 人 员 可 人 为 地 判 断 离 此 状 态 点 距 离 最 近 的 典 型 工 况 即 为 当 前 系 统 的所 处 工 作 状 态 。 4 结 语 本 文提 出 了基 于 Vo l t e r r a级数 的水 轮机 调速器 液 压 系统 故 障诊 断方 法 。通 过仿 真 试验 获 得 液 压 系统 的三种不 同状 态 ，依 据 每 种状 态 的输 入 输 出信 号 辨 识 出 各 种 状 态 下 系 统 的 V o l t e r r a核 ，经 多 维 广 义 离 散 F o u r i e r 变 换后 得 到不 同系统 的 GF RF模 型 ，将 GF RF 的幅频 特 性 曲线 经过 P C A特 征提 取后 ，各 个 不 同状 态 分类 明显 ，从 而 实 现 了调速 器 液压 系统 故 障 的快 速 准确诊 断 。 基 于 Vo l t e r r a级数 的故 障诊 断方法 的关 键在 于如 何 求 出待测 系 统 的 Vo h e r r a核 ，由于 Vo h e r r a核 数 目 随着 阶数 的增 加 呈 几 何 级 数 增 长 ，如 何 高 效 、快 速 的计算 出有 效 核 成 了决 定 诊 断 过 程 实 时 性 、准 确 性 的关键 。为 了提 高 辨 识效 率 ，可 以 考 虑 利 用智 能算 法 辨识 Vo l t e r r a的有 效 核 ，可极 大 降 低 Vo l t e r r a级数 的 核 数 目。 同 时 ， G F RF中 的 特 征 参 数 的 自适 应 选 取 也 是 今 后 的 研 究 重 点 。 参考文献 [ 1 ]杜文武．基于改进遗 传算法 的水轮 机 P I D调 速器参 数优化 设计 [ D] ．南京 河海大学 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ]孙邦彦．水轮机调 速器液 压系统 常见故 障及处 理 [ J ] ．小 水 电， 2 0 0 3 4 3 2 - 3 8 ． [ 3 ]和一凡 ，张江 滨．基 于状 态观测 器 的调 速器液 压系统 故障诊 断 [ J ] ．电网与清洁能源 ， 2 0 0 9， 2 5 4 6 1 6 4 ． 【 4 ]邹波． 故障树与模型参考故障诊断在水轮 下 转 第 1 0 5页 W a P o 4 2 N o ． 2 囫 牙j ‘ t 厢f - ．剐 J 吉 若芎， 亍于 茁丁 肛上[ 畀 口 早4 1 1 4 1 1 S ／ l , 研 5 ≤ 蚕 o l 0 ．5 耋 。 镰 _0 5 ．1 网侧参数突变 八 八 ／ 八 八 八 ／ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ _ ⋯ 一 ⋯一＼⋯j ⋯⋯ V ＼ ／ 0 0 0 5 0 一 ng r j i s O 1 5 a网侧输入突变 O ．2 5 O 0 ．O 5 0 1 时间／ s 0 1 5 b锁相环输出响应 图 7 1。 9 侧 参 数 哭 变 时 的 输 出 为 进一 步 模 拟逆 变 器 实 际工 况 ，检 验 锁 相 环 在 社， 2 0 1 0 ． 网侧 参 量 由于 短路 、断 线 等 故 障 发 生 突 变 时 的 工作 [ 2 ]R o l a n d E B e s t 锁相环设计、 仿真与应用 第5 版 [ M] 李永明 性 能 ，图 7为 网侧 在 0 ． 1 0 8 s时相位 突增 9 0 。 ，幅值 译清华大学出版， o 0 减 小 6 0 ％ 的极端 情 况下锁 相 环输 出结果 。 [ ]庞浩， 俎云霄， 王赞基 一种新型的全数字锁相环[ ] 中国电机 仿 真结 果 显 示 ，锁 相 环 在 网侧 参 数 大 幅 突 变 时 工程学报， 。 。 。 一 最 快能 在 0 ． 0 2 跟踪 上 变 化 的 输入 信 号 并 进 入 稳 定 [ ]孔雪娟， 罗肪， 彭力， 等_ 基于周期控制的逆变器全数字锁相环 状 态 ，具 好 的 动椭应 和锁 相准 。 6 0 - 6 4 ． 5 结 论 环[ J ] ． 电 力电 子 技 术， 2 0 0 9 1 O 8 9 - 9 0 [ 6 ]陈红兵 ，闵晶妍．基 于正交信号发生器 的单相锁相环的研究[ J ] ． 本 文在 对基 于 正 交 算 法 的单 相 锁 相 环 工 作 原 基 电力电子技术 ，2 o l 4 1 1 2 3 2 5 ． 础 和缺 陷详 细 分 析 的 基 础 上 ，针 对 直 流 分 量 干 扰 和 [ 7 ]王照峰1 王仕成 ，苏德 伦．锁相 环 电路 的基本 概念及 应 用研究 滤 波 器造成 的移 相 问 题 ，对 原 有 正 交 模 块 和滤 波 环 ⋯ ． 电气应 用 ， 2 0 0 5 8 4 6 4 8 节 进行 改进 ，提 出基 于 改 进 正 交 算 法 的单 相锁 相 环 [ 8 ]陈小宇 ，罗利文．中小 功率并 网逆变 器 中滤 波器 的分析 和设计 设 计 。 有 效 解 决 了 直 流 干 扰 和 移 相 问 题 ，提 高 了 锁 [ J ] l 电工电能新技术， 2 0 1 2 2 3 9 _ 4 1 ． 相 精 度和抗 干 扰 能 力 。仿 真 结 果 表 明该 算 法 具 有 可 [ 9 ]光明． 快速锁定全数字锁相环的分析与设计[ D ] ．北京 清华大 行 性 。 学 ， 2 0 1 1 ． [ 1 0 ]陈文艳 ，夏达忠，张行南．数字滤波法 分割基流 的论证 [ J ] ．水 参考文献 力 发电 ，2 ， 4 o 2 3 7 _ 4 0 ． [ 1 ]汪光裕．光伏发电与并网技术[ M] ．北京中国电力出版 责任编辑 高 瑜 -4 夺 夺 夺 夺 牵 寺 上 接 第 6 9页 机调速器液压系统的应用[ J ] ． 武汉大学学报 工