基于LS-SVM的电力电子电路故障预测方法

基于LS-SVM的电力电子电路故障预测方法 [摘要]电力电子电路是整个电力电子设备中最关键的部分，面对其可能出现的故障及其严重后果，对其的故障预测就显得尤其重要。

为此，根据现有故障预测理论和方法，在总结前人经验的基础上，本文采用最小二乘支持向量机预测算法对电力电子电路进行故障预测。

具体内容如下：以基本降压斩波电路为例，选择电路输出电压作为监测信号，提取输出电压平均值及纹波值作为电路特征性能参数，并利用LS-SVM 回归预测算法实现故障预测。

仿真结果表明，利用LS-SVM 对基本降压斩波电路输出平均电压与输出纹波电压的预测相对误差均低于2%，能够跟踪故障特征性能参数的变化趋势，有效实现电力电子电路故障预测。

[关键词]电力电子电路故障预测特征性能参数最小二乘支持向量机The power electronic circuit fault prediction methodbased on the LS-SVMAbstract：The power electronic circuit is the most important part of the power electronic equipment . facing its possible faults and its serious consequences , its fault prediction is especially important. Therefore, in view of the existing power electronic circuit fault prediction of the characteristics of the technology , the paper proposes the least square support vector machine forecasting algorithm for the power electronic circuit fault prediction. Specific content as follows: With basic buck-chopper circuit , choose circuit output voltage signal as monitoring signal, extract output voltage ripple and average value as circuit features performance parameters, then using LS-SVM regression algorithm to the fault prediction . The experimental result shows that the use of the output circuit LS-SVM average voltage and output voltage ripple of the relative prediction error less than 2%, it can follow the fault feature performance parameters change trend, realize the power electronic circuit fault prediction effectively .Key words：The power electronic circuit , fault prediction , features performance parameters , least square support vector machine .目录1．绪论 (1)1.1 课题研究的目的及意义 (1)1.1.1对电力电子电路进行故障预测的目的和前景 (1)1.1.2 本课题的主要思想和方法 (1)1.2 电力电子电路故障诊断特点和作用 (1)1.2.1 电力电子电路故障诊断特点 (1)1.2.2 电力电子电路故障预测的作用 (1)1.3 传统的电力电子电路故障诊断方法 (2)1.4 电力电子电路故障预测方法的研究现状 (3)1.5 本论文主要内容 (3)2. 最小二乘支持向量机理论 (4)2.1 支持向量机 (4)2.1.1 支持向量机概述 (4)2.1.2 统计学习理论 (4)2.1.3 支持向量机原理 (5)2.2 最小二乘法 (9)2.2.1 最小二乘法原理 (9)2.2.2 最小二乘法公式 (10)2.3 最小二乘支持向量机和支持向量机的比较 (10)2.4 本章小结 (11)3. 基于LS-SVM的电力电子电路故障预测 (12)3.1 电力电子电路故障预测步骤 (12)3.2 特征性能参数的提取 (12)3.2.1 电力电子电路仿真模型的建立 (12)3.2.2 特征性能参数的计算 (13)3.2.3 特征性能参数数据 (13)3.3 本章小结 (14)4．LS-SVM 预测结果及故障分析 (15)4.1 特征性能参数预测结果 (15)4.2 buck电路故障预测结果 (17)4.3 核函数参数寻优 (18)4.4 本章小结 (21)5．结论与展望 (22)参考文献 (23)致谢 (24)外文文献翻译 (25)1．绪论1.1 课题研究的目的及意义1.1.1对电力电子电路进行故障预测的目的和前景随着新型飞机的研制开发及其安全性、可靠性要求的不断提高，作为提高飞机安全性的有效手段，以及促进现有飞机维修保障技术的智能化发展，飞机健康预报与管理技术已经得到国内外越来越多的重视关注[1-2]。

飞机电源系统故障预测[3]是飞机健康管理系统的重要组成部分，而飞机电源系统故障预测的关键在于对电力电子电路的故障预测，因此对电力电子电路故障预测关键技术研究在飞机的健康管理系统中具有十分重要的理论意义和应用前景。

另外，由于各种电力电子设备在国民生产及人民生活中的广泛应用，能及时保证各种设备的良好运行，避免不必要的损失，对其的故障预测就显得尤为重要，而由于电力电子设备由很多部分组成，其中包括电力电子主电路、电动机、发电机和各种应用电路等。

电力电子电路又是整个电力电子设备中最关键的部分，故对电力电子电路的故障预测和诊断就显得尤其重要。

1.1.2 本课题的主要思想和方法将电路特征性能参数和最小二乘支持向量机( least squares support vector machine，LS-SVM) 预测算法结合，对电力电子电路进行故障预测。

以基本降压斩波电路（buck chopper）为例，选择电路输出电压作为监测信号，提取输出电压平均值及纹波值（峰-峰值）作为电路特征性能参数，并利用LS-SVM 回归算法实现故障预测，实现电力电子电路的故障预测。

由此，本课题采用基于最小二乘支持向量机( least squares support vector machine，LS-SVM ) 的电力电子电路故障预测方法，其基本思想为: 优选电路级故障特征性能参数，利用LS-SVM回归算法预测所选故障特征性能参数，实现电力电子电路的故障预测。

1.2 电力电子电路故障诊断特点和作用1.2.1 电力电子电路故障诊断特点电力电子电路的实际运行表明，大多数故障表现为功率开器件的损坏，其中以功率开关器件的开路和直通最为常见，属于硬故障。

但是，电力电子电路的故障诊断与一般的模拟电路和数字电路的故障诊断还有一个重要的差别，那就是故障信息仅存在于发生故障到停电之前的数毫秒到数十毫秒之间，因此需要实时监视、在线诊断。

电力电子设备一旦发生故障，小则造成电器产品损坏、交通阻塞、工矿企业停产，大则会威胁人民生命、财产安全，甚至造成重大的人员伤亡或灾难事故，影响国民经济的正常运行。

所以，对电力电子电路进行故障预测和诊断显得日趋重要。

长期以来，人们采取两种维修对策：一是等设备坏了再进行维修，称为事后维修，这种办法的缺陷是经济损失很大。

二是定期检修设备，称为预防维修。

这种方法有一定的计划性和预防性，但其缺陷是如果没有故障，则没有必要的经济损失比较大。

1.2.2 电力电子电路故障预测的作用（1）实现早期预报，防止事故发生；（2）预知性维修，提高设备管理水平；（3）方便检修，缩短了维修时间，提高设备利用率；（4）对提高设备的设计制造水平，改善产品质量有指导意义。

1.3 传统的电力电子电路故障诊断方法一般来说，电力电子电路故障诊断技术包括两方面的内容：一是故障信息的检测：以一定的检测技术，获取故障发生时的所需故障信息，供故障分析，推理用；二是故障的诊断：依据检测的故障信息，运用合适的故障诊断方法，对故障进行分析、推理，找出故障发生的原因并定位故障发生部位。

传统的故障诊断方法在电力电子电路故障诊断中也得到的广泛应用，如故障字典法、故障树、专家系统等[4]。

(1)故障字典法。

把一组典型的测量特征值和故障值以一定的表格形式存放，通过比较测量值和特征值，判断故障。

先用计算机对电路正常状态和所有硬故障状态模拟，建立故障字典。

然后对端口测试进行分析，以识别故障，即将选定节点上测出的电压与故障字典中电压比较，运用某些隔离算法查出对应故障。

故障字典法对于模拟电路和数字电路故障诊断具有很大的实用价值，但故障字典法只能解决单故障诊断，多故障的组合数大，在实际中很难实现。

(2)故障树法。

故障树诊断法就是对可能造成系统失效的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素）进行分析，画出逻辑框图，即故障树，从故障树的顶事件进行搜索从而找出故障原因的方法。

故障树表达了系统内在联系，并指出了元部件故障与系统之间的逻辑关系。

故障树诊断直观、灵活、通用，但建树工作量大，繁琐易错，对诊断故障空间较小的问题比较合适。

(3)残差法。

残差法是一种基于解析模型的故障诊断方法。

即通过研究实际系统与参考模型特征输出量间的残差来进行电力电子装置主电路在线故障诊断和故障定位的过程。

该方法同样适用于逆变器主电路的故障诊断，参考模型法用于电力电子电路的故障诊断具有检测量少、判据简单且与输出大小无关的特点。

特别是在复杂电力电子电路的故障诊断中该法的优势更加明显。

(4)直接检测功率器件两端电压或桥臂电流的方法。

通过检测各功率器件两端的电压，或检测各桥臂电流，得到功率器件的工作方式，再与触发脉冲进行时序逻辑比较，从而判断被诊断对象是否故障，此方法需要检测每个被诊断器件的电压和电流，所需测点较多，需要专门的检测电路和逻辑电路。

该方法还可以通过测量电路的输入输出来实现故障诊断。

正常工作时，电路的输入输出在一定的范围内变动，当超出此范围时，可认为故障已经发生。