一種基于蟻群算法的多功率模塊并聯(lián)系統(tǒng)的故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子設(shè)備故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于蟻群算法的多功 率模塊并聯(lián)系統(tǒng)的故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)能源的日益匿乏和環(huán)境的日趨惡化，極大地促進(jìn)了新能源的發(fā)展，新能源發(fā) 電的規(guī)模也快速攀升。但風(fēng)電、太陽能發(fā)電自身所固有的隨機(jī)性、間歇性特征，決定了其規(guī) ?；l(fā)展必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來顯著影響，必須有先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)作支 撐。多能源儲(chǔ)能系統(tǒng)中含有直流母線和交流母線，其中各個(gè)新能源發(fā)電端和儲(chǔ)能元件端通 過多個(gè)并聯(lián)的直流-直流變換器功率模塊連接到直流母線，然后直流母線通過并聯(lián)的多個(gè) 直流-交流逆變器功率模塊連接到交流母線，交流母線連接到獨(dú)立負(fù)載或者電網(wǎng)側(cè)。
[0003] 電力電子電路故障診斷是保證多能源儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)種可靠工作的重要保障和關(guān)鍵 技術(shù)，面向多功率模塊并聯(lián)的應(yīng)用場合，模塊級(jí)的故障診斷技術(shù)能快速有效地定位故障模 塊，為后續(xù)容錯(cuò)控制策略提供技術(shù)支持。對(duì)于已有通信鏈路的多功率模塊并聯(lián)系統(tǒng)，上層控 制器可W通過通信命令來控制各個(gè)模塊的運(yùn)行W及功率的分配，實(shí)現(xiàn)了功率的靈活配置。 模塊級(jí)故障診斷大大提高了多能源儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性W及可維護(hù)性。但是由于模塊的精確 模型難W確定，想要通過基于具體模型的方法來進(jìn)行故障診斷存在一定的困難，因而，基于 群體智能的蟻群算法更適合實(shí)際工程的應(yīng)用。
[0004] 蟻群算法具有并行性、正反饋、健壯性等特點(diǎn)，已經(jīng)被成功地應(yīng)用于求解許多復(fù)雜 的組合優(yōu)化問題。意大利學(xué)者M(jìn)acro Dorigo等首先將該方法用于求解著名的旅行商問題， 隨后諸多學(xué)者陸續(xù)使用蟻群優(yōu)化算法解決了二次分配問題、皇后問題等。在解決運(yùn)些較復(fù) 雜的問題方面，較之于傳統(tǒng)的優(yōu)化算法，蟻群優(yōu)化方法表現(xiàn)出了良好的性能。因此，嘗試用 蟻群算法來進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的故障診斷，并得到了很好的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種基于蟻群算法的多功率模塊并聯(lián)系統(tǒng)的故障診斷方法，其將蟻 群算法應(yīng)用到電力電子電路系統(tǒng)級(jí)故障診斷中，該方法僅通過功率模塊上傳的少量的電氣 特征量數(shù)據(jù)，建立環(huán)形比較圖結(jié)構(gòu)，利用蟻群算法就能快速準(zhǔn)確得進(jìn)行故障診斷，抗干擾性 強(qiáng)、可靠性高，適合實(shí)際工程的應(yīng)用。
[0006] -種基于蟻群算法的多功率模塊并聯(lián)系統(tǒng)的故障診斷方法，包括如下步驟：
[0007] (1)采集系統(tǒng)中各功率模塊的電氣特征量，然后將各功率模塊W節(jié)點(diǎn)形式依次連 接成環(huán)形結(jié)構(gòu)，通過比較相鄰節(jié)點(diǎn)的電氣特征量確定得到系統(tǒng)的癥候巧?;:
[000引（2)初始化各節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)：正?；蚬收希粚?duì)于任一節(jié)點(diǎn)根據(jù)癥候馬計(jì)算該節(jié) 點(diǎn)為正常狀態(tài)和故障狀態(tài)的概率，進(jìn)而根據(jù)所述的概率更新該節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，依此從第 一個(gè)節(jié)點(diǎn)開始逐個(gè)遍歷所有節(jié)點(diǎn)后即完成一次蟻群遍歷；
[0009] (3)反復(fù)執(zhí)行蟻群遍歷，每次蟻群遍歷結(jié)束后計(jì)算更新各節(jié)點(diǎn)在正常狀態(tài)和故障 狀態(tài)下累積的信息素，進(jìn)而根據(jù)各節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前狀態(tài)下累積的信息素判斷是否終止蟻群遍 歷，若終止，則使各節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)即對(duì)應(yīng)為各功率模塊的工作狀態(tài)。
[0010]所述的癥候巧由η個(gè)比較值組成即〇v=j>,-(l)巧-(2)，...，巧·("；)]，:其中〇[0')表 示第i節(jié)點(diǎn)與其前一節(jié)點(diǎn)關(guān)于電氣特征量的比較值，若第i節(jié)點(diǎn)與其前一節(jié)點(diǎn)的電氣特征量 相同，則0>(0二0;若第巧點(diǎn)與其前一節(jié)點(diǎn)的電氣特征量不同，則町(/) =1 ;功自然數(shù)且1 < i < n，n為系統(tǒng)中功率模塊的個(gè)數(shù)。
[0011] 所述的步驟(2)中通過W下公式計(jì)算節(jié)點(diǎn)為正常狀態(tài)和故障狀態(tài)的概率：
[0012]
[0013] 其中：P(i，s)表示第i節(jié)點(diǎn)為S狀態(tài)的概率，s = 0或1，0表示正常，1表示故障；T(i, S)表示S狀態(tài)下媽蟻在第i節(jié)點(diǎn)上釋放的信息素且0含T(i，s)含l，ri(i，s)表示第i節(jié)點(diǎn)在S狀 態(tài)下的啟發(fā)式信息且0含n(i，s) < 1，α和β均為預(yù)設(shè)的權(quán)重系數(shù)，i為自然數(shù)且1含i <n，n為 系統(tǒng)中功率模塊的個(gè)數(shù)。
[0014] 所述信息素 T(i，s)的表達(dá)式如下：
[0015]
[0016] 其中：σγ(0和σγ(/ +1)分別為癥候聽中的第i個(gè)比較值和第i+i個(gè)比較值，郵Q， S)表示當(dāng)?shù)趇節(jié)點(diǎn)為S狀態(tài)其他節(jié)點(diǎn)均為當(dāng)前狀態(tài)時(shí)第i節(jié)點(diǎn)與其前一節(jié)點(diǎn)關(guān)于電氣特征量 的比較值，若第i節(jié)點(diǎn)與其前一節(jié)點(diǎn)均為正常狀態(tài)，則〇F(i，S)=0;若第i節(jié)點(diǎn)與其前一節(jié)點(diǎn) 其中一個(gè)為正常狀態(tài)另一個(gè)為故障狀態(tài)，則〇F(i，S) = l;若第i節(jié)點(diǎn)與其前一節(jié)點(diǎn)均為故障 狀態(tài)，則〇。(1，3)=0/1;〇。。+1，3)表示當(dāng)?shù)?+1節(jié)點(diǎn)為3狀態(tài)其他節(jié)點(diǎn)均為當(dāng)前狀態(tài)時(shí)第1+1 節(jié)點(diǎn)與其前一節(jié)點(diǎn)關(guān)于電氣特征量的比較值，若第i+1節(jié)點(diǎn)與其前一節(jié)點(diǎn)均為正常狀態(tài)，貝U 叩(i+l，s)=0;若第i+1節(jié)點(diǎn)與其前一節(jié)點(diǎn)其中一個(gè)為正常狀態(tài)另一個(gè)為故障狀態(tài)，則叩(i+ 1，s) = i;若第i+1節(jié)點(diǎn)與其前一節(jié)點(diǎn)均為故障狀態(tài)，則〇F(i+i ,s)=o/i ;|ono| = |ini| = i，|oni| = |ino|=o，|ono/i| = |ino/i|=o.5。
[0017] 所述啟發(fā)式信息η( i，S)的定義如下：
[001引若第i-l節(jié)點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)為正常且癥候馬中的第i個(gè)比較值腳=0,則ri(i，0) = i，n(i，i)=0;
[0019] 若第i-i節(jié)點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)為正常且癥候巧^中的第i個(gè)比較值σ-,:(/)二1，則n(i，〇) = 〇，n(i，i) = i;
[0020] 若第i-1節(jié)點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)為故障且癥候丐中的第i個(gè)比較值則ri(i，〇) = 〇，n(i，i) = i;
[0021] 若第i-l節(jié)點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)為故障且癥候巧中的第i個(gè)比較值σ·,(!'）=1，則n(i，〇) = 0.5，ri(i，l)二0·5〇
[0022] 所述的步驟(2)中通過W下關(guān)系式更新節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)：
[0023]
[0024] 其中：s(i)為第i節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，P(i，0)和P(i，l)分別為第i節(jié)點(diǎn)為正常狀態(tài)和 故障狀態(tài)的概率，K為預(yù)設(shè)的縮小因子，rand為0到1之間的隨機(jī)數(shù)，i為自然數(shù)且1含i <n，n 為系統(tǒng)中功率模塊的個(gè)數(shù)。
[0025] 所述的步驟(3)中通過W下公式計(jì)算更新各節(jié)點(diǎn)在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下累積的 信息素：
[0026] γ (i,s)r=p[ γ (i ,s)r-l+x(i ,s)r]
[0027] 其中：T(i，s)r表示第r次蟻群遍歷過程中s狀態(tài)下媽蟻在第i節(jié)點(diǎn)上釋放的信息 素 ，S = 0或1，0表示正常，1表示故障；Y(i，S)r和丫（i，s)r-汾別為第r次蟻群遍歷結(jié)束后和 第r-1次蟻群遍歷結(jié)束后第i節(jié)點(diǎn)在S狀態(tài)下累積的信息素，丫。，3)1 = 01。，3)1，0為預(yù)設(shè)的 揮發(fā)系數(shù)，r為遍歷次數(shù)，i為自然數(shù)且1含i含n，n為系統(tǒng)中功率模塊的個(gè)數(shù)。
[0028] 所述的步驟(3)中若W下關(guān)系式成立，則蟻群遍歷終止：
[0029]
[0030] 其中：δ為預(yù)設(shè)的收斂系數(shù)，丫（i，s(i))r為第r次蟻群遍歷結(jié)束后第i節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前 狀態(tài)S (i)下累積的信息素。
[0031] 本發(fā)明針對(duì)多功率模塊并聯(lián)應(yīng)用系統(tǒng)，將各個(gè)功率模塊W節(jié)點(diǎn)形式排列成環(huán)形比 較圖結(jié)構(gòu)，根據(jù)對(duì)稱比較模型，得到含有信息素和啟發(fā)式信息的完整的媽蟻系統(tǒng)。在此基礎(chǔ) 上，本發(fā)明運(yùn)用蟻群算法單方向遍歷環(huán)形比較圖，通過信息素的不斷修正更新，完成系統(tǒng)級(jí) 的故障診斷過程，快速有效得判定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障狀態(tài)。本發(fā)明為模塊級(jí)的故障診斷方法， 能夠快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行多功率模塊并聯(lián)系統(tǒng)的故障診斷。
【附圖說明】
[0032] 圖1為多能源儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033] 圖2為本發(fā)明故障診斷方法的步驟流程示意圖。
[0034] 圖3為本發(fā)明環(huán)形比較結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0035] 圖4為本發(fā)明對(duì)稱比較模型示意圖。
[0036] 圖5 (a)為并聯(lián)模塊數(shù)為10，故障模塊數(shù)為2，系統(tǒng)狀態(tài)S = [0 ; 0; 1; 1; 0 ; 0 ; 0; 0; 0 ; 0]，實(shí)際系統(tǒng)癥候〇F= [0 ;0; 1; 1; 1 ;0;0;0;0;0]時(shí)的系統(tǒng)癥候?目息素收斂曲線不意。
[0037] 圖5 (b)為并聯(lián)模塊數(shù)為10，故障模塊數(shù)為2，系統(tǒng)狀態(tài)S = [0 ; 0; 1; 1; 0 ; 0 ; 0; 0; 0 ; 0]，實(shí)際系統(tǒng)癥候叩=[0;0;1;1;1;0;0;0;0;0]時(shí)本發(fā)明算法的診斷結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案 進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0039] 圖1為多能源儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，能源儲(chǔ)能部分包括燃料電池、光伏電池、超 級(jí)電容和裡電池等低壓直流環(huán)節(jié)，通過直流-直流變換器多功率模塊并聯(lián)系統(tǒng)與高壓直流 母線相連接，直流母線與交流母線通過直流-交流變換器多功率模塊并聯(lián)系統(tǒng)相連接，交流 母線為負(fù)載提供能量并與電網(wǎng)進(jìn)行能量傳輸。本發(fā)明基于蟻群算法的多功率模塊并聯(lián)系統(tǒng) 故障診斷方法既適用于直流-直流變換器多功率模塊并聯(lián)系統(tǒng)也適用于直流-交流變換器 多功率模塊并聯(lián)系統(tǒng)。本實(shí)施例W直流-交流變換器多功率模塊并聯(lián)系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行 具體說明。
[0040] 如圖2所示，本實(shí)施方式故障診斷方法包括W下步驟：
[0041] (1)#2主控制器采集直流-交流變換器多功率模塊并聯(lián)系統(tǒng)中每個(gè)DC/AC模塊的電 氣特征值(如模塊的電壓、電流或者其他電氣量）。
[0042] (2)將各個(gè)DC/A對(duì)莫塊W節(jié)點(diǎn)形式排列成環(huán)形比較圖結(jié)構(gòu)，根據(jù)對(duì)稱比較模型得到 系統(tǒng)的癥候項(xiàng)，并隨機(jī)設(shè)定各節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)。
[0043] 2.1將各個(gè)DC/AC模塊W節(jié)點(diǎn)形式排列成環(huán)形比較圖結(jié)構(gòu)，如圖3所示，#1DC/AC模 塊對(duì)應(yīng)環(huán)形比較圖結(jié)構(gòu)中的1號(hào)節(jié)點(diǎn)，#2DC/AC模塊對(duì)應(yīng)環(huán)形比較圖結(jié)構(gòu)中的2號(hào)節(jié)點(diǎn)，W此 類推，#nDC/A對(duì)莫塊對(duì)應(yīng)環(huán)形比較圖結(jié)構(gòu)中的η號(hào)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)環(huán)形比較圖結(jié)構(gòu)。
[0044] 2.2圖4為對(duì)稱比較模型（結(jié)點(diǎn)狀態(tài)正常用0表示，故障用1表示），如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)狀 態(tài)均為正常，則電氣特征量相同，比較結(jié)果為0;如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)狀態(tài)一個(gè)正常另一個(gè)故障，貝U 電氣特征量不同，比較結(jié)果為1;如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)狀態(tài)均為故障，則電氣特征量可能相同也可 能不同，比較結(jié)果為0或者1。根據(jù)圖4的對(duì)稱比較模型得到系統(tǒng)的癥候巧，其中 σ·| 二[口| (l)，f7| (2)，...巧(")]。
[0045]