李一卓， 高朝暉*， 郗 展， 王 爽， 李小寧， 梁源頎

(1.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710129； 2.航空工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000)

隨著飛機(jī)機(jī)載用電設(shè)備的增加和電力電子設(shè)備在飛機(jī)電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，總用電功率和電能種類的需求也日益增加，飛機(jī)供電系統(tǒng)需滿足更高的性能要求[1]。此外，電力系統(tǒng)中的諧波問題的加重也威脅著飛機(jī)的安全運(yùn)行，現(xiàn)階段降低諧波方法主要是采用多脈波整流技術(shù)，飛機(jī)電氣系統(tǒng)多采用12脈波變壓整流器(Transformer Rectifier Unit，TRU)，將115 V/400 Hz主交流電源轉(zhuǎn)換成28 V低壓直流電。變壓整流器對飛機(jī)電氣系統(tǒng)有重要的作用，但隨著使用時(shí)間的增加，變壓整流器各部件的老化問題也影響飛機(jī)的安全運(yùn)行。

目前，系統(tǒng)維保技術(shù)以事后維修和針對性預(yù)防維修等為主，這些方式耗費(fèi)資源，且效率低下。如何有效地提高飛機(jī)的安全性能，保障飛機(jī)安全飛行并降低維護(hù)費(fèi)用，成為航空領(lǐng)域至關(guān)重要的問題[2]。因此故障預(yù)測與健康管理(Prognostics and Health Management,PHM)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為提高飛機(jī)安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性的主要方法。健康管理技術(shù)利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，對系統(tǒng)的狀態(tài)信號進(jìn)行監(jiān)控，并利用智能算法，對系統(tǒng)健康狀態(tài)做出判斷，在系統(tǒng)因老化引起異常之前制定應(yīng)對方案，從而避免系統(tǒng)因異常造成的損失，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性[3]。

隨著多電與全電飛機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，飛機(jī)電源系統(tǒng)的安全性與可靠性越來越重要，而變壓整流器作為二次電源的重要組成部分，其發(fā)生故障所帶來的影響對飛行安全具有嚴(yán)重影響。將健康管理技術(shù)研究應(yīng)用于航空變壓整流器，實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓整流器健康狀態(tài)，從而對變壓整流器進(jìn)行及時(shí)維護(hù)，避免其因老化引發(fā)的故障，減少損失，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與經(jīng)濟(jì)意義。

針對以上問題，以隔離式12脈波航空變壓整流器為研究對象進(jìn)行健康管理算法研究。在對12脈波變壓整流器的組成和原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定變壓器繞組和電容為系統(tǒng)健康評估的關(guān)鍵部件，分別對電容和繞組進(jìn)行老化特性研究；搭建了變壓整流器的老化等效模型，采用蒙特卡羅分析方法，通過大量仿真數(shù)據(jù)，確定出變壓整流器三相輸入電流有效值、輸出電壓平均值和直流畸變系數(shù)作為系統(tǒng)老化特征參數(shù)，來進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)評估；采用高斯混合模型建立了變壓整流器健康基準(zhǔn)模型，計(jì)算出系統(tǒng)不同老化階段的特征參數(shù)與基準(zhǔn)模型間的馬氏距離，根據(jù)馬氏距離進(jìn)行分類，分別確定出變壓整流器繞組和電容的老化狀態(tài)；最后通過訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對變壓整流器的健康狀態(tài)的評估。

1 變壓整流器結(jié)構(gòu)分析與關(guān)鍵器件的確定

1.1 變壓整流器基本結(jié)構(gòu)

12 脈波變壓整流器的電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由移相變壓器、三相整流橋、平衡電抗器、電容、電感和負(fù)載組成，12脈波變壓整流器輸入額定電壓為三相115 V/400 Hz 交流電、輸出額定電壓為DCVd=28 V、輸出額定電流為Id=30 A。移相變壓器由輸入的三相電源給一次側(cè)星形連接繞組供電，經(jīng)過由變壓器二次側(cè)星形連接繞組和三角形連接繞組連接兩組整流橋，兩組整流橋輸出正端連接平衡電抗器。

圖1 變壓整流器的結(jié)構(gòu)圖

1.2 關(guān)鍵器件的確定

在對變壓整流器進(jìn)行健康狀態(tài)評估時(shí)，如果考慮所有部件會影響健康狀態(tài)評估的效率效果,要合理選擇健康狀態(tài)評估的監(jiān)測部件。由于系統(tǒng)關(guān)鍵部件是變壓器，且相關(guān)文獻(xiàn)對多年來變壓器發(fā)生故障的記錄研究表明，近80%的故障歸因于繞組匝間短路[4-5]，這些匝間短路故障的原因是繞組絕緣退化或磨損導(dǎo)致相鄰繞組短路。大量研究也表明，多數(shù)電力電子電路的性能退化是由于電路中元器件的失效所引起，在典型工作條件下，電解電容失效率高達(dá)60%，MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金屬一氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)失效率為31%，電感器件失效率為6%，二極管失效率為3%[6]，在充分調(diào)研后，得知變壓整流器輸出濾波電容可能由于電解液泄露導(dǎo)致電解液減少，導(dǎo)致輸出電壓紋波變大，因此把電容也列入監(jiān)測對象。通過仿真表明，隨著絕緣繞組的等效電阻與電容的電容值和等效串聯(lián)電阻值的變化，系統(tǒng)輸出特性隨之變化，因此變壓整流器的健康狀態(tài)評估關(guān)鍵部件選擇變壓器繞組和輸出濾波鋁電解電容，通過健康狀態(tài)評估算法對變壓器繞組絕緣和鋁電解電容老化狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷。

2 變壓整流器系統(tǒng)外部特征參數(shù)的選擇

由于TRU絕緣繞組以及電容的老化特性參數(shù)在工作中不易測量，只能通過可測量的外特性來對系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)評估。在變壓整流器系統(tǒng)中可測得的外特性參數(shù)有：三相輸入電流的有效值Irms和ITHD，輸出電壓的均值Vave、電壓紋波Vpeak和直流畸變系數(shù)df。

2.1 繞組絕緣外部特征參數(shù)的選擇

在考慮絕緣介質(zhì)材料的電性能時(shí)，一般按照圖2所示的等效并聯(lián)電路來研究繞組絕緣老化[7]。

其中等效電容Cp的公式如下[7]：

Cp=εrC0=εrε0S/d=2πrεrε0ω/d

(1)

式中：ε0=8.85×10-12F/m為真空介電常數(shù)；εr為相對介電常數(shù)，取值2.6 F/m；r為繞組的平均半徑；ω為繞組絕緣寬度；d為相鄰兩匝線圈的間距。計(jì)算得Cp=3.6 nF。

通過以下公式計(jì)算兩個(gè)相鄰匝之間的絕緣等效電路中的電阻Rp：

圖2 絕緣介質(zhì)的等效電路

(2)

式中：ω=2πf，f為施加的電壓頻率；δ為損耗角，表示絕緣中的介質(zhì)損耗。繞組絕緣完好時(shí)介質(zhì)損耗為0.006[8]，計(jì)算得Rp=1.85×107Ω。

由于等效電容的值Cpm基本不變，需修改等效電阻值Rpm以表示不同退化水平的絕緣繞組。繞組絕緣完好時(shí)Rpm值為3.7×107Ω，將Rpm值從3.7×107Ω減小到10-5Ω，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)刃щ娮璐笥? Ω時(shí)，各參數(shù)沒有明顯的變化，隨著變壓器內(nèi)部繞組進(jìn)一步老化，TRU輸出電壓平均值降低、紋波和直流畸變系數(shù)增大、輸入三相電流有效值增大、輸入電流減小，且電流有效值變化最大，則可通過電流有效值變化量判斷繞組老化相位，當(dāng)?shù)刃щ娮栊∮?.01 Ω時(shí)，輸入電流變化幅度很大，繞組絕緣已經(jīng)嚴(yán)重老化。

因此研究絕緣等效電阻在[0.01,1] Ω時(shí)的變化趨勢，A相電流有效值在[0.01,1] Ω內(nèi)變化趨勢如圖3所示，TRU輸入A相電流額定有效值為2.75 A，當(dāng)?shù)刃щ娮柚敌∮?.01 Ω時(shí)，初級側(cè)輸入電流大于3倍額定電流，變壓器絕緣處于極度惡劣的情況；當(dāng)?shù)刃щ娮柚档扔?.03 Ω時(shí)，初級側(cè)輸入電流約為2倍額定電流，如圖中點(diǎn)B所示；當(dāng)?shù)刃щ娮柚敌∮?.1 Ω時(shí)，初級側(cè)輸入電流大于1.2倍額定電流，如圖中點(diǎn)A所示；當(dāng)?shù)刃щ娮柚荡笥? Ω時(shí)，初級側(cè)輸入電流非常接近變壓器額定值。因此可認(rèn)為當(dāng)?shù)刃щ娮柚翟赱0.01,1] Ω范圍內(nèi)時(shí)，初級側(cè)輸入電流在額定電流和3倍額定電流之間變化，這表明變壓器繞組絕緣出現(xiàn)了老化。

在Saber模型中，可以用蒙特卡羅分析法來獲取數(shù)據(jù)，其采用均勻分布的賦值方法以″uniform(a,b)″的形式完成，其中a為取值范圍中心值，b為變化比例，參數(shù)的變化范圍為(a-ab,a+ab)，通過大量外部數(shù)據(jù)來模擬系統(tǒng)實(shí)際老化進(jìn)程，對繞組絕緣從完好到老化進(jìn)行仿真，將參數(shù)分為表1所示的4個(gè)等級。

圖3 A相電流有效值變化趨勢

表1 絕緣老化不同階段等效電阻取值范圍

模擬滿載情況下變壓器原邊和副邊A相繞組2匝繞組間絕緣老化，等效電阻Rpm取不同值時(shí)的各參數(shù)變化趨勢的仿真結(jié)果如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4 滿載工況外特性參數(shù)隨等效電阻Rpm變化時(shí)的趨勢

由圖4外特性變化趨勢可知，可通過輸入電流有效值變化量判斷繞組老化相位。但是在反映變壓器老化狀態(tài)時(shí)，外特性參數(shù)的變化趨勢呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，外特性參數(shù)可能存在冗余變量，如果同時(shí)考慮這些參數(shù)，將會增加健康管理模型的復(fù)雜度和計(jì)算量。為了精簡系統(tǒng)老化數(shù)據(jù)集，需研究測得不同外特征參數(shù)間的相關(guān)度，以下引入Pearson相關(guān)系數(shù)。Pearson相關(guān)系數(shù)能反映變量間線性相關(guān)的密切程度，對于變量X、Y之間的Pearson相關(guān)系數(shù)定義為[8]

(3)

式中：cov(X,Y)為變量的協(xié)方差；σx、σy為變量的標(biāo)準(zhǔn)差；E((X-μx)(Y-μy))為求(X-μx)(Y-μy)的數(shù)學(xué)期望，μx、μy為變量x、y的數(shù)學(xué)期望，在數(shù)值上等于其均值。

樣本變量之間相關(guān)程度的量化使用Pearson相關(guān)系數(shù)corr，其取值范圍為[-1,1]，且相關(guān)系數(shù)corr的絕對值越大，表明不同因素之間的相關(guān)程度越高，計(jì)算所有特征和類別標(biāo)號的相關(guān)性，得到參數(shù)的相關(guān)性并從高到低排列，然后根據(jù)需求選取需要的變量作為特征參數(shù)集。

以A相電流有效值為基準(zhǔn)，其余參數(shù)與A相電流有效值相關(guān)性的結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，在繞組絕緣老化時(shí)，各參數(shù)與A相電流有效值Iarms相關(guān)系數(shù)大于0.8，說明均與A相電流有效值Iarms呈強(qiáng)相關(guān)性。如果考慮全部參數(shù)，將會引入冗余變量，增加模型的復(fù)雜度和計(jì)算量，且通過仿真可知，輸出側(cè)電容的狀態(tài)不影響三相輸入電流有效值，因此選取A相輸入電流有效值作為表征繞組絕緣老化的特征參數(shù)。

表2 不同特征參數(shù)與A相電流之間的相關(guān)系數(shù)

2.2 電容外部特征參數(shù)的選擇

根據(jù)電解電容的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將其等效為圖5(a)所示的電路[9]。由于電解電容通常使用頻率較低，因此電感Ls的影響可忽略，可將圖中并聯(lián)電容電阻等效成串聯(lián)形式，得電解電容簡化的等效電路模型如圖5(b)所示。

圖5 電解電容的等效電路模型與其簡化模型

一般地，電解液損失40%即能判定電解電容失效，而ESR與電解液存在如下等式的關(guān)系：

(4)

式中：ESR0為電容的等效電阻初始值；V0為初始電解液的容量；V為當(dāng)前電解液容量。于是可得電解電容基于ESR的壽命標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)ESR超過初始值的3倍時(shí)，電解電容失效。且在電解電容退化的過程中，電容值會隨著電解電容工作時(shí)間的增加而減小，其規(guī)律近似滿足指數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律，且可將電容值減小20%作為電解電容失效的判據(jù)。使用LCR測量儀測得多個(gè)220 μF電容等效串聯(lián)電阻ESR均值為0.25 Ω，所以認(rèn)為220 μF電容處于完好狀態(tài)時(shí)電容C為220 μF、等效串聯(lián)電阻ESR值為0.25 Ω。

由文獻(xiàn)[9]中設(shè)計(jì)的電容老化實(shí)驗(yàn)得到的電容量C和等效串聯(lián)電阻ESR隨老化時(shí)間的變化趨勢可知，隨著老化時(shí)間的增加，電容容量C不斷減小，等效電阻ESR不斷增加，兩個(gè)參數(shù)同時(shí)變化,文獻(xiàn)[10]也對鋁電解電容器的失效有所研究。由于電容狀態(tài)對輸入側(cè)電流無影響，因此只記錄輸出電壓均值Vave、電壓紋波Vpeak和直流畸變系數(shù)df。對電容從完好到老化狀態(tài)進(jìn)行仿真，將參數(shù)分為表3所示的4個(gè)等級。

表3 電容容量C和等效串聯(lián)電阻ESR不同老化狀態(tài)取值范圍

通過仿真表明，隨著電容老化狀態(tài)的加劇，電壓均值Vave基本無變化，電壓紋波Vpeak和直流畸變系數(shù)df隨電容老化狀態(tài)的加劇而增大且趨勢相同，因此選取輸出電壓紋波和直流畸變系數(shù)作為表征電容老化的特征參數(shù)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵器件健康狀態(tài)評估算法研究

3.1 健康狀態(tài)評估流程

在進(jìn)行健康狀態(tài)評估前,對所用到的方法進(jìn)行簡單敘述。

高斯混合模型(Gaussian Mixture Model，GMM)是一種常用的基本分布為高斯分布的混合密度模型，它相當(dāng)于多個(gè)高斯概率密度函數(shù)的加權(quán)平均，每個(gè)高斯密度函數(shù)被稱為一個(gè)分模型，各個(gè)分模型的參數(shù)相互獨(dú)立。高斯混合模型的定義為：設(shè)某時(shí)刻的觀測值x，它的概率等于該觀測值分別屬于K個(gè)高斯分布的概率的加權(quán)和，表示為[11]

(5)

(6)

式中:ωk為高斯混合模型中各高斯分布的權(quán)重系數(shù)；Nk(x|μk,Ck)是均值為μk、協(xié)方差矩陣為Ck的第k個(gè)多維高斯概率密度函數(shù)。

馬氏距離(Mahalanobis Distance)是表示點(diǎn)與一個(gè)分布之間的距離。它是一種有效的計(jì)算兩個(gè)未知樣本集的相似度的方法。對于一個(gè)均值為μ，協(xié)方差矩陣為Σ的多變量向量，其馬氏距離為

DM=sqrt((x-μ)′Σ∧(-1)(x-μ))

(7)

由于組絕緣老化狀態(tài)分為4個(gè)狀態(tài)，采用4組輸出編碼表示絕緣老化的4個(gè)狀態(tài)，用數(shù)據(jù)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)netw時(shí)，將老化狀態(tài)與編碼一一對應(yīng)，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)輸出，對應(yīng)關(guān)系如表4所示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置如表5所示。

表4 繞組絕緣狀態(tài)對應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出

表5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)netw參數(shù)設(shè)置

以A相繞組絕緣老化為例，B相和C相繞組絕緣老化評估方法流程相同，由于4種健康狀態(tài)邊界點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)存在重合點(diǎn)，將不同狀態(tài)的數(shù)據(jù)點(diǎn)直接分類可能存在誤差，使用繞組在健康狀態(tài)為“優(yōu)”、電容健康狀態(tài)為“優(yōu)”時(shí)獲取的A相電流有效值用高斯混合模型建立健康基準(zhǔn)模型，由“優(yōu)”狀態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)高斯混合模型得到的均值與協(xié)方差的值，可計(jì)算出A相繞組絕緣狀態(tài)為“優(yōu)”、“良”、“中”和“差”時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)與健康基準(zhǔn)模型的馬氏距離，因此需要根據(jù)馬氏距離對原始數(shù)據(jù)重新分類，再使用重新分類的數(shù)據(jù)點(diǎn)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11-12]。電容老化狀態(tài)的評估算法類似，使用電容在健康狀態(tài)為“優(yōu)”、繞組絕緣健康狀態(tài)為“優(yōu)”時(shí)獲取的高斯混合模型建立健康基準(zhǔn)模型，按同樣流程進(jìn)行電容的健康狀態(tài)評估。

由仿真結(jié)果知，電容老化會引起輸出電壓紋波和直流畸變系數(shù)增大，而繞組絕緣老化不僅會引起輸入電流有效值增大，也會引起輸出電壓紋波和直流畸變系數(shù)增大。因此當(dāng)繞組絕緣及電容同時(shí)老化時(shí)，將無法通過輸出電壓紋波和直流畸變系數(shù)直接判斷電容的狀態(tài)，需要對特征參數(shù)進(jìn)行解耦[13]。

3.2 關(guān)鍵部件健康狀態(tài)的解耦算法流程

在只考慮繞組發(fā)生絕緣老化時(shí)，可以通過輸入電流有效值判斷出其老化狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上再通過輸出電壓均值和輸出電壓直流畸變系數(shù)判斷電容老化狀態(tài)。因此需要用輸入電流建立繞組絕緣完好時(shí)的健康基準(zhǔn)模型，以及電容完好時(shí)繞組絕緣分別為“優(yōu)”、“良”、“中”和“差”4組狀態(tài)時(shí)的健康基準(zhǔn)模型。解耦算法的流程如圖6所示。以滿載工況A相繞組絕緣老化為例，先建立繞組絕緣狀態(tài)處于“優(yōu)”、電容處于“優(yōu)”時(shí)的健康基準(zhǔn)模型和電容處于“優(yōu)”、繞組絕緣分別處于4種老化狀態(tài)時(shí)的4個(gè)健康基準(zhǔn)模型，由于電容老化狀態(tài)對A相輸入電流有效值沒有影響，因此可根據(jù)A相輸入電流有效值判斷出繞組絕緣狀態(tài)，再進(jìn)入繞組絕緣處于該狀態(tài)且電容處于“優(yōu)”時(shí)的健康基準(zhǔn)模型，根據(jù)輸出的電壓平均值和直流畸變系數(shù)判斷電容健康狀態(tài)。

圖6 解耦算法的具體流程圖

3.3 解耦算法實(shí)現(xiàn)

在Saber仿真軟件中模擬滿載情況下A相繞組絕緣和電容同時(shí)老化，繞組絕緣等效電阻與電容容量和等效串聯(lián)電阻處于表6所示范圍，使用蒙特卡羅分析法，每組數(shù)據(jù)循環(huán)仿真100次，獲取繞組絕緣和電容處于不同老化狀態(tài)時(shí)的外特征參數(shù)數(shù)據(jù)，并在MATLAB中使用第1組數(shù)據(jù)建立繞組絕緣狀態(tài)處于“優(yōu)”、電容處于“優(yōu)”時(shí)的繞組健康基準(zhǔn)模型，用第1、5、9、13組數(shù)據(jù)建立電容處于“優(yōu)”，繞組絕緣處于4種老化狀態(tài)時(shí)電容的4個(gè)健康基準(zhǔn)模型。

電容處于“優(yōu)”，絕緣處于不同老化狀態(tài)時(shí)為第 1、5、9、13 組，將記錄的4組經(jīng)蒙特卡羅分析法得到的A相電流波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，通過所編程序計(jì)算出400個(gè)輸入電流有效值數(shù)據(jù)點(diǎn)，作為建立高斯混合模型和訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)集。電容處于健康狀態(tài)“優(yōu)”、繞組分別處于4個(gè)健康狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布如圖7(a)所示，使用繞組處于健康狀態(tài)為“優(yōu)”時(shí)的特征參數(shù)建立健康基準(zhǔn)模型。由于此時(shí)“優(yōu)”和“良”狀態(tài)下的有效值有明顯界限，沒有重疊部分，可直接計(jì)算各狀態(tài)數(shù)據(jù)到基準(zhǔn)模型的馬氏距離，計(jì)算結(jié)果如圖7(b)所示，通過計(jì)算混疊點(diǎn)的均值作為分類閾值對原始數(shù)據(jù)重新分類，使用重新分類后的數(shù)據(jù)點(diǎn)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

表6 絕緣等效電阻及電容容量和等效串聯(lián)電阻取值設(shè)置

圖7 電容健康狀態(tài)下繞組絕緣不同狀態(tài)時(shí)特征參數(shù)與馬氏距離分布

繞組絕緣健康狀態(tài)為“優(yōu)”，電容分別處于不同狀態(tài)時(shí)為第1、2、3、4組，將記錄的4組經(jīng)蒙特卡洛分析法得到的輸出直流電壓波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，通過所編程序計(jì)算輸出電壓均值Vave和直流畸變系數(shù)df，作為建立高斯混合模型和訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)集，這400個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布如圖8(a)所示，使用繞組處于健康狀態(tài)時(shí)的特征參數(shù)建立電容的健康基準(zhǔn)模型。計(jì)算出“優(yōu)”健康狀態(tài)下歸一化后大于0的數(shù)據(jù)點(diǎn)與另外3種老化狀態(tài)下各數(shù)據(jù)點(diǎn)到基準(zhǔn)模型的馬氏距離如圖8(b)所示，并通過計(jì)算混合點(diǎn)的均值作為分類閾值對原始數(shù)據(jù)重新分類，使用重新分類后的數(shù)據(jù)點(diǎn)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。繞組絕緣健康狀態(tài)為“良”時(shí)，對電容健康狀態(tài)評估為“優(yōu)”的方法類似。

圖8 繞組絕緣健康狀態(tài)下電容不同狀態(tài)時(shí)特征參數(shù)與馬氏距離分布

繞組絕緣處于健康狀態(tài)為“中”，電容分別處于4個(gè)健康狀態(tài)時(shí)的仿真組為第9、10、11、12組，仿真得到的400個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布如圖9(a)所示。由于此時(shí)絕緣繞組的健康狀態(tài)對輸出特性的影響作用加重，數(shù)據(jù)點(diǎn)呈長條狀分布，4組老化狀態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)到基準(zhǔn)模型的馬氏距離甚至可能小于處于“優(yōu)”健康狀態(tài)數(shù)據(jù)長條兩端的數(shù)據(jù)點(diǎn)到基準(zhǔn)模型的馬氏距離，且通過直流畸變系數(shù)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)會出現(xiàn)混合現(xiàn)象，如圖9(b)所示，此時(shí)根據(jù)上述的馬氏距離分類方法不能準(zhǔn)確辨別電容的狀態(tài)，故選擇通過原始數(shù)據(jù)中電壓均值Vave和直流畸變系數(shù)df的對應(yīng)關(guān)系來對電容狀態(tài)進(jìn)行判斷，計(jì)算出“優(yōu)”健康狀態(tài)下的數(shù)據(jù)點(diǎn)與另外3種老化狀態(tài)下各數(shù)據(jù)點(diǎn)到基準(zhǔn)模型的馬氏距離，如圖9(c)所示，通過計(jì)算混合點(diǎn)的均值作為分類閾值對原始數(shù)據(jù)重新分類，使用重新分類后的數(shù)據(jù)點(diǎn)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。繞組絕緣健康狀態(tài)為“差”時(shí)，仿真數(shù)據(jù)點(diǎn)分布與繞組絕緣健康狀態(tài)為“中”的方法類似。

圖9 繞組絕緣“中”狀態(tài)下電容不同狀態(tài)時(shí)特征參數(shù)與馬氏距離分布

3.4 解耦算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該解耦算法對變壓整流器系統(tǒng)健康狀態(tài)評估的準(zhǔn)確性，在滿載工況下，分別在Saber中對繞組絕緣等效電阻、電容容量和等效串聯(lián)電阻按照表4中的16組范圍賦值，每組數(shù)據(jù)進(jìn)行25次蒙特卡羅分析，記錄每組由蒙特卡羅分析法所獲得的A相電流有效值、輸出電壓均值和直流畸變系數(shù)，將16組仿真組分為4組測試集分別驗(yàn)證對繞組絕緣以及電容老化狀態(tài)的判斷，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)期望輸出結(jié)果與實(shí)際輸出結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證結(jié)果如表7所示，可以看出該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對各健康狀態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)判斷的準(zhǔn)確性均在90%以上，符合預(yù)期目標(biāo)，因此該解耦算法可用于變壓整流器的健康狀態(tài)評估。

表7 測試數(shù)據(jù)的期望輸出與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出對比

系統(tǒng)整體健康狀態(tài)評估流程如圖10所示，首先通過導(dǎo)入的輸出電流均值判斷出系統(tǒng)的工況：計(jì)算三相輸入電流有效值與此工況下絕緣完全健康時(shí)所測三相輸入電流有效值差值，即將ΔIarms、ΔIbrms、ΔIcrms3個(gè)值進(jìn)行比較，電流差值最大相為發(fā)生絕緣老化的相位；然后使用對應(yīng)工況和發(fā)生繞組絕緣老化的相下建立的健康狀態(tài)評估算法模型進(jìn)行評估。如圖10中判斷出繞組絕緣老化狀態(tài)為滿載A相繞組絕緣老化，使用在滿載A相絕緣老化時(shí)的健康基準(zhǔn)模型進(jìn)行判斷，根據(jù)輸入的A相電流有效值Iarms可以判斷出繞組絕緣的健康狀態(tài)，然后通過輸出電壓直流畸變系df和輸出電壓均值Vave，由該繞組絕緣狀態(tài)下電容的健康狀態(tài)評估模型判斷出電容的健康狀態(tài)，完成變壓整流器系統(tǒng)健康狀態(tài)評估，其他工況和繞組絕緣老化時(shí)的健康狀態(tài)評估流程與上述相同。

圖10 系統(tǒng)整體健康狀態(tài)評估流程圖

4 結(jié)束語

本文以航空變壓整流器為對象，研究其健康狀態(tài)評估算法，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)變壓整流器系統(tǒng)健康狀態(tài)的評估。首先分析了變壓整流器的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理，對變壓整流器的老化關(guān)鍵部件進(jìn)行選取，通過Saber軟件進(jìn)行蒙特卡羅分析獲取不同老化狀態(tài)的變壓整流器輸出特性，提取能夠表征變壓整流器健康狀態(tài)的外特征參數(shù),根據(jù)提取的外特征參數(shù)，分別建立繞組和電容的健康基準(zhǔn)模型，并根據(jù)各狀態(tài)的數(shù)據(jù)點(diǎn)與健康基準(zhǔn)模型的馬氏距離對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，然后使用分類后的數(shù)據(jù)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估。

此外，針對繞組絕緣和電容同時(shí)老化的情況，給出了采取解耦算法的流程：首先通過輸入電流判斷出繞組健康狀態(tài)，再根據(jù)繞組處于該狀態(tài)時(shí)的電容健康基準(zhǔn)模型，使用健康狀態(tài)評估算法評估電容的健康狀態(tài)。同時(shí)，本文僅考慮了不同工況時(shí)，繞組絕緣和電容的健康狀態(tài)評估，未考慮三相不平衡時(shí)的情況，同時(shí)本文中變壓整流器的數(shù)據(jù)獲取是通過仿真獲得，與實(shí)際數(shù)據(jù)有一定差別，希望今后可以獲得飛機(jī)變壓整流器實(shí)際數(shù)據(jù)，從而提高健康狀態(tài)評估算法的準(zhǔn)確性。