基于小波分析的船舶同步發電機定子繞組故障在線診斷仿真研究

崔志超 阮礽忠 徐華勇 陳 甜 鄭依妹

集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021

基于小波分析的船舶同步發電機定子繞組故障在線診斷仿真研究

崔志超 阮礽忠 徐華勇 陳 甜 鄭依妹

集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021

應用MATLAB／Simulink仿真軟件，對船舶同步發電機定子繞組兩種匝間短路故障進行了建模仿真，然后運用MATLAB小波工具箱里的小波函數對仿真的故障信號進行了分析，實現了故障特征提取，表明小波方法對船舶同步發電機定子繞組故障實現在線監測并診斷是可行的，為設計船舶同步發電機定子繞組故障在線監測診斷儀提供了理論依據。

船舶同步發電機；定子繞組；故障診斷；小波分析

1 引言

船舶同步發電機是船舶電力系統的核心，因此，現代船舶要求對船舶同步發電機運行過程中出現的各種故障，要能做到適時、準確地檢測和診斷，以便及時排除故障，保證船舶電力系統的供電可靠性［1］。

小波分析作為數學學科的一個分支，汲取了現代分析學中如泛函分析、數值分析、傅氏分析等眾多分支的精華［2］，同時，其還具有時頻特性及多分辨率分析的特點，特別適于分析船舶同步發電機中的暫態非平穩信號，可充分有效地提取故障信號的特征［3］。因此，本文將小波分析方法應用到了船舶同步發電機的內部故障在線診斷中，并對其進行了仿真研究。

2 小波分析原理

小波就是小的波形，“小”是指其具有衰減性，“波”則指它的波動性，即振幅正負相間的振蕩形式［4］。設ψ（t）∈L2（R），當滿足允許條件：

我們稱ψ（t）為一個基小波。對于一個給定的基小波ψ（t），將其伸縮和平移后，可以得到一個小波序列，對于連續的情況，小波序列為：式中，a為伸縮因子；b為平移因子。

再設f（t）∈L2（R），則f關于函數族ψa，b（t）為積分核的連續小波變換定義為：

3 定子匝間短路故障

在船舶同步發電機故障中，定子繞組故障所占的比例相對較高，而定子匝間短路則只是常見的故障形式。定子匝間故障應分為少匝數匝間短路故障和多匝數匝間短路故障兩種，前者短路環流小，同步發電機屬帶病工作；后者短路環流大，線圈極易燒毀，屬嚴重故障［5］。多匝數匝間短路一般都是由少匝數匝間短路發展而來，所以，及時檢測、診斷出少匝數匝間短路故障并維修就可防止多匝數匝間短路故障的發生。

船舶同步發電機發生匝間短路故障后，定子繞組的對稱性就會遭到破壞，由定子繞組產生的氣隙磁勢將變為橢圓形。該橢圓形磁勢可分解為正轉分量和反轉分量，二者轉速相同、轉向相反，凸極式同步發電機的阻尼作用一般較差，負序磁場則可能更強。反轉分量可在定子繞組中感應出交流電勢，因此，定子電流中除了主要的正序分量外，同時還會出現一定程度的負序分量，這就是主要的故障特征。少匝數故障與多匝數故障間的主要區別在于量的變化。少匝的故障量小，不易被檢測出，但它的奇異性是存在的，可用小波方法檢測出。

4 仿真實現

MATLAB／Simulink可以與MATLAB實現無縫結合，可直接使用MATLAB中的所有分析工具并對得到的結果進行分析，同時，還能可視化顯示其結果［6］。

定子匝間短路屬定子內部不對稱故障，對同步發電機的內部參數進行不對稱設置即可形成匝間短路故障。下面將以定子A相繞組發生匝間短路為例進行分析，如圖1所示。

Simulink中提供的同步發電機模型是基于Park方程的模型，其三相參數是對稱的，而定子繞組內部的短路故障卻是不對稱故障，不能應用現有模型進行仿真，因此，本文提出采用準分布式發電機等效電路來近似模擬同步發電機的特性。定

根據國產某船用同步發電機定子繞組線圈匝數，本文選擇每相由兩個分支并聯構成，每個分支由20個基本單元電路串聯而成。

對于少匝數匝間短路故障，選擇三相中第一相第一分支的一端的第一個單元電路作為短路回路并建立仿真模型。其中，Subsystem1～5由20個基本單元電路串聯而成，而Subsystem子系統則由19個基本單元電路串聯組成，另一單元電路作為短路單元，這樣，便可建立仿真模型，如圖3所示。運行仿真，可得到少匝數匝間短路故障的電流與電壓，如圖4～6所示。由圖可見，故障相的電壓變化并不大，而短路環流則是從無到有，但在外部無法檢測出。

對于多匝數匝間短路故障，選擇三相中第一相第一分支的一端的5個單元電路作為短路回路并建立仿真模型。其中，Subsystem1～5由20個基本單元電路串聯而成，而Subsystem子系統則由15個基本單元電路串聯組成，另5個單元電路組成Subsystem0，作為短路單元，這樣，便類似于少匝數匝間短路時的情況，可建立仿真模型。運行仿真，得到多匝數匝間短路故障的電流與電壓，如圖7～10所示。由圖可見，故障相的電壓明顯下降，這說明多匝數匝間短路故障的外特征較明顯。

對比以上仿真結果圖可看出，少匝數故障與多匝數故障的短路相電壓波形區別較大，而正常相的電壓波形則基本一樣。少匝數故障與多匝數故障的短路相電流波形區別很大，多匝數故障的短路相電流要比少匝數故障大得多，這說明仿真結果與實際分析結果基本一致。需指出的是，圖的后段波形是仿真計算不收斂引起的。

Daubechies（db）小波函數是一有限緊支集正交小波基。研究表明，對于給定的具有N階消失矩的正交小波基，低級小波分解的精細不夠，識別時會產生較大誤差，而消失矩階數越高，小波基的分辨率也越高。但隨著階數的增加，受噪聲程度的影響，在db函數支撐長度相差不大時，識別率會有波動情況出現，其時域局域性變差，不利于在時域上確定信號位置，正交小波基的性能有所下降［7-9］。

船舶同步發電機的故障信號為奇異信號，其故障暫態信號具有不確定的奇異度，為有效確定故障信號的奇異性特征，所選的小波基必須為具有足夠階數的消失矩［10］。經比較分析，本文選取正交性能較好的db5小波函數來對仿真信號進行三層小波分解。

應用小波分析函數分別對兩種不同故障情況的短路相空載電壓進行小波分解，得到了不同層的細節系數，如圖11和圖12所示。其中，s為原始信號，a3、d3、d2、d1分別為db5小波函數處理后的信號和1～3層分解后的信號，s＝a3+d3+d2+d1。

經過db5小波函數的3層分解，從圖11和圖12的波形可看出，發生匝間短路故障時，由于同步發電機的對稱性被破壞，模擬信號的d1、d2層出現了突變，根據這一變化，可以準確發現故障并實現故障診斷。同時，還能準確確定故障發生的時刻，如圖的第200 ms時刻，即為該時刻發生了故障。該方法不僅能檢測出較嚴重的多匝數故障，也能對少匝數不明顯故障情況進行準確檢測并診斷。

5 結 論

本文對將小波分析法應用于船舶同步發電機定子兩種不同情況的匝間短路故障進行了仿真分析，發現在船舶同步發電機定子兩種不同情況的匝間短路故障出現時，其故障信號發生了突變，而應用小波分析能夠實現故障特征的提取，其對船舶同步發電機定子繞組的匝間短路故障的診斷是有效的，為船舶同步發電機內部故障的在線檢測和診斷儀的設計提供了理論依據。只要同步發電機一啟動，空載運行進行在線檢測，就能檢測出是否存在繞組匝間短路故障，以防帶載后故障擴大，從而使故障損失減少到最小。它也可以與繼電保護配合，有效保護發電機。可見，研發這種診斷儀具有重大的實用價值。

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［2］ 梁學章.小波分析［M］.北京：國防工業出版社，2005.

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［4］ 任震，黃雯瑩，黃群古，等.小波分析及其在電力系統中的應用［M］.北京：中國電力出版社，2003.

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［7］ 周偉主編.MATLAB小波分析高級技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2006.

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［10］飛思科技產品研發中心編著.小波分析理論與MATLAB7實現［M］.北京：電子工業出版社，2005.

Online Fault Diagnosis Simulation of Stator Winding of Marine Synchronous Generator Based on Wavelet Analysis

Cui Zhi-chao Ruan Reng-zhong Xu Hua-yong Chen Tian Zheng Yi-mei
Marine Engineering College，Jimei University，Xiamen 361021，China

Abstrack：MATLAB／Simulink was applied to simulate the shorted fault between two circles of stator winding of marine synchronous generator.Then the wavelet function in minor MATLAB wavelet toolbox was adopted to analyze the signal of malfunction and recognize the fault characteristics.Simulation results show that it is practical for the use of wavelet to conduct online monitoring and diagnosis to the fault of stator winding of marine synchronous generator，hence，providing theoretical basis for the design of apparatus for online faults monitoring and diagnosis of stator winding of marine synchronous generator.

marine synchronous generator；stator winding；fault diagnosis；wavelet analysis

U665.11

A

1673－3185（2011）02－69－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.014

2010-07-16

崔志超（1983－），男，碩士研究生。研究方向：船舶電氣工程及其自動化。E-mail：cjcme@163.com

阮礽忠（1957－），男，教授。研究方向：船舶電氣工程及其自動化。E-mail：ruanrengzhong@163.com