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一种基于低质量数据的三相逆变器功率开关开路故障鲁棒数据驱动诊断方法
A Robust Data-Driven Method for Open-Circuit Fault Diagnosis of Power Switches in Three-Phase Inverters With Low-Quality Data
| 作者 | Yang Xia · Yan Xu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 三相逆变器 机器学习 故障诊断 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 功率变换器 故障诊断 低质量数据 数据处理 随机向量功能链接网络 |
语言:
中文摘要
机器学习(ML)技术在电力变换器故障诊断方面显示出了巨大潜力。然而,在实际应用中,诊断处理器所测量的数据可能会受到损坏,这会降低基于机器学习的诊断模型的性能。本文提出了一种鲁棒的数据驱动方法,用于在数据存在缺失值、异常值和噪声等低质量问题的情况下进行功率开关开路故障诊断。在离线阶段,首先训练一个鲁棒子空间矩阵,用于从缺失数据和异常值中恢复受损数据。然后,通过联合稀疏编码和变换学习对恢复后的数据进一步去噪,在此过程中可以得到一个变换权重矩阵。以处理后的数据作为输入,训练一个随机向量功能链接网络来生成诊断模型。在在线阶段,首先基于训练好的矩阵对实时电流信号进行恢复/去噪,然后将其输入到训练好的诊断模型中以生成诊断结果。仿真和实时测试表明,所提出的方法在各种场景下都具有高精度和强鲁棒性。
English Abstract
Machine learning (ML) techniques have shown great potential for power converter fault diagnosis. However, the data measured by the diagnostic processor may be corrupted in real-world applications, which would degrade the performance of ML-based diagnostic models. This article proposed a robust data-driven method for power switch open-circuit fault diagnosis under low-quality data issues with missing values, outliers, noises. At offline stage, a robust subspace matrix is first trained and adopted to recover the corrupted data from missing data and outliers. Then, the recovered data is further denoized through joint sparse coding and transform learning, where a transform weight matrix can be obtained. By using the processed data as the input, a random vector functional link network is trained to generate the diagnostic model. At online stage, real-time current signals are firstly recovered/denoized based on the trained matrixes and then sent to the trained diagnostic model to generate the diagnostic result. Simulation and real-time tests have demonstrated the high accuracy and strong robustness of the proposed method under various scenarios.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对三相逆变器功率开关开路故障诊断的鲁棒数据驱动方法具有重要的应用价值。作为全球领先的光伏逆变器和储能系统供应商,阳光电源在大规模光伏电站和储能项目中部署了海量的逆变器设备,功率开关作为核心器件,其故障诊断能力直接影响系统可靠性和运维成本。
该技术的核心优势在于其对低质量数据的鲁棒性处理能力。在实际应用场景中,光伏电站和储能系统往往分布在偏远地区或恶劣环境,数据采集链路可能面临传感器老化、通信干扰、数据丢失等问题。传统机器学习诊断方法在数据质量下降时性能严重衰退,而该方法通过离线训练鲁棒子空间矩阵和变换权重矩阵,能够有效恢复缺失值、剔除异常点并去除噪声,这与阳光电源智慧运维平台的实际需求高度契合。
从技术成熟度评估,该方法已完成仿真和实时测试验证,具备较好的工程化基础。对于阳光电源而言,可将其集成到现有的逆变器控制器或边缘计算单元中,实现故障的早期预警和精准定位,减少非计划停机时间,提升系统可利用率。特别是在大型地面电站和工商业储能项目中,这种诊断能力可显著降低运维人员现场巡检频次,实现预测性维护。
技术挑战主要集中在算法的轻量化部署和多场景泛化能力。阳光电源需要在计算资源受限的嵌入式平台上实现实时诊断,同时考虑不同功率等级、拓扑结构的逆变器产品适配。此外,建立涵盖多种故障模式和运行工况的高质量训练数据集也是工程化落地的关键。总体而言,该技术为阳光电源构建智能化、自诊断的新能源设备提供了重要技术路径。