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全仿真数据驱动的多相变换器故障诊断领域泛化方法
Fully Simulated Data-Driven Domain Generalized Method for Multiphase Converters Fault Diagnosis
| 作者 | Haoxiang Xu · Zicheng Liu · Guangyu Wang · Dong Jiang · Wei Sun |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年9月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 深度学习 故障诊断 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 多相变换器 故障诊断 跨域诊断 深度学习 仿真数据 |
语言:
中文摘要
本文研究了深度学习模型在多相变换器功率开关器件故障诊断中的泛化能力。传统的故障诊断方法严重依赖真实世界的故障数据进行模型训练。然而,在工业环境中,多相变换器故障发生频率低,且故障实验成本高昂,导致实际故障数据极为匮乏。这一局限使得仅基于仿真数据训练的模型在实际应用中的可靠性降低。为克服这一挑战,本文提出了一种创新方法,无需依赖实验域样本即可提高跨域故障诊断效率。首先,该研究采用一种利用相电流重构的归一化预处理策略,以减小样本间的时间差异。然后,使用卷积自编码器从多相电流信号中提取深度特征。此外,本文将深度度量学习与分类技术相结合,以增强模型的判别和聚类能力。该方法的关键优势在于,在实验域数据稀缺的情况下,仅使用仿真域数据即可实现对具有不同参数和类型的多相电机驱动系统开路故障的泛化诊断。此外,还实现了鲁棒性和快速故障诊断。实验结果和对比分析证明了所开发诊断算法的有效性。此外,本文使用的所有数据集均已公开。
English Abstract
This article investigates the generalization capabilities of deep learning models for diagnosing faults in multiphase converter power switch devices. Traditional fault diagnosis approaches depend heavily on real-world fault data for model training. However, in industrial settings, the infrequent failures of multiphase converters and the prohibitive costs of fault experiments result in a significant scarcity of actual fault data. This limitation diminishes the reliability of models trained solely on simulation data when applied to real-world situations. To overcome this challenge, this article proposes an innovative method to improve cross-domain fault diagnosis efficacy without relying on experimental domain samples. Initially, the research employs a normalization preprocessing strategy that utilizes phase current reconstruction to minimize temporal disparities among samples. A convolutional autoencoder is then used to extract deep features from the multiphase current signals. Additionally, this article integrates deep metric learning with classification techniques to enhance the model's discrimination and clustering abilities. The key advantage of this method is that in scenarios where experimental domain data is scarce, the generalization diagnosis of open-circuit faults in multiphase motor drive systems with various parameters and types can be achieved using only simulation domain data. Furthermore, robustness and rapid fault diagnosis are realized. Experimental results and comparative analyses prove the effectiveness of the developed diagnostic algorithm. Moreover, we have made all the datasets used in this article publicly available.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于纯仿真数据的多相变流器故障诊断技术具有重要的应用价值。在光伏逆变器和储能变流器等核心产品中,功率开关器件的开路故障是影响系统可靠性的关键因素。该技术通过深度学习实现跨域泛化诊断,有效解决了实际故障数据稀缺这一长期困扰行业的痛点。
该方法的核心价值在于仅依靠仿真数据即可训练出适用于真实工况的诊断模型。对于阳光电源而言,这意味着可以大幅降低故障试验成本,避免在昂贵的实际设备上进行破坏性测试。特别是在大功率储能系统和1500V高压光伏逆变器等高价值产品线上,这种技术路径的经济效益尤为显著。论文提出的相电流重构归一化预处理和卷积自编码器特征提取方法,能够有效处理不同参数和类型的多相电机驱动系统,这与阳光电源产品多样化的应用场景高度契合。
从技术成熟度评估,该方法已通过实验验证并开源数据集,表明具备一定的工程化基础。然而,实际应用仍面临挑战:一是需要验证在阳光电源特定拓扑结构(如三电平、多电平变流器)下的适应性;二是模型在极端环境条件(高温、高湿、电网扰动)下的鲁棒性需进一步测试;三是实时诊断的计算效率能否满足边缘侧嵌入式平台要求。
建议阳光电源将此技术纳入智能运维体系的研发路线图,结合现有的功率器件健康管理技术,构建从仿真到实际部署的完整工具链,提升产品全生命周期的可靠性和智能化水平,强化在全球新能源设备市场的技术领先优势。