基于小波分析的船舶同步发电机定子绕组故障在线诊断仿真研究

崔志超 阮礽忠 徐华勇 陈 甜 郑依妹

集美大学轮机工程学院，福建厦门 361021

基于小波分析的船舶同步发电机定子绕组故障在线诊断仿真研究

崔志超 阮礽忠 徐华勇 陈 甜 郑依妹

集美大学轮机工程学院，福建厦门 361021

应用MATLAB／Simulink仿真软件，对船舶同步发电机定子绕组两种匝间短路故障进行了建模仿真，然后运用MATLAB小波工具箱里的小波函数对仿真的故障信号进行了分析，实现了故障特征提取，表明小波方法对船舶同步发电机定子绕组故障实现在线监测并诊断是可行的，为设计船舶同步发电机定子绕组故障在线监测诊断仪提供了理论依据。

船舶同步发电机；定子绕组；故障诊断；小波分析

1 引言

船舶同步发电机是船舶电力系统的核心，因此，现代船舶要求对船舶同步发电机运行过程中出现的各种故障，要能做到适时、准确地检测和诊断，以便及时排除故障，保证船舶电力系统的供电可靠性［1］。

小波分析作为数学学科的一个分支，汲取了现代分析学中如泛函分析、数值分析、傅氏分析等众多分支的精华［2］，同时，其还具有时频特性及多分辨率分析的特点，特别适于分析船舶同步发电机中的暂态非平稳信号，可充分有效地提取故障信号的特征［3］。因此，本文将小波分析方法应用到了船舶同步发电机的内部故障在线诊断中，并对其进行了仿真研究。

2 小波分析原理

小波就是小的波形，“小”是指其具有衰减性，“波”则指它的波动性，即振幅正负相间的振荡形式［4］。设ψ（t）∈L2（R），当满足允许条件：

我们称ψ（t）为一个基小波。对于一个给定的基小波ψ（t），将其伸缩和平移后，可以得到一个小波序列，对于连续的情况，小波序列为：式中，a为伸缩因子；b为平移因子。

再设f（t）∈L2（R），则f关于函数族ψa，b（t）为积分核的连续小波变换定义为：

3 定子匝间短路故障

在船舶同步发电机故障中，定子绕组故障所占的比例相对较高，而定子匝间短路则只是常见的故障形式。定子匝间故障应分为少匝数匝间短路故障和多匝数匝间短路故障两种，前者短路环流小，同步发电机属带病工作；后者短路环流大，线圈极易烧毁，属严重故障［5］。多匝数匝间短路一般都是由少匝数匝间短路发展而来，所以，及时检测、诊断出少匝数匝间短路故障并维修就可防止多匝数匝间短路故障的发生。

船舶同步发电机发生匝间短路故障后，定子绕组的对称性就会遭到破坏，由定子绕组产生的气隙磁势将变为椭圆形。该椭圆形磁势可分解为正转分量和反转分量，二者转速相同、转向相反，凸极式同步发电机的阻尼作用一般较差，负序磁场则可能更强。反转分量可在定子绕组中感应出交流电势，因此，定子电流中除了主要的正序分量外，同时还会出现一定程度的负序分量，这就是主要的故障特征。少匝数故障与多匝数故障间的主要区别在于量的变化。少匝的故障量小，不易被检测出，但它的奇异性是存在的，可用小波方法检测出。

4 仿真实现

MATLAB／Simulink可以与MATLAB实现无缝结合，可直接使用MATLAB中的所有分析工具并对得到的结果进行分析，同时，还能可视化显示其结果［6］。

定子匝间短路属定子内部不对称故障，对同步发电机的内部参数进行不对称设置即可形成匝间短路故障。下面将以定子A相绕组发生匝间短路为例进行分析，如图1所示。

Simulink中提供的同步发电机模型是基于Park方程的模型，其三相参数是对称的，而定子绕组内部的短路故障却是不对称故障，不能应用现有模型进行仿真，因此，本文提出采用准分布式发电机等效电路来近似模拟同步发电机的特性。定

根据国产某船用同步发电机定子绕组线圈匝数，本文选择每相由两个分支并联构成，每个分支由20个基本单元电路串联而成。

对于少匝数匝间短路故障，选择三相中第一相第一分支的一端的第一个单元电路作为短路回路并建立仿真模型。其中，Subsystem1～5由20个基本单元电路串联而成，而Subsystem子系统则由19个基本单元电路串联组成，另一单元电路作为短路单元，这样，便可建立仿真模型，如图3所示。运行仿真，可得到少匝数匝间短路故障的电流与电压，如图4～6所示。由图可见，故障相的电压变化并不大，而短路环流则是从无到有，但在外部无法检测出。

对于多匝数匝间短路故障，选择三相中第一相第一分支的一端的5个单元电路作为短路回路并建立仿真模型。其中，Subsystem1～5由20个基本单元电路串联而成，而Subsystem子系统则由15个基本单元电路串联组成，另5个单元电路组成Subsystem0，作为短路单元，这样，便类似于少匝数匝间短路时的情况，可建立仿真模型。运行仿真，得到多匝数匝间短路故障的电流与电压，如图7～10所示。由图可见，故障相的电压明显下降，这说明多匝数匝间短路故障的外特征较明显。

对比以上仿真结果图可看出，少匝数故障与多匝数故障的短路相电压波形区别较大，而正常相的电压波形则基本一样。少匝数故障与多匝数故障的短路相电流波形区别很大，多匝数故障的短路相电流要比少匝数故障大得多，这说明仿真结果与实际分析结果基本一致。需指出的是，图的后段波形是仿真计算不收敛引起的。

Daubechies（db）小波函数是一有限紧支集正交小波基。研究表明，对于给定的具有N阶消失矩的正交小波基，低级小波分解的精细不够，识别时会产生较大误差，而消失矩阶数越高，小波基的分辨率也越高。但随着阶数的增加，受噪声程度的影响，在db函数支撑长度相差不大时，识别率会有波动情况出现，其时域局域性变差，不利于在时域上确定信号位置，正交小波基的性能有所下降［7-9］。

船舶同步发电机的故障信号为奇异信号，其故障暂态信号具有不确定的奇异度，为有效确定故障信号的奇异性特征，所选的小波基必须为具有足够阶数的消失矩［10］。经比较分析，本文选取正交性能较好的db5小波函数来对仿真信号进行三层小波分解。

应用小波分析函数分别对两种不同故障情况的短路相空载电压进行小波分解，得到了不同层的细节系数，如图11和图12所示。其中，s为原始信号，a3、d3、d2、d1分别为db5小波函数处理后的信号和1～3层分解后的信号，s＝a3+d3+d2+d1。

经过db5小波函数的3层分解，从图11和图12的波形可看出，发生匝间短路故障时，由于同步发电机的对称性被破坏，模拟信号的d1、d2层出现了突变，根据这一变化，可以准确发现故障并实现故障诊断。同时，还能准确确定故障发生的时刻，如图的第200 ms时刻，即为该时刻发生了故障。该方法不仅能检测出较严重的多匝数故障，也能对少匝数不明显故障情况进行准确检测并诊断。

5 结 论

本文对将小波分析法应用于船舶同步发电机定子两种不同情况的匝间短路故障进行了仿真分析，发现在船舶同步发电机定子两种不同情况的匝间短路故障出现时，其故障信号发生了突变，而应用小波分析能够实现故障特征的提取，其对船舶同步发电机定子绕组的匝间短路故障的诊断是有效的，为船舶同步发电机内部故障的在线检测和诊断仪的设计提供了理论依据。只要同步发电机一启动，空载运行进行在线检测，就能检测出是否存在绕组匝间短路故障，以防带载后故障扩大，从而使故障损失减少到最小。它也可以与继电保护配合，有效保护发电机。可见，研发这种诊断仪具有重大的实用价值。

［1］ 史际昌.船舶电气设备及系统［M］.大连：大连海事大学出版社，1998.

［2］ 梁学章.小波分析［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［3］ 杨建国.小波分析及其工程应用［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［4］ 任震，黄雯莹，黄群古，等.小波分析及其在电力系统中的应用［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［5］ 陈权涛，杨向宇.基于小波变换的发电机转子绕组匝间短路故障在线检测方法 ［J］.电机与控制应用，2007，34（12）：40－42，53.

［6］ DEVANNEAUX V，DAGUES B，FAUCHER J，et al.An accurate model of squirrel cage induction machines under stator fault［J］.Mathematics and Computer in Simulation，2003，63（3/5）：377－391.

［7］ 周伟主编.MATLAB小波分析高级技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2006.

［8］ 陈茂春.对EHV输电线路暂态保护中小波函数选择的研究［J］.电力科学与工程，2005（2）：6－8.

［9］ 田玉平.基于高频特性的发电机定子匝间短路故障信号检测［J］.船电技术，2007，27（5）：265－268，289.

［10］飞思科技产品研发中心编著.小波分析理论与MATLAB7实现［M］.北京：电子工业出版社，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，硕士研究生。研究方向：船舶电气工程及其自动化。E-mail：cjcme@163.com

阮礽忠（1957－），男，教授。研究方向：船舶电气工程及其自动化。E-mail：ruanrengzhong@163.com