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EAST等离子体垂直位移快速控制系统是国家“九五”大科学工程EAST非圆截面大型超导托卡马克装置的一个重要子系统,对在等离子体大拉长位形下维持等离子体在垂直方向上长时间稳定运行具有重要的意义。为了快速控制等离子体垂直位移,等离子体位移快控电源设计为工作在高频高功率条件下24个相移多重化逆变单元并联的电源系统。由于快控电源系统的快速性与复杂性,进行快控电源的远程实时监控和故障实时自动诊断研究对EAST的正常运行具有非常重要的意义。
论文一方面利用小波变换对高频高功率EAST快控电源的故障诊断进行了研究并通过工程和实验进行了验证,另一方面对快控电源的监控诊断系统及远程控制与保护进行了研制。
论文着眼于信号分析与处理的故障诊断,主要从电源的输入输出信号中在线分析电源潜在的故障以及故障的变化趋势,总结出故障特征及故障判定方法,对电源进行预防性故障预警及保护,同时也可以通过历史数据对电源性能进行深层次分析,对电源主电路的硬件快速保护是一个重要补充。
根据垂直位移信号和快控电源输入和输出的非平稳性,选用小波变换来作为快控电源故障诊断的数学工具,它在处理非平稳信号方面较普遍采用的FFT等信号处理方法具有独特的优势。
论文对以全控器件IGBT作为功率器件的单个逆变单元和多个相移多重化并联单元在不同故障形式下的PWM、电压和电流信号进行了基于db4小波的故障分析,明确确定出了PWM和电压信号稳定的故障特征层以及判定故障的方法和步骤;而对电流信号的故障判定不太理想,需借助其他方法进行判定。研究结果通过仿真和故障诊断实验验证并在EAST快控电源诊断上进行了实际应用。使用本诊断方法可以快速、准确、可靠诊断和定位非平稳信号的故障,并可以降低信号检测成本提高故障诊断及远程控制与保护的可靠性。
快控电源监控诊断系统使用了光电结合的局域网诊断控制方案,根据电磁环境和距离的不同使用RJ45或100baseFX连接。在同一局域网中由在控制室的远程监控诊断计算机对现场的采集计算机、控制计算机、PLC、两台UPS以及快控电源主电路部分进行全面管理,实现了通过局域网对现场的电源和设备进行远程数据采集、数据传输、故障诊断和监控等功能。
目前作者对快控电源远程监控诊断系统的设计与研制已基本完成,已经进入最后工程调试阶段,即将投入到EAST的运行中。
本论文创新点:
1.本论文首次使用小波变换对以IGBT作为功率器件的相移多重化并联电源进行了故障诊断研究,并通过了仿真和实验以及工程的验证。该方法与普遍使用的FFT等信号处理方法相比,分析非平稳信号更准确、迅速、可靠,并能准确定位故障在信号中的位置;
2.建立了EAST等离子体垂直位移快控电源的监测诊断控制局域网,完成了由远程监控诊断计算机对现场电源和多种设备的远程数据采集、数据传输、故障诊断和监测、控制、保护等多种功能。该网络进入最后工程调试阶段即将在EAST运行中应用。