上海交通大学王亚林等：基于局部放电和深度学习神经网络的电动飞机推进电机绕组绝缘状态预警

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《Insulation condition forewarning of form-wound winding for electric aircraft propulsion based on partial discharge and deep learning neural network》（点击阅读原文）

题目：基于局部放电和深度学习神经网络的电动飞机推进电机绕组绝缘状态预警

作者：王亚林， 吴建东， 韩韬， Kiruba Haran， 尹毅. 

内容整理自《High Voltage》2021年第6卷第2期。

研究背景

电动飞机使用电动力推进系统代替内燃机动力，节能环保，效率高，能耗低，同时实现接近零排放，噪声和振动水平很低，乘坐舒适性好。电动飞机的推进电机需要具有较大的功率来满足飞机推进力的要求，这也需要更加激进的热量管理设计或更高性能的绝缘材料。此外，推进电机在低气压（万米高空0.2个大气压）的环境下工作，更容易引发局部放电等导致绝缘老化的现象。目前针对电机绝缘的监测手段仅仅获得当前的绝缘状态是远远不够的，需要将历史和实时的绝缘状态进行趋势分析，用于预测绝缘剩余寿命或进行主动预警是更为有效的保障可靠性的手段。

本文在国内外首次针对电动飞机推进电机，利用人工智能算法对线圈绝缘局部放电参量提取并预测绝缘状态，实现主动预警的功能。

老化数据与预测算法

对推进电机的定子绝缘线圈进行低气压下（0.2 atm）热电联和老化（240 ℃，2000~2800 V），测量全寿命周期局部放电特性，提取提取放电量Q、放电次数n和放电间隔δt等关键参量。每个周期放电量和放电次数大致呈现上升趋势，放电间隔呈现下降趋势。

图2 老化实验过程中放电量Q、放电次数n和放电间隔δt等关键参量变化趋势

采用自编码器将放电量Q、放电次数n和放电间隔δt三个特征变量数据作为输入。训练自编码器使得输出和输入相同。将中间隐含层的变量提取出来作为失效预兆变量，对特征参量的变化趋势进行信息提取。

图3 使用的自编码器结构图4 提取的失效预兆变量随老化时间的变化趋势

使用LSTM对全寿命周期失效预兆变量进行学习，输入前50秒的历史数据，预测后50秒的数据。结果表明LSTM预测结果精确度好于传统的支持向量机（SVM）和差分整合移动平均自回归模型（ARIMA），相对误差小于3%，实现较为精准的多时间步长预测。

图5 LSTM对失效预兆变量预测结果与实测结果的对比

主动预警策略

使用离线训练和在线实时预测相结合的策略，将模型布置到在线监测系统中，根据实测数据进行失效预兆变量预测，可以用实测数据对训练数据库进行更新，对模型进行再训练以减少预测误差。

图6 基于人工智能的推进电机绝缘主动预警结构示意

结论

人工智能算法和先进的在线监测技术的发展为推进电机绝缘状态的主动预警提供了可能性，并且人工智能算法能够有效地整合历史趋势并发现隐含的联系，相比传统算法能够较为精确地预测绝缘状态变化趋势。

文献信息

Yalin Wang， Jiandong Wu， Tao Han， Kiruba Haran， Yi Yin. Insulation condition forewarning of form-wound winding for electric aircraft propulsion based on partial discharge and deep learning neural network. High Voltage. ， vol. 6. no 2， Apr. 2021: 302-313.

? 作者及团队简介

王亚林，上海交通大学博士后，美国伊利诺伊大学香槟分校访问学者，主要研究方向为固体绝缘材料电荷行为与放电现象、电动飞机电机绝缘状态监测和电力电子封装绝缘的可靠性。主持国家自然科学基金青年基金1项，中国博士后基金1项，近五年发表SCI论文17篇。

吴建东，上海交通大学高压教研室主任，副研究员。现主要研究方向为电介质中的电荷检测与仿真技术和电力设备绝缘状态评估。已主持2项国家自然科学基金、1项中国博士后基金。在国内外学术期刊和会议上发表SCI/EI论文80篇，授权专利8项，主持制定空间电荷检测标准1项，获省部级科技进步二等奖1项。

尹毅，上海交通大学教授，博士生导师，上海交通大学电子信息与电气工程学院副院长，中国电工学会工程电介质专业委员会委员，上海电气工程学会电气材料专业委员会委员，多次担任电气绝缘材料国际研讨会的国际顾问委员，主要研究领域为聚合物纳米复合介电理论与工程应用，超高压柔性直流电缆关键技术与工程应用，固体介质中空间电荷表征技术，绝缘老化机理与电力设备状态评估。

本文作者团队成员来源于上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室。主要研究领域为绝缘测试新技术与介质物理理论，包括聚合物纳米复合绝缘材料的介电特性应用研究，介质材料介电性能表征新技术研究，电力设备状态特征及状态评估技术研究等。近年来，该团队承担了国家自然科学基金重点基金、国家自然科学基金仪器专项、国家重点研发计划等多个国家、省和电网企业的研究项目。

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编辑：李晓涵

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