CN103245913B - 大型发电机组次同步振荡信号检测与分析的方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型发电机组次同步振荡信号检测与分析的方法及***，所述方法包括：转速信号的采集和校正；扭振幅值和频谱分析；机组状态信号采集与分析；扭振模型分析与安全评价。所述***主要由三个部分组成：扭振幅值与频谱分析模块，机组状态与力矩分析模块和扭振模型分析与安全评价模块。本发明将振荡时机组的机械量和电气量均作为信号提取出来，作为分析对象，不仅增加了信号的可靠性和准确性，而且可以在检测信号的基础上，对机组的次同步振荡进行较深入的分析，使得机组的振荡频率、幅值、原因，轴系的温度、扭应力、形变和损耗积累得到一个较全面的分析，为后续的抑制***做了很好的铺垫工作。

Description

大型发电机组次同步振荡信号检测与分析的方法及***

技术领域

本发明涉及发电机组的振荡信号检测与分析，具体地，涉及一种大型发电机组次同步振荡信号检测与分析的方法及***。

背景技术

我国由于能源分布不均，形成了“西电东送”的电力格局。这种采用串联补偿电容进行大容量、远距离输电的方式，使得大型发电机组的次同步振荡成为电力***的一个突出问题。

次同步振荡属于***的振荡失稳，它是由电力***中一种特殊的机电耦合作用引起的。次同步振荡最大的危害是，可能导致大型汽轮发电机组转子轴系的严重破坏，造成重大事故，危机电力***的运行安全。如20世纪70年代初，美国Mohave电厂发生的大型汽轮发电机组转子大轴损坏的严重事故。我国内蒙古托克托、上都、东北伊敏电厂、陕西锦界等送出工程，在实际应用或分析计算中，均发现了不同程度的次同步振荡问题。

振荡信号的检测与分析，是解决次同步振荡问题的第一步。只有对振荡信号进行及时、准确的检测、分析，才可能进一步对其进行有效的监控和抑制。

目前，对于次同步振荡的信号检测依据不同的检测对象，主要分为机械量和电气量两种。机械量检测是一种直接检测方法，可以通过传感器测量到机组的转速，然后对其进行分析。这种方法直接测量转子的机械量，故测量准确性一般比较高，但检测装置相对复杂，装置价格较贵。电气量检测是一种间接检测方法，测量汽轮机的电压、电流等电气信号，再将这些电气信号转换成转速，然后对其进行分析。这种方法结构简单，便于维护，但可靠性不足。本发明的检测对象既包括机械量，也包括电气量，将这两种方法结合起来，使得次同步振荡的检测和分析的可靠性有了比较高的保证，也拓宽了振荡的分析范围。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大型发电机组次同步振荡信号检测与分析的方法及***，将振荡时机组的机械量和电气量均作为信号提取出来作为分析对象，增加了信号的可靠性和准确性。

根据本发明的一个方面，提供一种大型发电机组次同步振荡信号检测与分析的方法，所述方法包括以下步骤：

①转速信号的采集和校正

在机组轴系的两个测速点装设测速齿轮及传感器，将机组的振荡转速拾振并传递出来。测量所得转速需通过齿形校正、弯曲振动和齿轮偏心校正和相位幅值校正。

②扭振幅值和频谱分析

测得的转速信号被输入分析装置，进行扭振幅值分析和扭振频谱分析。通过分析，可以对机组起到实时监控和报警的作用，还可以为进一步分析提供准确的数据。

③机组状态信号采集与分析

通过采集机组的气压、温度、振荡电压和电流及其他机组参数信号(这里的其他机组参数包括各监视段压力，高、中压调门和主汽门行程，线路电厂侧开关跳开信号和发电机灭磁开关跳闸动作信号等参数)，计算机组的实时电磁力矩和机械力矩，对***的振荡状态和机电转换状态进行实时监控和分析，并为进一步分析提供准确的数据。

④扭振模型分析与安全评价

扭振模型分析与安全评价包括扭振响应分析，扭应力和扭应变分析，轴系特性预调，故障原因分析，轴系温度状况确定，机组扭振模型仿真，机组电气和机械阻尼的实时状况，疲劳损耗和寿命预测等。通过这个模块的分析与评价，可以得到轴系扭振的响应情况，轴系扭振的激励方式和实时的轴系安全状况。分析结果可以输出计算机，报警，以及作为抑制次同步振荡***的输入信号。

根据本发明的另一个方面，提供一种大型发电机组次同步振荡信号检测与分析的***，所述***主要由三个部分组成：扭振幅值与频谱分析模块，机组状态与力矩分析模块和扭振模型分析与安全评价模块，其中：

所述扭振幅值与频谱分析模块，需要先通过齿轮和传感器从***采集转速信号，并对转速信号进行多次校正。

所述机组状态与力矩分析模块，需要先从***采集压力、温度、振荡电流、电压及其他机组信号(这里的其他机组信号包括各监视段压力，高、中压调门和主汽门行程，线路电厂侧开关跳开信号和发电机灭磁开关跳闸动作信号等参数)，通过这些信号计算机组的电磁力矩、机械力矩，反应机组振荡状态，为进一步分析做准备。

所述扭振模型分析与安全评价模块，具有扭振响应分析，扭应力和扭应变分析，轴系特性预调，故障原因分析，轴系温度状况确定，机组扭振模型仿真，机组电气和机械阻尼的实时状况，疲劳损耗和寿命预测等多种功能。这些分析结果可以输出计算机和抑制次同步振荡的***，振荡越限时还可以输出报警。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提出了一种大型发电机组次同步振荡信号检测与分析的方法及***，将振荡时机组的机械量和电气量均作为信号提取出来，作为分析对象，不仅增加了信号的可靠性和准确性，而且可以在检测信号的基础上，对机组的次同步振荡进行较深入的分析，使得机组的振荡频率、幅值、原因，轴系的温度、扭应力、形变和损耗积累得到一个较全面的分析，为后续的抑制***做了很好的铺垫工作。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为大型发电机组次同步振荡信号检测与分析***图。

图中：转速采集模块1，蒸汽压力及温度采集模块2，各项电压、电流采集模块3，励磁电流采集模块4，校正模块5，机械力矩的合成模块6，电气力矩的合成模块7，扭振幅值与频谱分析模块8，机组状态与力矩分析模块9，扭振模型分析与安全评价模块10。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1，一种大型发电机组次同步振荡信号检测与分析***，包括转速采集模块1，蒸汽压力及温度采集模块2，各项电压、电流采集模块3，励磁电流采集模块4，校正模块5，机械力矩的合成模块6，电气力矩的合成模块7，扭振幅值与频谱分析模块8，机组状态与力矩分析模块9，扭振模型分析与安全评价模块10。

所述转速采集模块1，在机组轴系装设测速齿轮及传感器，将机组的转速拾振并传递出来。

理论上，轴系上的测点越多，测量结果越接近实际值，测量的动态性能越好，但由于结构限制，轴上方便安装转速测点的位置是有限的，特别是已投入运行的机组，新增转速测点需要改变机组的结构，付出的代价比较大。本实例采用两测点的方法，在机组的机头、机尾各设置一个测点。

所述校正模块5，包括齿形校正，弯曲振动与齿轮偏心校正和相位与幅值校正。

测速齿轮在加工时齿间距往往有一定误差，该误差进入实际测量时，可能会引起比较大的误差，故需对齿形的误差进行校正。校正方法是让轴系进行匀速转动，记录各齿的测量波形，作为校正值，在实际测量中按照记录的齿轮波形对结构进行校正。

传感器与齿轮安装在同一平面内，并与齿轮保持1mm左右的距离。当轴发生弯曲振动或齿轮偏心时，也会导致传感器输出调频信号，该调频信号会干扰次同步振荡的信号，故对传感器需采用对称安装法。对称安装法，即在相差180度的地方，对称安装两个相同的传感器，将两个传感器所采集信号相加除以2，即可将干扰项抵消，得到次同步振荡引起的调频信号。

这里测得的是各测点的瞬时转速，由于测量方法会对结果引入一定的附加相位滞后，故要对测量值进行相位校正。瞬时转速和测量值之间的动态特性为：

$G\left(s\right)=\frac{1-e^{-T_{0}s}}{T_{0}s}$ 式1

其中，T₀＝(nf₀)^-1，f₀为基频，n为测速齿轮的齿数。显见，测速齿轮的齿轮数越多，测量方法带来的相位滞后和幅值衰减量越小，测量方法的动态特性就越好。

所述扭振幅值与频谱分析模块8，将测得的转速信号进行扭振分析。当扭振幅值达到机组的耐受值，***输出报警信号。随着温度、工况等因素的改变，机组的次同步振荡频率会有小幅度变化，所以扭振频谱分析可以实时对其振荡频率进行测量和监控。分析所得的幅值和频谱信息，输入扭振模型分析及安全评价模块，为进一步分析提供数据。

所述蒸汽压力及温度采集模块2，各相电压及电流采集模块3和励磁电流采集模块4，从机组采集高中低压缸的蒸汽压力和温度(P_H、P_I、P_L、T_H、T_I和T_L)，通过运算，得到各个气缸的机械力矩。***从机组采集各相电压、电流及励磁电流(Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic和Ie)，通过运算，得到发电机的电磁力矩。机械力矩、电磁力矩和其他机组状态参数一起输入机组状态与力矩分析模块。这里的其他机组状态参数包括各监视段压力，高、中压调门和主汽门行程，线路电厂侧开关跳开信号和发电机灭磁开关跳闸动作信号等参数。将采集到的这些参数，进行综合处理，可以对机组的运行状态，振荡状态和机电能量转换状态有一个比较综合的分析。

所述扭振模型分析与安全评价模块10包括很多内容，如扭振响应分析，扭应力和扭应变分析，轴系特性预调，故障原因分析，轴系温度状况确定，机组扭振模型仿真，机组电气和机械阻尼的实时状况，疲劳损耗和寿命预测等。

实际操作中，可根据需要选择运行的分析内容。扭振模型分析与安全评价模块，可以通过人工触发，也可以设定为扭振幅值越限触发。通过这个模块的分析与评价，可以得到轴系扭振的响应情况，轴系扭振的激励方式和实时的轴系安全状况。当轴系的受损情况较严重，或寿命损耗超出限制时，***会输出报警信号。分析结果输出到次同步振荡的抑制装置，作为抑制信号，亦可以输出到计算机，作为机组次同步振荡的记录和进一步研究数据。

其中，扭振响应分析的步骤如下：

1)在建立的轴系扭振模型下，计算所测电磁力矩下的扭振角位移响应。

2)通过测速齿轮和传感器，测量扭振的角位移响应。

3)通过扭振角位移响应的测最值和计算值的比较，校正机组的机械模型参数。

4)在校正后的机械模型下重新计算每段在电磁力矩下产生的扭应力和扭应变。

其中，轴系的疲劳积累和寿命估算采用的是局部应力-应变法估算裂纹形成寿命，其步骤如下：

1)将载荷—时间历程进行循环计数，这里需要提供载荷谱、材料性能常数和应力集中系数等信息；

2)计算每一个载荷循环引起的损伤，这里需按照前一步循环计数的记过，依据一定的损伤公式进行计算。

3)根据累积操作公式，计算出损伤的累计值，然后计算出裂纹，并换算成寿命。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种大型发电机组次同步振荡信号检测与分析的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

①转速信号的采集和校正：在机组轴系的两个测速点装设测速齿轮及传感器，将机组的振荡转速拾振并传递出来，测量所得转速需通过齿形校正、弯曲振动和齿轮偏心校正和相位幅值校正；

②扭振幅值和频谱分析：测得的转速信号被输入分析装置，进行扭振幅值分析和扭振频谱分析，通过分析，对机组起到实时监控和报警的作用，并为进一步分析提供准确的数据；

③机组状态信号采集与分析：通过采集机组的气压、温度、振荡电压和电流信号，计算机组的实时电磁力矩和机械力矩，对***的振荡状态和机电转换状态进行实时监控和分析，并为进一步分析提供准确的数据；

④扭振模型分析与安全评价：扭振模型分析与安全评价包括扭振响应分析、扭应力和扭应变分析、轴系特性预调、故障原因分析、轴系温度状况确定、机组扭振模型仿真、机组电气和机械阻尼的实时状况监测、疲劳损耗和寿命预测，通过扭振模型分析与安全评价，能得到轴系扭振的响应情况、轴系扭振的激励方式和实时的轴系安全状况，分析结果输出至计算机，报警，以及作为抑制次同步振荡***的输入信号。

2.根据权利要求1所述的大型发电机组次同步振荡信号检测与分析的方法，其特征在于所述传感器与齿轮安装在同一平面内，并与齿轮保持1mm的距离，对传感器采用对称安装法。

3.一种大型发电机组次同步振荡信号检测与分析的***，其特征在于所述***主要由三个部分组成：扭振幅值与频谱分析模块，机组状态与力矩分析模块和扭振模型分析与安全评价模块，其中：

所述扭振幅值与频谱分析模块，先通过齿轮和传感器从***采集转速信号，并对转速信号进行多次校正；所述扭振幅值与频谱分析模块包括校正模块，该模块对转速信号进行齿形校正，弯曲振动与齿轮偏心校正和相位与幅值校正；

所述机组状态与力矩分析模块，需要先从***采集压力、温度、振荡电流、电压信号，通过这些信号计算机组的电磁力矩、机械力矩，反映机组振荡状态，为进一步分析做准备；

所述扭振模型分析与安全评价模块，具有扭振响应分析、扭应力和扭应变分析、轴系特性预调、故障原因分析、轴系温度状况确定、机组扭振模型仿真、机组电气和机械阻尼的实时状况监测、以及疲劳损耗和寿命预测的功能，其输出端分别与计算机和抑制同步振荡的***连接。

4.根据权利要求3所述的大型发电机组次同步振荡信号检测与分析的***，其特征在于所述传感器与齿轮安装在同一平面内，并与齿轮保持1mm的距离，对传感器采用对称安装法。

5.根据权利要求3所述的大型发电机组次同步振荡信号检测与分析的***，其特征在于所述机组状态与力矩分析模块包括蒸汽压力及温度采集模块，各相电压、电流采集模块，励磁电流采集模块，机械力矩的合成模块以及电气力矩的合成模块，这些模块从***采集压力、温度、振荡电流、电压信号，所述机械力矩的合成模块以及电气力矩的合成模块通过这些信号计算机组的电磁力矩、机械力矩，反映机组振荡状态。