CN103365290A - 基于信号畸异分析的发电机控制***隐性故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力***领域的诊断方法，具体涉及一种基于信号畸异分析的发电机控制***隐性故障诊断方法，包括准备阶段和实施阶段，在准备阶段，首先要基于发电机控制***的模型参数实测建立准确的发电机仿真分析***，然后实测发电机仿真控制***的固有信号畸异误差，并且建立发电机仿真控制***整体以及各关键环节的固有信号畸异误差基础数据库，作为实施阶段的信号畸异分析的重要依据。在实施阶段，将实际的外部激励信号（可以通过录波装置采集到）输入到仿真***，得到控制***整体及其每个环节的理想标准响应，再将实际响应信号与理想标准响应信号进行对比，分析判断误差，确定扰动源，本发明准确定位发电机控制***中扰动源位置，分析全面。
Description
技术领域
本发明涉及电力***领域的诊断方法，具体涉及一种基于信号畸异分析的发电机控制***隐性故障诊断方法。
背景技术
低频功率振荡问题是电力***稳定研究的主要问题之一。低频功率振荡通常分为弱阻尼、负阻尼低频振荡和强迫功率振荡。现代互联电力***的规模不断扩大、传送功率水平不断增长，是弱阻尼低频振荡问题的重要原因，解决这一问题的有效方法是在发电机组上使用电力***稳定器(power system stabilizer，PSS)。但加装了PSS后，***仍然出现低频振荡。例如2010年7月14日三峡电站发生的异常功率波动现象，就是由于数字式发电机控制调解器装置中存在问题而产生的强迫功率振荡。随着大量数字化控制***和快速电力电子设备广泛应用于电力***，这种由于电力装置问题产生的强迫功率振荡成为影响现代大型电力***安全稳定运行的重要因素之一。
近年来，由于发电机控制***隐性故障导致的功率振荡事件多次发生。发电机控制***是包含多个测量环节、控制模块的高阶控制***，发电机控制***中的扰动源即可能存在于某个测量或控制模块中，也可能存在于发电机控制***整体闭环控制性能缺陷中。有一些扰动源只有在特殊的外部激励下才会被激活，例如在岭澳核电机组发电机控制***中的隐性故障扰动源，在阶跃扰动中，以及外部短路故障扰动、切线路扰动中，都未曾激活，只是在主变空充产生励磁涌流的扰动中才暴露出来，导致功率振荡。
发电机控制***及其每个环节在各种外部激励信号作用下，都有一个理想的标准响应信号和一个实际响应信号。理想的标准响应信号是由控制***的设计目标决定的，是控制***设计目标的固有特性，理想标准响应信号可以通过仿真计算得到。实际响应信号可以通过PMU或其他录波装置采集得到。发电机实际控制***及其每个环节的理想标准响应信号和实际响应信号在理论上应该基本一致，但是由于控制***在设计制造过程中考虑不周全，没有适应日益复杂的各种电力***运行方式，实际响应信号与理想标准响应信号误差就会较大，甚至与控制***的设计目标相悖，成为扰动源。解决强迫功率振荡问题的不能依靠电力***稳定器，有效的解决方法是分析找到并且清除成为扰动源的故障电力装置、或者装置中的故障单元。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于信号畸异分析的发电机控制***隐性故障诊断方法，该方法具体是在实际功率波动事件中，通过对发电机控制***整体及各环节在实际扰动激励下的理想标准响应信号和实际响应信号之间进行畸异分析，判断发电机控制***整体及其各环节是否异常，进而准确定位发电机控制***中扰动源位置。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种基于信号畸异分析的发电机控制***隐性故障诊断方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
（1）信号畸异分析准备阶段，包括下述步骤：
A、通过实测确定发电机控制***的数学模型以及模型参数；
B、建立发电机控制***的仿真分析***，简称发电机仿真控制***；
C、实测发电机仿真控制***整体以及各环节的固有信号畸异误差；
D、建立发电机仿真控制***整体以及各环节的固有信号畸异误差基础数据库；
E、将发电机控制***整体及其各环节信号、发电机仿真控制***整体及其各环节信号均接到录波装置以及信号畸异分析***中；
（2）信号畸异分析实施阶段：将实际的外部激励信号输入到发电机仿真控制***，得到控制***整体及其每个环节的理想标准响应信号（理想标准响应信号如图4和5所示），再将实际响应信号与理想标准响应信号进行对比，判断信号畸异误差，确定扰动源。
进一步地，所述信号畸异分析指的是通过比较发电机控制***整体及其各环节的理想标准响应信号和实际响应信号之间的差异，确定发电机控制***的设计缺陷，最终确定扰动源；
所述信号畸异误差分析***包括：
仿真理想标准响应信号模块：用于仿真发电机控制***的理想标准响应信号；
实际响应信号采集模块：用于采集发电机控制***的实际响应信号；
误差分析模块：用于对发电机控制***的误差分析；
隐性故障判断模块：用于判断发电机控制***的隐形故障。
进一步地，发电机控制***的实际响应信号通过同步向量测量装置或录波装置采集得到，发电机控制***的理想标准响应由发电机控制***的设计目标决定，为发电机控制***的固有特性，通过仿真计算得到。
进一步地，所述步骤A中，发电机控制***包括励磁***和调速***；所述励磁***包括自动电压调节器和电力***稳定器PSS；
所述调速***包括控制器、执行机构和原动机；
所述发电机控制***的数学模型采用传递函数实现，模型参数包括比例放大倍数和时间常数。
进一步地，所述步骤（2）中，信号畸异分析实施阶段包括下述步骤：
<1>获取实际扰动中的电压、电流、功率和频率激励信号；
<2>将步骤<1>中的激励信号接入发电机仿真控制***中，获得发电机控制***整体以及各环节的理想标准响应信号；
<3>将实际响应信号与理想标准响应信号对比得到信号畸异误差；
<4>信号畸异分析***判断发电机控制***整体的信号畸异误差是否大于固有误差和允许误差之和；
<5>非扰动源，信号畸异分析结束；
<6>沿发电机控制***方向从整体输出逆向得到各环节的信号畸异误差；
<7>判断发电机控制***单个环节的信号畸异误差是否大于固有误差和允许误差之和；
<8>定位扰动源，信号畸异分析结束；
<9>非扰动源环节，返回步骤<7>，直至发电机控制***流程开始的测量环节。
进一步地，所述步骤<4>中，若发电机控制***整体的信号畸异误差大于发电机仿真控制***固有误差和允许误差之和，则执行步骤<6>，否则，执行步骤<5>。
进一步地，所述步骤<7>中，若发电机控制***单个环节的信号畸异误差大于固有误差和允许误差之和，则执行步骤<8>，否则，执行步骤<9>。
进一步地，信号畸异误差判断原则如下：若信号畸异误差大于固有误差和允许误差之和，则认为发电机控制***存在故障；
所述允许误差为仿真理想标准响应信号与实际响应信号之间的相位误差，信号畸异相位允许误差指标如下：
1）发电机控制***整体信号畸异相位允许误差：超前或滞后不大于45°～65°；
2）发电机控制***各个环节信号畸异相位允许误差：超前或滞后不大于30°～45°。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
本发明提供的基于信号畸异分析的发电机控制***隐性故障诊断方法，通过对发电机控制***整体及各环节在实际扰动激励下的理想标准响应信号和实际响应信号之间进行畸异分析，判断发电机控制***整体及各环节是否异常，进而准确定位发电机控制***中扰动源位置，信号畸异分析法的优势在于可以进一步准确定位到区域中的某台机组，直至发电机组控制***的某个环节，定位准确，分析全面。
附图说明
图1是本发明提供的基于信号畸异分析的发电机控制***隐性故障诊断方法的示意图；
图2是本发明提供的核电机组有功功率振荡实例示意图；
图3是本发明提供的励磁***整体实测模型图及信号畸异分析示意图；
图4是本发明提供的跳线路扰动下相位畸异误差分析实例示意图；
图5是本发明提供的励磁涌流扰动下信号相位畸异分析实例示意图；
图6是本发明提供的发电机控制***信号畸异分析准备阶段流程框图；
图7是本发明提供的发电机控制***信号畸异分析实施阶段流程框图；
图8是本发明提供的一种自动电压调节器的数学模型传递函数框图；
图9是本发明提供的一种电力***稳定器PSS的数学模型传递函数框图；
图10是本发明提供的一种汽轮机控制器模型图；
图11是本发明提供的一种执行机构的数学模型图；
图12是本发明提供的具体实施例的汽轮机一阶模型图一；
图13是本发明提供的具体实施例的汽轮机一阶模型图二；
图14是本发明提供的具体实施例的汽轮机二阶模型图一；
图15是本发明提供的具体实施例的汽轮机二阶模型图二；
图16是本发明提供的具体实施例的汽轮机三阶模型图一；
图17是本发明提供的具体实施例的汽轮机三阶模型图二；
图18是本发明提供的具体实施例的水轮机动态模型图；
图19是本发明提供的具体实施例的发电机励磁控制***的仿真分析***结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提供一种基于信号畸异分析的发电机控制***隐性故障诊断方法，信号畸异分析就是通过比较控制***整体及其每个环节的理想的标准响应和实际响应之间的差异，找到控制***中的设计制造缺陷，确定扰动源。
本发明提供的基于信号畸异分析的发电机控制***隐性故障诊断方法的示意图如图1所示，进行信号畸异分析分为准备阶段和实施阶段；
（1）在准备阶段，首先要基于模型参数实测建立准确的发电机仿真分析***。实测建模工作已经得到广泛开展，按照现在的实测建模行业标准，允许模型参数有一定的误差。这种误差会影响到实施阶段的信号畸异分析，因此在准备阶段，还需要实测发电机仿真控制***的固有信号畸异误差，并且建立发电机仿真控制***整体以及各关键环节的固有信号畸异误差基础数据库，作为实施阶段的信号畸异分析的重要依据；本发明提供的发电机控制***信号畸异分析准备阶段流程框图如图6所示，具体包括下述步骤：
A、通过实测确定发电机控制***的数学模型以及模型参数：
发电机控制***包括励磁***和调速***；所述励磁***包括自动电压调节器和电力***稳定器PSS，自动电压调节器和电力***稳定器又分很多种类型，不管哪种类型都可以用传递函数框图来描述它们的数学模型。其中一种自动电压调节器和其中一种电力***稳定器传递函数框图分别如图8和9所示，图中小方框内的所有比例放大倍数K和时间常数T，就是模型参数。
所述调速***包括控制器、执行机构和原动机；其中一种汽轮机控制器模型图如图10所示，其中一种执行机构的数学模型图如图11所示，本发明提供的几种原动机的模型框图分别如图12-18所示。
发电机控制***的数学模型采用传递函数实现。
B、建立发电机控制***的仿真分析***，简称发电机仿真控制***；
以发电机励磁控制***的仿真***为例，发电机励磁控制***的仿真分析***结构图如图19所示，包括自动电压调节及励磁限制单元、励磁***稳定器、励磁功率单元、电力***稳定器、电压测量及负载电流补偿单元、发电机及电力***；发电机的电压UT及负载电流IT输入到电压测量及负载电流补偿单元，电力***的电压USI输入到电力***稳定器中，发电机的励磁电流IFD输入到励磁功率单元中，电压测量及负载电流补偿单元输出的电压Uc和电压参考值UREF输入到加发器中得到误差电压UERR后输入到自动电压调节及励磁限制单元中，电力***稳定器输出的电压USS、励磁***稳定器输出的电压UF均输入到自动电压调节及励磁限制单元中，经自动电压调节及励磁限制单元处理后输出的电压UR输入到励磁功率单元中。
C、实测发电机仿真控制***整体以及各环节的固有信号畸异误差；
D、建立发电机仿真控制***整体以及各环节的固有信号畸异误差基础数据库；
E、将发电机控制***整体及其各环节信号、发电机仿真控制***整体及其各环节信号均接到录波装置以及信号畸异分析***中；
（2）在实施阶段，将实际的外部激励信号（可以通过录波装置采集到）输入到仿真***，得到控制***整体及其每个环节的理想标准响应，再将实际响应信号与理想标准响应信号进行对比，分析判断误差，确定扰动源，本发明提供的发电机控制***信号畸异分析实施阶段流程框图如图7所示，包括下述步骤：
<1>获取实际扰动中的电压、电流、功率和频率激励信号；
<2>将步骤<1>中的激励信号接入发电机仿真控制***中，获得发电机控制***整体以及各环节的理想标准响应信号；
<3>将实际响应信号与理想标准响应信号对比得到信号畸异误差；
<4>信号畸异分析***判断发电机控制***整体的信号畸异误差是否大于固有误差和允许误差之和；
<5>非扰动源，信号畸异分析结束；
<6>沿发电机控制***方向从整体输出逆向得到各环节的信号畸异误差；
<7>判断发电机控制***单个环节的信号畸异误差是否大于固有误差和允许误差之和；
<8>定位扰动源，信号畸异分析结束；
<9>非扰动源环节，返回步骤<7>，直至发电机控制***流程开始的测量环节，开始的测量环节指的是图1、图2、图3、图4最左边标注U、P等信号的地方。
信号畸异误差判断方法：如果信号畸异误差〉（固有误差+允许误差），则认为发电机控制***存在故障。允许误差指标主要看相位误差，信号畸异相位允许误差指标如下：
1）***整体信号畸异相位允许误差：超前或滞后不大于45°～65°。
2）***各个环节信号畸异相位允许误差：超前或滞后不大于30°～45°。
实施例
本发明提供的基于信号畸异分析的发电机控制***扰动源定位方法已经成功应用于某核电站的强迫振荡以及扰动源定位分析中。
该核电站有4台核电机组同母线并列运行，在外部线路短路，跳线路等扰动中都没有产生功率振荡，但是在对任意一台主变压器进行空载充电，产生励磁涌流时，其它单元机组发生功率振荡，如图2所示。通过建立核电机组交流励磁机励磁附加电力***稳定器的整体实测模型如图3所示，图中UEFD.SIM是基于仿真的励磁***整体理想标准响应信号，UEFD.Act是励磁***整体实际响应信号），加入实际扰动激励信号，开展信号畸异分析，最终确定励磁调节器中PSS的频率测量单元存在故障，是功率振荡的根源。
在线路跳闸等一般扰动激励信号作用下，信号畸异分析的结果是：理想标准响应信号与实际响应信号基本一致，如图4所示，这一方面验证了仿真***的准确性，也说明一般扰动难以诱发这种隐性故障。
在励磁涌流扰动激励信号作用下，信号畸异分析的结果是：相位畸异误差是超前140°如图5所示，超过了故障判断标准，确定了励磁***中存在扰动源，接着，沿控制***流程方向，从控制***输出开始逆向进行各环节的信号畸异误差分析，最终确定扰动源存在于励磁调节器中PSS的频率测量单元。
本发明提供的基于信号畸异分析的发电机控制***扰动源定位方法相比电力***中的强迫振荡判断及扰动源定位分析方法（能量割集法、二次差分法、力矩分解法等），其优势在于可以进一步准确定位到区域中的某台机组，直至机组控制***的某个环节，具有扰动源准确定位的功能。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于信号畸异分析的发电机控制***隐性故障诊断方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
（1）信号畸异分析准备阶段，包括下述步骤：
A、通过实测确定发电机控制***的数学模型以及模型参数；
B、建立发电机控制***的仿真分析***，简称发电机仿真控制***；
C、实测发电机仿真控制***整体以及各环节的固有信号畸异误差；
D、建立发电机仿真控制***整体以及各环节的固有信号畸异误差基础数据库；
E、将发电机控制***整体及其各环节信号、发电机仿真控制***整体及其各环节信号均接到录波装置以及信号畸异分析***中；
（2）信号畸异分析实施阶段：将实际的外部激励信号输入到发电机仿真控制***，得到控制***整体及其每个环节的理想标准响应信号，再将实际响应信号与理想标准响应信号进行对比，判断信号畸异误差，确定扰动源。
2.如权利要求1所述的发电机控制***隐性故障诊断方法，其特征在于，所述信号畸异分析指的是通过比较发电机控制***整体及其各环节的理想标准响应信号和实际响应信号之间的差异，确定发电机控制***的设计缺陷，最终确定扰动源；
所述信号畸异误差分析***包括：
仿真理想标准响应信号模块：用于仿真发电机控制***的理想标准响应信号；
实际响应信号采集模块：用于采集发电机控制***的实际响应信号；
误差分析模块：用于对发电机控制***的误差分析；
隐性故障判断模块：用于判断发电机控制***的隐形故障。
3.如权利要求2所述的发电机控制***隐性故障诊断方法，其特征在于，发电机控制***的实际响应信号通过同步向量测量装置或录波装置采集得到，发电机控制***的理想标准响应由发电机控制***的设计目标决定，为发电机控制***的固有特性，通过仿真计算得到。
4.如权利要求1所述的发电机控制***隐性故障诊断方法，其特征在于，所述步骤A中，发电机控制***包括励磁***和调速***；所述励磁***包括自动电压调节器和电力***稳定器PSS；
所述调速***包括控制器、执行机构和原动机；
所述发电机控制***的数学模型采用传递函数实现，模型参数包括比例放大倍数和时间常数。
5.如权利要求1所述的发电机控制***隐性故障诊断方法，其特征在于，所述步骤（2）中，信号畸异分析实施阶段包括下述步骤：
<1>获取实际扰动中的电压、电流、功率和频率激励信号；
<2>将步骤<1>中的激励信号接入发电机仿真控制***中，获得发电机控制***整体以及各环节的理想标准响应信号；
<3>将实际响应信号与理想标准响应信号对比得到信号畸异误差；
<4>信号畸异分析***判断发电机控制***整体的信号畸异误差是否大于固有误差和允许误差之和；
<5>非扰动源，信号畸异分析结束；
<6>沿发电机控制***方向从整体输出逆向得到各环节的信号畸异误差；
<7>判断发电机控制***单个环节的信号畸异误差是否大于固有误差和允许误差之和；
<8>定位扰动源，信号畸异分析结束；
<9>非扰动源环节，返回步骤<7>，直至发电机控制***流程开始的测量环节。
6.如权利要求5所述的发电机控制***隐性故障诊断方法，其特征在于，所述步骤<4>中，若发电机控制***整体的信号畸异误差大于发电机仿真控制***固有误差和允许误差之和，则执行步骤<6>，否则，执行步骤<5>。
7.如权利要求5所述的发电机控制***隐性故障诊断方法，其特征在于，所述步骤<7>中，若发电机控制***单个环节的信号畸异误差大于固有误差和允许误差之和，则执行步骤<8>，否则，执行步骤<9>。
8.如权利要求5-7中任一项所述的发电机控制***隐性故障诊断方法，其特征在于，信号畸异误差判断原则如下：若信号畸异误差大于固有误差和允许误差之和，则认为发电机控制***存在故障；
所述允许误差为仿真理想标准响应信号与实际响应信号之间的相位误差，信号畸异相位允许误差指标如下：
1）发电机控制***整体信号畸异相位允许误差：超前或滞后不大于45°～65°；
2）发电机控制***各个环节信号畸异相位允许误差：超前或滞后不大于30°～45°。
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