專利名稱：：通過扭振保護(hù)的模態(tài)發(fā)散判據(jù)保護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)、火力發(fā)電廠、需要各種型號汽輪發(fā)電機(jī)組的工業(yè)領(lǐng)域以及需要大型電動機(jī)的工業(yè)領(lǐng)域，尤其涉及汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振的測量和保護(hù)技術(shù)。
背景技術(shù)：
：大型汽輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)是我國重大裝備的關(guān)鍵設(shè)備之一，是火力發(fā)電廠的核心設(shè)備。汽輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行是火力發(fā)電廠安全生產(chǎn)的基本和前提。汽輪發(fā)電機(jī)組完成從熱能到機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，大型機(jī)組的功率通常為300MW、600MW、1000MW，這樣巨大的功率在發(fā)電機(jī)組的軸系產(chǎn)生巨大的力矩，發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行要求發(fā)電機(jī)軸系(轉(zhuǎn)子)以每分鐘3000轉(zhuǎn)高速旋轉(zhuǎn)，振動是機(jī)組的主要危害之一。尤其對于大功率機(jī)組的軸系而言，大機(jī)組軸系具有輕質(zhì)柔性、多支承、大跨距、高功率密度的特征，發(fā)電機(jī)材料利用系數(shù)提高，軸系截面功率密度相對增大，軸系的加長使扭轉(zhuǎn)剛度下降，軸系固有頻率譜相對較密，誘發(fā)振動的能量較低，容易發(fā)生振動。電力系統(tǒng)為了提高輸電能力采用大型電力電子設(shè)備、釆用輸電線路串聯(lián)補(bǔ)償電容技術(shù)，使得電力系統(tǒng)存在多種諧振或振蕩的可能，其中振蕩頻率在2Hz48Hz的振蕩成為次同步振蕩(SSO)，恰恰汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的機(jī)械固有頻率通常也在這個次同步振蕩頻率的范圍內(nèi)，這使得電力系統(tǒng)的固有參數(shù)模型與汽輪發(fā)電機(jī)組具有諧振的可能，一旦電力系統(tǒng)發(fā)生次同歩振蕩將在發(fā)電廠端的汽輪發(fā)電機(jī)組軸系產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械能與電能的諧振，這將對發(fā)電機(jī)組的軸系產(chǎn)生破壞作用，嚴(yán)重時軸系斷裂為多段，汽輪發(fā)電機(jī)組解體，造成巨大的人員傷亡和設(shè)備損失，也會對輸電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來巨大危害。除了次同步振蕩以外，電網(wǎng)和發(fā)電廠電氣的一些運(yùn)行操作也會由于軸系固有頻率和電網(wǎng)諧振頻率接近的原因?qū)е掳l(fā)電機(jī)組軸系的機(jī)械疲勞，機(jī)械疲勞的長期積累將導(dǎo)致軸系的損傷乃至扭斷。我國也發(fā)生多起發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)組軸系(大軸)扭斷的惡性產(chǎn)生事故。汽輪發(fā)電機(jī)組扭振保護(hù)(TSR)是專門解決汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振的保護(hù)設(shè)備。扭振保護(hù)通過實(shí)時測量軸系轉(zhuǎn)動特征，識別汽輪發(fā)電機(jī)組是否發(fā)生扭振，在線計算扭振對軸系產(chǎn)生的機(jī)械疲勞程度，當(dāng)軸系的機(jī)械疲勞累計達(dá)到設(shè)定值時，扭振保護(hù)動作，將汽輪發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)切除，消除機(jī)電諧振，保護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)組不被扭傷或扭斷，從而保護(hù)人員和設(shè)備的安全。汽輪發(fā)電機(jī)組的扭振問題和扭振保護(hù)(TSR)適用于各種規(guī)模的火電廠的各種型號的汽輪發(fā)電機(jī)組。另一方面扭振現(xiàn)象在大型電動機(jī)拖動轉(zhuǎn)動負(fù)荷工作時也是存在的，扭振保護(hù)也同樣適用于大型電動機(jī)的工作環(huán)境。扭振保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)是構(gòu)成扭振保護(hù)的判據(jù)。本發(fā)明公開一種構(gòu)成扭振保護(hù)的主判據(jù)模態(tài)發(fā)散判據(jù)。
發(fā)明內(nèi)容汽輪發(fā)電機(jī)組的軸系扭振危及發(fā)電廠主設(shè)備的安全運(yùn)行，也威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)損失數(shù)以億計(人民幣)。國內(nèi)外發(fā)生的汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭斷事故多伴隨人員傷亡。研制用于保護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系安全的保護(hù)技術(shù)(扭振保護(hù)裝置TSR)具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。扭振保護(hù)的跳閘判據(jù)是構(gòu)成扭振保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，本發(fā)明給出一項(xiàng)以在線準(zhǔn)確判別扭振模態(tài)發(fā)散為跳閘條件的模態(tài)發(fā)散判據(jù)。本發(fā)明研究了保護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振的扭振保護(hù)的模態(tài)發(fā)散判據(jù)。模態(tài)發(fā)散判據(jù)識別軸系扭振的具體歩驟如下1.通過安裝在發(fā)電機(jī)組軸系一端的轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時測量汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的機(jī)端角速度變化量dw;2.根據(jù)發(fā)電機(jī)組軸系的固有頻率即模態(tài)，設(shè)置針對各個模態(tài)的帶通濾波器，通過帶通濾波器實(shí)時濾波輸出，分別得到軸系的各個模態(tài)輸出信號dwl，dw2,dw3，稱之為模態(tài)1信號、模態(tài)2信號、模態(tài)3信號；數(shù)據(jù)采集的采樣頻率為1kHz，獲得的模態(tài)信號時間序列分別為dwl(k)，dw2(k),dw3(k)(k=l,2,...,n);3.實(shí)時計算各模態(tài)時間序列的信號幅值，模態(tài)幅值時間序列標(biāo)記為v4cK(k)、A/w2(k)、A/w3(k)......(k=l,2,...，n)。計算模態(tài)幅值的步驟如下1)確定計算模態(tài)幅值的數(shù)據(jù)窗長度，以模態(tài)l-15.1Hz為例，15.1Hz對應(yīng)的信號周期為1000/15.卜66.2ms，對66.2做4舍5入得66。則模態(tài)l(15.1Hz)對應(yīng)的計算數(shù)據(jù)窗長度為66，其它模態(tài)數(shù)據(jù)窗選取同理；2)按照公式(1-1、1-2、1-3)計算模態(tài)幅值的時間序列<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(1-3)其中N是數(shù)據(jù)窗長度，對于模態(tài)l=15.1Hz，N=66;;r為圓周率(3.14159);/是軸系的各模態(tài)頻率值；c/w,(x+A:)表示模態(tài)i(i=l，2,3...)的時間序列的第x+k個點(diǎn)的值；A/w,Cy)是計算得到的模態(tài)i的模態(tài)幅值時間序列的第y個點(diǎn)，JtAv,Cy)是dw,.經(jīng)過數(shù)據(jù)窗N(對于模態(tài)l=15.1Hz，N=66)的模態(tài)幅值輸出。4.模態(tài)發(fā)散判據(jù)以^^(力(i=l,2,3......)為識別對象，對^^'(力的變化趨勢做判別。由于扭振保護(hù)的模態(tài)發(fā)散通常時間為1秒到幾十秒，本判據(jù)選擇等時間間隔T對^—時間序列進(jìn)行采樣，標(biāo)記為^^'("(k=l,2，3......)，定義T為發(fā)散判別采樣間隔。T是數(shù)據(jù)采集的采樣頻率的整數(shù)倍。例如T-10ms、20ms等，T的取值范圍為(1Oms200ms)。通過計算^^'("的相對變化規(guī)律確定模態(tài)是否出現(xiàn)發(fā)散。5.在^w'("的時間序歹ll中，選取兩個不等長度的觀測窗，窗口長度分另U為m、n。其中m>3n/2，例如m=10,n=5。分另ij計算在窗口m，n長度的v^w'CA:)時間序列的平均值^,(附)、W,(")，如公式(1-4)、(1-5)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(1-4)附4=0<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(1-5)當(dāng)A/v^(w)〈yWM^(n)時，模態(tài)i在觀測時窗m的時間(mxT)內(nèi)發(fā)散。6.為了提高判據(jù)的魯棒性，對上一步的判別結(jié)果做累計，利用模糊識別方法做最終的模態(tài)發(fā)散判別。在連續(xù)K個T的時間范圍內(nèi)，控制KxT(即判別時間)在200ms1000ms之內(nèi)(時間太短則判據(jù)過于靈敏，太長則判據(jù)動作過慢)，通過A^(m、^^(")的判別次數(shù)j，當(dāng)7'>0'7'《時模態(tài)發(fā)散判據(jù)判別模態(tài)發(fā)散。此時扭振保護(hù)動作，將汽輪發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)中切除。本發(fā)明通過實(shí)時測量發(fā)電機(jī)組軸系轉(zhuǎn)速加速度的獲取模態(tài)時間序列，實(shí)時計算各扭振模態(tài)幅值的時間序列，利用不同長度的觀測窗計算模態(tài)幅值自身的相對變化趨勢，根據(jù)一段時間內(nèi)的模態(tài)變化趨勢統(tǒng)計判別扭振模態(tài)發(fā)散，發(fā)出跳閘命令將發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)斷開，從而保護(hù)發(fā)電機(jī)組安全。采用本發(fā)明技術(shù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)具有高可靠性的汽輪發(fā)電機(jī)組扭振保護(hù)，從而可以大大提高發(fā)電機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性。圖l為汽輪發(fā)電機(jī)組軸系、傳感器及信號示意圖；圖2為汽輪發(fā)電機(jī)組軸系集中質(zhì)量塊模型；圖3.1、圖3.2、圖3.3給出了通過機(jī)端傳感器檢測并通過模態(tài)濾波解調(diào)得到各個模態(tài)的采樣值，其中圖3.1為模態(tài)一機(jī)端角速度變化值c/w,;圖3.2為模態(tài)二機(jī)端角速度變化值^M^;圖3.3為模態(tài)三機(jī)端角速度變化值^^;圖4.1、圖4.2、圖4.3給出了計算得的各個模態(tài)的幅值，其中圖4.1為模態(tài)一幅值dw1;圖4.2為模態(tài)二幅值dw2；圖4.3為模態(tài)三幅值dw3;圖5顯示了判據(jù)識別模態(tài)發(fā)散的處理過程。具體實(shí)施方式下面以某電廠600MW機(jī)組為例，對照附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。已知汽輪發(fā)電機(jī)組機(jī)電系統(tǒng)特征頻率如下<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>1.通過安裝在發(fā)電機(jī)組軸系一端的轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時測量汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的機(jī)端角速度變化量dw;2.根據(jù)發(fā)電機(jī)組軸系的固有頻率即模態(tài)，設(shè)置針對各個模態(tài)的帶通濾波器，通過帶通濾波器實(shí)時濾波，分別得到軸系的各個模態(tài)輸出信號dwl,dw2,dw3，稱之為模態(tài)l信號、模態(tài)2信號、模態(tài)3信號；數(shù)據(jù)采集的采樣頻率為lkHz，獲得的模態(tài)信號時間序列分別為dwl(k)，dw2(k)，dw3(k)(k=l,2，...,n)。各模態(tài)時間序列如圖3.1、圖3.2、圖3.3所示。3.實(shí)時計算各模態(tài)時間序列的信號幅值，模態(tài)幅值時間序列標(biāo)記為Adw1(k)、adw2(k)、adw3(k)......(k=l，2,...,n)。計算模態(tài)幅值的步驟如下1)確定計算模態(tài)幅值的數(shù)據(jù)窗長度模態(tài)l=15.1Hz，對應(yīng)的信號周期為1000/15.l=66.2ms，對66.2做4舍5入得66，則模態(tài)1(15.1Hz)對應(yīng)的計算數(shù)據(jù)窗長度為66;模態(tài)2=26.1Hz，對應(yīng)的信號周期為1000/26.1=38.3ms，對38.3做4舍5入得38，則模態(tài)2(26.1Hz)對應(yīng)的計算數(shù)據(jù)窗長度為38;模態(tài)3二30.5Hz，對應(yīng)的信號周期為1000/30.5=32.7ms，對32.7做4舍5入得33，則模態(tài)3(30.5Hz)對應(yīng)的計算數(shù)據(jù)窗長度為33;2)按照公式(1-1、1-2、1-3)計算模態(tài)幅值的時間序列1w—1A:"(力=77ZC^(T7'2<)"w,O+W1^6(力=:Z.2<)—(x+"TVhoTV(1-1)(1-2)AAv,(力-^;(力2+6(力2(1-3)其中N是數(shù)據(jù)窗長度；對于模態(tài)1=15.lHz，N=66，對于模態(tài)l=26.1Hz，N=38，對于模態(tài)l=30.5Hz，N=33;;r為圓周率(3.14159);/(i=l,2，3)是軸系的各模態(tài)頻率值，分別為15.1Hz、26.1Hz、30.5Hz;dw,(x+"表示模態(tài)i(i=l，2，3)的時間序列的第x+k個點(diǎn)的值；^/w,(力是計算得到的模態(tài)i的模態(tài)幅值時間序列的第y個點(diǎn)，A^,.O0是dw,經(jīng)過數(shù)據(jù)窗N的模態(tài)幅值輸出。各模態(tài)幅值時間序列如圖4.1、圖4.2、圖4.3所示。4.模態(tài)發(fā)散判據(jù)以^^'(力(i=l,2,3......)為識別對象，對^^'(力的變化趨勢做判別。據(jù)選擇等時間間隔T對^dw'時間序列進(jìn)行采樣，標(biāo)記為^^'("(k=l,2，3......)，本例中T=50ms。通過計算的相對變化規(guī)律確定模態(tài)是否出現(xiàn)發(fā)散。5.在」"w'")的時間序列中，選取兩個不等長度的觀測窗，窗口長度分別為10和5。分別計算在10，5長度窗口的("時間序列的平均值A(chǔ)/Wp(10)、廟/5)，如公式(1-4)、(1-5)j10-1^/,(10)=—刀油,("(1-4)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>當(dāng)A/w^(10:KvW,(5)時，模態(tài)i在觀測時窗10的時間(10x50ms)內(nèi)發(fā)散。圖1示意了典型的600MW汽輪發(fā)電機(jī)組的軸系模型，包括汽輪機(jī)的高壓缸(HP)、中壓缸(IP)、低壓缸(LP)和發(fā)電機(jī)(GEN)。從體積和質(zhì)量上，汽輪發(fā)電機(jī)組主要有這四個部分和連接四部分的軸系組成。從模型上汽輪發(fā)電機(jī)組等效于四個集中質(zhì)量塊和三段軸系。汽輪發(fā)電機(jī)組的扭振主要表現(xiàn)為四個集中質(zhì)量塊在軸系上相對扭動，使得軸系機(jī)械疲勞乃至扭斷。測量軸系扭振的傳感器是轉(zhuǎn)速傳感器，按照在軸系的一端(高壓缸端為機(jī)頭、低壓缸端為機(jī)尾)。使用冗余配置的傳感器有利于提高扭振保護(hù)的可靠性。圖2示意了汽輪發(fā)電機(jī)組的軸系集中質(zhì)量塊等效模型，高壓缸HP、低壓缸(LP)和發(fā)電機(jī)(GEN)作為集中質(zhì)量的剛體，質(zhì)量依次為M1、M2、M3、M4，連接四個剛體的三段軸系作為無質(zhì)量的彈性模型(彈簧)，其剛度系數(shù)依次為K12、K23、K34。圖3.1、圖3.2、圖3.3給出了通過機(jī)端傳感器檢測并通過模態(tài)濾波解調(diào)得到各個模態(tài)的采樣值。記錄時間lls,采樣頻率1000HZ/s。其中圖3.1為模態(tài)一(15.1Hz)機(jī)端角速度變化值dv^;圖3,2為模態(tài)二(26.mz)機(jī)端角速度變化值d^;圖3.3為模態(tài)三(30.5Hz)機(jī)端角速度變化值^^;從趨勢上可以看出模態(tài)2發(fā)散，模態(tài)1和模態(tài)3不發(fā)散。圖4.1、圖4.2、圖4.3給出了計算得的各個模態(tài)的幅值時間序列。記錄時間lls。其中圖4.1為模態(tài)一"5.1Hz)幅值^^i(力時間序列；圖4.2為模態(tài)二(26.1Hz)幅值^^2(力時間序列；圖4.3為模態(tài)三(30.5Hz)幅值^^(力時間序列；圖5顯示了判據(jù)識別模態(tài)發(fā)散的處理過程。從上往下4條分別表示從圖3.2中計算的模態(tài)幅值序列、發(fā)散判別信號的狀態(tài)、保護(hù)啟動信號狀態(tài)、保護(hù)動作信號狀態(tài)。本發(fā)明通過實(shí)時測量發(fā)電機(jī)組軸系轉(zhuǎn)速加速度的獲取模態(tài)時間序列，實(shí)時計算各扭振模態(tài)幅值的時間序列，利用不同長度的觀測窗計算模態(tài)幅值自身的相對變化趨勢，根據(jù)一段時間內(nèi)的模態(tài)變化趨勢統(tǒng)計判別扭振模態(tài)發(fā)散，發(fā)出跳閘命令將發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)斷開，從而保護(hù)發(fā)電機(jī)組安全。采用本發(fā)明技術(shù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)具有高可靠性的汽輪發(fā)電機(jī)組扭振保護(hù)，從而可以大大提高發(fā)電機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性。權(quán)利要求1.一種通過扭振保護(hù)的模態(tài)發(fā)散判據(jù)保護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的方法，通過實(shí)時測量、計算并判別汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的轉(zhuǎn)速加速度模態(tài)發(fā)散，識別軸系發(fā)生不可自恢復(fù)的扭振，并跳閘保護(hù)軸系，其特征為，該方法包括步驟1)通過安裝在發(fā)電機(jī)組軸系一端的轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時測量軸系的角速度dw；2)經(jīng)過模態(tài)濾波得到各模態(tài)的時間序列；3)實(shí)時計算各模態(tài)時間序列的幅值，構(gòu)成模態(tài)幅值的時間序列；4)設(shè)置兩個長度不同的觀測窗判別模態(tài)幅值的變化趨勢；5)通過一定時間段模態(tài)幅值的變化趨勢統(tǒng)計判別模態(tài)是否發(fā)散；6)確定模態(tài)發(fā)散判據(jù)判別模態(tài)發(fā)散后，扭振保護(hù)動作，將汽輪發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)中切除。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過扭振保護(hù)的模態(tài)發(fā)散判據(jù)保護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的方法，所述模態(tài)幅值的計算方法如下確定計算模態(tài)幅值的數(shù)據(jù)窗長度，將模態(tài)頻率除以傳感器采樣頻率，按四舍五入取整后作為計算模態(tài)幅值的數(shù)據(jù)窗長度；按以下公式計算模態(tài)幅值a(力=lSCo.2<)'—O+"6(力=礎(chǔ)&."(|.2")(x+"其中，N是數(shù)據(jù)窗長度，,是軸系的各模態(tài)頻率值；dw,(x+A:)表示模態(tài)i(i=1,2,3...)的時間序列的第x+k個點(diǎn)的質(zhì)；A^,.(力是計算得到的模態(tài)i的模態(tài)幅值時間序列的第y個點(diǎn)，A/w,Cy)是^,(x+W經(jīng)過數(shù)據(jù)窗N的模態(tài)幅值輸出。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過扭振保護(hù)的模態(tài)發(fā)散判據(jù)保護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的方法，其特征為實(shí)時計算各模態(tài)時間序列的信號幅值，構(gòu)成模態(tài)幅值的時間序列Adwl(k)，Adw2(k)，Adw3(k)(k=0，l,2，...,n);^/w,O)是Aw,0+"經(jīng)過數(shù)據(jù)窗N的模態(tài)幅值輸出；選擇等時間間隔T的J^w'的時間序列，標(biāo)記為^^'("(k=l,2,3...)，定義T為發(fā)散判別采樣間隔，T是采樣時間間隔的整數(shù)倍；4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過扭振保護(hù)的模態(tài)發(fā)散判據(jù)保護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的方法，其特征為，通過兩個長度不同的觀測窗觀測模態(tài)幅值平均值的相對大小判斷模態(tài)的發(fā)散情況-窗口長度分另[J為m，n,其中m〉3n/2,分另lli十算在窗口m，n長度的^^'(A:)時間序列的平均值A(chǔ)/^—)、A^'("),當(dāng)A^^、A^(")時，則該模態(tài)在觀測窗m的時間(mxT)內(nèi)發(fā)散。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過扭振保護(hù)的模態(tài)發(fā)散判據(jù)保護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的方法，其特征為，所述的扭振各模態(tài)的模態(tài)幅值時間序列的時間間隔T為10ms200ms。全文摘要本發(fā)明涉及大型火力發(fā)電廠的300MW、600MW、1000MW汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振的測量和保護(hù)技術(shù)，公開了一種構(gòu)成汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振保護(hù)的核心保護(hù)判據(jù)。該判據(jù)通過實(shí)時測量發(fā)電機(jī)組軸系轉(zhuǎn)速加速度獲取模態(tài)時間序列，實(shí)時計算各扭振模態(tài)幅值的時間序列，利用不同長度的觀測窗計算模態(tài)幅值自身的相對變化趨勢，根據(jù)一段時間內(nèi)的模態(tài)變化趨勢統(tǒng)計判別扭振模態(tài)發(fā)散，發(fā)出跳閘命令將發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)斷開，從而保護(hù)發(fā)電機(jī)組安全。文檔編號H02H7/06GK101247037SQ200810056350公開日2008年8月20日申請日期2008年1月17日優(yōu)先權(quán)日2008年1月17日發(fā)明者濤張,李元盛,梁新艷,焦邵華申請人:四方電氣(集團(tuán))有限公司;北京四方博能自動化設(shè)備有限公司