專利名稱：：通過扭振保護的模態發散判據保護汽輪發電機組軸系的方法
技術領域：
：本發明涉及電力系統、火力發電廠、需要各種型號汽輪發電機組的工業領域以及需要大型電動機的工業領域，尤其涉及汽輪發電機組軸系扭振的測量和保護技術。
背景技術：
：大型汽輪發電機組技術是我國重大裝備的關鍵設備之一，是火力發電廠的核心設備。汽輪發電機組的安全運行是火力發電廠安全生產的基本和前提。汽輪發電機組完成從熱能到機械能到電能的轉換，大型機組的功率通常為300MW、600MW、1000MW，這樣巨大的功率在發電機組的軸系產生巨大的力矩，發電機組的運行要求發電機軸系(轉子)以每分鐘3000轉高速旋轉，振動是機組的主要危害之一。尤其對于大功率機組的軸系而言，大機組軸系具有輕質柔性、多支承、大跨距、高功率密度的特征，發電機材料利用系數提高，軸系截面功率密度相對增大，軸系的加長使扭轉剛度下降，軸系固有頻率譜相對較密，誘發振動的能量較低，容易發生振動。電力系統為了提高輸電能力采用大型電力電子設備、釆用輸電線路串聯補償電容技術，使得電力系統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)，恰恰汽輪發電機組軸系的機械固有頻率通常也在這個次同步振蕩頻率的范圍內，這使得電力系統的固有參數模型與汽輪發電機組具有諧振的可能，一旦電力系統發生次同歩振蕩將在發電廠端的汽輪發電機組軸系產生嚴重的機械能與電能的諧振，這將對發電機組的軸系產生破壞作用，嚴重時軸系斷裂為多段，汽輪發電機組解體，造成巨大的人員傷亡和設備損失，也會對輸電網的安全運行帶來巨大危害。除了次同步振蕩以外，電網和發電廠電氣的一些運行操作也會由于軸系固有頻率和電網諧振頻率接近的原因導致發電機組軸系的機械疲勞，機械疲勞的長期積累將導致軸系的損傷乃至扭斷。我國也發生多起發電廠汽輪發電機組軸系(大軸)扭斷的惡性產生事故。汽輪發電機組扭振保護(TSR)是專門解決汽輪發電機組軸系扭振的保護設備。扭振保護通過實時測量軸系轉動特征，識別汽輪發電機組是否發生扭振，在線計算扭振對軸系產生的機械疲勞程度，當軸系的機械疲勞累計達到設定值時，扭振保護動作，將汽輪發電機組從電網切除，消除機電諧振，保護汽輪發電機組不被扭傷或扭斷，從而保護人員和設備的安全。汽輪發電機組的扭振問題和扭振保護(TSR)適用于各種規模的火電廠的各種型號的汽輪發電機組。另一方面扭振現象在大型電動機拖動轉動負荷工作時也是存在的，扭振保護也同樣適用于大型電動機的工作環境。扭振保護的關鍵技術是構成扭振保護的判據。本發明公開一種構成扭振保護的主判據模態發散判據。
發明內容汽輪發電機組的軸系扭振危及發電廠主設備的安全運行，也威脅電力系統的安全運行，經濟損失數以億計(人民幣)。國內外發生的汽輪發電機組軸系扭斷事故多伴隨人員傷亡。研制用于保護汽輪發電機組軸系安全的保護技術(扭振保護裝置TSR)具有重大的經濟效益和社會效益。扭振保護的跳閘判據是構成扭振保護的關鍵技術，本發明給出一項以在線準確判別扭振模態發散為跳閘條件的模態發散判據。本發明研究了保護汽輪發電機組軸系扭振的扭振保護的模態發散判據。模態發散判據識別軸系扭振的具體歩驟如下1.通過安裝在發電機組軸系一端的轉速傳感器實時測量汽輪發電機組軸系的機端角速度變化量dw;2.根據發電機組軸系的固有頻率即模態，設置針對各個模態的帶通濾波器，通過帶通濾波器實時濾波輸出，分別得到軸系的各個模態輸出信號dwl，dw2,dw3，稱之為模態1信號、模態2信號、模態3信號；數據采集的采樣頻率為1kHz，獲得的模態信號時間序列分別為dwl(k)，dw2(k),dw3(k)(k=l,2,...,n);3.實時計算各模態時間序列的信號幅值，模態幅值時間序列標記為v4cK(k)、A/w2(k)、A/w3(k)......(k=l,2,...，n)。計算模態幅值的步驟如下1)確定計算模態幅值的數據窗長度，以模態l-15.1Hz為例，15.1Hz對應的信號周期為1000/15.卜66.2ms，對66.2做4舍5入得66。則模態l(15.1Hz)對應的計算數據窗長度為66，其它模態數據窗選取同理；2)按照公式(1-1、1-2、1-3)計算模態幅值的時間序列<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(1-3)其中N是數據窗長度，對于模態l=15.1Hz，N=66;;r為圓周率(3.14159);/是軸系的各模態頻率值；c/w,(x+A:)表示模態i(i=l，2,3...)的時間序列的第x+k個點的值；A/w,Cy)是計算得到的模態i的模態幅值時間序列的第y個點，JtAv,Cy)是dw,.經過數據窗N(對于模態l=15.1Hz，N=66)的模態幅值輸出。4.模態發散判據以^^(力(i=l,2,3......)為識別對象，對^^'(力的變化趨勢做判別。由于扭振保護的模態發散通常時間為1秒到幾十秒，本判據選擇等時間間隔T對^—時間序列進行采樣，標記為^^'("(k=l,2，3......)，定義T為發散判別采樣間隔。T是數據采集的采樣頻率的整數倍。例如T-10ms、20ms等，T的取值范圍為(1Oms200ms)。通過計算^^'("的相對變化規律確定模態是否出現發散。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A/v^(w)〈yWM^(n)時，模態i在觀測時窗m的時間(mxT)內發散。6.為了提高判據的魯棒性，對上一步的判別結果做累計，利用模糊識別方法做最終的模態發散判別。在連續K個T的時間范圍內，控制KxT(即判別時間)在200ms1000ms之內(時間太短則判據過于靈敏，太長則判據動作過慢)，通過A^(m、^^(")的判別次數j，當7'>0'7'《時模態發散判據判別模態發散。此時扭振保護動作，將汽輪發電機組從電網中切除。本發明通過實時測量發電機組軸系轉速加速度的獲取模態時間序列，實時計算各扭振模態幅值的時間序列，利用不同長度的觀測窗計算模態幅值自身的相對變化趨勢，根據一段時間內的模態變化趨勢統計判別扭振模態發散，發出跳閘命令將發電機組從電網斷開，從而保護發電機組安全。采用本發明技術方案能夠實現具有高可靠性的汽輪發電機組扭振保護，從而可以大大提高發電機汽輪發電機組運行的安全性。圖l為汽輪發電機組軸系、傳感器及信號示意圖；圖2為汽輪發電機組軸系集中質量塊模型；圖3.1、圖3.2、圖3.3給出了通過機端傳感器檢測并通過模態濾波解調得到各個模態的采樣值，其中圖3.1為模態一機端角速度變化值c/w,;圖3.2為模態二機端角速度變化值^M^;圖3.3為模態三機端角速度變化值^^;圖4.1、圖4.2、圖4.3給出了計算得的各個模態的幅值，其中圖4.1為模態一幅值dw1;圖4.2為模態二幅值dw2；圖4.3為模態三幅值dw3;圖5顯示了判據識別模態發散的處理過程。具體實施方式下面以某電廠600MW機組為例，對照附圖對本發明做進一步詳細說明。已知汽輪發電機組機電系統特征頻率如下<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>1.通過安裝在發電機組軸系一端的轉速傳感器實時測量汽輪發電機組軸系的機端角速度變化量dw;2.根據發電機組軸系的固有頻率即模態，設置針對各個模態的帶通濾波器，通過帶通濾波器實時濾波，分別得到軸系的各個模態輸出信號dwl,dw2,dw3，稱之為模態l信號、模態2信號、模態3信號；數據采集的采樣頻率為lkHz，獲得的模態信號時間序列分別為dwl(k)，dw2(k)，dw3(k)(k=l,2，...,n)。各模態時間序列如圖3.1、圖3.2、圖3.3所示。3.實時計算各模態時間序列的信號幅值，模態幅值時間序列標記為Adw1(k)、adw2(k)、adw3(k)......(k=l，2,...,n)。計算模態幅值的步驟如下1)確定計算模態幅值的數據窗長度模態l=15.1Hz，對應的信號周期為1000/15.l=66.2ms，對66.2做4舍5入得66，則模態1(15.1Hz)對應的計算數據窗長度為66;模態2=26.1Hz，對應的信號周期為1000/26.1=38.3ms，對38.3做4舍5入得38，則模態2(26.1Hz)對應的計算數據窗長度為38;模態3二30.5Hz，對應的信號周期為1000/30.5=32.7ms，對32.7做4舍5入得33，則模態3(30.5Hz)對應的計算數據窗長度為33;2)按照公式(1-1、1-2、1-3)計算模態幅值的時間序列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是數據窗長度；對于模態1=15.lHz，N=66，對于模態l=26.1Hz，N=38，對于模態l=30.5Hz，N=33;;r為圓周率(3.14159);/(i=l,2，3)是軸系的各模態頻率值，分別為15.1Hz、26.1Hz、30.5Hz;dw,(x+"表示模態i(i=l，2，3)的時間序列的第x+k個點的值；^/w,(力是計算得到的模態i的模態幅值時間序列的第y個點，A^,.O0是dw,經過數據窗N的模態幅值輸出。各模態幅值時間序列如圖4.1、圖4.2、圖4.3所示。4.模態發散判據以^^'(力(i=l,2,3......)為識別對象，對^^'(力的變化趨勢做判別。據選擇等時間間隔T對^dw'時間序列進行采樣，標記為^^'("(k=l,2，3......)，本例中T=50ms。通過計算的相對變化規律確定模態是否出現發散。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/Wp(10)、廟/5)，如公式(1-4)、(1-5)j10-1^/,(10)=—刀油,("(1-4)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>當A/w^(10:KvW,(5)時，模態i在觀測時窗10的時間(10x50ms)內發散。圖1示意了典型的600MW汽輪發電機組的軸系模型，包括汽輪機的高壓缸(HP)、中壓缸(IP)、低壓缸(LP)和發電機(GEN)。從體積和質量上，汽輪發電機組主要有這四個部分和連接四部分的軸系組成。從模型上汽輪發電機組等效于四個集中質量塊和三段軸系。汽輪發電機組的扭振主要表現為四個集中質量塊在軸系上相對扭動，使得軸系機械疲勞乃至扭斷。測量軸系扭振的傳感器是轉速傳感器，按照在軸系的一端(高壓缸端為機頭、低壓缸端為機尾)。使用冗余配置的傳感器有利于提高扭振保護的可靠性。圖2示意了汽輪發電機組的軸系集中質量塊等效模型，高壓缸HP、低壓缸(LP)和發電機(GEN)作為集中質量的剛體，質量依次為M1、M2、M3、M4，連接四個剛體的三段軸系作為無質量的彈性模型(彈簧)，其剛度系數依次為K12、K23、K34。圖3.1、圖3.2、圖3.3給出了通過機端傳感器檢測并通過模態濾波解調得到各個模態的采樣值。記錄時間lls,采樣頻率1000HZ/s。其中圖3.1為模態一(15.1Hz)機端角速度變化值dv^;圖3,2為模態二(26.mz)機端角速度變化值d^;圖3.3為模態三(30.5Hz)機端角速度變化值^^;從趨勢上可以看出模態2發散，模態1和模態3不發散。圖4.1、圖4.2、圖4.3給出了計算得的各個模態的幅值時間序列。記錄時間lls。其中圖4.1為模態一"5.1Hz)幅值^^i(力時間序列；圖4.2為模態二(26.1Hz)幅值^^2(力時間序列；圖4.3為模態三(30.5Hz)幅值^^(力時間序列；圖5顯示了判據識別模態發散的處理過程。從上往下4條分別表示從圖3.2中計算的模態幅值序列、發散判別信號的狀態、保護啟動信號狀態、保護動作信號狀態。本發明通過實時測量發電機組軸系轉速加速度的獲取模態時間序列，實時計算各扭振模態幅值的時間序列，利用不同長度的觀測窗計算模態幅值自身的相對變化趨勢，根據一段時間內的模態變化趨勢統計判別扭振模態發散，發出跳閘命令將發電機組從電網斷開，從而保護發電機組安全。采用本發明技術方案能夠實現具有高可靠性的汽輪發電機組扭振保護，從而可以大大提高發電機汽輪發電機組運行的安全性。權利要求1.一種通過扭振保護的模態發散判據保護汽輪發電機組軸系的方法，通過實時測量、計算并判別汽輪發電機組軸系的轉速加速度模態發散，識別軸系發生不可自恢復的扭振，并跳閘保護軸系，其特征為，該方法包括步驟1)通過安裝在發電機組軸系一端的轉速傳感器實時測量軸系的角速度dw；2)經過模態濾波得到各模態的時間序列；3)實時計算各模態時間序列的幅值，構成模態幅值的時間序列；4)設置兩個長度不同的觀測窗判別模態幅值的變化趨勢；5)通過一定時間段模態幅值的變化趨勢統計判別模態是否發散；6)確定模態發散判據判別模態發散后，扭振保護動作，將汽輪發電機組從電網中切除。2、根據權利要求1所述的通過扭振保護的模態發散判據保護汽輪發電機組軸系的方法，所述模態幅值的計算方法如下確定計算模態幅值的數據窗長度，將模態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幅值的數據窗長度；按以下公式計算模態幅值a(力=lSCo.2<)'—O+"6(力=礎&."(|.2")(x+"其中，N是數據窗長度，,是軸系的各模態頻率值；dw,(x+A:)表示模態i(i=1,2,3...)的時間序列的第x+k個點的質；A^,.(力是計算得到的模態i的模態幅值時間序列的第y個點，A/w,Cy)是^,(x+W經過數據窗N的模態幅值輸出。3.根據權利要求1所述的通過扭振保護的模態發散判據保護汽輪發電機組軸系的方法，其特征為實時計算各模態時間序列的信號幅值，構成模態幅值的時間序列Adwl(k)，Adw2(k)，Adw3(k)(k=0，l,2，...,n);^/w,O)是Aw,0+"經過數據窗N的模態幅值輸出；選擇等時間間隔T的J^w'的時間序列，標記為^^'("(k=l,2,3...)，定義T為發散判別采樣間隔，T是采樣時間間隔的整數倍；4.根據權利要求1所述的通過扭振保護的模態發散判據保護汽輪發電機組軸系的方法，其特征為，通過兩個長度不同的觀測窗觀測模態幅值平均值的相對大小判斷模態的發散情況-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/^—)、A^'("),當A^^、A^(")時，則該模態在觀測窗m的時間(mxT)內發散。5、根據權利要求1所述的通過扭振保護的模態發散判據保護汽輪發電機組軸系的方法，其特征為，所述的扭振各模態的模態幅值時間序列的時間間隔T為10ms200ms。全文摘要本發明涉及大型火力發電廠的300MW、600MW、1000MW汽輪發電機組軸系扭振的測量和保護技術，公開了一種構成汽輪發電機組軸系扭振保護的核心保護判據。該判據通過實時測量發電機組軸系轉速加速度獲取模態時間序列，實時計算各扭振模態幅值的時間序列，利用不同長度的觀測窗計算模態幅值自身的相對變化趨勢，根據一段時間內的模態變化趨勢統計判別扭振模態發散，發出跳閘命令將發電機組從電網斷開，從而保護發電機組安全。文檔編號H02H7/06GK101247037SQ200810056350公開日2008年8月20日申請日期2008年1月17日優先權日2008年1月17日發明者濤張,李元盛,梁新艷,焦邵華申請人:四方電氣(集團)有限公司;北京四方博能自動化設備有限公司