CN102288280A - 一种轴系扭振提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了振动信号处理技术领域中的一种轴系扭振提取方法。该方法首先采集电网冲击下线路回路的电压信号，截取电压信号中轴系发生扭振时的电压信号；然后利用Hilbert变换获得信号的包络，对该包络信号进行总体经验模态分解EEMD；最后选取分解后的本征模函数IMF得到轴系的扭振信号。该方法不需专业的扭振测试设备，只需采集线路回路电压信号即可，降低测试测量成本。

Description

一种轴系扭振提取方法

技术领域

本发明属于振动信号处理技术领域，尤其涉及一种轴系扭振提取方法。

背景技术

电力系统中的一些故障和运行方式有可能导致汽轮发电机组轴系的扭转振动(扭振)，进而造成轴系某些段面或联轴器因扭转应力过大造成断裂或疲劳破坏。目前，人们对扭振发生的机理已有比较成熟的认识，并在轴系扭振固有特性的测试、扭振监测系统研制和扭振理论分析等方面取得了丰硕成果。但对于大型机电耦联系统，尤其是汽轮机组，其扭振起大多起因于电网短暂的冲击和瞬变过程，扭振过程只持续几分钟甚至几秒钟，并且可能不会转化为较大的噪音和机组基础的振动，因此对实际机组扭振的测量仍受到诸多限制，扭振的测量及分析方法也一直是人们研究的重点。文献(动力工程，1992，(3)：106-112)介绍了扭振的实测技术，专业的扭振测试仪也被不断地开发，1916年盖格尔就发明了机械式的盖格尔扭振仪。后来研制出电子式扭振仪，如丹麦的DISA，英国的G318，上海内燃机所的SZN-1电感调频式电子扭振仪等，这些均属于接触式扭振仪。二十世纪七十年代后，国内外逐渐开发出了一批电子式扭振仪。如美国亚特兰大科仪公司的2524、2538、SD25-380型，美国本特利公司的TV-SC型，英国AEDL公司的TV型，日本的PD-840型，国内东南大学的ANZT型、上海成套所的DTV-88型等，它们都属于非接触式扭振仪，但这些仪器多数已经停产。文献(Journal of Sound and Vibration，1996，190(3)：399-418)利用激光的多普勒效应进行扭振测试，上述扭振测试方法中不仅对测试设备的要求较高，而且成本也较大。

对于汽轮发电机组，电网的冲击故障会引起发电机组电磁力矩的变化，从而有可能激起轴系的扭振，反过来轴系的扭振又会对电网的电气信号产生影响，使得电气信号出现幅值调制的现象，其调制信号的频率就为汽轮机组扭振的频率。电力系统的冲击分为短时冲击性干扰和持续性干扰。持续性干扰产生的轴系扭振最主要的现象是机电系统的次同步谐振，这也是轴系扭振最为严重的现象。短时冲击性干扰表现在许多方面，主要包括：非同期并网、各种短路故障、重合闸、甩负荷和同步发电机失步等。在电力系统中，电气信号一直是被监测的对象，方便监测和提取。因此，本发明方法利用电网冲击下的电气信号，对电气信号进行处理获得汽轮机组轴系的扭振信号，无需专业的扭振测试设备，对实际机组的扭振测试有着重要的意义。

发明内容

针对上述背景技术中提到的现有扭振测试方法对测试设备的要求较高和成本较大的不足，本发明提出了一种轴系扭振提取方法。

本发明的技术方案是，一种轴系扭振提取方法，其特征是所述方法包括以下步骤：

步骤1：记录电网发生冲击前后的电压信号；

步骤2：截取轴系发生扭振时的电压信号；

步骤3：用Hilbert变换获取轴系发生扭振时电压信号的包络解调后的信号；

步骤4：对包络解调后的信号进行总体经验模态分解；

步骤5：从步骤4的分解结果中指定其中一阶本征模函数IMF，得到轴系的扭振信号。

所述步骤3中包络解调的公式为：

$y\left(t\right)=\sqrt{x{\left(t\right)}^2+H{\left(x\left(t\right)\right)}^2}$

式中：

y(t)为包络解调后的信号；

x(t)为轴系发生扭振时的电压信号；

H(·)为Hilbert变换。

所述步骤4中总体经验模态分解的公式为：

$y\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i\left(t\right)+r\left(t\right)$

式中：

c_i(t)为本征模函数IMF；

r(t)为残差。

本发明以电网冲击下回路电信号为基础，从电信号中获得汽轮机发电机组轴系的扭振信号，不需要专门的扭振测试设备，从而降低测试测量成本。

附图说明

图1为次同步谐振下的电压信号；

图2为截取的轴系发生扭振时的电压信号；

图3为提取的电压信号的包络信号；

图4为前五阶IMF信号；

图5为第五阶IMF信号。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

下面结合附图给出本发明的最佳实施例：

(1)首先记录电网持续性冲击干扰下即发生次同步谐振时回路的端电压。当次同步谐振发生时，电压和电流的幅值显著增大。电压信号如图1所示。

(2)选取振荡过程中的电压信号。机电耦合的作用使电压信号发生幅值调制现象，调制信号的频率即为轴系的扭振频率。截取调制信号如图2所示。

(3)利用Hilbert变换获取轴系发生扭振时电气信号的包络信号，即对电气信号进行包络解调，其包络信号即为调制信号：

$y\left(t\right)=\sqrt{x{\left(t\right)}^2+H{\left(x\left(t\right)\right)}^2}$

式中：

y(t)为包络解调后的信号；

x(t)为轴系发生扭振时的电压信号；

H(·)为Hilbert变换。

对变换后的信号取模后，得到电压信号的包络信号，如图3所示。

(4)对步骤(3)获取的包络信号进行平滑处理，用总体经验模态分解EEMD(Ensemble Empirical Mode Decompositon)，利用总体经验模态分解EEMD方法将包络信号分解成一组本征模函数IMF(Intrinsic Mode Functions)和一个残差之和。即：

$y\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i\left(t\right)+r\left(t\right)$

式中：

c_i(t)为本征模函数IMF；

r(t)为残差。

设定总体经验模态分解EEMD方法中的总体集成次数为50，信噪比为0.1，对步骤(3)得到的包络信号进行分解。分解后的前5阶本征模函数IMF如图4所示。

(5)选取步骤(4)中分解的第5阶本征模函数IMF，如图5所示，得到电网发生次同步谐振时轴系的扭振信号。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种轴系扭振提取方法，其特征是所述方法包括以下步骤：

步骤1：记录电网发生冲击前后的电压信号；

步骤2：截取轴系发生扭振时的电压信号；

步骤3：用Hilbert变换获取轴系发生扭振时电压信号的包络解调后的信号；

步骤4：对包络解调后的信号进行总体经验模态分解；

步骤5：从步骤4的分解结果中指定其中一阶本征模函数IMF，得到轴系的扭振信号。

2.根据权利要求1所述一种轴系扭振提取方法，其特征是所述步骤3中包络解调的公式为：

$y\left(t\right)=\sqrt{x{\left(t\right)}^2+H{\left(x\left(t\right)\right)}^2}$

式中：

y(t)为包络解调后的信号；

x(t)为轴系发生扭振时的电压信号；

H(·)为Hilbert变换。

3.根据权利要求1所述一种轴系扭振提取方法，其特征是所述步骤4中总体经验模态分解的公式为：

$y\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i\left(t\right)+r\left(t\right)$

式中：

c_i(t)为本征模函数IMF；

r(t)为残差。

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