CN104236704A - 用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽轮发电机组轴系扭振监测技术领域，尤其涉及一种用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的方法及系统。该方法采取机械侧监测为主和电气侧监测为辅的方式，监测轴系各扭振危险截面实时扭应力和电气信号中监测的次同步分量，当机械侧扭应力超过扭振报警阈值时，或电气侧电气信号中监测到次同步分量并且超过了次同步分量激发轴系SSO阈值时，则判定机组轴系发生SSO；同时给出了判断机组轴系是否发生SSO的报警阈值、损伤报警阈值、跳机保护阈值和次同步分量阈值的确定方法。该方法及系统可实现对SSO在线监测、分析与保护，同时可对机组轴系扭振疲劳寿命损耗进行精确计算。

Description

用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的方法及系统

技术领域

本发明属于汽轮发电机组轴系扭振监测技术领域，尤其涉及一种用于汽轮发电机组轴系次同步振荡(Sub Synchronous Oscillation，以下简称SSO)扭振监测的方法及系统。

背景技术

汽轮发电机组轴系扭振根据它被激发机理的不同可以分为瞬态冲击类扭振和次同步振荡等共振类扭振。输电系统的串联电容补偿、直流输电、加装不当的电力系统稳定器以及发电机的励磁系统、可控硅控制系统和电液调节系统的反馈作用等，均有可能诱发SSO，直接威胁着机组的安全可靠运行。当汽轮发电机组出现SSO时，发电机所受的电磁力矩中，含有与机组轴系某阶扭振固有频率一致或接近的分量。此时，轴系处于共振状态，即使很小的外界扰动也可能在轴系上激起较大幅度的扭振。

一般情况下，SSO对轴系造成疲劳寿命损耗的主要来源是超过转子钢材料扭转疲劳极限的小幅交变扭应力，轴系承受的单次应力循环所造成的疲劳寿命损耗往往很小，但由于轴系每秒钟都要承受10次以上的应力循环，且故障持续时间长，若故障没有得到及时的抑制，SSO对轴系造成的累积疲劳寿命损耗有可能比发生大扰动时还要严重，尤其是当SSO呈现出持续发散的趋势时，轴系的累积疲劳寿命损耗可能会在很短时间内达到100％，因此，对SSO进行实时监测，能及时发现SSO以便采取相关的措施来抑制SSO的发展，避免机组遭受更为严重的损害。

现有的监测手段难以足够精确地得到发电机三相电流电压的小幅变化，当机组发生次同步振荡故障时，发电机的小幅电流电压波动可能无法被准确地监测到，而此时发电机电磁力矩的变化已足以激发机组轴系的共振。在这种情况下，模型仿真法的精度受到了限制，无法满足扭振监测的需要，因此需要利用模态叠加的方法对次同步振荡等共振类故障进行监测。根据SSO产生的机理，其引发的机组轴系扭振表现特征有所区别，根据各类扭振表现的特征，同时考虑在线监测、分析和保护的快速性与准确性，对机组轴系SSO制定一套监测、分析和保护方法，分析计算得到其对机组轴系的损伤程度。把该方法应用于汽轮发电机组轴系扭振在线监测、分析与保护系统，得到很好的应用效果。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的方法及系统。

一种用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的方法，包括：

步骤A：监测汽轮发电机组轴系机械侧信号，

A1：实时采集机组轴系机头和机尾扭角信号；

A2：对扭角信号进行实时带通滤波，对同一段数据进行多次滤波来解决带通滤波边界失真的问题；

A3：将滤波得到的某阶或多阶模态信号，采用振型叠加法，计算得到轴系各扭振危险截面实时扭应力变化；

A4：判断轴系各扭振危险截面实时扭应力是否超过了扭振报警阀值，若是，则执行步骤C1，若否，则返回执行步骤A1；

步骤B：监测汽轮发电机组轴系电气侧信号，

B1：实时采集机组发电机电气信号，包括三相电流或电压信号；

B2：对电气信号进行频谱分析，提取电气信号中与轴系某阶扭振固有频率存在互补关系的次同步分量；

B3：如果次同步分量超过了次同步分量激发轴系SSO阈值，则执行步骤C1，如果没有超过，则返回执行步骤B1；

步骤C：根据步骤A和步骤B的监测信号判断系统状态并输出报警信号，

C1：如果步骤A3中计算得到的轴系各扭振危险截面实时扭应力变化超过了扭振报警阀值或步骤B3中次同步分量超过了次同步分量激发轴系SSO阈值，则发出SSO报警；

C2：判断步骤A3中计算得到的轴系各扭振危险截面实时扭应力变化是否超过了扭振损伤报警阀值，若是则发出扭振损伤报警，并进一步执行步骤C3；若否，则返回执行步骤A1；

C3：采用雨流法和轴系材料扭转S-N曲线来计算扭振危险截面累计疲劳寿命损耗；

C4：判断扭振危险截面累计疲劳寿命损耗是否超过扭振跳机保护阀值，如果超过了则发出跳机保护信号，如果没有则返回执行步骤A1。

所述步骤A2中带通滤波是以4秒为数据长度实时对扭角信号进行滤波。

所述步骤A2中多次滤波方法采用零相位数字滤波器来解决相位失真问题，将通过滤波器后的序列反转后再次通过滤波器，再将滤波后的序列反转；序列前后两次通过滤波器时的相移相互抵消，从而达到了零相位偏移；零相位带通数字滤波器采用IIR滤波器来构造。

所述步骤A2中采用数据循环存储的方法，并将历史数据用于延拓，令每次分析数据长度为N，前后延拓长度为L；这N+2L个数据经滤波及Hilbert变换后去掉两边延拓得到每段分析数据最终的分析结果，最后将各段数据的结果按时间先后顺序整合，能有效解决边界失真和端点效应问题。

所述步骤A3中计算扭应力的步骤包括：

设某轴系的多段集中质量扭振模型由N个质量块组成，在第i阶振型下，质量块m和测速齿轮所在质量块n在某时刻的扭角有如下关系：

$\frac{{\mathrm{\θ}}_{i,m}\left(t\right)}{{\mathrm{\θ}}_{i,n}\left(t\right)}=\frac{{\mathrm{\Θ}}_{i,m}}{{\mathrm{\Θ}}_{i,n}}---\left(14\right)$

其中，Θ_i,m和Θ_i,n为质量块m和质量块n在第i阶的振型；

已知轴系的位移响应能分解为N个振型分量的叠加，即：

${\mathrm{\θ}}_m\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Θ}}_i{\mathrm{\θ}}_{i,m}\left(t\right)---\left(15\right)$

则质量块m的扭角响应能用质量块n的振型分量运算得到：

${\mathrm{\θ}}_m\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\Θ}}_m}{{\mathrm{\Θ}}_n}{\mathrm{\θ}}_{i,n}\left(t\right)---\left(16\right)$

设机组轴系第m个轴段上存在扭振危险截面，那么根据虎克定律，该轴段的实时扭矩T_m为

T_m(t)＝k_m[θ_m(t)-θ_m+1(t)]   (17)

式中，k_m为第m个轴段的抗扭刚度；

则第m个轴段上扭振危险截面的实时扭应力τ_m(t)

${\mathrm{\τ}}_m\left(t\right)=K_{\mathrm{tm}}\frac{T_m\left(t\right)}{W_{\mathrm{pm}}}---\left(18\right)$

式中，W_pm为第m个轴段的抗扭截面系数，K_tm为第m个扭振危险截面处的理论应力集中系数。

所述步骤C2中扭振损伤报警阀值为轴系扭振最危险截面材料扭转疲劳极限。

所述步骤A4中扭振报警阀值是以扭振损伤报警阈值乘以安全系数作为扭振报警阀值，安全系数为0.4。

所述步骤C4中扭振跳机保护阀值是以机组轴系单次疲劳寿命损耗乘以安全系数作为扭振跳机保护阀值，安全系数为1％。

所述步骤B3中次同步分量激发轴系SSO阈值是以轴系材料扭转疲劳极限对应的电气信号中次同步分量的幅值乘以安全系数为次同步分量激发轴系SSO阈值，安全系数为0.3。

一种用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的系统，包括：扭角信号采集模块、扭角信号滤波模块、扭应力计算模块、电气信号采集模块、次同步分量提取模块、疲劳寿命损耗计算模块、比较模块、报警模块；

其中，扭角信号采集模块依次通过扭角信号滤波模块、扭应力计算模块和比较模块相连；电气信号采集模块通过次同步分量提取模块和比较模块相连；比较模块和报警模块相连；疲劳寿命损耗计算模块同时与扭角信号采集模块和比较模块相连；

扭角信号采集模块的功能为实时采集机组轴系机头和机尾扭角信号，并将扭角信号送入扭角信号滤波模块中；

扭角信号滤波模块的功能为对扭角信号进行实时带通滤波，对同一段数据进行多次滤波解决带通滤波边界失真的问题，并将滤波后的信号送入到扭应力计算模块中；

扭应力计算模块的功能为将滤波得到的某阶或多阶模态信号，采用振型叠加法，计算得到轴系各扭振危险截面实时扭应力变化，并将扭应力值送入到比较模块中；

电气信号采集模块的功能为实时采集机组发电机电气信号，包括二次电压互感器电压信号或电流互感器电流信号，并送入到次同步分量提取模块中；

次同步分量提取模块的功能为对电气信号进行频谱分析，提取电气信号中与轴系某阶扭振固有频率存在互补关系的次同步分量，并将次同步分量值送入到比较模块中；

疲劳寿命损耗计算模块的功能为采用雨流法和轴系材料扭转S-N曲线来计算扭振危险截面累计疲劳寿命损耗，并将计算结果信号送入到比较模块中；

比较模块的功能是：

a、预先设定扭振报警阀值、扭振损伤报警阀值、次同步分量激发轴系SSO阈值、扭振跳机保护阀值；

b、比较扭应力和扭振报警阀值的大小，比较次同步分量和次同步分量激发轴系SSO阈值的大小，一旦扭应力超过扭振报警阀值或次同步分量超过次同步分量激发轴系SSO阈值的大小则输出SSO报警信号到报警模块中；

c、比较扭应力和扭振损伤报警阀值的大小，一旦扭应力超过了扭振损伤报警阀值的大小，则输出扭振损伤报警信号到报警模块中；

d、比较扭振危险截面累计疲劳寿命损耗和扭振跳机保护阀值的大小，一旦扭振危险截面累计疲劳寿命损耗超过了扭振跳机保护阀值，则输出跳机保护信号到报警模块中；

报警模块的功能是：根据比较模块输出的SSO报警信号、扭振损伤报警信号、跳机保护信号，显示不同的系统报警状态。

本发明的有益效果在于：采取机械侧监测为主和电气侧监测为辅的方式，当机械侧扭应力超过扭振报警阈值时，或电气侧电气信号中监测到次同步分量并且超过了次同步分量激发轴系SSO阈值时，则判定机组轴系发生SSO；制定了相应监测与保护策略，同时给出了判断机组轴系是否发生SSO的报警阈值、损伤报警阈值、跳机保护阈值和次同步分量阈值的确定方法；该方法和系统应用于汽轮发电机组轴系扭振监测、分析与保护系统，可实现对SSO在线监测、分析与保护，同时可对机组轴系扭振疲劳寿命损耗进行精确计算。

附图说明

图1为汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的方法流程图；

图2为“移动窗”解决边界失真问题示意图；

图3为信号的分段处理过程图；

图4为机组轴系多段集中质量扭振模型模化图；

图5为机组发电机电气信号图；

图6为电气信号频谱分析结果图；

图7为汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。本发明提出一种用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的方法，如图1所示，包括：

步骤A：监测汽轮发电机组轴系机械侧信号，

A1：实时采集机组轴系机头和机尾扭角信号；

A2：对扭角信号进行实时带通滤波，对同一段数据进行多次滤波来解决带通滤波边界失真的问题；

A3：将滤波得到的某阶或多阶模态信号，采用振型叠加法，计算得到轴系各扭振危险截面实时扭应力变化；

A4：判断轴系各扭振危险截面实时扭应力是否超过了扭振报警阀值，若是，则执行步骤C1，若否，则返回执行步骤A1；

步骤B：监测汽轮发电机组轴系电气侧信号，

B1：实时采集机组发电机电气信号，包括三相电流或电压信号；

B2：对电气信号进行频谱分析，提取电气信号中与轴系某阶扭振固有频率存在互补关系的次同步分量；

B3：如果次同步分量超过了次同步分量激发轴系SSO阈值，则执行步骤C1，如果没有超过，则返回执行步骤B1；

步骤C：根据步骤A和步骤B的监测信号判断系统状态并输出报警信号，

C1：如果步骤A3中计算得到的轴系各扭振危险截面实时扭应力变化超过了扭振报警阀值或步骤B3中次同步分量超过了次同步分量激发轴系SSO阈值，则发出SSO报警；

C2：判断步骤A3中计算得到的轴系各扭振危险截面实时扭应力变化是否超过了扭振损伤报警阀值，若是则发出扭振损伤报警，并进一步执行步骤C3；若否，则返回执行步骤A1；

C3：采用雨流法和轴系材料扭转S-N曲线来计算扭振危险截面累计疲劳寿命损耗；

C4：判断扭振危险截面累计疲劳寿命损耗是否超过扭振跳机保护阀值，如果超过了则发出跳机保护信号，如果没有则返回执行步骤A1。

实时采集机组轴系机头和机尾扭角信号，考虑到SSO在线监测及时性要求，不能长时间采集扭角数据用于滤波，但数据长度不宜太短以保证滤波结果的准确性。因此采用以4秒为数据长度实时对扭角信号进行带通滤波。不可避免地，带通滤波器存在边界失真的问题，由于SSO持续时间较长，如果单纯地对每一段数据进行带通滤波，再将滤波后的数据连接在一起，边界失真会对SSO的监测带来很大影响。由于带通滤波的边界失真一般只在分析的前面一段时间内比较明显，因此带通滤波边界失真的问题可以用移动“窗口”，对同一段数据多次滤波的方法解决，如附图2所示。将滤波得到某阶或多阶模态信号，采用振型叠加法，计算得到轴系各扭振危险截面实时扭应力变化，采用雨流法和轴系材料扭转S-N曲线，计算轴系各扭振危险截面的疲劳寿命损耗。

a信号带通滤波方法

为了在线分析SSO特性，需要将SSO信号分解为单频的模态分量，且模态分量与真实值间的相位偏差应尽量小，而普通的滤波器会产生较大的相位失真，因此发明采用了零相位数字滤波器来解决相位失真问题。零相位数字滤波器的基本原理是将通过滤波器后的序列反转后再次通过滤波器，再将滤波后的序列反转。这样序列前后两次通过滤波器时的相移相互抵消，从而达到了零相位偏移。零相位滤波器的滤波过程的时域描述可由以下(1)～(4)式表示：

y₁(n)＝x(n)*h(n)   (1)

y₂(n)＝y₁(N-1-n)   (2)

y₃(n)＝y₂(n)*h(n)   (3)

y₄(n)＝y₃(N-1-n)   (4)

(1)～(4)式中x(n)表示输入序列，h(n)为所用滤波器的冲激响应，y(n)为第二次滤波输出的逆转序列。(1)～(4)式的相应频域可表示为(5)～(8)式：

Y₁(e^jω)＝X(e^jω)H(e^jω)   (5)

Y₂(e^jω)＝e^-jω(N-1)Y₁(e^-jω)   (6)

Y₃(e^jω)＝Y₂(e^jω)H(e^jω)   (7)

Y₄(e^jω)＝e^-jω(N-1)Y₃(e^-jω)   (8)

由(5)～(8)式可得：

Y(e^jω)＝X(e^jω)|H(e^jω)|²   (9)

由(9)式可见Y(e^jω)与X(e^jω)之间没有相位偏差，相移为零，零相位滤波器能好的消除相位失真问题。

采用的零相位带通数字滤波器采用IIR滤波器来构造。这是因为IIR数字滤波器与FIR数字滤波器相比，幅频特性更好，虽然会存在相位失真，但在构造零相位数字滤波器时IIR滤波器的相位失真问题可不予考虑。而FIR数字滤波器虽然相频特性较好，但在相同指标要求下滤波器的阶数要比IIR滤波器的阶数高很多。

b模态特性计算方法

Hilbert变换能准确地提取信号的瞬时信息，且运算速度快，适合于在线分析运算。因此，采用Hilbert变换来提取模态分量的瞬时幅值及频率等信息。信号的Hilbert变换定义为：

$\mathrm{HT}\left[x\left(t\right)\right]=\hat{x}\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{x\left(t\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ}---\left(10\right)$

式中，HT[x(t)]为信号x(t)的Hilbert变换；为信号的共轭信号；x(t)的瞬时幅值a(t)、瞬时相位和瞬时频率f(t)按以下各式计算：

$a\left(t\right)=\sqrt{x^2\left(t\right)+{\hat{x}}^2\left(t\right)}---\left(11\right)$

$f\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\frac{\mathrm{dx}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(13\right)$

c边界失真解决方法

在滤波时由于对信号进行时域截断，这将不可避免地会产生边界失真问题，而在Hilbert变换算法中由于加窗效应导致经变换后信号的两端会不可避免地出现较为严重的端点效应，如果不采取措施，模态的分离效果及其瞬时幅值、频率信息甚至系统阻尼的计算的准确性将受到严重的影响，对故障的危害严重的判断造成误差，容易引起误判，不利于制定扭振的保护控制策略。在时域内对信号进行边界延拓可以有效解决边界失真问题和端点效应带来的不利影响。传统的边界延拓方法有零延拓、对称延拓和周期延拓等，然而这些方法在实际信号的应用中效果并不理想。因此，本发明对边界延拓方法进行了改进。

采用数据循环存储的方法，并将历史数据用于延拓，可以有效解决边界失真和端点效应问题。令每次分析数据长度为N，前后延拓长度为L。这N+2L个数据经滤波及Hilbert变换后去掉两边延拓即可得到每段分析数据最终的分析结果，最后将各段数据的结果按时间先后顺序整合。改进方法的实现过程如图3所示。

d机组轴系扭振危险截面扭应力响应计算方法

假设某轴系的多段集中质量扭振模型由N个质量块组成，如图4所示，在第i阶振型下，质量块m和测速齿轮所在质量块n在某时刻的扭角有如下关系：

$\frac{{\mathrm{\θ}}_{i,m}\left(t\right)}{{\mathrm{\θ}}_{i,n}\left(t\right)}=\frac{{\mathrm{\Θ}}_{i,m}}{{\mathrm{\Θ}}_{i,n}}---\left(14\right)$

其中，Θ_i,m和Θ_i,n为质量块m和质量块n在第i阶的振型。

已知轴系的位移响应可以分解为N个振型分量的叠加，即：

${\mathrm{\θ}}_m\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Θ}}_i{\mathrm{\θ}}_{i,m}\left(t\right)---\left(15\right)$

所以质量块m的扭角响应可以用质量块n的振型分量运算得到：

${\mathrm{\θ}}_m\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\Θ}}_m}{{\mathrm{\Θ}}_n}{\mathrm{\θ}}_{i,n}\left(t\right)---\left(16\right)$

设机组轴系第m个轴段上存在扭振危险截面，那么根据虎克定律，可知该轴段的实时扭矩T_m为

T_m(t)＝k_m[θ_m(t)-θ_m+1(t)]   (17)

式中，k_m为第m个轴段的抗扭刚度。

同时可知第m个轴段上扭振危险截面的实时扭应力τ_m(t)

${\mathrm{\τ}}_m\left(t\right)=K_{\mathrm{tm}}\frac{T_m\left(t\right)}{W_{\mathrm{pm}}}---\left(18\right)$

式中，W_pm为第m个轴段的抗扭截面系数，K_tm为第m个扭振危险截面处的理论应力集中系数。

因此，只要对测速齿轮的扭角进行实时监测，并将扭角信号分解为若干阶固有频率下扭角信号，利用振型叠加的方法便可以得到轴系中任意质量块的实时扭角变化和各个截面的实时扭应力变化。

e机组轴系扭振危险截面扭振疲劳寿命损耗计算方法

1)雨流计数法

把应变-时间历程数据记录转过90°，时间坐标轴竖直向下，雨流计数法对载荷的时间历程进行计数。雨流计数法的基本计数规则为：

(1)雨流依次从载荷时间历程的峰值位置的内侧沿着斜坡往下流；

(2)雨流从某一个峰值点开始流动，当遇到比其起始峰值更大的峰值时要停止流动；

(3)雨流遇到上面流下的雨流时，必须停止流动；

(4)取出所有的全循环，记下每个循环的幅度；

(5)将第一阶段计数后剩下的发散收敛载荷时间历程等效为一个收敛发散型的载荷时间历程，进行第二阶段的雨流计数。计数循环的总数等于两个计数阶段的计数循环之和。

2)线性累积法

线性疲劳累积操作理论是指在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累积的，各个应力之间相互独立和互不相关，当累积的损伤达到某一数值时，试件或构件就发生疲劳破坏。

表2 线性疲劳累积理论

Miner理论指出：

(1)一个循环造成的损伤：

$D=\frac{1}{N}$

式中，N为对应于当前载荷水平S的疲劳水平

(2)等幅载荷下，n个循环造成的损伤：

$D=\frac{n}{N}$

变幅载荷下，n个循环造成的损伤：

$D=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{N_i}$

式中，Ni为对应于当前载荷水平Si的疲劳寿命。

当发生SSO时，电气信号中低于工频的次同步频率与轴系某阶扭振固有频率则存在着互补的关系，实时采集机组发电机二次电压互感器的电压信号或电流互感器的电流信号，对该电气信号进行频谱分析，提取电气信号中与轴系某阶扭振固有频率存在互补关系的次同步分量，当该次同步分量达到次同步分量阈值时，认为该次同步分量激发起机组轴系SSO。

例如机组发电机电气信号如图5所示，信号中含有一定幅值的次同步分量。对电气信号进行频谱分析后结果如图6所示，从图中可得该电气信号中与轴系某阶扭振固有频率存在互补关系的次同步分量具有一定幅值，且其幅值超过次同步分量阈值。

实时采集机组轴系机头和机尾扭角信号，如果滤波能得到某阶模态信号，同时计算得到的轴系扭振危险截面上的实时扭应力超过SSO扭振报警阈值但未达到扭振损伤报警阈值，或在机组电气侧监测机组发电机电气信号，如果发现次同步分量，说明机组已经产生SSO，立即发出SSO扭振报警。

实时采集机组轴系机头和机尾扭角信号，如果滤波能得到某阶模态信号，同时计算得到的轴系扭振危险截面的实时扭应力超过扭振损伤报警阈值，说明机组轴系已经受到疲劳损伤，立即发出扭振损伤报警；

实时采集机组轴系机头和机尾扭角信号，如果计算得出轴系单次疲劳寿命损耗达到跳机保护阈值，则立即发出跳机保护信号。

提出制定判断机组轴系发生SSO的机械侧阈值和电气侧阈值的方法：

1)若轴系扭振最危险截面的实时扭应力超过其材料扭转疲劳极限时，说明此时轴系已经受到疲劳损伤。因此，将轴系扭振最危险截面材料扭转疲劳极限设为扭振损伤报警阈值。

2)若经过模态滤波后能够得到模态信号，而轴系扭振最危险截面的实时扭应力不超过扭振损伤报警阈值，说明机组已经发生SSO，但轴系并未受到疲劳损伤。将扭振损伤报警阈值乘以安全系数作为SSO扭振报警阈值，这里将该机组的SSO扭振报警阈值设定为0.4倍扭振损伤报警阈值。

3)当轴系累积疲劳寿命损耗达到一定值时，机组轴系已经产生严重的疲劳损伤，在这种情况下如果继续使用，轴系有可能出现裂纹或断裂事故，因此应该在轴系的疲劳寿命损耗达到该值时立即跳机。这里将单次疲劳寿命损耗达到1％设定为该机组的跳机保护阈值。

4)当轴系扭振最危险截面的实时扭应力超过其材料扭转疲劳极限时，说明机组发电机电气信号中次同步分量激发起的机组轴系SSO对轴系造成损伤，把轴系材料扭转疲劳极限对应电气信号中次同步分量的幅值乘以安全系数作为判断次同步分量激发轴系SSO的阈值，建议安全系数为0.3。

一种用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的系统，如图7所示，包括：扭角信号采集模块、扭角信号滤波模块、扭应力计算模块、电气信号采集模块、次同步分量提取模块、疲劳寿命损耗计算模块、比较模块、报警模块；

其中，扭角信号采集模块依次通过扭角信号滤波模块、扭应力计算模块和比较模块相连；电气信号采集模块通过次同步分量提取模块和比较模块相连；比较模块和报警模块相连；疲劳寿命损耗计算模块同时与扭角信号采集模块和比较模块相连；

扭角信号采集模块的功能为实时采集机组轴系机头和机尾扭角信号，并将扭角信号送入扭角信号滤波模块中；

扭角信号滤波模块的功能为对扭角信号进行实时带通滤波，对同一段数据进行多次滤波解决带通滤波边界失真的问题，并将滤波后的信号送入到扭应力计算模块中；

扭应力计算模块的功能为将滤波得到的某阶或多阶模态信号，采用振型叠加法，计算得到轴系各扭振危险截面实时扭应力变化，并将扭应力值送入到比较模块中；

电气信号采集模块的功能为实时采集机组发电机电气信号，包括二次电压互感器电压信号或电流互感器电流信号，并送入到次同步分量提取模块中；

次同步分量提取模块的功能为对电气信号进行频谱分析，提取电气信号中与轴系某阶扭振固有频率存在互补关系的次同步分量，并将次同步分量值送入到比较模块中；

疲劳寿命损耗计算模块的功能为采用雨流法和轴系材料扭转S-N曲线来计算扭振危险截面累计疲劳寿命损耗，并将计算结果信号送入到比较模块中；

比较模块的功能是：

a、预先设定扭振报警阀值、扭振损伤报警阀值、次同步分量激发轴系SSO阈值、扭振跳机保护阀值；

b、比较扭应力和扭振报警阀值的大小，比较次同步分量和次同步分量激发轴系SSO阈值的大小，一旦扭应力超过扭振报警阀值或次同步分量超过次同步分量激发轴系SSO阈值的大小则输出SSO报警信号到报警模块中；

c、比较扭应力和扭振损伤报警阀值的大小，一旦扭应力超过了扭振损伤报警阀值的大小，则输出扭振损伤报警信号到报警模块中；

d、比较扭振危险截面累计疲劳寿命损耗和扭振跳机保护阀值的大小，一旦扭振危险截面累计疲劳寿命损耗超过了扭振跳机保护阀值，则输出跳机保护信号到报警模块中；

报警模块的功能是：根据比较模块输出的SSO报警信号、扭振损伤报警信号、跳机保护信号，显示不同的系统报警状态。

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 (10)

1.一种用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的方法，其特征在于，包括：

步骤A：监测汽轮发电机组轴系机械侧信号，

A1：实时采集机组轴系机头和机尾扭角信号；

A2：对扭角信号进行实时带通滤波，对同一段数据进行多次滤波来解决带通滤波边界失真的问题；

A3：将滤波得到的某阶或多阶模态信号，采用振型叠加法，计算得到轴系各扭振危险截面实时扭应力变化；

A4：判断轴系各扭振危险截面实时扭应力是否超过了扭振报警阀值，若是，则执行步骤C1，若否，则返回执行步骤A1；

步骤B：监测汽轮发电机组轴系电气侧信号，

B1：实时采集机组发电机电气信号，包括三相电流或电压信号；

B2：对电气信号进行频谱分析，提取电气信号中与轴系某阶扭振固有频率存在互补关系的次同步分量；

B3：如果次同步分量超过了次同步分量激发轴系SSO阈值，则执行步骤C1，如果没有超过，则返回执行步骤B1；

步骤C：根据步骤A和步骤B的监测信号判断系统状态并输出报警信号，

C1：如果步骤A3中计算得到的轴系各扭振危险截面实时扭应力变化超过了扭振报警阀值或步骤B3中次同步分量超过了次同步分量激发轴系SSO阈值，则发出SSO报警；

C2：判断步骤A3中计算得到的轴系各扭振危险截面实时扭应力变化是否超过了扭振损伤报警阀值，若是则发出扭振损伤报警，并进一步执行步骤C3；若否，则返回执行步骤A1；

C3：采用雨流法和轴系材料扭转S-N曲线来计算扭振危险截面累计疲劳寿命损耗；

C4：判断扭振危险截面累计疲劳寿命损耗是否超过扭振跳机保护阀值，如果超过了则发出跳机保护信号，如果没有则返回执行步骤A1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A2中带通滤波是以4秒为数据长度实时对扭角信号进行滤波。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A2中多次滤波方法采用零相位数字滤波器来解决相位失真问题，将通过滤波器后的序列反转后再次通过滤波器，再将滤波后的序列反转；序列前后两次通过滤波器时的相移相互抵消，从而达到了零相位偏移；零相位带通数字滤波器采用IIR滤波器来构造。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A2中采用数据循环存储的方法，并将历史数据用于延拓，令每次分析数据长度为N，前后延拓长度为L；这N+2L个数据经滤波及Hilbert变换后去掉两边延拓得到每段分析数据最终的分析结果，最后将各段数据的结果按时间先后顺序整合，能有效解决边界失真和端点效应问题。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A3中计算扭应力的步骤包括：

设某轴系的多段集中质量扭振模型由N个质量块组成，在第i阶振型下，质量块m和测速齿轮所在质量块n在某时刻的扭角有如下关系：

$\frac{{\mathrm{\θ}}_{i,m}\left(t\right)}{{\mathrm{\θ}}_{i,n}\left(t\right)}=\frac{{\mathrm{\Θ}}_{i,m}}{{\mathrm{\Θ}}_{i,n}}---\left(14\right)$

其中，Θ_i,m和Θ_i,n为质量块m和质量块n在第i阶的振型；

已知轴系的位移响应能分解为N个振型分量的叠加，即：

${\mathrm{\θ}}_m\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Θ}}_i{\mathrm{\θ}}_{i,m}\left(t\right)---\left(15\right)$

则质量块m的扭角响应能用质量块n的振型分量运算得到：

${\mathrm{\θ}}_m\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\Θ}}_m}{{\mathrm{\Θ}}_n}{\mathrm{\θ}}_{i,n}\left(t\right)---\left(16\right)$

设机组轴系第m个轴段上存在扭振危险截面，那么根据虎克定律，该轴段的实时扭矩T_m为

T_m(t)＝k_m[θ_m(t)-θ_m+1(t)]   (17)

式中，k_m为第m个轴段的抗扭刚度；

则第m个轴段上扭振危险截面的实时扭应力τ_m(t)

${\mathrm{\τ}}_m\left(t\right)=K_{\mathrm{tm}}\frac{T_m\left(t\right)}{W_{\mathrm{pm}}}---\left(18\right)$

式中，W_pm为第m个轴段的抗扭截面系数，K_tm为第m个扭振危险截面处的理论应力集中系数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C2中扭振损伤报警阀值为轴系扭振最危险截面材料扭转疲劳极限。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A4中扭振报警阀值是以扭振损伤报警阈值乘以安全系数作为扭振报警阀值，安全系数为0.4。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C4中扭振跳机保护阀值是以机组轴系单次疲劳寿命损耗乘以安全系数作为扭振跳机保护阀值，安全系数为1％。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B3中次同步分量激发轴系SSO阈值是以轴系材料扭转疲劳极限对应的电气信号中次同步分量的幅值乘以安全系数为次同步分量激发轴系SSO阈值，安全系数为0.3。

10.一种用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的系统，其特征在于，包括：扭角信号采集模块、扭角信号滤波模块、扭应力计算模块、电气信号采集模块、次同步分量提取模块、疲劳寿命损耗计算模块、比较模块、报警模块；

其中，扭角信号采集模块依次通过扭角信号滤波模块、扭应力计算模块和比较模块相连；电气信号采集模块通过次同步分量提取模块和比较模块相连；比较模块和报警模块相连；疲劳寿命损耗计算模块同时与扭角信号采集模块和比较模块相连；

扭角信号采集模块的功能为实时采集机组轴系机头和机尾扭角信号，并将扭角信号送入扭角信号滤波模块中；

扭角信号滤波模块的功能为对扭角信号进行实时带通滤波，对同一段数据进行多次滤波解决带通滤波边界失真的问题，并将滤波后的信号送入到扭应力计算模块中；

扭应力计算模块的功能为将滤波得到的某阶或多阶模态信号，采用振型叠加法，计算得到轴系各扭振危险截面实时扭应力变化，并将扭应力值送入到比较模块中；

电气信号采集模块的功能为实时采集机组发电机电气信号，包括二次电压互感器电压信号或电流互感器电流信号，并送入到次同步分量提取模块中；

次同步分量提取模块的功能为对电气信号进行频谱分析，提取电气信号中与轴系某阶扭振固有频率存在互补关系的次同步分量，并将次同步分量值送入到比较模块中；

疲劳寿命损耗计算模块的功能为采用雨流法和轴系材料扭转S-N曲线来计算扭振危险截面累计疲劳寿命损耗，并将计算结果信号送入到比较模块中；

比较模块的功能是：

a、预先设定扭振报警阀值、扭振损伤报警阀值、次同步分量激发轴系SSO阈值、扭振跳机保护阀值；

b、比较扭应力和扭振报警阀值的大小，比较次同步分量和次同步分量激发轴系SSO阈值的大小，一旦扭应力超过扭振报警阀值或次同步分量超过次同步分量激发轴系SSO阈值的大小则输出SSO报警信号到报警模块中；

c、比较扭应力和扭振损伤报警阀值的大小，一旦扭应力超过了扭振损伤报警阀值的大小，则输出扭振损伤报警信号到报警模块中；

d、比较扭振危险截面累计疲劳寿命损耗和扭振跳机保护阀值的大小，一旦扭振危险截面累计疲劳寿命损耗超过了扭振跳机保护阀值，则输出跳机保护信号到报警模块中；

报警模块的功能是：根据比较模块输出的SSO报警信号、扭振损伤报警信号、跳机保护信号，显示不同的系统报警状态。