CN104931129A - 一种发电机组转子扭振测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电机组转子扭振测量系统及测量方法，包括：监控主机、主通信管理器、备用通信管理器、相位检测器以及输出接口模块；监控主机同时与主通信管理器和备用通信管理器连接，在主通信管理器和备用通信管理器另一个网络总线上，同时连接相位检测器和输出接口模块；相位检测器与输出接口模块之间也通过这个网络总线连接；相位检测器上同时连接多个转子轴振探头。本发明有益效果：可实现发电机组全数字扭振检测，超越国外现有产品，具有巨大的经济效益和社会效益。

Description

一种发电机组转子扭振测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及发电机组振动数字测量技术领域，尤其涉及一种发电机组转子扭振测量系统及测量方法。

背景技术

众所周知，所有旋转机械都通过传动轴传输动力。作用在传动轴上的力矩一个为驱动力矩，一个为负载力矩，当这两个力矩之差不超过转子最大允许值时，传动轴便是安全的。但在发电机组中，随着发电机组输出功率的增加，机组的转子越来越长，目前1000MW机组的发电机转子最长达到了近40米。转子的增长带来的一个问题便是扭振。

随着我国特高压的发展，电网规模将越来越大，机组容量也越来越大，电网要求机组的快速响应时间越来越短。这就带来了大机组频繁地快速增减负荷，这必然对机组转子寿命和安全性带来重要影响。根据我国能源局2014年161号文件规定，发电机组必须同步装设扭振保护装置，而目前的振动监测仪表TSI对此难以实现。

目前，国内方面鲜有对于发电机组转子扭振测量方面的技术研究；国外大型发电机组的汽轮机振动监测装置(TSI)从测振原理看，都是通过键相信号与测振信号进行模拟鉴相运算实现，因而TSI装置体积较大，不利于安装。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种发电机组转子扭振测量系统及测量方法，该系统及方法填补了发电机组转子扭变幅度测量领域的空白，使扭振在线检测成为可能，对机组安全和电网安全具有重要意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种发电机组转子扭振测量系统，包括：监控主机、主通信管理器、备用通信管理器、相位检测器以及输出接口模块；

所述监控主机同时与两个通信管理器连接，两个通信管理器同时通过网络总线与相位检测器和输出接口模块相连接；所述相位检测器与输出接口模块之间也通过网络总线连接；所述相位检测器连接多个转子轴振动探头。

一种所述的发电机组转子扭振测量系统的测量方法，包括以下步骤：

(1)确定发电机组特征函数周期和采样周期；

(2)根据特征函数周期和采样周期确定一个特征函数周期内的采样样本总数量，并计算基于这个采样样本量的最小二乘滤波器；

(3)计算发电机组转子各探头的振幅和相位；

(4)计算发电机组转子扭变幅度：在转子两端分别安装两个振动探头，计算两个振动探头的振动函数的相位差；扭变幅度在时间上的变化就是扭振。

所述步骤(2)中确定采样样本数量的方法为：

首先确定处理器一次处理的从第一个采样样本到最后一个采样样本之间的时间长度T_w，则采样样本数量N为：

$N=\frac{T_w}{T};$

其中，T为采样周期，T_w同时也是特征函数的周期。

所述步骤(2)中最小二乘滤波器的计算过程具体为：

将经过数字滤波后的转子电压信号表示为基频为ω的傅立叶函数，具体为：

$u\left(t\right)=U_0{e}^{-\mathrm{\λ}t}+\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{U}_{k}sin(k\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\θ}}_k);$

其中，U₀为直流分量；λ为直流分量衰减系数；U_k为第k次谐波的幅值；ω为基波电流或电压的角频率；θ_k为第k次谐波的初始相角，k＝1,2,…,M；

将傅立叶函数的U₀e^-λt按照泰勒级数展开，将U_k sin(kωt+θ_k)按照三角函数展开，得到采样方程u(t)；根据采样时刻t的不同，得到采样方程组；

将采样方程u(t)表示为矩阵方程形式：A·X＝U；其中，A为系数矩阵，X为变量矩阵，则系数矩阵A的逆矩阵A^-1即为最小二乘滤波器。

所述步骤(3)中发电机组转子振幅为：

$U_e=\frac{\sqrt{2}}{2}{U}_1;$

其中，U₁即为基波或特征函数的幅值；

所述步骤(3)中发电机组转子相位为：

${\mathrm{\θ}}_1={\tan }^{-1}\frac{U_1{\mathrm{sin\θ}}_1}{U_1{\mathrm{cos\θ}}_1};$

其中，U₁为特征函数的幅值，θ₁为特征函数的初始相角。

所述步骤(4)中发电机组转子空载时，两个振动探头的振动函数的相位差为：

Δθ₀＝θ_01A-θ_01B；

其中，θ_01A和θ_01B分别是安装于转子两端(A、B)位置处的振动探头的空载相位；

发电机组转子有载时，两个振动探头的振动函数的相位差为：

Δθ₁＝θ_1A-θ_1B；

其中，θ_1A、θ_1B分别是安装于转子两端位置处的振动探头的有载时的相位；

转子有载扭变幅度为：

Δθ＝Δθ₁-Δθ₀。

本发明的有益效果：

本发明提出的发电机组转子扭变幅度测量方法填补了发电机组转子扭变幅度测量技术领域的空白，使扭振在线检测成为可能，对机组安全和电网安全具有重要意义。

采用最小二乘滤波器法获得转子振动大小和相位、以及转子扭振幅度的测量，在同样的计算精度下，采样次数可以比傅里叶次数减少5倍以上，提高了采样效率。

采用本发明提出的测量方法，可实现发电机组全数字振动检测，将打破国外产品的技术垄断，具有巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明发电机组转子扭振测量系统结构图；

图2为发电机组转子扭振测量系统原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

日前，我公司的第一代机组扭振检测装置TSS-01已研制完毕。该装置针对典型600MW机组设计，系统结构如图1所示。包括：监控主机、主通信管理器、备用通信管理器、相位检测器以及输出接口模块；

监控主机与主通信管理器和备用通信管理器同时连接，主通信管理器和备用通信管理器同时通过网络总线同时连接相位检测器和输出接口模块；相位检测器与输出模块之间也通过网络总线相互连接。

输出接口模块包括：模拟量输出接口和开关量输出接口。

相位检测器连接四个轴振动探头，其中，四路相位检测器用于检测相位差和转子扭变度。单元内采用了高性能数字处理器(DSP)，DSP内部集成了A/D转换器、CPU、程序存储器等。CPU同步采样四路信号，因此可通过本发明所述公式获得振动幅度和扭变幅度参数，实现了转子扭振的实时在线测量。

图2为发电机组转子扭振检测测点布置与原理示意图。其中，T1～T4为四个轴振动探头，四个探头分别安装于高压缸前T1、中压缸前T2、低压缸前T3和发电机之前T4，通过T1和T2探头的相位差可获得高压缸转子的扭变幅度，通过T2和T3探头的相位差可获得中压缸转子的扭变幅度，通过T3和T4探头的相位差可获得低压缸转子的扭变幅度，通过T1和T4探头的相位差可获得整个轴系的扭变幅度；通过检测扭变幅度在时间轴上的变化周期可获得其是否有共振和共振频率。

“相位1”～“相位4”所示波形分别为这四个测点的实际波形图中的测量相位，可分别按照本发明所述公式(9)得到。

以下为发电机组转子扭振测量的具体实现方法。

步骤1：确定特征函数频率和采样周期；

步骤2：计算最小二乘滤波器；

步骤3：计算振幅和相位；

步骤4：计算转子扭变幅度；

步骤1)确定特征函数频率和采样周期的过程如下：

将转子电压信号经过滤波后转换成为带有直流分量、特征分量及其谐波成分的电压信号，可表示为如下形式：

$u\left(t\right)=U_0{e}^{-\mathrm{\λ}t}+\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{U}_{k}sin(k\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\θ}}_k)---\left(1\right)$

其中，U₀为直流分量；λ为直流分量衰减系数；U_k为第k次谐波的幅值；ω为基波电流或电压的角频率；θ_k为第k次谐波的初始相角，k＝1,2,…,M；ω＝2πf，f为转子工作频率。

对于国内火力发电机组来说，f＝50Hz(50Hz即3000rpm),对于核电机组，f＝25Hz(25Hz即1500rpm)。

U₁和θ₁是对应于转速ω下的振动幅值和相对相位角，是转子振动的基波特征，也是扭振检测所需要的基本特征。对于50Hz电网中的火力发电机组来说，扭振发生时是处于并网状态的，是与电网同步的，因此，工作频率即为50Hz(核电机组为25Hz)。

根据申农采样定理，数字采样频率必须为模拟信号频率的两倍以上。如果要从离散数据中恢复处50Hz的原始信号，其采样频率必须为100Hz以上。因此，可以根据所采用的CPU或MCU(微处理器)的处理能力确定一个采样周期T。当然，采样周期T越小越好。但采样周期T越小，对CPU的计算速度要求就越高。因此，必须综合考虑，选择一个合适的数值。只要采样周期T符合采样定理，其大小不影响本方法的有效性。

步骤2)计算最小二乘滤波器的过程为：

要计算最小二乘滤波器，首先需要确定时间窗的大小，以及一个时间窗里的采样样本数。所谓时间窗，是指CPU一次处理的从第一个采样样本到最后一个采样样本之间的时间长度。这个时间长度一般要大于或等于函数的固有周期，对50Hz信号来说，函数固有周期为20ms。需要说明的是，函数周期与采样周期T是两个完全不同的概念。

确定时间窗的大小T_w后，采样样本数N也就确定了。N与T_w以及T的关系为：

$N=\frac{T_w}{T}---\left(2\right)$

最小二乘滤波器的计算过程如下：

为了得到最小二乘滤波器，首先将公式(1)做如下处理：

将公式(1)中的U₀e^-λt按泰勒基数展开并取前两项，U_k sin(kωt+θ_k)按三角函数展开，则公式(1)可表示为如下形式：

$u\left(t\right)=U_0-U_0\mathrm{\λ}t+\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}sin\left(k\mathrm{\ω}t\right)\×U_{k}cos\left({\mathrm{\θ}}_k\right)+\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}cos\left(k\mathrm{\ω}t\right)\×U_{k}sin\left({\mathrm{\θ}}_k\right)---\left(3\right)$

该函数在采样时刻t_i，与其采样样本u(t_i)之间必然相等，即采样方程为：

$U_0-U_0{\mathrm{\λt}}_i+\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}sin\left({\mathrm{k\ωt}}_i\right)\×U_{k}cos\left({\mathrm{\θ}}_k\right)+\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}cos\left({\mathrm{k\ωt}}_i\right)\×U_{k}sin\left({\mathrm{\θ}}_k\right)=u\left(t_i\right)---\left(4\right)$

t_i为第i次采样时刻。

由于采样时刻t_i已知，因此，公式(4)中sin(kωt_i)，cos(kωt_i)也可认为是已知量，只有U₀、λ、U_k cos(θ_k)、U_k sin(θ_k)是未知量。如果将N个采样方程按公式(4)逐一列出，并得到如下所示一个矩阵方程(为方程简洁起见，将t_i用τ表示)：

$\left(\begin{array}{ccccccc}1& \mathrm{\τ}& sin\left(\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}\right)& \cos \left(\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}\right)& ...& \sin \left(M\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}\right)& cos\left(M\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}\right)\\ 1& 2\mathrm{\τ}& \sin \left(\mathrm{\ω}2\mathrm{\τ}\right)& cos\left(\mathrm{\ω}2\mathrm{\τ}\right)& ...& \sin \left(M\mathrm{\ω}2\mathrm{\τ}\right)& cos\left(M\mathrm{\ω}2\mathrm{\τ}\right)\\ & .& .& .& ...& .& .\\ 1& N\mathrm{\τ}& \sin \left(\mathrm{\ω}N\mathrm{\τ}\right)& \cos \left(\mathrm{\ω}N\mathrm{\τ}\right)& ...& \sin \left(M\mathrm{\ω}N\mathrm{\τ}\right)& \cos \left(M\mathrm{\ω}N\mathrm{\τ}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}U0\\ -\mathrm{\λ}U0\\ U_1\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)\\ U_1\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)\\ .\\ U_M\cos \left({\mathrm{\θ}}_M\right)\\ U_M\sin \left({\mathrm{\θ}}_M\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}u\left(1\right)\\ u\left(2\right)\\ .\\ u\left(N\right)\end{array}\right)---\left(5\right)$

如果将系数矩阵用A，未知变量矩阵用X，采样矩阵用U表示，则矩阵方程(5)又可表示如下：

A·X＝U      (6)

因此，A是一个N行，2(M+1)列的定参数矩阵，X是一个2(M+1)行1列的变量矩阵，U是一个N行1列的定参数矩阵。如果令2(M+1)＝N，则A就一个方阵，且最高可识别谐波倍数M＝N/2-1，符合申农采样定理。

根据矩阵理论，系数矩阵A存在逆矩阵A^-1的条件为：|A|≠0，且A*A^-1＝I。I为单位矩阵，即对角线元素为1。

因此，待测的未知参数矩阵为：

X＝A^-1·U      (7)

A^-1即为最小二乘滤波器。

步骤3)计算振幅和相位的过程如下：

公式(6)、(7)中的变量矩阵X即为公式(5)左侧的未知列矩阵：

$X=\left(\begin{array}{c}U0\\ -\mathrm{\λ}U0\\ U_1\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)\\ U_1\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)\\ .\\ U_M\cos \left({\mathrm{\θ}}_M\right)\\ U_M\sin \left({\mathrm{\θ}}_M\right)\end{array}\right)$

如果用x_i表示矩阵X的第i行的元素，则：x₁＝U₀，即直流分量，代表平均间隙。

x₃＝U₁cosθ₁,x₄＝U₁sinθ₁

x₃就是当前振动函数矢量的X-轴投影，x₄为振动函数的Y-轴投影。因此，振动函数的峰-峰值为：

$U_1=\sqrt{x_3^2+x_4^2}---\left(8\right)$

振动函数的有效值为：

相对于时间窗起始点的函数相角为：

${\mathrm{\θ}}_1={\tan }^{-1}\frac{U_1{\mathrm{sin\θ}}_1}{U_1{\mathrm{cos\θ}}_1}={\tan }^{-1}\frac{x_4}{x_3}---\left(9\right)$

步骤4)计算转子扭变幅度的过程如下：

如果转子两端分别安装了两个振动探头，要计算转子的扭变幅度，实际上就是计算两个安装探头的振动函数的相位差。通过计算每个转子两端振动探头函数的相位差，可得到本段转子的扭变幅度。如，通过T1和T2探头的相位差可获得高压缸转子的扭变幅度，通过T2和T3探头的相位差可获得中压缸转子的扭变幅度，通过T3和T4探头的相位差可获得低压缸转子的扭变幅度，通过T1和T4探头的相位差可获得整个轴系的扭变幅度。扭变幅度在时间上的变化就是扭振。

空载时，由于两个探头固有的安装偏差，必然存在一定的空载偏差：

Δθ₀＝θ_01A-θ_01B      (10)

其中，θ_01A和θ_01B分别是按照公式(9)得到的安装于A、B两位置处的振动函数的空载相位。有载时的相位差为：

Δθ₁＝θ_1A-θ_1B      (11)

因此，转子有载扭变幅度为：

Δθ＝Δθ₁-Δθ₀      (12)

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种发电机组转子扭振测量系统，其特征是，包括：监控主机、主通信管理器、备用通信管理器、相位检测器以及输出接口模块；

所述监控主机与主通信管理器和备用通信管理器同时连接，在主通信管理器和备用通信管理器的网络连接线路上，同时连接相位检测器和输出接口模块；所述相位检测器与输出接口模块之间通过网络总线连接；所述相位检测器上连接多个轴振动探头。

2.如权利要求1所述的一种发电机组转子扭振测量系统，其特征是，所述相位检测器同时连接四个轴振动探头，四个探头分别安装于高压缸前T1、中压缸前T2、低压缸前T3和发电机之前T4四个位置处。

3.一种如权利要求1所述的发电机组转子扭振测量系统的测量方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)确定发电机组特征函数周期和采样周期；

(2)根据特征函数周期和采样周期确定一个特征函数周期内的采样样本总数量，并计算采样样本最小二乘滤波器；

(3)计算测量点转子轴振的振幅和相位；

(4)计算发电机组测量段转子的扭变幅度：通过计算每个转子两端安装的两个振动探头的振动函数的相位差，得到本段转子的扭变幅度。

4.如权利要求3所述的一种发电机组转子扭振测量系统的测量方法，其特征是，所述步骤(2)中确定采样样本数量的方法为：

首先确定处理器一次处理的从第一个采样样本到最后一个采样样本之间的时间长度T_w，即转子特征函数周期，则采样样本数量N为：

$N=\frac{T_w}{T};$

其中，T为采样周期。

5.如权利要求3所述的一种发电机组转子扭振测量系统的测量方法，其特征是，所述步骤(2)中最小二乘滤波器的计算过程具体为：

将经过数字滤波后的转子电压信号表示为基频(50Hz或25Hz)为ω的傅立叶函数，具体为：

$u\left(t\right)=U_0{e}^{-\mathrm{\λt}}+\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{U}_k\sin (\mathrm{k\ωt}+{\mathrm{\θ}}_k);$

其中，U₀为直流分量；λ为直流分量衰减系数；U_k为第k次谐波的幅值；ω为基波电流或电压的角频率；θ_k为第k次谐波的初始相角，k＝1,2,…,M；

将傅立叶函数的U₀e^-λt按照泰勒级数展开，将U_ksin(kωt+θ_k)按照三角函数展开，得到采样方程u(t)；根据采样时刻t的不同，得到采样方程组；

将采样方程u(t)表示为矩阵方程形式：A·X＝U；其中，A为系数矩阵，X为变量矩阵，则系数矩阵A的逆矩阵A^-1即为最小二乘滤波器。

6.如权利要求3所述的一种发电机组转子扭振测量系统的测量方法，其特征是，所述步骤(3)中测量点转子轴振的振幅有效值为：

$U_e=\frac{\sqrt{2}}{2}{U}_1;$

其中，U₁为基波的峰值。

7.如权利要求3所述的一种发电机组转子扭振测量系统的测量方法，其特征是，所述步骤(3)中测量点转子轴振的相位为：

${\mathrm{\θ}}_1={\tan }^{-1}\frac{U_1\sin {\mathrm{\θ}}_1}{U_1\cos {\mathrm{\θ}}_1}$

其中，U₁为基波的幅值，θ₁为基波的相角。

8.如权利要求3所述的一种发电机组转子扭振测量系统的测量方法，其特征是，所述步骤(4)中，发电机组转子空载时，两个振动探头的振动函数的相位差为：

Δθ₀＝θ_01A-θ_01B；

其中，θ_01A和θ_01B分别是安装于转子两端位置处的振动探头的空载相位；

发电机组转子有载时，两个振动探头的振动函数的相位差为：

Δθ₁＝θ_1A-θ_1B；

其中，θ_1A、θ_1B分别是安装于转子两端位置处的振动探头的有载相位；

转子有载扭变幅度为：Δθ＝Δθ₁-Δθ₀。