CN105785267A - 扭振保护测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扭振保护测试装置，包括管理模块、交流电气量输出模块、扭振信号输出模块、对时模块、液晶显示模块；管理模块用于管理液晶菜单、与计算机通信、下发数据给交流电气量信号输出模块和扭振信号输出模块；交流电气量信号输出模块和扭振信号输出模块分别用于实时计算产生发电机扭振保护所需要的交流电气量信号和扭振信号，以模拟发电机大轴的运行状态；交流电气量信号和扭振信号两者之间通过同步信号，同步输出；液晶显示模块用于提供人机接口,与管理模块协同,控制扭振保护测试装置进行测试.本发明利原理清晰、方法简单、接口丰富、使用灵活方便，简化了系统测试，具有很高的实用价值。

Description

扭振保护测试装置
技术领域
本发明涉及汽轮发电机或核电机组的次同步振荡及轴系扭振,具体涉及发电机扭振保护装置的扭振保护测试装置。
背景技术
现代电力系统为提高输电的技术指标和经济指标，其容量、电压等级及输电距离不断提高，为提高输电线路的输电能力,串联补偿(SC)、高压直流(HVDC)输电系统得到大量的应用，对于此类长距离输电，经过串补或高压直流输电的点对网的机组，当各系统参数配合不当或控制不当时，可能产生特殊的机电耦合作用的、低于同步速的次同步振荡(SSO)现象。
大型火电、核电等发电机组的容量越来越大,轴系越来越长,轴系模型存在固有的机械自然振荡频率。当电力系统的电气谐振频率与发电机组轴系的固有扭振频率互补时，在SSO机电耦合的作用下，机组轴系将处于扭振状态，进而产生疲劳损耗，影响转子的机械性能和寿命,严重时可导致大轴产生裂纹、损伤，甚至螺栓剪断、大轴断裂。大轴损伤后，不仅维修时间长、费用高，而且造成巨大的停电损失,因此,专门针对次同步振荡导致的大型火电、核电等机组的轴系扭振进行监测和保护的扭振保护装置得到日益广泛的应用。
扭振保护装置采集的信号不仅有电气量信号、开关量信号，还有扭振信号，而常见的继电保护测试仪仅能输出电气量信号；因此扭振保护装置需要有专门的试验设备或试验方法进行校验。
目前扭振保护装置的测试主要有以下两种方法：
1、通过RTDS试验仿真系统进行仿真验证。通过RTDS建立数字动模系统，由轴系模型、发电机模型、励磁模型(含PSS模型)、调速器模型、输电系统模型(含有串补)共同构成一个模拟仿真系统，该系统产生轴系扭振信号，用于测试扭振保护装置，该测试方法可真实模拟次同步振荡和轴系扭振，是扭振保护装置的最佳试验方法，但是该方法仅适用于研发或者验收阶段，不可能用于生产和工程调试。
2、使用波形/函数信号发生仪器模拟输出脉冲转速信号。此种试验方法选用通用的信号发生装置，仅能模拟脉冲转速信号一种形式，而且不能输出包含多个模态的转速信号；不能同时输出电气量和开关量信号，无法输出模态幅值有变化的信号；无法同时输出多个扭振信号；因此虽能进行一部分简单的功能验证，对于发散扭振试验无能无力，即使简单的功能验证，要产生试验所需的脉冲信号需要设置步骤繁琐，而且跟保护场景无相关性，因此该方法不便于保护装置的功能验证。
发明内容
本发明的目的是：针对火电厂、核电厂轴系扭振保护装置调试手段的缺乏，提供一种可用于扭振保护功能能验证的扭振保护测试装置。
为了达成上述目的，本发明的技术方案为：扭振保护测试装置，其特征在于：包括包括管理模块、交流电气量输出模块、扭振信号输出模块、对时模块、液晶显示模块；
管理模块用于管理液晶菜单、与计算机通信、下发数据给交流电气量信号输出模块和扭振信号输出模块；
交流电气量信号输出模块和扭振信号输出模块分别用于实时计算产生发电机扭振保护所需要的交流电气量信号和扭振信号，以模拟发电机大轴的运行状态；交流电气量信号和扭振信号两者之间通过同步信号，同步输出；
液晶显示模块用于提供人机接口,与管理模块协同,控制扭振保护测试装置进行测试；
对时模块用于对测试装置内部提供同步脉冲信号,用于控制交流电气量输出模块和扭振信号输出模块的同步输出。
进一步的，所述扭振信号的参数包括发电机大轴转盘的齿数、用于产生扭振信号的模态的数目、模态的频率、模态的幅值和模态的幅值变化率；所述扭振信号的计算公式是ω为扭振信号的转速，为个模态转速信号的叠加，Am,k、fm,k和分别是模态k的扭振幅度、频率和初始相位角,Am,k、fm,k和都是定值，可设定。设置好参数后，根据模态的计算模型按照定时的步长进行实时计算，如果采用4～20mA信号、0～10V电压信号的形式输出，则直接将计算的数据输入给相关电路的输出，进行数模转换，如果采用脉冲载波信号，则需要将计算好的数据进一步去调制载波信号，然后在进行数模转换，获得脉冲载波信号。
进一步的，交流电气量信号的参数包括电气量的幅值、角度、频率、幅值变化率、频率变化率，交流电气量信号的计算公示为(A0为直流分量的幅值，exp是e指数，T为e指数的变化周期，t为时间，Ai为第i次谐波的幅值，dfm,i为第i次谐波的频率的变化率,为第i次谐波的初始相角)，
本扭振保护测试装置采用高性能的DSP自身计算产生或者跟RTDS系统相结合模拟发电机组的运行状态，提供交流电压电流信号和扭振信号等，用于扭振保护装置的功能测试。进一步的利用高性能DSP实时计算产生发电机机头和机尾的扭振信号，以脉冲信号、4～20mA信号、0～10V电压信号形式输出，用于满足不同接口的扭振保护装置的测试需求。进一步的扭振信号的参数通过菜单进行设置，该菜单与扭振保护装置的扭振发散保护功能相对应，参数包括发电机大轴转速齿盘的齿数、扭振信号模态的数目、模态的频率、模态的幅值、模态的幅值变化率，更加直观的满足扭振保护装置的测试需求。进一步的可以同步产生发电机的电压电流信号和开关量信号(用于模拟发电机组并网断路器状态)，结合扭振信号同步输出。
上述方式之外还可以与RTDS系统实时接口或者调用RTDS的离线仿真数据产生交流电气量信号和扭振信号，用于仿真验证扭振保护装置在各种系统工况下的动作行为。
进一步的，可以在上述方式产生的扭振信号上叠加各种噪声，模拟扭振信号异常情况以验证扭振保护装置对扭振信号异常的识别及容错能力。
自产的扭振信号通过数学模型时时产生，该信号的转速公式如下所示：
ωm,k是模态k的扭振转速，Am,k、fm,k和分别是模态k的扭振幅度、频率和初始相位角。Am,k、fm,k和均可通过菜单设定，模态k的振幅幅度Am,k可以设定为时间的函数，也可以是固定的数值。
本发明利用DSP实时计算模拟扭振信号并以各种形式的信号输出的方法，原理清晰、方法简单、接口丰富、使用灵活方便，为解决扭振保护的测试提供了可靠的保证；和RTDS仿真结合进行试验，验证扭振保护的方法，简化了系统测试，具有很高的实用价值。
附图说明
图1为本扭振保护测试装置功能框图；
图2是本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明具体实施方式。
实施例1
参见图1和图2，本扭振保护测试装置，包括包括管理模块、交流电气量输出模块、扭振信号输出模块、对时模块、液晶显示模块；管理模块用于管理液晶菜单、与计算机通信、下发数据给交流电气量信号输出模块和扭振信号输出模块；交流电气量信号输出模块和扭振信号输出模块分别用于实时计算产生发电机扭振保护所需要的交流电气量信号和扭振信号，以模拟发电机大轴的运行状态；交流电气量信号和扭振信号两者之间通过同步信号，同步输出；液晶显示模块的作用是用于提供人机接口,与管理模块协同,控制扭振保护测试装置进行测试。对时模块的作用是用于对测试装置内部提供同步脉冲信号,用于控制交流电气量输出模块和扭振信号输出模块的同步输出。所述扭振信号的参数包括发电机大轴转盘的齿数、用于产生扭振信号的模态的数目、模态的频率、模态的幅值和模态的幅值变化率；所述扭振信号的计算公式是(ω为扭振信号的转速，为个模态转速信号的叠加，Am,k、fm,k和分别是模态k的扭振幅度、频率和初始相位角)。交流电气量信号的参数包括电气量的幅值、角度、频率、幅值变化率、频率变化率，交流电气量信号的计算公示为(A0为直流分量的幅值，exp是e指数，T为e指数的变化周期，t为时间，Ai为第i次谐波的幅值，dfm,i为第i次谐波的频率的变化率,为第i次谐波的初始相角)(1)、本扭振保护测试装置采用如图2所示的方案，其中管理板用于管理液晶菜单、与计算机通信、下发数据给交流电气量信号输出模块和扭振信号输出模块，交流电气量信号输出模块和扭振信号输出模块分别采用高性能的DSP为核心实时计算产生发电机扭振保护所需要的交流电气量信号、扭振信号，模拟发电机大轴的运行状态。
(2)、交流电气信号和扭振信号的产生通过两个的DSP产生，用于产生信号的参数通过装置的菜单进行设置，其中扭振信号的参数包括发电机大轴转盘的齿数、用于产生扭振信号的模态的数目、模态的频率、模态的幅值、模态的幅值变化率，设置好参数后，根据模态的计算模型按照定时的步长进行实时计算，如果采用4～20mA信号、0～10V电压信号的形式输出，则直接将计算的数据输入给相关电路的输出，进行数模转换，如果采用脉冲载波信号，则需要将计算好的数据进一步去调制载波信号，然后在进行数模转换，获得脉冲载波信号。
(3)交流电气量信号的参数也通过菜单进行设置，参数主要包括电气量的幅值、角度、频率、幅值变化率、频率变化率，设置好参数后根据交流计算模型：
按照定时的步长进行实时计算，然后将计算的数据输入给相关电路的输出，进行数模转换，在经过功率放大电路转换为扭振保护装置的电气量信号。
交流电气量信号和扭振信号两者之间通过同步信号，同步输出；
(4)交流电气量信号和扭振信号与RTDS仿真系统相结合，当采用RTDS离线仿真时，降RTDS的仿真数据通过网络下载给两个DSP，根据仿真数据格式的不同，调用相关的计算程序进行计算输出交流电气量信号和扭振信号。
(5)交流电气量信号和扭振信号与实时RTDS仿真系统相结合，此时交流电气量信号直接通过RTDS输入扭振保护装置即可，扭振测试装置采集RTDS的扭振信号，转化为脉冲信号、4～20毫安电流信号、交流电压信号等形式输出。
(6)上述方式的扭振信号基础上，均可叠加噪声信号，模拟扭振信号异常情况。

Claims (3)

1.扭振保护测试装置，包括控制用的计算机，其特征在于：还包括管理模块、交流电气量输出模块、扭振信号输出模块、对时模块和液晶显示模块；
所述管理模块用于管理液晶菜单、与计算机通信、下发数据给交流电气量信号输出模块和扭振信号输出模块；
交流电气量信号输出模块和扭振信号输出模块分别用于实时计算产生发电机扭振保护所需要的交流电气量信号和扭振信号，以模拟发电机大轴的运行状态；交流电气量信号和扭振信号两者之间通过同步信号，同步输出；
液晶显示模块用于提供人机接口,与管理模块协同,控制扭振保护测试装置进行测试；
对时模块用于对测试装置内部提供同步脉冲信号,用于控制交流电气量输出模块和扭振信号输出模块的同步输出。
2.如权利要求1所述的扭振保护测试装置，其特征在于：所述扭振信号的参数包括发电机大轴转盘的齿数、用于产生扭振信号的模态的数目、模态的频率、模态的幅值和模态的幅值变化率；所述扭振信号的计算公式是：
其中，ω为扭振信号的转速，为多个模态转速信号的叠加，Am,k、fm,k和分别是模态k的扭振幅度、频率和初始相位角。
3.根据权利要求1所述的的扭振保护测试装置，其特征在于：交流电气量信号的参数包括电气量的幅值、角度、频率、幅值变化率、频率变化率，交流电气量信号的计算公示为
其中，A0为直流分量的幅值，exp是e指数，T为e指数的变化周期，t为时间，Ai为第i次谐波的幅值，dfm,i为第i次谐波的频率的变化率,为第i次谐波的初始相角。
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