CN106415970B

CN106415970B - 利用时间标记的电气和机械数据的同步机监控

Info

Publication number: CN106415970B
Application number: CN201580025796.9A
Authority: CN
Inventors: 尼古拉斯·C·西莱; D·J·卡塞伯特; G·C·茨威格勒
Original assignee: Schweitzer Engineering Laboratories Inc
Current assignee: Schweitzer Engineering Laboratories Inc
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2015-05-13
Publication date: 2019-06-04
Anticipated expiration: 2035-05-13
Also published as: EP3146604A1; CN106415970A; US10317467B2; WO2015179179A1; US20150331052A1

Abstract

电力机器利用时间标记的机械条件和电气条件根据本文中的公开来监控。机械条件可包括旋转位置、计算并对其进行时间标记的旋转频率、阀位置、温度或振动。时间标记的电气条件可包括电力系统频率、电力机器励磁数据、譬如电压和电流的电力机器端子信息以及类似的。来自可以是局部或彼此远程的不同的机器的电气和机械的时间标记的电力机器数据可进行比较，以用于监控机器。

Description

利用时间标记的电气和机械数据的同步机监控

技术领域

本公开涉及譬如电力发电机和同步电动机的同步机的监控。更具体地，本公开涉及利用同步机和电力输送系统的机械条件和电气条件对同步机进行的监控。机械条件可以是转子角、阀位、温度、振动或类似的。

发明内容

本公开的实施例涉及以下方面：

(1)一种用于监控同步电力机器的智能电子设备(“IED”)，包括：

时间输入端，其与共同时间参考进行通信；

发电机机械数据输入端，其用于将机器机械数据提供给所述IED；

发电机电数据输入端，其用于接收机器电数据，包括：

励磁数据输入端，其与所述电力机器的激励器进行通信，提供来自所述电力机器的励磁数据；以及

机器端子输入端，其用于接收来自所述电力机器的端子的电端子数据；

监控模块，其与所述时间输入端、机器机械数据输入端、以及所述机器电数据输入端进行通信，并被配置为：

根据所述机器机械数据、所述励磁数据、所述端子数据以及它们的组合中的一个，计算关于至少一个机器操作参数的基线；

根据所述机器机械数据、所述励磁数据、所述端子数据以及它们的组合中的一个，计算当前机器操作参数；

将所述当前机器操作参数与所述基线进行比较；以及

当所述当前机器操作参数与所述基线的差大于预定的阈值时，发送警报。

(2)一种智能电子设备(“IED”)，包括：

时间输入端，其与共同时间参考进行通信；

机器机械数据输入端，其与电力机器进行通信；

励磁数据输入端，其与所述电力机器的激励器进行通信，提供来自所述电力机器的励磁数据；

机械数据模块，其与所述时间输入端和所述机器机械数据输入端进行通信，以用于计算所述电力机器的机械操作条件并利用来自所述时间输入端的时间信号来对所述机械操作条件进行时间标记；

励磁数据模块，其与所述励磁数据输入端和所述时间输入端进行通信，以用于计算机器励磁信息并对其进行时间标记；以及

监控模块，其与所述励磁数据模块、机械数据模块以及旋转位置模块进行通信，以用于根据所述励磁数据、所述端子数据以及所述机械数据中的一个计算关于至少一个机器操作参数的基线，并将当前机器操作参数对照关于所述机器操作参数的所述基线进行比较，以确定所述电力机器的操作条件。

(3)根据(2)所述的智能电子设备，其中所述机器机械数据包括阀位置。

(4)根据(3)所述的智能电子设备，其中所述基线包括所述阀位置对输入的反应时间。

(5)根据(2)所述的智能电子设备，其中所述机器机械数据包括温度。

(6)根据(2)所述的智能电子设备，其中所述基线包括利用所述端子数据所计算的端子电压dq量之间的差值。

(7)根据(2)所述的智能电子设备，其中所述基线包括利用所述励磁数据所计算的励磁电流dq量之间的差值。

(8)根据(2)所述的智能电子设备，其中所述监控模块被配置为确定所述电力机器的操作条件是否与关于所述机器操作参数的所述基线的差大于预定的裕度。

(9)根据(2)所述的智能电子设备，其中所述监控模块还被配置为储存关于所述机器操作参数的所述基线。

(10)根据(9)所述的智能电子设备，其中所述监控模块还被配置为将关于所述机器操作参数的当前基线与关于所述机器操作参数的过去的基线进行比较。

(11)根据(10)所述的智能电子设备，其中所述监控模块还被配置为在关于所述机器操作参数的所述当前基线和关于所述机器操作参数的所述过去的基线之间的差值超过预定的阈值时，断言警报。

(12)根据(2)所述的智能电子设备，其中所述同步电力机器包括同步发电机。

(13)根据(2)所述的智能电子设备，其中所述同步电力机器包括同步电动机。

(14)一种用于监控电力机器的方法，包括：

智能电子设备(“IED”)计算所述电力机器的机械参数；

利用来自与所述电力机器的激励器进行通信的励磁数据输入端的励磁数据和来自与所述电力机器进行通信的机器端子输入端的端子数据中的一个，来计算所述电力机器的电气参数；

计算关于所述机械参数和所述电气参数中的一个的操作参数的基线；

确定所述机械参数和所述电气参数中的一个之间的差值是否与相应的操作参数的差大于预定的裕度。

(15)根据(14)所述的方法，其中所述机械参数包括阀位置。

(16)根据(15)所述的方法，其中所述基线操作参数包括阀位置反应时间。

(17)根据(14)所述的方法，其中所述机械参数包括温度。

(18)根据(14)所述的方法，其中所述基线操作参数包括利用所述端子数据所计算的端子电压dq量之间的差值。

(19)根据(14)所述的方法，其中所述基线操作参数包括利用所述励磁数据所计算的励磁电流dq量之间的差值。

(20)根据(14)所述的方法，还包括将关于所述操作参数的当前基线对照关于所述操作参数的过去的基线进行比较的步骤。

(21)根据(20)所述的方法，还包括当关于所述操作参数的所述当前基线和关于所述操作参数的所述过去的基线之间的差值超过预定的阈值时，断言警报的步骤。

(22)根据(14)所述的方法，其中所述电力机器包括同步发电机。

(23)根据(14)所述的方法，其中所述电力机器包括同步电动机。

附图说明

对本公开的非限制性和非详尽的实施例进行了描述，包括本公开参照附图的各种实施例，其中：

图1A图示了与本文中的实施例一致的同步发电机的转子的框图。

图1B图示了图1A中所图示的转子和共同作为同步发电机的定子的框图。

图2图示了发电机的框图。

图3图示了用于监控同步机的机械性能和电气性能的系统的框图。

图4图示了被配置为根据本文中的实施例操作的智能电子设备(“IED”)的框图。

图5图示了对于监控同步机有用的电气同步机信息和机械同步机信息的显示的示例。

图6图示了对于监控同步机有用的电气同步机信息和机械同步机信息的显示的另一示例。

图7图示了对于监控同步机有用的电气同步机信息和机械同步机信息的显示的另一示例。

图8图示了对于监控同步机有用的电气同步机信息和机械同步机信息的显示的又另一示例。

具体实施方式

电力系统的稳定性依赖于组成该电力系统的各个机器的稳定性。当前，电力系统和构成其的各个机器的稳定性的测量基于所测量和导出的值来计算。在考虑系统稳定性的两个首要重要的值是发电机转子相对于端子电压的角和发电机励磁电路数量。通过直接测量这些值可对发电机建模。另外，用来自共同参考的精确时间标记来测量这些值(利用共同时间，譬如，例如，全球定位系统(GPS)、靶场仪器组(IRIG)时间参考、来自美国国家标准与技术研究所(NIST)的WWV时间信号、来自NIST的WWVB时间信号、局域网(LAN)时间信号或类似的)允许用发电机的测量值和来自跨广域的电网状态的直接计算。具有这些可用的测量可允许监控发电器、分析数据以及使用机器状态测量、控制和保护的更复杂类型的数据。

虽然转子角对于这些应用是兴趣所在，但出于机器状态和稳定性的确定的目的，其他机器数量可能是有用的。特别地，同步机励磁的电流和电压的时间同步的测量可用于监控。例如，一些其他的测量可包括例如机械测量，譬如燃料阀位置、温度、振动以及类似的。

使用分布式时间同步的数据采集模块将所有的测量组合在一起允许确定连接到局域或广域电力系统网络的机器的瞬态稳定性和稳态稳定性。

本文中的几个实施例讨论了发电机的监控。应注意的是，本申请可应用于譬如同步电动机的其他同步机的监控。

通过参照附图将最好地理解本公开的实施例，其中类似的部分自始至终由类似的数字指定。将容易理解的是，如在本文中的附图中广泛地描述和图示的所公开的实施例的组件可被布置和设计在各种各样不同的配置中。因此，本公开的系统和方法的实施例的以下详细的描述不旨在限制本公开所要求保护的范围，而仅是代表本公开的可能实施例。另外，方法的步骤不一定需要按照任何特定的顺序或甚至序贯地执行，也不需要步骤仅执行一次，除非另有指定。

在一些情况下，众所周知的特征、结构或操作没有详细示出或描述。此外，所描述的特征、结构或操作可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。还将容易理解的是，如在本文中的附图中所广泛地描述和图示的实施例的组件可被布置和设计在各种各样不同的配置中。

所描述的实施例的几个方面将作为软件模块或软件组件来说明。如本文中所使用的，软件模块或软件组件可包括任何类型的计算机指令或计算机可执行代码，其位于存储设备内和/或通过系统总线或有线或无线网络作为电子信号来传输。例如，软件模块或软件组件包括计算机指令的一个或多个物理块或逻辑块，其可被组织为例程、程序、对象、组件、数据结构等，其执行一个或多个任务或实施特定的抽象数据类型。

在某些实施例中，特定的软件模块或软件组件可包括被储存在存储设备的不同位置中的完全不同指令，其共同实施所描述的模块功能。事实上，模块或组件可包括单一指令或许多指令，并且在不同的程序之内可在几个不同的代码段上分布，以及可跨几个存储设备分布。一些实施例可在分布式计算环境中实践，其中任务由通过通信网络链接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，软件模块或软件组件可位于本地和/或远程存储器储存设备中。另外，在数据库记录中共同绑定或呈现的数据可驻留在相同的存储设备中，或跨几个存储设备，以及可跨网络共同链接在数据库中的记录字段中。

实施例可作为计算机程序产品提供，包括具有在其上所储存的指令的机器可读介质，该指令可用于对计算机(或其他电子设备)编写程序以执行本文中所描述的过程。机器可读介质可包括，但不限于，硬盘、软盘、光盘、CD-ROM、DVD-ROM、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、固态存储设备、或适用于存储电子指令的其他类型的媒介质/机器可读介质。

图1A图示了与本文中所公开的实施例一致的同步发电机的转子104的概念图。转子104可由外部扭矩(未示出)驱动，以感应固定的定子(例如，图1B中所图示的定子153)中的电磁场(EMF)。转子104包括缠绕在转子体周围的励磁绕组158，以及定子包括缠绕在电枢体周围的电枢绕组。使直流电流在励磁绕组158中流动(例如，使用激励器电压160)，以在转子104中产生磁场。附加地或可替代地，也可使用永久磁铁。

图1B图示了3相同步发电机，其包括与本文中所公开的实施例一致的三组定子绕组153a到153a’、153b到153b’、153c到153c’。定子绕组各分开120°，使得当与转子104相关联的电场经过时，在端子对155a和155a’、155b和155b’以及155c和155c’中所感应的电流各分开120电度。当转子104旋转时，如箭头110所指示的，磁场随着其旋转，经过定子绕组并在其中感应随时间变化的电流。当与转子104相关联的电场的极点经过定子绕组时，存在于相应端子上的电压振荡，并产生交流电流。因此，转子104的角位置与端子155a-c的随时间变化的电气输出有关。如以下所描述的，该关系可例如收到连接到发电机的端子的电气负载的影响。

由具有N个极点且具有T_G的旋转周期的同步发电机产生的交流电流的周期(T_I)可利用以下公式计算：

T_I＝NT_G 方程1

本文中所公开的实施例可应用于任何转子，不管其中所包括的相数或极点对的数量。

发电机转子轴的位置是发电机上的机械功率输入和属于发电机的电输出的相反的电气扭矩的函数。这些相反的力导致转子上的扭矩。在稳态条件(即，正常操作条件)下，这些力的幅度相等，但方向相反。在机械扭矩和电气扭矩失去平衡的条件下，功率角可能偏移或振荡，这取决于不平衡的幅度和性质。

图2图示了发电机的转子和定子的框图，并且对于说明某发电机信息的计算是有用的。转子角(或扭矩角，或负载角)δ212是发电机q轴202和端子电压206的‘A’相之间的角。还示出了d轴208和‘A’相轴210。转子角的该计算假设定子绕组的电阻可忽略不计。

同步发电机通常采用励磁控制电路，其控制对于电力的产生必要的磁通场的强度。通过励磁电路的电流和励磁电路两端的电压可用于了解链接转子和定子场的磁通的强度。时间同步的数据，如本文中所收集的，可用于确定机器的稳态稳定性和瞬态稳定性，以及计算机器内部的不直接测量的量，譬如机器的内部电压。

本文中所公开的是通过集成旋转定位的传感器能够测量转子角、励磁量以及发电机的其他参数的设备，该传感器通常与电力发电机一起安装并具有用于从发电机收集电气信息的IED。本文中所描述的IED对转子和励磁信号进行时间标记，并使其可用于IED的内部逻辑引擎。IED可在内部使用这些数据，以用于监控发动机。IED还可将数据打包到IEEEC37.118同步相位消息中的模拟变量中用于分配到同步相位数据集中器或其他IED，或可与任何其他数据协议一起使用。

图3图示了用于监控电力发电机的系统300的框图。系统300包括第一机械转子位置传感器308，其与发电机转子或随着发电机的转子旋转的指示器306进行通信。传感器308可检测转子的旋转，并提供脉冲或其他信号。信号可经由接线盒310和控制箱316的板318传输到IED 322。系统300可包括第二机械转子位置传感器312，其与包括多个齿304的齿状轮302进行通信。接近传感器312的多个齿304的经过引起经过传感器312的感测线圈的磁通场的变形，其转而产生信号电压。在某些实施例中，齿轮302可由亚铁材料形成。在感测线圈中所感应的电压与磁场中的磁通的变化率成正比，其中，如方程2中所提供的磁通的变化率由气隙的大小和齿轮302的旋转速率决定。

在方程2中，ε表示在感测线圈中所感应的电压，N表示感测线圈中的线圈匝数，以及Φ表示由永久磁铁产生的磁场中的磁通。多个引线可用于将由MPU 400产生的信号传输到IED或其他设备。根据方程3，所感应的电压的频率与轮上的齿的数量和旋转的速度成正比。

来自第二传感器312的信号可例如经由接线盒314传输到IED。IED可被配置为执行如以上的这些计算，以计算发电机转子的旋转频率。

通常，控制外壳316包括用于执行本文中的方法的IED 322。在一些实施例中，控制外壳316还可包括用于向IED 322提供适当的信号的硬件。IED 322包括用于接收如以上所描述的共同时间336的共同时间输入。IED322也可包括自动化控制器326，其用于例如接收来自发电机的激励器的某些信息。IED也可包括模拟输入模块328，其接收来自第一传感器308和第二传感器312中的任一个的信息。IED 322还可包括CT/PT模块330，其用于接收来自电流互感器(“CT”)和电势互感器(“PT”)的输入。CT/PT模块可包括PT输入332和CT输入334。

IED模拟输入卡328接受转子传感器信号，并利用来自共同时间参考336的时间信息来执行所需的时间标记。IED接收来自第一(转子关键相位)传感器和第二(齿轮)传感器中的任一个的旋转位置信号，并对信号上升沿进行时间标记。随后，这些时间标记可用在自动化控制器模块326中，其可包括用于内部逻辑计算或用于映射到关于数据集中的协议的逻辑引擎。

时间标记可用于计算转子的旋转速率和相对相角。在识别机器的极点数时必须注意，因为极点数决定了铭牌的旋转速率。以下的公式定义了机器的极点数和其机械速度之间的关系。

该关系可能是使机器的电气速度与机器的机械速度有关的因素。另外，该关系必须在使用时间标记的脉冲时考虑，以计算转子的相对角。

旋转速率可利用在设备内可用的信息，譬如例如，时间标记的转子角、时间标记的转子位置、共同时间参考以及类似的，来在实时的基础上计算。旋转速率还可由设备使用，以监控发电机。例如，设备可被配置为从旋转速率提取模态分量，其可用于检测电力输送系统的谐振条件。

场电压和场电流可被测量，但可能需要从它们的原始状态到IED 322可接受的范围的电平转换。适当的分压器可用于使信号对接到IED。励磁量通常由激励控制器监控，并且在激励器控制器柜中是可用的。例如，激励器控制器可用于使励磁量338可经由模拟输入模块320用到IED 322。励磁参量338可利用分压器(未单独图示)从激励器控制器获得，以将高压励磁电路降低到IED可接受的电平。分流电阻器可与励磁电路串联安装，该励磁电路例如在场被激励到其铭牌值时跨电阻器产生100mV的压降。该电压幅度与励磁电流成正比。电压是IED 322的模拟输入卡328的输入，并且在逻辑引擎内部是可用的。另外的场I/O模块或场电压模块和场电流模块可在它们被传输到IED 322的模拟输入卡328之前用于获得、路由以及调节励磁量。

利用大量协议和物理介质中的任一个上的共同时间源，时间可被分配有另外的IED。

图4图示了IED 400的示例性框图，其被配置为监控与本文中所公开的实施例一致的发电机。IED 400包括被配置为与数据网络进行通信的网络接口432。IED 400还包括时间输入端440，其可用于接收时间信号。如以上所描述的，在某些实施例中，时间输入端440可用于生成参考信号。在某些实施例中，共同时间参考可经由网络接口432来接收，因此，单独的时间输入端和/或GPS输入端436将不是必要的。一个这样的实施例可采用IEEE 1588协议。可替代地，GPS输入端436可附加或代替时间输入端440来提供。

受监控的装置接口429可被配置为接收来自一件受监控的装置(譬如发电机)的状态信息，并向其发出控制指令。根据某些实施例，受监控的装置接口429可被配置为与MPU和/或霍尔效应传感器对接，其基于与耦合到发电机中的转子的齿轮相关联的一个或多个齿的通道的检测来生成信号。

计算机可读储存介质426可以是被配置为实施本文中所描述的过程中的任一个的一个或多个模块和/或可执行指令的储存库。数据总线442可将受监控的装置接口429、时间输入端440、网络接口432、GPS输入端436、以及计算机可读储存介质426链接到处理器424。

处理器424可被配置为处理经由网络接口432、时间输入端440、GPS输入端436、以及受监控的装置接口429所接收的通信信息(communications)。处理器424可使用任意数量的处理速率和处理架构来操作。处理器424可被配置为利用储存在计算机可读储存介质426上的计算机可执行指令来执行本文中所描述的各种算法和计算。处理器424可被实施为通用集成电路、专用集成电路、现场可编程门阵列以及其他可编程逻辑设备。

在某些实施例中，IED 400可包括传感器组件450。在所图示的实施例中，传感器组件450被配置为利用电流互感器402和/或电压互感器414直接收集来自导体(未示出)的数据。电压互感器414可被配置为将电力系统的电压(V)逐步降低为次级电压波形412，其具有可由IED 400容易监控和测量的幅度。类似地，电流互感器402可被配置为将电力系统的线路电流(I)成比例地逐步降低为次级电流波形404，其具有可由IED 400容易监控和测量的幅度。低通滤波器408、416分别对次级电流波形404和次级电压波形412进行滤波。模数转换器418可复用、采样和/或数字化所滤波的波形，以形成相应的数字化的电流信号和数字化的电压信号。

如以上所描述的，某些实施例可监控由发电机生成的电力的一个或多个相的端子电压。传感器组件450可被配置为执行该任务。另外，传感器组件450可被配置为监控与受监控的装置相关联的广泛的特征，包括装置状态、温度、频率、压力、密度、红外吸收、射频信息、局部压力、粘度、速度、旋转速率、质量、开关状态、阀状态、断路器状态、接线头(tap)状态、仪表读数以及类似的。

A/D转换器418可通过总线442连接到处理器424，通过该总线电流信号和电压信号的数字化的表示可被传输到处理器424。在各种实施例中，数字化的电流信号和电压信号可对照条件进行比较。例如，可建立某些条件，以便基于功率角超过阈值的确定来实施一个或多个控制动作。控制动作可包括用于减少连接到发电机的负载的指令(例如，通过负载卸载(shedding))，或用于增加发电机容量的指令。

受监控的装置接口429可被配置为接收来自一件受监控的装置的状态信息，并向其发出控制指令。如以上所讨论的，控制动作可在发电机的功率角超出可接受的范围时发出，以便使功率角返回到可接受的范围。受监控的装置接口429可被配置为将控制指令发出到一件或多件受监控的装置。根据一些实施例，控制指令也可经由网络接口432发出。例如，经由网络接口432所发出的控制指令可被传输到其他IED(未示出)，其转而可将控制指令发出到一件受监控的装置。另外，该件受监控的装置可直接经由其自己的网络接口接收控制指令。

计算机可读储存介质426可以是被配置为实施本文中所描述的某些功能的一个或多个模块和/或可执行指令的储存库。机械数据模块458可被配置为确定从同步机所获得的某些机械数据的各种操作参数。例如，机械数据模块可包括旋转位置模块453，其被配置为基于参考信号和旋转位置信号之间的相对偏移来确定转子的旋转位置。另外，旋转位置模块453可被配置为确定旋转位置是否在可接受的范围内。机械数据模块458还可包括转子角模块452，其被配置为利用共同时间和来自转子位置传感器的信号来计算转子角并对其进行时间标记。旋转位置是否在可接受的范围内的确定可用于确定何时实施控制动作，以便使旋转位置返回到可接受的范围。机械数据模块458还可接收与同步机的其他机械操作有关的信号，譬如例如，阀位置、温度以及类似的。机械数据模块458可被配置为获得这样的测量、应用时间标记、确定基线条件(或监控模块454可接收这样的信息并确定基线条件)以及类似的。

监控模块454可被配置为接收来自机械数据模块和电气数据模块456的电气数据和机械数据，并利用与其相关联的时间标记执行监控功能，譬如一旦已经对数据进行了时间对准，则将这样的数据进行比较和显示。监控模块454还可被配置为发出适当的控制指令，以便将发电机保持在可接受的范围内、稳态内、或使旋转位置返回到可接受的范围。通信模块455可有助于经由网络接口432的IED 400和其他IED(未示出)之间的通信。另外，通信模块455还可有助于与经由受监控的装置接口429与IED 400进行通信的受监控的装置的通信，或有助于与经由网络接口432与IED 400进行通信的受监控的装置的通信。最后，电气数据模块456可被配置为计算励磁数据并对其进行时间标记。

返回到监控模块454，以下是可执行的监控的一些示例。以上所描述的系统的简单和常见的实施例可向操作者提供用于可视化和系统识别的数据。图5根据本文中的几个实施例图示了从监控模块454输出的屏幕捕获500。监控模块454可被配置为向人机界面输出数据的图形表示和IED400的确定。人机界面可被配置为接受用户的输入和选择，以确定显示的信息。

图5的屏幕捕获500图示了利用本文中所描述的某些实施例可被收集并由此而生成的信息。曲线图502和504图示了在同步事件期间从电力系统收集的数据。曲线图502示出了在选定的时间周期期间发电机的转子的角相对于发电机端子电压的轨迹506。曲线图504图示了在如曲线图502中的相同时间周期期间的电力系统的频率的轨迹508和发电机的转子的机械频率的轨迹510。如图所示，在时间周期552期间，转子与电力系统不同步，且转子旋转得比电力系统的频率快。在时刻553，同步断路器被闭合，将发电机连接到电力系统。在时刻553之后，转子的角相对于发电机端子电压506振荡，并随后升至稳态。此外，发电机的转子的机械频率振荡，并随后趋于与电力系统的电频率对应的稳态。

图6根据本文中的几个实施例图示了从监控模块454输出的另一屏幕捕获600。屏幕捕获600的曲线图602和604发生在同步事件期间，其中将被连接到电力输送系统的发电机随时进入电动回转(motoring)或相反的电力条件。曲线图602图示了在选定的时间周期期间发电机的转子的角相对于发电机端子电压的轨迹606。曲线图604图示了在如曲线图502中的相同时间周期期间的电力系统的频率的轨迹508和发电机的转子的机械频率的轨迹510。如图所示，在时间周期652期间，转子与电力系统不同步，且转子旋转得比电力系统的频率快。在时刻653，同步断路器被闭合，将发电机连接到电力系统。在时刻653之后，转子的角相对于发电机端子电压606振荡，并随后升至稳态。此外，发电机的转子的机械频率振荡，并随后趋于与电力系统的电频率对应的稳态。

此外，可见的是，在周期660期间，发电机的转子角降低到低于在时间周期652期间的初始偏移。由此可见，在周期660期间，发电机经受相反的电力条件或电动回转电力而条件，其中发电机通过吸收用作电动机。原动机驱动的发电机没有必要被设计为用作电动机，或者在相反转的电力条件下操作，因此，检测发电机在哪里开始变为电动机的条件是重要的。因此，本文中的实施例可用于检测和可视化发电机上的相反的电力或电动回转条件。

利用已知的旋转参考系可数字地对发电机建模。旋转参考系通常被称为“Park变换”，并且是将三相的正弦测量组降为在稳态中是非正弦变化的(恒定DC值)的两个值的一组方程。在机器分析中，该变换的目的是消除电感与转子的角位置的关系。利用从转子角模块可用的转子角，dq值(譬如例如，dq电流、dq电压、dq阻抗以及类似的)可实时计算、实时显示，并用于监控发电机。这样的发电机监控可包括稳态的确定、场的损耗的确定以及类似的。此外，dq值可用于在场的损耗事件的情况下或超出稳态的条件发生时的发电机的控制。方程5可用于计算dq值：

借助利用本文中的实施例所获得的机器的转子角的测量值，确定发电机的dq电压、阻抗以及电流是可能的。机器的dq量和转子角的结合允许一种保护机器的新型方法。例如，可采用场的损耗(LOF)的检测和保护策略。

传统上，LOF检测通过采取电压测量和电流测量来完成，以计算阻抗。场的损耗事件的特征在于阻抗上非常特定的改变。可选地，LOF可通过利用转子角连同所计算的dq电流量来检测。图7和图8的曲线图700和800分别示出了LOF事件的结果。

图7图示了在时间周期期间的转子角的曲线图700。在t＝10秒时，场电压降为零。转子角随着转子场和定子场之间的磁链路减小而逐渐增加。出现这种角间距是因为驱动转子的原动机保持固定的扭矩，但耦合定子场和转子场的链路耦合正在衰减。结果是转子开始与定子分开直到完全失去同步。因此，LOF条件可利用本文中的实施例来被检测和可视化。

转子角单独不可用于确定LOF事件，因为其不能确定对LOF事件来说正常的负载增加是什么。因此，如以上所描述的实时计算的dq电流可用于补充转子角的测量。

图8图示了在LOF事件期间的时间期间的每单位的dq电流的曲线图800。再次，在时刻t＝10秒时，场电压降为零。在LOF事件期间，dq电流开始改变。该特征专用于无功功率的输出上的降低。如本文中所描述的利用转子角连同dq电流可用于检测并可视化LOF事件。

在一个特定的实施例中，包括多个同步机的系统可被监控以检测LOF事件。在这样的系统中，在同步机之内的转子角和dq电流可被监控，使得当特定机器的转子前进且特定机器的dq电流示出类似于图8中所图示的这些特征时，同时其余的同步机的转子角和dq电流保持相对静止时，特定机器上的LOF事件可被检测。在某些实施例中，用于保护的dq量的使用需要转子角测量。

从分布式数据采集节点和控制器所获得的组合的时间同步的测量可用于对机器或控制器数字地建模。测量的时间同步的性质可用于开发复杂系统的数学模型。发电机拥有通常只是有效的且在某些条件下对系统具有影响的参数。特别地，这些参数被称为次瞬态、瞬态和稳态。这些参数通常只对于在任何给定的电力系统事件期间影响系统有限的时间周期上是有效的。在电力系统事件期间，所有的发电机参数和控制器参数都涉及在生成引起系统响应。在瞬态条件期间的这些数据的收集和计算使我们展现系统的真实参数。

控制器具有确定控制器动作需要以获得受控系统中的可观察的改变的时间量的类似的参数。譬如本文中所描述的这些时间同步的分布式数据收集方法可使测量结合，以产生控制器如何影响系统的输出的详细的模型。

在一个特定的实施例中，同步机的条件可利用在特定机器的成功操作期间所计算的该特定机器的基线条件来监控。利用本文中的实施例，特定的同步机的几个操作参数由譬如图4的IED 400的IED获得和监控。IED400可根据同步机的所监控的操作参数来建立基线操作参数。随后，IED可计算或使用关于操作参数的当前裕度。IED 400继续监控同步机的操作参数，并将操作参数的当前值对照具有其裕度的基线值进行比较。如果操作参数超过具有其裕度的基线值，则IED可检测事件。IED 400的监控模块454可包括计算机指令，如本文中所描述的，其用于根据操作参数建立基线并将该操作参数的当前值对照基线进行比较。

在一个实施例中，基线可以是同步发电机的转子角。IED 400可被预设以关于转子角的操作参数的基线的从大约0.1°到大约10°的裕度，或更具体地，到大约5°的裕度。IED可由用户定制，以调整基线转子角的裕度。在受监控的发电机启动之后，IED 400可监控转子角并建立其基线。基线可以是移动平均数。例如，基线可以是从大约1秒到大约30秒的移动平均数。在一个实施例中，移动平均数可以是大约3秒。一旦转子角超过基线的加或减裕度，则譬如场的损耗事件的事件可由IED检测。

在另一实施例中，如图8中所图示的，IED 400可监控发电机的dq电流。IED 400可被配置为计算d电流和q电流之间的平均差值，并应用预定的裕度或用户预设的裕度。例如，IED 400可被配置为计算每单位d电流和每单位q电流之间的差值的移动平均数。随后，IED可将d电流和q电流之间的当前差值对照移动平均数加裕度进行比较。如果当前差值大于移动平均数加裕度，则IED 400可指示譬如场的损耗事件的时间。因此，IED 400可被配置为计算同步机的操作参数的基线，并将当前操作参数对照基线进行比较，以检测同步机的操作事件。

例如，在监控图8中所图示的dq电流中的IED 400可利用所示出的数据的第一10秒来建立基线差值。基线差值可利用在成功的操作或没有事件的操作期间的过去数据来确定。IED可确定基线差值大约为0.25每单位电流。IED可包括关于dq电流差值的预定裕度。预定裕度可以是基线加大约0.50每单位电流。在时刻t＝12秒时，其在事件的2秒之后，dq电流中的差值达到大约0.80，其大于基线差值电流加裕度。因此，IED 400可建立基线，并将当前值对照基线加裕度进行比较，以检测同步机的操作事件。

如本文中所公开的来获得来自同步机的几个操作参数，例如，包括dq电流、转子角、功率角、电压、阀位置、温度以及类似的。在一个特定的实施例中，阀位置由IED 400监控。IED的控制算法可包括与阀相关联的时间常数，其涉及阀到达给定的位置(打开或关闭的百分比)所用的时间。阀位置对控制输入的反应可由IED监控。IED还建立对应于阀位置在某些控制输入下如何改变的基线。一旦建立了基线，则IED 400监控阀并对阀位置如何响应于特定的控制输入而改变进行比较，以及对照所建立的基线进行比较。如果根据所建立的基线，阀位置没有改变，则IED可输出警报指示这种情况。根据其所建立的基线，操作阀失败可指示阀、控制器等有问题。

在另一实施例中，IED 400可被配置为监控同步机的温度。温度在同步机的某些控制输入期间，以及基线关于温度而建立且在由某些特定输入引起的同步机的某些操作期间时间如何改变可被监控。一旦建立了基线条件，则同步机的温度在同步机的类似的操作期间对照基线来监控。如果温度或温度上的改变与所建立的基线的差大于预定的裕度，则IED可利用警报或类似的来指示。

IED可被配置为获得同步机的多个参数的测量值。例如，譬如IED 400的IED可被配置为获得场电压、端子电压(譬如例如，dq量)、转子角、以及端子电流(例如，dq量)。这些测量值中的每个可在同步机的正常操作期间被获得，并且每个基线可由IED建立。一旦建立了基线，则这些受监控的参数的当前值可对照基线进行比较。如果当前值与基线的差大于预定的裕度，则IED可利用警报来指示。

在某些实施例中，基线在它们随着同步机成功地操作而改变时可以是动态的。基线的随时间的改变也可被监控。例如，当前基线可对照先前建立的基线进行比较。当当前基线已经从先前基线改变大于预定的量时，则IED可用警报指示。随后，操作者可利用基线上的改变来确定同步机的状态。

虽然已经图示并描述了本公开的特定实施例和应用，但是应理解的是，本公开不限于本文中所公开的精确配置和组件。对于本领域中的这些技术人员来说明显的是，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可在本公开的方法和系统的布置、操作和细节做出各种修改、改变和变化。

Claims

1.一种用于监控同步电力机器的智能电子设备IED，包括：

时间输入端，其与共同时间参考进行通信；

机械数据输入端，其与所述同步电力机器通信以用于将来自所述同步电力机器的转子位置信号提供给所述智能电子设备；

电数据输入端，其用于接收电力机器电数据，包括：

励磁数据输入端，其与所述同步电力机器的激励器进行通信，提供来自所述同步电力机器的励磁电流信号；以及

监控模块，其与所述时间输入端、所述机械数据输入端、以及所述电数据输入端进行通信，并被配置为：

使用所述转子位置信号计算所述同步电力机器的转子角；

使用所述同步电力机器的所述转子角计算所述励磁电流信号到旋转参考系的变换以形成dq电流；

在所述同步电力机器的成功操作期间，根据所述成功操作期间所计算的dq电流，计算dq电流基线；

在所述同步电力机器的所述成功操作之后：

利用所述转子角和所述励磁电流信号，计算所述同步电力机器的当前dq电流；

将所述当前dq电流与所述dq电流基线进行比较；以及

当所述当前dq电流与所述dq电流基线的差大于预定的阈值时，发送警报。

2.一种智能电子设备IED，包括：

时间输入端，其与共同时间参考进行通信；

机器机械数据输入端，其与电力机器进行通信用于提供来自所述电力机器的转子位置信号；

励磁数据输入端，其与所述电力机器的激励器进行通信，提供来自所述电力机器的励磁电流信号；

机械数据模块，其与所述时间输入端和所述机器机械数据输入端进行通信，以用于计算所述电力机器的转子的转子角并利用来自所述时间输入端的时间信号来对所述转子角进行时间标记；

励磁数据模块，其与所述励磁数据输入端和所述时间输入端进行通信，以用于利用所述电力机器的所述转子角计算所述励磁电流信号到旋转参考系的变换以形成dq电流并使用来自所述时间输入端的所述时间信号对所述dq电流进行时间标记；以及

监控模块，其与所述励磁数据模块和所述机械数据模块进行通信，所述监控模块被配置为：

确定所述电力机器的成功操作作为所述电力机器的没有预定时间的事件的操作；

根据在所述电力机器的所述成功操作期间计算的所述dq电流计算dq电流基线；

在所述电力机器的所述成功操作之后：

根据所述转子角和所述励磁电流信号计算所述电力机器的当前dq电流；

将所述当前dq电流对照计算的所述dq电流基线进行比较；以及

当计算的所述dq电流在所述dq电流基线的外部时，确定所述电力机器的场的损耗事件。

3.根据权利要求2所述的智能电子设备，其中所述机器机械数据输入端的机器机械数据包括阀位置。

4.根据权利要求3所述的智能电子设备，其中所述dq电流基线包括所述阀位置对输入的反应时间。

5.根据权利要求2所述的智能电子设备，其中所述机器机械数据输入端的机器机械数据包括温度。

6.根据权利要求2所述的智能电子设备，其中所述dq电流基线包括利用所述电力机器的端子的电端子数据所计算的端子电压dq量之间的差值。

7.根据权利要求2所述的智能电子设备，其中所述dq电流基线包括利用所述励磁数据输入端的励磁数据所计算的励磁电流dq量之间的差值。

8.根据权利要求2所述的智能电子设备，其中所述监控模块被配置为确定所述电力机器的所述当前dq电流是否在所述dq电流基线的外部而大于预定的裕度。

9.根据权利要求2所述的智能电子设备，其中所述监控模块还被配置为储存所述dq电流基线。

10.根据权利要求9所述的智能电子设备，其中所述监控模块还被配置为将当前dq电流基线与过去的dq电流基线进行比较。

11.根据权利要求10所述的智能电子设备，其中所述监控模块还被配置为在关于所述当前dq电流基线和所述过去的dq电流基线之间的差值超过预定的阈值时，断言警报。

12.根据权利要求2所述的智能电子设备，其中所述电力机器包括同步发电机。

13.根据权利要求2所述的智能电子设备，其中所述电力机器包括同步电动机。

14.一种用于监控电力机器的方法，包括：

智能电子设备测量所述电力机器的转子位置并使用测量的所述转子位置计算所述电力机器的转子角；

所述智能电子设备测量来自与所述电力机器的激励器进行通信的励磁数据输入端的励磁数据并且利用所述励磁数据计算所述电力机器的励磁电流；

在所述电力机器的没有事件的成功操作期间，利用所述电力机器的所述转子角计算所述励磁电流到旋转参考系的变换以形成所述电力机器的dq电流基线；以及

当当前dq电流与基线dq电流之间的差超过预定的裕度时，确定所述电力机器的场的损耗事件。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述电力机器的机械参数包括阀位置。

16.根据权利要求15所述的方法，其中关于所述电力机器的操作参数的基线包括阀位置反应时间。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述电力机器的机械参数包括温度。

18.根据权利要求14所述的方法，其中关于所述电力机器的操作参数的基线包括利用所述电力机器的端子的电端子数据所计算的端子电压dq量之间的差值。

19.根据权利要求14所述的方法，其中关于所述电力机器的操作参数的基线包括利用所述励磁数据所计算的励磁电流dq量之间的差值。

20.根据权利要求14所述的方法，还包括将当前dq电流基线对照过去的dq电流基线进行比较的步骤。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括当所述当前dq电流基线和所述过去的dq电流基线之间的差值超过预定的阈值时断言警报的步骤。

22.根据权利要求14所述的方法，其中所述电力机器包括同步发电机。

23.根据权利要求14所述的方法，其中所述电力机器包括同步电动机。