CN107681940B - 一种基于同步发电机机端电气信号提取的转速监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同步发电机机端电气信号提取的转速监测方法，包括步骤：S1：采集同步发电机端口电气信号量；其中，电气信号量包括：相电压u_a、u_b、u_c及定子各相电流i_a、i_b、i_c；S2：根据电气信号量并利用锁相控制得到同步发电机端口电压相位信息θ；S3：根据同步发电机端口电压相位信息θ提取三相电流同步旋转信号量i_d、i_q；S4：根据三相电压电流同步旋转信号量获得同步发电机转子转速信号量。本发明通过对影响同步发电机转子转速变换的电气信号量的精确刻画，提高通过电气信号测量实现对同步发电机转子转速信号变化信号的提取的精度，旨在解决现有同步发电机转子转速信号提取技术，无法快速准确判断同步发电机轴系扭振的问题。

Description

一种基于同步发电机机端电气信号提取的转速监测方法

技术领域

本发明属于同步发电机转子转速监测领域，更具体地，涉及一种基于同步发电机机端电气信号提取的转速监测方法。

背景技术

同步发电机作为电力系统中最为重要的电源装备之一，且价格昂贵，该装备的安全稳定运行，对电力系统的安全稳定具有至关重要的作用。同步发电机轴系作为其重要的部件，轴系的安全稳定对同步发电机至关重要，随着汽轮机发电机单机容量的逐渐增大，发电机轴系更加细长，轴系的特性体现出机械的柔体特性。由轴系的动力学分析可以知道，当机械转矩与电磁转矩平衡时，轴系处于稳定状态。当同步发电机电气部分出现非基频谐波含量的电气量，会在电磁转矩中产生相应频率的电磁转矩，当该频率的电气阻尼和机械阻尼不足或者严重的出现负阻尼的情况下，不能够将该非基频分量的电气分量有效抑制，导致轴系的受力不均衡。当轴系的固有振荡频率与该非基频分量频率相同时，轴系固有频率下的振荡会被激发出来，当振荡进一步扩大后，会严重威胁同步发电机轴系的安全。例如上世纪 70年代，位于美国的Mohave电厂连续出现由串联补偿线路造成的汽轮发电机组轴系振荡损坏事故，由于轴系扭振频率位于次同步振荡频率范围之内，从而引起了人们对于次同步振荡问题的广泛研究。对于同步发电机阻尼特性，机械阻尼在发电机确定后一般为固定值，且为正。而影响电气阻尼的因素较多，例如系统的潮流分布，稳态工作点，励磁控制系统，稳定器控制系统，同步发电机外部网架结构，输电线路阻抗，外部其他电力电子装备等等较多因素，所以电气阻尼较为复杂，且难以确定，严重情况下会引起负阻尼的出现，严重威胁同步发电机轴系的安全。

对于轴系振荡问题的研究和抑制方案，目前主要针对轴系的次同步振荡问题，主要采用以下几种措施：第一，优化同步发电机轴系的设计，将同步发电机轴系的固有振荡频率避开次同步频段，从而可以在根本上实现对次同步振荡的有效抑制，但该方案需要多学科交叉研究，近期出现突破的可能性较小，且无法作用到已有的同步发电机。第二在发电机附近加装专门的轴系振荡的抑制装置，例如附加励磁控制器，可以也可以实现轴系振荡的有效抑制，但是该方案需要灵活地励磁控制调节装置，且需要对转速信号，电气信号进行精确的测量，且需要对同步发电机有详细的建模，单纯利用该方案，无法保证对所有的振荡频率下实现有效抑制。第三，采用滤波装置，将次同步频段的谐波成分通过滤波器滤除，实现切除同步发电机次同步功率与电网之间的联系，实现对次同步振荡的抑制，该方法理论上是可以实现的，但是在实际工程中，较低的谐波成分难以滤除，技术上难以实现。第四，利用STATCOM无功补偿， HVDC高压直流输电等电力电子装置实现轴系振荡的有效抑制，通过一定的控制算法的改进和控制参数的调整，实现在不同工况下，同步发电机轴系的阻尼特性为正，使同步发电机轴系振荡无法激发出来，灵活有效的实现对同步发电机的保护，既可以采用在同步发电机机端增加电力电子装备，也可以通过同步发电机附近已有的装备实现，经济型可靠性可以有效的提升。目前国内对于同步电机轴系的保护一般通过轴系的振荡检测和保护装置为主要的解决措施，轴系的振荡检测可以实现对同步发电机轴系状态的实时监控，同时在轴系扭振发生之后，为降低严重扭振对同步发电机的危害，通过切机的方式实现对同步发电机的保护，在轴系扭振较为的严重的机组，加装专门的次同步抑制装置系统。

针对以上提到的同步发电机轴系扭振的检测和抑制，都需要直接或间接的提取同步发电机轴系转速的变化，且同步发电机轴系出现不稳定状态最直观的信号量为轴系转速的动态。目前轴系扭振监测主要通过安装在发电机机端的测速齿轮片获取轴系的转速信号，利用电磁感应原理或者光电感应原理，可以快速测量轴系的瞬时速度和轴系的机械位移偏差，将得到的信号量进行一定的数字滤波，得到轴系各固有模态的振荡曲线，同时还可以计算出轴系疲劳程度和扭振的严重程度，从而为保护装置提供控制信号量，进行一定的抑制操作控制，必要时可以自动将被保护的机组从电网中切除，从而避免轴系扭振放大，保护发电机轴系的安全稳定。由于这类方法主要直接测量转子的机械量，得到的测量信号准确性较高。但是基于机械测量的方法，得到的信号会有较大的延时，且只有在轴系扭振达到一定程度后，通过转速扰动才可以被识别出来，不能够在扭振发生初期，通过一定的手段立即进行抑制，且该种方法检测装置复杂，测量数据量较多，需要采用性能优良的测速装置，此外，该类型装置价格昂贵，分析计算较为复杂，对于已有的发电机设备改造工程量较大，且价格昂贵。对于基于电气测量的轴系状态检测方案，需要测量同步发电机出口处三相瞬时电流值及三相电压值，以此来计算电磁功率的大小，通过信号谐波成分的提取，获得同步发电机轴系的动态特征，进而做出逻辑判断，进行系统保护或抑制。该种方法仅需要通过电流互感器和电压互感器测量系统的输入信号，机构简单，技术较为成熟，价格便宜，可靠性高，便于维护。该方法的缺点是准确性较低，无法较为直接的得到转子扭转的机械量，且不能对轴系疲劳程度进行分析。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于同步发电机机端电气信号提取的转速监测方法，其目的在于通过对影响同步发电机转子转速变换的电气信号量的精确刻画，提高通过电气信号测量实现对同步发电机转子转速信号变化信号的提取的精度，旨在解决现有同步发电机转子转速信号提取技术无法快速准确判断同步发电机轴系扭振的技术问题。

本发明提供了一种基于同步发电机机端电气信号提取的转速监测方法，包括下述步骤：

S1：采集同步发电机端口电气信号量；

其中，电气信号量包括：相电压u_a、u_b、u_c及定子各相电流i_a、i_b、i_c；

S2：根据所述电气信号量并利用锁相控制得到同步发电机端口电压相位信息θ；

S3：根据同步发电机端口电压相位信息θ提取三相电流同步旋转信号量i_d、i_q；

S4：根据三相电压电流同步旋转信号量获得同步发电机转子转速信号量。

更进一步地，步骤S2具体包括：将三相电压信号经PARK变换后获得三相交流电压旋转坐标系下q轴分量u_q，将所述三相交流电压旋转坐标系下q轴分量u_q经过锁相PI控制和积分控制后获得相位信息θ。

更进一步地，锁相PI控制的传递函数为k_ppll+k_ipll/s其中，k_ppll为锁相控制器比例系数，k_ipll为锁相控制器积分系数，s为复频域变量。

更进一步地，所述相位信息θ＝u_d(k_ppll+k_ipll/s)(1/s)。

更进一步地，在步骤S4中，同步发电机转子转速ω＝ω₀+Δω；其中，Δω为转子转速扰动分量，ω₀为转子转速稳态分量，标幺系统下等于数值1。

更进一步地，转子转速扰动分量

其中，

Δu_d为定子绕组D轴电压小信号分量；Δi_d为定子绕组D轴电流小信号分量；Δi_q为定子绕组Q轴电流小信号分量；i_d0为定子绕组D轴电流稳态分量；R_a为同步机定子等效电阻；R_D为同步机转子D轴阻尼绕组等效电阻；R_f为励磁绕组等效电阻；R_g为同步机转子Q轴第一阻尼绕组等效电阻；R_Q为同步机转子Q轴第二阻尼绕组等效电阻；x_d为定子绕组D轴等效电抗；x_q为定子绕组Q轴等效电抗；x_D为D轴阻尼绕组等效电抗；x_f为励磁绕组等效电抗；x_g为Q轴第一阻尼绕组等效电抗；x_Q为Q轴第二阻尼绕组等效电抗；x_ad为定子D轴绕组与转子D轴绕组之间的互感抗；x_aq为定子Q轴绕组与Q轴绕组之间的互感抗；x_fD为励磁绕组与转子D轴阻尼绕组之间的互感抗；s为复频域变量。

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明仅需要测量同步发电机端口的电压和电流的电气量，取代了同步发电机转子转速信号的采样，现有数字采样技术上更为成熟，且采样更为精确。

(2)本发明基于PARK变换算法，将交流的电气信号量转换成了直流信号量，计算更加方便，且该方案在数字信号处理系统中实现容易。

(3)本发明充分考虑了同步发电机外部电气信号量的波动，以及由此引起的内部绕组的电气信号量的变化，对引起转速变化的刻画更加精确。

(4)本发明可以实现在同步发电机转子转速发生扰动初始时刻，开始进行轴系振荡的抑制，例如次同步振荡，相比于其他转速测量方案，可以更加快速的进行轴系振荡的抑制，而传统的通过采集同步机转速信号，由于同步机轴系各质量块的惯性，转速信号并不能及时发映出轴系的振荡问题，造成一定延时。

(5)本发明由于是在同步发电机轴系振荡的初期开始实施振荡抑制，对振荡抑制器的容量和能力要求降低。

(6)本发明可以根据检测结果主动的调整方式，降低了轴系振荡的风险，提高了电网和机组运行的安全性和经济性。

(7)本发明由于主要依据电气信号量的测量，和同步发电机已有的参数，可以较为方便的扩展到其他机组，方便技术的推广，具有较强的适用性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于同步发电机机端电气信号提取的转速监测方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的基于同步发电机机端电气信号提取的转速监测系统的结构示意图；

图3是锁相环原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于同步发电机机端电气信号提取的同步发电机转子转速监测方法，通过对影响同步发电机转子转速变换的电气信号量的精确刻画，提高通过电气信号测量实现对同步发电机转子转速信号变化信号的提取的精度，旨在解决现有同步发电机转子转速信号提取技术，无法快速准确判断同步发电机轴系扭振的技术问题。

本发明提供的基于同步发电机机端电气信号提取的同步发电机转子转速监测方法包括：

S1：采集同步发电机端口电气信号量；电气信号量包括：相电压u_a、u_b、u_c及定子各相电流i_a、i_b、i_c；

S2：根据所述电气信号量并利用锁相控制得到同步发电机端口电压相位信息θ；其中，锁相控制为将三相电压信号经PARK变换，得到u_d、u_q，将u_q经过锁相PI控制器k_ppll+k_ipll/s和积分控制器1/s，得到相位信息θ，即θ＝ u_d(k_ppll+k_ipll/s)(1/s)，k_ppll和k_ipll为锁相控制器参数。

S3：根据同步发电机端口电压相位信息θ提取三相电流同步旋转信号量i_d、i_q；

S4：根据三相电压电流同步旋转信号量获得同步发电机转子转速信号量；其中，同步发电机转子转速ω＝ω₀+ Δω，Δω为转子转速扰动分量，ω₀为转子转速稳态分量，标幺系统下等于数值1；

各符号含义将在计算公式具体推导中给出。

在本发明实施例中，关于转子转速分量Δω的具体计算公式推导过程如下：

步骤1：采集同步发电机端口相电压u_a、u_b、u_c及定子各相电流i_a、i_b、i_c。

步骤2：将步骤1中得到的相电压、相电流信号经PARK变换到同步旋转坐标系中，得到同步旋转坐标系下电压量u_d、u_q和电流量i_d、i_q。

步骤3：列写同步发电机定子和转子电压基本方程，

式中，u_d为同步发电机端口电压D轴分量，u_q为同步发电机端口电压Q轴分量，i_d为定子绕组电流D轴分量， i_q为定子绕组电流Q轴分量，u_f为励磁绕组电压，i_f为励磁绕组电流，i_D为同步机转子D轴阻尼绕组电流，i_g为同步机转子Q轴第一阻尼绕组电流，i_Q为同步机转子Q轴第二阻尼绕组电流，R_a为同步机定子等效电阻，R_f为励磁绕组等效电阻，R_D为同步机转子D轴阻尼绕组等效电阻，R_g为同步机转子Q轴第一阻尼绕组等效电阻，R_Q为同步机转子Q轴第二阻尼绕组等效电阻，Ψ_a为同步机定子磁链，Ψ_f为励磁绕组磁链，Ψ_D为同步机转子D轴阻尼绕组磁链，Ψ_g为同步机转子Q轴第一阻尼绕组磁链，Ψ_Q为同步机转子Q轴第二阻尼绕组磁链，ω为转子转速，p为微分算子。

步骤4：列写同步发电机定子和转子磁链方程，

式中，x_d为定子绕组D轴等效电抗，x_q为定子绕组Q轴等效电抗，x_f为励磁绕组等效电抗，x_D为D轴阻尼绕组等效电抗，x_g为Q轴第一阻尼绕组等效电抗，x_Q为Q轴第二阻尼绕组等效电抗，x_ad为定子D轴绕组与转子D轴绕组之间的互感抗，x_aq为定子Q轴绕组与Q轴绕组之间的互感抗，x_fD为励磁绕组与转子D轴阻尼绕组之间的互感抗。

步骤5：将步骤3和步骤4中的方程转换到频域下，并利用小扰动分析方法进行线性化处理。“Δ”表示小扰动分量，则方程中各变量可替换为i＝i₀+Δi，u＝u₀+Δu，Ψ＝Ψ₀+ΔΨ，ω＝ω₀+Δω，其中下标0表示稳态分量值。

优选的，所述步骤5中，各阻尼绕组中稳态下电流为零，即i_D0＝0，i_g0＝0，i_Q0＝0。

优选地，所述步骤3、4和5，忽略同步发电机电力系统稳定器(PSS)和励磁控制器的影响。即Δu_f＝0。

步骤6：根据步骤3-5，得到各阻尼绕组和励磁绕组电流小信号表达式，

式中，Δi_d为定子绕组D轴电流小信号分量，Δi_d＝i_d-i_d0；Δi_q为定子绕组Q轴电流小信号分量，Δi_q＝i_q-i_q0；Δi_f为励磁绕组电流小信号分量，Δi_f＝i_f-i_f0；Δi_D为D轴阻尼绕组电流小信号分量，Δi_D＝i_D-i_D0；Δi_g为Q轴第一阻尼绕组电流小信号分量，Δi_g＝i_g-i_g0；Δi_Q为Q轴第二阻尼绕组电流小信号分量，Δi_Q＝i_Q-i_Q0。

步骤7：将步骤6得到的各转子量的表打式带入步骤3的小扰动表达式中可以得到：

式中，Δu_d为定子绕组D轴电压小信号分量，Δu_q为定子绕组Q轴电压小信号分量，Δω为转子转速分量。

优选的，步骤7中G₁(s)和G₂(s)表达式如下，

步骤8：根据步骤7，可以得到转速变化的表达式为：

更进一步地，步骤8具体包括：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及到一种基于同步发电机机端电气信号提取的同步发电机转子转速监测方法，更具体地，涉及到一种利用同步发电机端电压、电流同步旋转信号监测同步机转子转速信号的方法。

与传统同步发电机转子转速信号提取方法比较，本发明仅需要测量同步发电机端口的电压和电流的电气量，取代了同步发电机转子转速信号的采样，现有数字采样技术上更为成熟，且采样更为精确。本发明采用旋转坐标系下进行测量，将交流的电气信号量转换成了直流信号量，计算更加方便，且该方案在数字信号处理系统中实现容易。本发明充分考虑了同步发电机外部电气信号量的波动，以及由此引起的内部绕组的电气信号量的变化，对引起转速的变化刻画的更加精确。本发明可以实现在同步发电机转子转速发生扰动初始时刻，开始进行轴系振荡的抑制，例如次同步振荡，相比于其他转速测量方案，可以更加快速的进行轴系振荡的抑制，而传统的通过采集同步机转速信号，由于同步机轴系各质量块的惯性，转速信号并不能及时发映出轴系的振荡问题，造成一定延时。本发明由于是在同步发电机轴系振荡的初期开始实施振荡抑制，对振荡抑制器的容量和能力要求降低。本发明可以根据检测结果主动的调整方式，降低了轴系振荡的风险，提高了电网和机组运行的安全性和经济性。本发明由于主要依据电气信号量的测量，和同步发电机已有的参数，可以较为方便的扩展到其他机组，方便技术的推广，具有较强的适用性。

下面结合附图，说明本发明提出的基于同步发电机机端电气信号提取的同步发电机转子转速监测方法的应用。

图1是基于同步发电机机端电气信号提取的同步发电机转子转速监测方法示意图；1表示同步发电机，为主要保护的装备，连接在主变压器的低压侧；2表示电流测量装置，用来测量同步发电机端口定子电流；3表示电压测量装置，用来测量同步发电机端口电压，为提取同步旋转信号和锁相相角做准备；4表示发电厂上网主变压器，将同步发电机端口电压升至与电网电压匹配，低压侧与同步发电机端口相连，高压侧经线路与无穷大电网相连，R_L、X_L、 C₀分别表示同步发电机主变压器高压端到无穷大电网之间线路的等效电阻、等效电抗和串联补偿装置，X_g表示无穷大电网等效阻抗；6表示无穷大电网；5表示本发明提出的装置，通过检测同步发电机端口电气信号量，利用数字信号处理技术实现同步发电机定子转速信号提取，利用电流测量装置2、电压测量装置3得到电气信号量，通过51锁相环模块，得到同步发电机端口电压的相位信息θ，模块52利用由51模块得到的相位信息θ和电压测量装置3得到的同步发电机端口电压信息V_PCC得到同步旋转坐标下，同步发电机电压量V_{dq_PCC}，模块53利用由51模块得到的相位信息θ和电流测量装置2得到的同步发电机端口定子电流信息I_PCC得到同步旋转坐标下，同步发电机电流量I_{dq_PCC}，模块54利用模块52和模块53得到的同步旋转坐标系下电压电流量，结合转速提取公式10或11实现同步发电机定子转速信号的提取。

图2是本发明利用锁相环得到锁相相角信号原理图。由电压测量装置3得到同步发电机端口三相交流电压V_PCC经过第一坐标变换器511、第二坐标变换器512得到V_{q_PCC}，将V_{q_PCC}通过PI控制器513得到同步转速信号ω′，同步转速信号ω′通过积分器514得到同步机端口电压锁相相角θ。

具体实施步骤如下：

如图1、图2和图3所示，基于同步发电机机端电气信号提取的同步发电机转子转速监测方法主要步骤为：

S1：采集同步发电机端口电气信号量；

同步发电机端口电气信号量包括定子电流信号和端口电压信号，电流测量装置2用来测量同步发电机端口定子电流；电压测量装置3用来测量同步发电机端口电压，为提取同步旋转信号和锁相相角做准备；

S2：利用锁相方法得到同步发电机端口电压相位信息；

电压测量装置3得到同步发电机端口三相交流电压V_PCC经过第一坐标变换器511、第二坐标变换器512得到 V_{q_PCC}，将V_{q_PCC}通过PI控制器513得到同步转速信号ω′，同步转速信号ω′通过积分器514得到同步机端口电压锁相相角θ。

S3：提取三相电压电流同步旋转信号量；

模块52利用由51模块得到的相位信息θ和电压测量装置3得到的同步发电机端口电压信息V_PCC得到同步旋转坐标下，同步发电机电压量V_{dq_PCC}，模块53利用由51模块得到的相位信息θ和电流测量装置2得到的同步发电机端口定子电流信息I_{dq_PCC}得到同步旋转坐标下，同步发电机电流量I_{dq_PCC}；

S4：同步发电机转子转速信号量提取；

模块54利用模块52和模块53得到的同步旋转坐标系下电压电流量，结合转速提取公式10或11实现同步发电机定子转速信号的提取。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于同步发电机机端电气信号提取的转速监测方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：采集同步发电机端口电气信号量；

其中，电气信号量包括：相电压u_a、u_b、u_c及定子各相电流i_a、i_b、i_c；

S2：根据所述电气信号量并利用锁相控制得到同步发电机端口电压相位信息θ；

S3：根据同步发电机端口电压相位信息θ提取三相电流同步旋转信号量i_d、i_q；

S4：根据三相电压电流同步旋转信号量获得同步发电机转子转速信号量；

在步骤S4中，同步发电机转子转速ω＝ω₀+Δω；

其中，Δω为转子转速扰动分量，ω₀为转子转速稳态分量，标幺系统下等于数值1，所述转子转速扰动分量

其中，

Δu_d为定子绕组D轴电压小信号分量；Δi_d为定子绕组D轴电流小信号分量；Δi_q为定子绕组Q轴电流小信号分量；i_d0为定子绕组D轴电流稳态分量；R_a为同步机定子等效电阻；R_D为同步机转子D轴阻尼绕组等效电阻；R_f为励磁绕组等效电阻；R_g为同步机转子Q轴第一阻尼绕组等效电阻；R_Q为同步机转子Q轴第二阻尼绕组等效电阻；x_d为定子绕组D轴等效电抗；x_q为定子绕组Q轴等效电抗；x_D为D轴阻尼绕组等效电抗；x_f为励磁绕组等效电抗；x_g为Q轴第一阻尼绕组等效电抗；x_Q为Q轴第二阻尼绕组等效电抗；x_ad为定子D轴绕组与转子D轴绕组之间的互感抗；x_aq为定子Q轴绕组与Q轴绕组之间的互感抗；x_fD为励磁绕组与转子D轴阻尼绕组之间的互感抗；s为复频域变量。

2.如权利要求1所述的转速监测方法，其特征在于，步骤S2具体包括：将三相电压信号经PARK变换后获得三相交流电压旋转坐标系下q轴分量u_q，将所述三相交流电压旋转坐标系下q轴分量u_q经过锁相PI控制和积分控制后获得相位信息θ。

3.如权利要求2所述的转速监测方法，其特征在于，锁相PI控制的传递函数为k_ppll+k_ipll/s其中，k_ppll为锁相控制器比例系数，k_ipll为锁相控制器积分系数，s为复频域变量。

4.如权利要求2或3所述的转速监测方法，其特征在于，所述相位信息θ＝u_d(k_ppll+k_ipll/s)(1/s)。

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