CN111077447A - 扭振信号检测方法、装置设备及存储介质 - Google Patents

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CN111077447A CN201911234706.3A CN201911234706A CN111077447A CN 111077447 A CN111077447 A CN 111077447A CN 201911234706 A CN201911234706 A CN 201911234706A CN 111077447 A CN111077447 A CN 111077447A
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张俊峰
伍双喜
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Abstract

本申请公开了一种扭振信号检测方法、装置设备及存储介质，方法包括：给大型核电机组轴系的每台发电机均配置励磁调节器；获取发电机励磁调节器输出的励磁电压信号，并对所述励磁电压信号进行频谱分析，获得检测结果。本申请解决了现有技术中的无论是检测发电机组的定子电流信号，还是发电机的转速信号，均无法识别大型核电机组运行时期的小幅度的固有轴系扭振现象的技术问题。

Description

扭振信号检测方法、装置设备及存储介质
技术领域
本申请涉及大型核电机组技术领域，尤其涉及扭振信号检测方法、装置设备及存储介质。
背景技术
在1937年，同步发电机承载容性负荷或经串联电容线路接入系统激发次同步频率谐振问题的研究与讨论就已经开始了，当时称之为自励磁现象。直到1970年12月和1971年10月，美国Mohave电厂由于线路串联电容器先后引起了两次严重的机组轴系扭振并造成发电机大轴损坏，人们通过研究才发现“机电扭转相互作用(electromechanical torsionalinteraction)”，后来又被称为“轴系扭转振荡(torsional oscillation)”现象，即电气系统LC谐振激发发电机轴系扭转振荡，造成机械轴系的严重损坏。之后又发现，在系统操作或者故障时，也可能激发暂态过程中的强烈扭振，造成机组的疲劳损伤，这种现象被称为“暂态扭矩放大作用(transient torque amplification)”。这些现象都涉及到电气系统的LC谐振，因此被统称为次同步谐振(Subsynchronous Resonance，SSR)。
1977年，在美国Squre Butte电厂投入高压直流输电(High Voltage DirectCurrent transmission，HVDC)线路时，汽轮发电组轴发生了强烈的扭振，当把附近的串联电容器切除后，扭振现象依然存在，说明这是因为HVDC而不是串联电容器所导致的。进一步研究发现，HVDC、SVC、PSS(电力系统稳定器)等快速功率调节装置都有可能激发扭振，这种振荡称之为“装置引发的次同步振荡”。由于这时候不存在谐振电路，因此不再属于次同步谐振，而被统一称为“次同步振荡(Subsynchronous Oscillation，SSO)”。
大型核电机组的轴系和传统的火电机组轴系的结构一样，包含多个高压缸、中压缸、低压缸、发电机转子、励磁机等多个质量块，区别是大型核电机组的转速为1500转/min，传统火电机组的转速为3000转/min，汽轮轴系结构如附图9所示。
大型核电机组和火电机组的轴系包含有高压缸、中压缸、低压缸、发电机转子、励磁机等多个质量块，以附图10为例的汽轮机组轴系，该汽轮机组的轴系包含一个高压缸、一个中压缸、一个低压缸、一个发电机组转子、一个励磁机，一共5个质量块，每个质量块对应构建一个质块-弹簧系统。
理论上，大型汽轮发电机转子等效为一个质块-弹簧系统，包含N个质块，对应N-1个弹簧，将产生N-1个扭振模式，扭振是机组轴系机械系统的固有特性。其中的次同步频率(低于工频)范围的扭振称为次同步扭振，高于工频的扭振称为超同步扭振。
汽轮发电机组的轴系扭振是其固有特性，是客观存在的，其危害分为两类：第一类是致命损伤，发生较低：会造成大轴突然断裂，系统突然缺失电源的稳定影响；第二类是不容忽视的小损伤，且发生频率较高：会造成机组的慢性损伤，缩短机组的使用寿命；且会限制机组出力，降低效率。因此对汽轮发电机组的轴系扭振检测和治理显得很重要。
现有的轴系扭振检测方法有：采用发电机定子电流来做频谱分析，用来判断是否出现次同步振荡现象，但是这种做法需要机组发生较大的次同步谐振或者次同步振荡，常见的发电机组与外部的线路串补装置、直流输电装置发生次同步振荡，附图11所示的即为发电机组与其线路的串补装置发生次同步谐振的实际案例，发电机组的定子电流、有功功率均发生了剧烈的振荡，附图12为定子电流、有功功率的频谱分析结果，从结果来看定子电流出现了明显的19Hz次同步振荡。采用定子电流做频谱分析来检测发电机组的轴系扭振，需要定子电流出现明显的振荡才能辨识出来，属于事故分析方法，灵敏度低，不能分析识别出核电机组的微弱轴系扭振信号。
而另一种方法是直接采用发电机转速信号进行频谱分析来判断是否出现轴系扭振，装置方法直观，但是发电机转速信号的信噪比低，信号处理难度大，对于发电机组与外部的线路串补装置、直流输电装置发生次同步振荡，振荡幅度较大的情况下可以辨识出，但是不易识别到机组运行期间的小幅度的轴系扭振现象。
发明内容
本申请提供了一种扭振信号检测方法、装置、设备及存储介质，本申请解决了现有技术中的更换测试仪时，需要更换测试仪后台软件和重新生成测试用例；以及测试后台软件不能与不同的测试仪、被测设备和测量表计进行交互的技术问题。
本申请第一方面提供了一种扭振信号检测方法，包括：
给大型核电机组轴系的每台发电机均配置励磁调节器；
获取发电机励磁调节器输出的励磁电压信号，并对所述励磁电压信号进行频谱分析，获得检测结果。
可选地，所述励磁电压信号具体为轴系扭振信号依次输入到PSS模型、AVR的PID模型以及功率柜放大环节产生。
可选地，所述PSS模型具体为ALSTOM的PSS2B模型。
可选地，所述励磁调节器具体为ALSTOM励磁调节器。
本申请第二方面提供了一种扭振信号检测装置，包括：
配置模块，用于给大型核电机组轴系的每台发电机均配置励磁调节器；
获取信号模块，用于获取发电机励磁调节器输出的励磁电压信号，并对所述励磁电压信号进行频谱分析，获得检测结果。
可选地，所述获取信号模块具体用于检测含有发电机轴系扭振信息的电气量信号，并依次输入到PSS单元、AVR的PID单元以及功率柜放大环节产生励磁电压信号。
可选地，所述PSS单元具体为ALSTOM的PSS2B模型。
可选地，所述励磁调节器具体为ALSTOM励磁调节器。
本申请第三方面提供了一种扭振信号检测设备，所述设备包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行第一方面所述的扭振信号检测方法。
本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行第一方面所述的扭振信号检测方法。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请中，提供了一种扭振信号检测方法，包括：
给大型核电机组轴系的每台发电机均配置励磁调节器；
获取所述励磁调节器实时检测的所述每台发电机的励磁电压信号，并对所述励磁电压信号进行频谱分析，获得检测结果。
本申请提供的扭振信号检测方法，通过给大型核电机组轴系的每台发电机均配置励磁调节器，并通过励磁调节器实时检测获得的轴系扭振信号，进行频谱分析获取其扭振模式，根据扭振模式判断该大型核电机组轴系是否存在有固有的轴系扭振现象。本申请解决了现有技术中的无论是检测发电机组的定子电流信号，还是发电机的转速信号，均无法识别大型核电机组运行时期的小幅度的固有轴系扭振现象的技术问题。
附图说明
图1为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的流程示意图；
图2为本申请提供的一种扭振信号检测装置的一个实施例的结构示意图；
图3为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的励磁电压信号的产生逻辑图；
图4为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的PSS模型框图；
图5为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的PSS模型的幅频特性图；
图6为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的AVR模型框图；
图7为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的AVR和功率柜的幅频特性图；
图8为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的实测襟岛核电电气量曲线图；
图9为汽轮机组轴系图；
图10为图9所示中的汽轮机组的轴系质块-弹簧系统示意图；
图11为图9所示的汽轮机组的发电机组与其线路的串补装置发生次同步谐振的次同步谐振波形图；
图12为图9所示的汽轮机组的电子电流和有功功率的频谱分析结果图；
图13为本申请提供的一种扭振信号检测装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的目的是解决大型核电机组的固有轴系扭振信号的检测，由于大型核电机组与电网联系紧密，一般的核电站与系统的连接路线没有串补装置，也不在直流输电的送端，因此不会出现核电机组与串补装置、直流输电设备耦合产生剧烈的次同步振荡风险。但是，核电机组的轴系长，转速为1500转/min，其轴系的扭振频率比常规的3000转/min的火电机组轴系扭振频率低，目前台山核电1750MW的机组的最低轴系的扭振频率为6Hz，其他的1000MW的核电机组的轴系扭振的频率最低约为8Hz，在机组正常运行期间，这些固有的扭振信号不能通过现有技术中的方法来检测到，基于此，本申请提出了一种扭振信号检测方法、装置、设备及存储介质。
本申请提供的一种扭振信号检测方法、装置、设备及存储介质，本申请解决了现有技术中的无论是检测发电机组的定子电流信号，还是发电机的转速信号，均无法识别大型核电机组运行时期的小幅度的固有轴系扭振现象的技术问题
为了便于理解，请参见图1-8，图1为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的流程示意图；图2为本申请提供的一种扭振信号检测装置的一个实施例的结构示意图；图3为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的励磁电压信号的产生逻辑图；图4为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的PSS模型框图；图5为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的PSS模型的幅频特性图；图6为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的AVR模型框图；图7为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的AVR和功率柜的幅频特性图；图8为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的实测襟岛核电电气量曲线图；
本申请实施例提供了一种扭振信号检测方法，包括：
100，给大型核电机组轴系的每台发电机均配置励磁调节器；
200，获取励磁调节器实时检测的每台发电机的励磁电压信号，并对励磁电压信号进行频谱分析，获得检测结果。
需要说明的是，本申请实施例提供的一种扭振信号检测方法，通过图2中的扭振信号检测装置来执行，发电机励磁调节器是发电机的关键控制设备之一，其作用下是控制发电机的电压无功，维持发电机同步运行。给每台发电机组配置了励磁调节器，励磁电压信号在机组运行期间可以实时检测。
发电机组运动方程可以得出：
Figure BDA0002304575520000061
其中，Tj为转动惯性时间常数，ω为放电机组角速度，PM为机械功率，Pe为发电机电磁功率。
一般情况下，发电机组的机械功率保持不变，ΔPM＝0，因此对上面的公式进行线性化可以得到：
Figure BDA0002304575520000062
一般大型的核电机组的转动惯性时间常数Tj约取10，因此，可以发现发电机点此功率的变化量ΔPe信号强度为发电机组角速度的变化量Δω的10倍，采用电磁功率的变化量ΔPe进行信号分析，信噪比要优于发电机角速度的变化量Δω。
具体地，参见图8，为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的实测襟岛核电电气量曲线图：襟岛核电1750MW机组，是目前世界单机容量最大的核电机组，其轴系扭振最低频率为6Hz。现场实测发电机定子电流、定子电压、有功功率、无功功率、励磁电压波形如下图8所示。从图8中可以明显的看出，励磁电压信号UFD的可以明显的看出核电机组的轴系扭振，电子电压UAB、定子电流IA、有功功率Pe、无功功率Qe信号中均无明显的轴系扭振。
可选地，励磁电压信号具体为含有轴系扭振信息的电气量信号依次输入到PSS模型、AVR的PID模型以及功率柜放大环节产生。
需要说明的是，如图3所示的一种扭振信号检测方法的一个实施例的励磁电压信号的产生逻辑图，励磁电压信号分别由图中的PSS模型、AVD的PID模型以及功率柜放大环节产生。
可选地，PSS模型具体为ALSTOM的PSS2B模型。
需要说明的是，PSS的模型可以取ALSTOM的PSS2B模型，其模型框图如图4所示，PSS模型参数采用按照DL/T 1231《电力系统稳定器整定试验导则》的要求整定，取PSS整定参数如下：
tw1＝4,tw2＝4,tw3＝4,ks2＝0.43,t7＝4,ks3＝1,ks1＝8,t1＝0.12,t2＝0.03,t3＝0.13,t4＝0.03,t11＝0.13,t21＝0.02,t31＝1,t41＝1,t8＝0.2,t9＝0.1,n＝1,m＝5,mxsp＝0.05
按照以上PSS参数，计算出幅频特性结果如图5所示，对应6Hz处的放大倍数为0.931。
可选地，励磁调节器具体为ALSTOM励磁调节器。
需要说明的是，核电站ALSTOM型励磁调节器的PID模型如图6所示，其参数整定为：grv1＝13.06,trv1＝0.35,trv3＝0.025,trv2＝5,
功率柜等效增益为5.32，因此，可以得到励磁调节器AVR和功率柜一起的幅频特性计算结果如图7所示。对应6Hz处的放大倍数为669.1。
因此，从输入Pe到励磁电压UFD对应6Hz轴系扭振的放大倍数为：0.931×669.1＝622.9。
因此，采用本申请提出的励磁调节器输出励磁电压信号UFD在6Hz处的轴系扭振信号得到了约623倍的放大，灵敏度高，可以实现对大型核电机组固有轴系扭振的检测。
检测励磁调节器输出的励磁电压信号，进行频谱分析，很容易检测到大型核电机组的固有轴系扭振模式。
为了便于理解，请参见图2，为本申请提供的一种扭振信号检测装置的一个实施例的结构示意图。
为了便于理解，请参见图13，图为本申请提供的一种扭振信号检测装置的结构示意图。
本申请还提供了一种扭振信号检测装置，包括：
配置模块10，用于给大型核电机组轴系的每台发电机均配置励磁调节器；
获取信号模块20，用于获取发电机励磁调节器输出的励磁电压信号，并对所述励磁电压信号进行频谱分析，获得检测结果。
若干励磁调节器10，励磁调节器分别与大型核电机组轴系的每台发电机连接，用于获取励磁调节器实时检测的每台发电机的励磁电压信号，并对励磁电压信号进行频谱分析，获得检测结果。
需要说明的是，发电机励磁调节器是发电机的关键控制设备之一，其作用下是控制发电机的电压无功，维持发电机同步运行。给每台发电机组配置了励磁调节器，励磁电压信号在机组运行期间可以实时检测。
发电机组运动方程可以得出：
Figure BDA0002304575520000081
其中，Tj为转动惯性时间常数，ω为放电机组角速度，PM为机械功率，Pe为发电机电磁功率。
一般情况下，发电机组的机械功率保持不变，ΔPM＝0，因此对上面的公式进行线性化可以得到：
Figure BDA0002304575520000082
一般大型的核电机组的转动惯性时间常数Tj约取10，因此，可以发现发电机点此功率的变化量ΔPe信号强度为发电机组角速度的变化量Δω的10倍，采用电磁功率的变化量ΔPe进行信号分析，信噪比要优于发电机角速度的变化量Δω。
具体地，参见图8，为本申请提供的一种扭振信号检测方法的一个实施例的实测襟岛核电电气量曲线图：襟岛核电1750MW机组，是目前世界单机容量最大的核电机组，其轴系扭振最低频率为6Hz。现场实测发电机定子电流、定子电压、有功功率、无功功率、励磁电压波形如图8所示。从图8中可以明显的看出，励磁电压信号UFD的可以明显的看出核电机组的轴系扭振，电子电压UAB、定子电流IA、有功功率Pe、无功功率Qe信号中均无明显的轴系扭振。
可选地，获取信号模块具体用于检测含有发电机轴系扭振信息的电气量信号，并依次输入到PSS单元、AVR的PID单元以及功率柜放大环节产生励磁电压信号。
需要说明的是，如图3所示的一种扭振信号检测方法的一个实施例的励磁电压信号的产生逻辑图，励磁电压信号分别由图中的PSS模型、AVD的PID模型以及功率柜放大环节产生。
可选地，PSS单元具体为ALSTOM的PSS2B模型。
需要说明的是，PSS的模型可以取ALSTOM的PSS2B模型，其模型框图如图4所示，PSS模型参数采用按照DL/T 1231《电力系统稳定器整定试验导则》的要求整定，取PSS整定参数如下：
tw1＝4,tw2＝4,tw3＝4,ks2＝0.43,t7＝4,ks3＝1,ks1＝8,t1＝0.12,t2＝0.03,t3＝0.13,t4＝0.03,t11＝0.13,t21＝0.02,t31＝1,t41＝1,t8＝0.2,t9＝0.1,n＝1,m＝5,mxsp＝0.05
按照以上PSS参数，计算出幅频特性结果如图5所示，对应6Hz处的放大倍数为0.931。
可选地，励磁调节器具体为ALSTOM励磁调节器。
需要说明的是，核电站ALSTOM型励磁调节器的PID模型如图6所示，其参数整定为：grv1＝13.06,trv1＝0.35,trv3＝0.025,trv2＝5,
功率柜等效增益为5.32，因此，可以得到励磁调节器AVR和功率柜一起的幅频特性计算结果如图7所示。对应6Hz处的放大倍数为669.1。
因此，从输入Pe到励磁电压UFD对应6Hz轴系扭振的放大倍数为：0.931×669.1＝622.9。
因此，采用本申请提出的励磁调节器输出励磁电压信号UFD在6Hz处的轴系扭振信号得到了约623倍的放大，灵敏度高，可以实现对大型核电机组固有轴系扭振的检测。
检测励磁调节器输出的励磁电压信号，进行频谱分析，很容易检测到大型核电机组的固有轴系扭振模式。
本申请还提供了一种扭振信号检测设备，设备包括处理器以及存储器；
存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；
处理器用于根据程序代码中的指令执行上述实施例的扭振信号检测方法。
本申请还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行上述实施例的扭振信号检测方法。
本申请的说明书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种扭振信号检测方法，其特征在于，包括：
给大型核电机组轴系的每台发电机均配置励磁调节器；
获取发电机励磁调节器输出的励磁电压信号，并对所述励磁电压信号进行频谱分析，获得检测结果。
2.根据权利要求1所述的扭振信号检测方法，其特征在于，所述励磁电压信号具体为含有轴系扭振信息的电气量信号依次输入到PSS模型、AVR的PID模型以及功率柜放大环节产生。
3.根据权利要求2所述的扭振信号检测方法，其特征在于，所述PSS模型具体为ALSTOM的PSS2B模型。
4.根据权利要求1所述的扭振信号检测方法，其特征在于，所述励磁调节器具体为ALSTOM励磁调节器。
5.一种扭振信号检测装置，其特征在于，包括：
配置模块，用于给大型核电机组轴系的每台发电机均配置励磁调节器；
获取信号模块，用于获取发电机励磁调节器输出的励磁电压信号，并对所述励磁电压信号进行频谱分析，获得检测结果。
6.根据权利要求5所述的扭振信号检测装置，其特征在于，所述获取信号模块具体用于检测含有发电机轴系扭振信息的电气量信号，并依次输入到PSS单元、AVR的PID单元以及功率柜放大环节产生励磁电压信号。
7.根据权利要求6所述的扭振信号检测装置，其特征在于，所述PSS单元具体为ALSTOM的PSS2B模型。
8.根据权利要求5所述的扭振信号检测装置，其特征在于，所述励磁调节器具体为ALSTOM励磁调节器。
9.一种扭振信号检测设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-4任一项所述的扭振信号检测方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1-4任一项所述的扭振信号检测方法。
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