CN112711832B - 同步发电机定子绕组温度预警与故障识别的方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了同步发电机定子绕组温度预警与故障识别的方法与系统，利用SCADA系统采集机组温度和负荷数据，分析诊断系统利用温度和负荷数据通过辨识算法和拟合算法得到机组的理论温升模型(曲线)；机组运行时，将机组温度和负荷数据存入分析诊断系统数据库中，根据相关公式、弗雷歇距离判别法和110％负荷理想温升曲线判断机组是否升温、温升是否正常、温度是否超限。本发明利用已有信号和数据，不新增传感器和检测装置，硬件成本低；可以对任意负荷的同步发电机进行温度异常识别和温度预警,对于预防定子绕组过热损坏具有很好的前景；基于参考模型的在线识别与预警方法，算法简单，实时性强，抗干扰能力强。

Description

同步发电机定子绕组温度预警与故障识别的方法与系统
技术领域
本发明涉及发电机故障诊断领域，特别涉及同步发电机定子绕组温度预警与故障识别的方法与系统。
背景技术
国内外发电机，由于定子热故障引起的绕组绝缘损坏和结构件变形，导致机组电气短路和机组异常振动，严重危机发电机正常运行和电网安全。因此，准确检测与研究电机定子温升规律，将为今后电机高效、安全稳定运行奠定坚实的基础。
GB/T 7894《水轮发电机基本技术条件》规定，水轮发电机定子绕组允许温升值为：B级85℃，F级110℃，目前国内很多发电机的定子绕组温度监测系统仍然使用传统的温度巡检仪,由于巡检周期长,判断方法简单、单一，很难及时检测出定子绕组温度异常，更不能分析温升趋势和进行过热预警，都是在温度达到极限值时才报警。利用神经元网络组对传统发电机定子温度监测系统做了成功的改进,但其温度监测效果在很大程度上依赖于神经元网络组训练样本的数量与质量,因而限制了该方法的广泛应用，还有比如检温探头和光纤传感器一般通常均匀的安装在定子铁芯的同一轴向上，不能全面立体的呈现定子不同高度的温度分布，当温度异常时不能及时有效的报警，并且其中大多数监测方法需要在电机内部安装特定的传感装置,运行部门对此往往难以接受。以上分析表明,充分利用已有信号，进一步研究简捷实用的发电机定子绕组温度异常识别与预警方法和开发在线监测与诊断装置显得尤为重要。
发明内容
有鉴于此，为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是在不新增传感器和检测装置的前提下，充分利用已有信号，提供一种同步发电机定子绕组异常识别与温度预警的方法和系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明首先提供同步发电机定子绕组温度预警与故障识别的方法，包括以下步骤:
1)当发电机组安装或检修后带负荷试验时，读取SCADA系统数据库温度和负荷数据并自动存入分析诊断系统的试验数据表；
2)定子绕组温升模型辨识：在确认温度不再变化并持续10分钟的温度变化率为0开始读取试验数据表中的数据，通过非线性最小二乘法在使对应负荷下的机组温升数据(ti，ki)与函数
Figure BDA0002823563490000021
的偏差平方和∑[ki-τ(ti)]2取最小值时，找出一个
Figure BDA0002823563490000022
类型的函数拟合出对应负荷下的温升模型。
3)根据2)中拟合出的温升模型辨识出对应负荷下的稳态温度τ∞和发热时间常数Ta并存入试验数据表中；
4)从实验数据表中取出负荷和稳态温度τ∞数据，通过非线性最小二乘法，拟合该机组负荷-稳态温度模型(曲线)；
5)依据机组负荷-稳态温度模型(曲线)和辨识所得的不同负荷下的稳态温度τ∞、机组发热时间常数均值
Figure BDA0002823563490000023
n为负荷的类型总数，Tai为第i个负荷类型对应的发热时间常数，得到
Figure BDA0002823563490000024
(其中τ为温度，t为时间)的函数曲线，即理想温升模型(曲线)。
6)机组正式运行时，读取SCADA系统数据库温度和负荷数据并自动存入分析诊断系统运行数据表。在确认存储数据量达到4Ta时长后，每周期取运行数据表中的当前时刻之前的Ta/10时长内的机组温度数据ki(i＝1,2...Ta/30)，如果满足
Figure BDA0002823563490000025
或者
Figure BDA0002823563490000026
(k0＝0)则判断温度上升，否则报机组温度正常，延时等待下次诊断；
7)如果温度上升而负荷没有上调，则进行温升异常报警；如果温度上升且负荷上调，则取Ta/2时长内的机组温度-负荷曲线与当前负荷下的理想温升模型(曲线)进行弗雷歇距离比较，如果两条曲线之间的弗雷歇距离满足
Figure BDA0002823563490000027
(b为弗雷歇距离阈值，0＜m＜Ta/6,0＜n＜Ta/6)，则判断温升异常，进行温升异常报警并进入第8)步，否则延时等待下次诊断；
8)发现温度异常后，每周期取Ta/2时长内的机组温度数据和110％负荷理想温升曲线进行弗雷歇距离比较，当二者的弗雷歇距离大于弗雷歇距离阈值b时，则判断温度即将超限并预警。
进一步，所述弗雷歇距离阈值b等于0.1。
本发明还提供了同步发电机定子绕组温度预警与故障识别系统，包括SCADA系统、分析诊断系统和正向隔离装置，正向隔离装置用于SCADA系统到分析诊断系统的单向数据传递；所述SCADA系统包括定子温度测量装置、发电机负荷采集装置、SCADA数据库，SCADA系统将定子温度和负荷数据存储于SCADA数据库中；所述分析诊断系统包括故障诊断服务器，所述故障诊断服务器装有温度异常识别与预警应用软件和数据库软件，故障诊断服务器与正向隔离装置电连接；故障诊断服务器按设定周期读取SCADA系统数据库中的温度和负荷数据并转存于本系统数据库中；所述分析诊断系统采用权利要求1-2任意一项所述的方法来进行定子绕组温度预警与故障识别。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明利用已有信号和数据，不新增传感器和检测装置，硬件成本低；
2、本发明方法可以对任意负荷的同步发电机进行温度异常识别和温度预警,对于预防定子绕组过热损坏具有很好的前景。
3、本发明基于参考模型的在线识别与预警方法，算法简单，实时性强，抗干扰能力强。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究，对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为本发明的器件连接示意图；
图2左为不同负荷下的温升示意图，图2右为负荷-稳态温度模型示意图；
图3为本发明主流程图；
图4为机组温升参数辨识模块流程图；
图5为基于模型的在线温度异常识别、温度预警流程图；
图6为异常温升识别原理示意图；
图7为温度预警原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案、优点和目的更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明首先提供同步发电机定子绕组温度预警与故障识别的方法，包括以下步骤:
1)当发电机组安装或检修后带负荷试验时，读取SCADA系统数据库温度和负荷数据并自动存入分析诊断系统的试验数据表；
2)定子绕组温升模型辨识：在确认温度不再变化并持续10分钟的温度变化率为0开始读取试验数据表中的数据，通过非线性最小二乘法在使对应负荷下的机组温升数据(ti，ki)与函数
Figure BDA0002823563490000041
的偏差平方和∑[ki-τ(ti)]2取最小值时，找出一个
Figure BDA0002823563490000042
类型的函数拟合出对应负荷下的温升模型。
3)根据2)中拟合出的温升模型辨识出对应负荷下的稳态温度τ∞和发热时间常数Ta并存入试验数据表中；
4)从实验数据表中取出负荷和稳态温度τ∞数据，通过非线性最小二乘法，拟合该机组负荷-稳态温度模型(曲线)；
5)依据机组负荷-稳态温度模型(曲线)和辨识所得的不同负荷下的稳态温度τ∞、机组发热时间常数均值
Figure BDA0002823563490000043
n为负荷的类型总数，Tai为第i个负荷类型对应的发热时间常数，得到
Figure BDA0002823563490000044
(其中τ为温度，t为时间)的函数曲线，即理想温升模型(曲线)。
6)机组正式运行时，读取SCADA系统数据库温度和负荷数据并自动存入分析诊断系统运行数据表。在确认存储数据量达到4Ta时长后，每周期取运行数据表中的当前时刻之前的Ta/10时长内的机组温度数据ki(i＝1,2...Ta/30)，如果满足
Figure BDA0002823563490000045
或者
Figure BDA0002823563490000051
(k0＝0)则判断温度上升，否则报机组温度正常，延时等待下次诊断；
7)如果温度上升而负荷没有上调，则进行温升异常报警；如果温度上升且负荷上调，则取Ta/2时长内的机组温度-负荷曲线与当前负荷下的理想温升模型(曲线)进行弗雷歇距离比较，如果两条曲线之间的弗雷歇距离满足
Figure BDA0002823563490000052
(b为弗雷歇距离阈值，0＜m＜Ta/6,0＜n＜Ta/6)，则判断温升异常，进行温升异常报警并进入第8)步，否则延时等待下次诊断；
8)发现温度异常后，每周期取Ta/2时长内的机组温度数据和110％负荷理想温升曲线进行弗雷歇距离比较，当二者的弗雷歇距离大于弗雷歇距离阈值b时，则判断温度即将超限并预警。
进一步，所述弗雷歇距离阈值b等于0.1。
本发明还提供了同步发电机定子绕组温度预警与故障识别系统，包括SCADA系统、分析诊断系统和正向隔离装置，正向隔离装置用于SCADA系统到分析诊断系统的单向数据传递；所述SCADA系统包括定子温度测量装置、发电机负荷采集装置、SCADA数据库，SCADA系统将定子温度和负荷数据存储于SCADA数据库中；所述分析诊断系统包括故障诊断服务器，所述故障诊断服务器装有温度异常识别与预警应用软件和数据库软件，故障诊断服务器与正向隔离装置电连接；故障诊断服务器按设定周期读取SCADA系统数据库中的温度和负荷数据并转存于本系统数据库中；所述分析诊断系统采用权利要求1-2任意一项所述的方法来进行定子绕组温度预警与故障识别。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (3)

1.同步发电机定子绕组温度预警与故障识别的方法，其特征在于，包括以下步骤:
1)当发电机组安装或检修后带负荷试验时，读取SCADA系统数据库温度和负荷数据并自动存入分析诊断系统的试验数据表；
2)定子绕组温升模型辨识：在确认温度不再变化并持续10分钟的温度变化率为0开始读取试验数据表中的数据，通过非线性最小二乘法在使对应负荷下的机组温升数据(ti，ki)与函数
Figure FDA0003769508360000011
的偏差平方和∑[ki-τ(ti)]2取最小值时，找出一个
Figure FDA0003769508360000012
类型的函数拟合出对应负荷下的温升模型；
3)根据2)中拟合出的温升模型辨识出对应负荷下的稳态温度τ∞和发热时间常数Ta并存入试验数据表中；
4)从实验数据表中取出负荷和稳态温度τ∞数据，通过非线性最小二乘法，拟合该机组负荷-稳态温度模型曲线；
5)依据机组负荷-稳态温度模型曲线和辨识所得的不同负荷下的稳态温度τ∞、机组发热时间常数均值
Figure FDA0003769508360000013
n为负荷的类型总数，Tai为第i个负荷类型对应的发热时间常数，得到
Figure FDA0003769508360000014
的函数曲线，即理想温升模型曲线，其中τ为温度，t为时间；
6)机组正式运行时，读取SCADA系统数据库温度和负荷数据并自动存入分析诊断系统运行数据表，在确认存储数据量达到4Ta时长后，每周期取运行数据表中的当前时刻之前的Ta/10时长内的机组温度数据ki(i＝1,2...Ta/30)，如果满足
Figure FDA0003769508360000015
或者
Figure FDA0003769508360000016
其中k0＝0，则判断温度上升，否则报机组温度正常，延时等待下次诊断；
7)如果温度上升而负荷没有上调，则进行温升异常报警；如果温度上升且负荷上调，则取Ta/2时长内的机组温度-负荷曲线与当前负荷下的理想温升模型曲线进行弗雷歇距离比较，如果两条曲线之间的弗雷歇距离满足
Figure FDA0003769508360000021
其中b为弗雷歇距离阈值，0＜m＜Ta/6,0＜n＜Ta/6，则判断温升异常，进行温升异常报警并进入第8)步，否则延时等待下次诊断；
8)发现温度异常后，每周期取Ta/2时长内的机组温度数据和110％负荷理想温升曲线进行弗雷歇距离比较，当二者的弗雷歇距离大于弗雷歇距离阈值b时，则判断温度即将超限并预警。
2.根据权利要求1所述的同步发电机定子绕组温度预警与故障识别的方法，其特征在于：所述弗雷歇距离阈值b等于0.1。
3.采用权利要求1-2任意一项所述方法的同步发电机定子绕组温度预警与故障识别系统，其特征在于：包括SCADA系统、分析诊断系统和正向隔离装置，正向隔离装置用于SCADA系统到分析诊断系统的单向数据传递；所述SCADA系统包括定子温度测量装置、发电机负荷采集装置、SCADA数据库，SCADA系统将定子温度和负荷数据存储于SCADA数据库中；所述分析诊断系统包括故障诊断服务器，所述故障诊断服务器装有温度异常识别与预警应用软件和数据库软件，故障诊断服务器与正向隔离装置电连接；故障诊断服务器按设定周期读取SCADA系统数据库中的温度和负荷数据并转存于本系统数据库中；所述分析诊断系统采用权利要求1-2任意一项所述的方法来进行定子绕组温度预警与识别。
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