用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于汽轮发电机组轴系扭振监测【技术领域】，尤其涉及一种用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的方法及系统。该方法采取机械侧监测为主和电气侧监测为辅的方式，监测轴系各扭振危险截面实时扭应力和电气信号中监测的次同步分量，当机械侧扭应力超过扭振报警阈值时，或电气侧电气信号中监测到次同步分量并且超过了次同步分量激发轴系SSO阈值时，则判定机组轴系发生SSO；同时给出了判断机组轴系是否发生SSO的报警阈值、损伤报警阈值、跳机保护阈值和次同步分量阈值的确定方法。该方法及系统可实现对SSO在线监测、分析与保护，同时可对机组轴系扭振疲劳寿命损耗进行精确计算。
【专利说明】用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于汽轮发电机组轴系扭振监测【技术领域】，尤其涉及一种用于汽轮发电机 组轴系次同步振荡（Sub Synchronous Oscillation,以下简称SS0)扭振监测的方法及系 统。
【背景技术】
[0002] 汽轮发电机组轴系扭振根据它被激发机理的不同可以分为瞬态冲击类扭振和次 同步振荡等共振类扭振。输电系统的串联电容补偿、直流输电、加装不当的电力系统稳定 器以及发电机的励磁系统、可控硅控制系统和电液调节系统的反馈作用等，均有可能诱发 SS0,直接威胁着机组的安全可靠运行。当汽轮发电机组出现SSO时，发电机所受的电磁力 矩中，含有与机组轴系某阶扭振固有频率一致或接近的分量。此时，轴系处于共振状态，即 使很小的外界扰动也可能在轴系上激起较大幅度的扭振。
[0003] -般情况下，SSO对轴系造成疲劳寿命损耗的主要来源是超过转子钢材料扭转疲 劳极限的小幅交变扭应力，轴系承受的单次应力循环所造成的疲劳寿命损耗往往很小，但 由于轴系每秒钟都要承受10次以上的应力循环，且故障持续时间长，若故障没有得到及时 的抑制，SSO对轴系造成的累积疲劳寿命损耗有可能比发生大扰动时还要严重，尤其是当 SSO呈现出持续发散的趋势时，轴系的累积疲劳寿命损耗可能会在很短时间内达到100%， 因此，对SSO进行实时监测，能及时发现SSO以便采取相关的措施来抑制SSO的发展，避免 机组遭受更为严重的损害。
[0004] 现有的监测手段难以足够精确地得到发电机三相电流电压的小幅变化，当机组发 生次同步振荡故障时，发电机的小幅电流电压波动可能无法被准确地监测到，而此时发电 机电磁力矩的变化已足以激发机组轴系的共振。在这种情况下，模型仿真法的精度受到了 限制，无法满足扭振监测的需要，因此需要利用模态叠加的方法对次同步振荡等共振类故 障进行监测。根据SSO产生的机理，其引发的机组轴系扭振表现特征有所区别，根据各类扭 振表现的特征，同时考虑在线监测、分析和保护的快速性与准确性，对机组轴系SSO制定一 套监测、分析和保护方法，分析计算得到其对机组轴系的损伤程度。把该方法应用于汽轮发 电机组轴系扭振在线监测、分析与保护系统，得到很好的应用效果。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，本发明提出了一种用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的 方法及系统。
[0006] -种用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的方法，包括：
[0007] 步骤A :监测汽轮发电机组轴系机械侧信号，
[0008] Al :实时采集机组轴系机头和机尾扭角信号；
[0009] A2:对扭角信号进行实时带通滤波，对同一段数据进行多次滤波来解决带通滤波 边界失真的问题；
[0010] A3:将滤波得到的某阶或多阶模态信号，采用振型叠加法，计算得到轴系各扭振危 险截面实时扭应力变化；
[0011] A4:判断轴系各扭振危险截面实时扭应力是否超过了扭振报警阀值，若是，则执行 步骤C1，若否，则返回执行步骤Al ;
[0012] 步骤B :监测汽轮发电机组轴系电气侧信号，
[0013] Bl :实时米集机组发电机电气信号，包括三相电流或电压信号；
[0014] B2:对电气信号进行频谱分析，提取电气信号中与轴系某阶扭振固有频率存在互 补关系的次同步分量；
[0015] B3:如果次同步分量超过了次同步分量激发轴系SSO阈值，则执行步骤C1，如果没 有超过，则返回执行步骤Bl ;
[0016] 步骤C :根据步骤A和步骤B的监测信号判断系统状态并输出报警信号，
[0017] Cl :如果步骤A3中计算得到的轴系各扭振危险截面实时扭应力变化超过了扭振 报警阀值或步骤B3中次同步分量超过了次同步分量激发轴系SSO阈值，则发出SSO报警；
[0018] C2 :判断步骤A3中计算得到的轴系各扭振危险截面实时扭应力变化是否超过了 扭振损伤报警阀值，若是则发出扭振损伤报警，并进一步执行步骤C3 ;若否，则返回执行步 骤Al ;
[0019] C3 :采用雨流法和轴系材料扭转S-N曲线来计算扭振危险截面累计疲劳寿命损 耗；
[0020] C4:判断扭振危险截面累计疲劳寿命损耗是否超过扭振跳机保护阀值，如果超过 了则发出跳机保护信号，如果没有则返回执行步骤Al。
[0021] 所述步骤A2中带通滤波是以4秒为数据长度实时对扭角信号进行滤波。
[0022] 所述步骤A2中多次滤波方法采用零相位数字滤波器来解决相位失真问题，将通 过滤波器后的序列反转后再次通过滤波器，再将滤波后的序列反转；序列前后两次通过滤 波器时的相移相互抵消，从而达到了零相位偏移；零相位带通数字滤波器采用IIR滤波器 来构造。
[0023] 所述步骤A2中采用数据循环存储的方法，并将历史数据用于延拓，令每次分析数 据长度为N，前后延拓长度为L ;这N+2L个数据经滤波及Hilbert变换后去掉两边延拓得到 每段分析数据最终的分析结果，最后将各段数据的结果按时间先后顺序整合，能有效解决 边界失真和端点效应问题。
[0024] 所述步骤A3中计算扭应力的步骤包括：
[0025] 设某轴系的多段集中质量扭振模型由N个质量块组成，在第i阶振型下，质量块m 和测速齿轮所在质量块η在某时刻的扭角有如下关系：
[0026]
【权利要求】
1. 一种用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的方法，其特征在于，包括： 步骤A :监测汽轮发电机组轴系机械侧信号， A1 :实时采集机组轴系机头和机尾扭角信号； A2 :对扭角信号进行实时带通滤波，对同一段数据进行多次滤波来解决带通滤波边界 失真的问题； A3 :将滤波得到的某阶或多阶模态信号，采用振型叠加法，计算得到轴系各扭振危险截 面实时扭应力变化； A4:判断轴系各扭振危险截面实时扭应力是否超过了扭振报警阀值，若是，则执行步骤 C1，若否，则返回执行步骤A1 ; 步骤B :监测汽轮发电机组轴系电气侧信号， B1 :实时采集机组发电机电气信号，包括三相电流或电压信号； B2:对电气信号进行频谱分析，提取电气信号中与轴系某阶扭振固有频率存在互补关 系的次同步分量； B3 :如果次同步分量超过了次同步分量激发轴系SSO阈值，则执行步骤C1，如果没有超 过，则返回执行步骤B1 ; 步骤C :根据步骤A和步骤B的监测信号判断系统状态并输出报警信号， C1 :如果步骤A3中计算得到的轴系各扭振危险截面实时扭应力变化超过了扭振报警 阀值或步骤B3中次同步分量超过了次同步分量激发轴系SSO阈值，则发出SSO报警； C2 :判断步骤A3中计算得到的轴系各扭振危险截面实时扭应力变化是否超过了扭振 损伤报警阀值，若是则发出扭振损伤报警，并进一步执行步骤C3;若否，则返回执行步骤 A1 ； C3 :采用雨流法和轴系材料扭转S-N曲线来计算扭振危险截面累计疲劳寿命损耗； C4:判断扭振危险截面累计疲劳寿命损耗是否超过扭振跳机保护阀值，如果超过了则 发出跳机保护信号，如果没有则返回执行步骤A1。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A2中带通滤波是以4秒为数据 长度实时对扭角信号进行滤波。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A2中多次滤波方法采用零相 位数字滤波器来解决相位失真问题，将通过滤波器后的序列反转后再次通过滤波器，再将 滤波后的序列反转；序列前后两次通过滤波器时的相移相互抵消，从而达到了零相位偏移； 零相位带通数字滤波器采用IIR滤波器来构造。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A2中采用数据循环存储的方法， 并将历史数据用于延拓，令每次分析数据长度为N，前后延拓长度为L ;这N+2L个数据经滤 波及Hilbert变换后去掉两边延拓得到每段分析数据最终的分析结果，最后将各段数据的 结果按时间先后顺序整合，能有效解决边界失真和端点效应问题。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A3中计算扭应力的步骤包括： 设某轴系的多段集中质量扭振模型由N个质量块组成，在第i阶振型下，质量块m和测 速齿轮所在质量块η在某时刻的扭角有如下关系： (Ο = (14) θ," 其中，和?^为质量块m和质量块η在第i阶的振型； 已知轴系的位移响应能分解为N个振型分量的叠加，即： ^Λη-Σ&Α,ΛΟ (15) i=l 则质量块m的扭角响应能用质量块η的振型分量运算得到： 九⑴⑴ （16) ?=ι Θ" 设机组轴系第m个轴段上存在扭振危险截面，那么根据虎克定律，该轴段的实时扭矩^ 为 Tm(t) = km[ Θ m(t)- Θ m+1(t)] (17) 式中，< 为第m个轴段的抗扭刚度； 则第m个轴段上扭振危险截面的实时扭应力Tm(t) (18) ,，， 式中，WPD1为第m个轴段的抗扭截面系数，KtD1为第m个扭振危险截面处的理论应力集中 系数。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C2中扭振损伤报警阀值为轴系 扭振最危险截面材料扭转疲劳极限。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A4中扭振报警阀值是以扭振损 伤报警阈值乘以安全系数作为扭振报警阀值，安全系数为〇. 4。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C4中扭振跳机保护阀值是以机 组轴系单次疲劳寿命损耗乘以安全系数作为扭振跳机保护阀值，安全系数为1 %。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B3中次同步分量激发轴系SSO 阈值是以轴系材料扭转疲劳极限对应的电气信号中次同步分量的幅值乘以安全系数为次 同步分量激发轴系SSO阈值，安全系数为0. 3。
10. -种用于汽轮发电机组轴系次同步振荡扭振监测的系统，其特征在于，包括：扭角 信号采集模块、扭角信号滤波模块、扭应力计算模块、电气信号采集模块、次同步分量提取 模块、疲劳寿命损耗计算模块、比较模块、报警模块； 其中，扭角信号采集模块依次通过扭角信号滤波模块、扭应力计算模块和比较模块相 连；电气信号采集模块通过次同步分量提取模块和比较模块相连；比较模块和报警模块相 连；疲劳寿命损耗计算模块同时与扭角信号采集模块和比较模块相连； 扭角信号采集模块的功能为实时采集机组轴系机头和机尾扭角信号，并将扭角信号送 入扭角信号滤波模块中； 扭角信号滤波模块的功能为对扭角信号进行实时带通滤波，对同一段数据进行多次滤 波解决带通滤波边界失真的问题，并将滤波后的信号送入到扭应力计算模块中； 扭应力计算模块的功能为将滤波得到的某阶或多阶模态信号，采用振型叠加法，计算 得到轴系各扭振危险截面实时扭应力变化，并将扭应力值送入到比较模块中； 电气信号采集模块的功能为实时采集机组发电机电气信号，包括二次电压互感器电压 信号或电流互感器电流信号，并送入到次同步分量提取模块中； 次同步分量提取模块的功能为对电气信号进行频谱分析，提取电气信号中与轴系某阶 扭振固有频率存在互补关系的次同步分量，并将次同步分量值送入到比较模块中； 疲劳寿命损耗计算模块的功能为采用雨流法和轴系材料扭转S-N曲线来计算扭振危 险截面累计疲劳寿命损耗，并将计算结果信号送入到比较模块中； 比较模块的功能是： a、 预先设定扭振报警阀值、扭振损伤报警阀值、次同步分量激发轴系SSO阈值、扭振跳 机保护阀值； b、 比较扭应力和扭振报警阀值的大小，比较次同步分量和次同步分量激发轴系SSO阈 值的大小，一旦扭应力超过扭振报警阀值或次同步分量超过次同步分量激发轴系SSO阈值 的大小则输出SSO报警信号到报警模块中； c、 比较扭应力和扭振损伤报警阀值的大小，一旦扭应力超过了扭振损伤报警阀值的大 小，则输出扭振损伤报警信号到报警模块中； d、 比较扭振危险截面累计疲劳寿命损耗和扭振跳机保护阀值的大小，一旦扭振危险截 面累计疲劳寿命损耗超过了扭振跳机保护阀值，则输出跳机保护信号到报警模块中； 报警模块的功能是：根据比较模块输出的SSO报警信号、扭振损伤报警信号、跳机保护 信号，显示不同的系统报警状态。
【文档编号】G01M13/00GK104236704SQ201410484089
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】顾煜炯, 俎海东, 金铁铮 申请人:华北电力大学