本发明属于电力系统设备在线监测领域，特别涉及汽轮发电机转子绕组匝间短路故障监测。
背景技术
随着电力系统的快速发展，在一些国家和地区，额定容量为600mw级的汽轮发电机组已成为电力系统的主力机组。由于汽轮发电机转子结构复杂、制造工艺难度大，运行时转子绕组承受离心力等多种动态应力，因此在已运行的汽轮发电机中，转子绕组匝间短路故障(以下简称“转子匝间故障”或“匝间故障”)的发生率较高，故障发生后，有可能引起发电机无功功率下降、轴承振动增大，甚至导致接地故障发生，使转子磁化，严重情况下还会烧伤轴颈和轴瓦。关于转子匝间故障的影响，可参考李伟清主编的《汽轮发电机故障检查分析及预防(第二版)》(中国电力出版社，2010年)。
为了保障大型汽轮发电机安全运行，目前有不少大型汽轮发电机安装了采用探测线圈方法的转子匝间故障在线监测装置(以下简称“监测装置”或“装置”)，该方法最早由美国学者d.r.albright于1970年代提出。其基本方法是在发电机定子内壁上安装探测线圈，定转子之间气隙中的旋转磁场会在探测线圈上感应出电压，该电压与转子绕组磁势、定子绕组电枢反应磁势相关，尤其是和转子槽漏磁通相关；发电机运行时，探测线圈感应的电压是高频脉动的波形，脉动的波峰个数和前后顺序的序号与转子本体的槽一一对应，脉动的峰峰值与转子本体上对应槽内的磁势相关；当转子匝间无故障时，波峰的包络线连续平滑；当转子某个槽内线圈有匝间故障时，该槽对应的脉动的峰峰值会有所减小；利用汽轮发电机转子绕组的对称性，将感应的电压时域波形平移半个工频周期并正负翻转，对比变换前与变换后的两个电压时域波形，如果对应的脉动的峰峰值不相等，偏差超过判别的定值门槛，则识别出匝间故障。具体方法可参见d.r.albright,interturnshort-circuitdetectorforturbine-generatorrotorwindings,ieeetransactionsonpas-90,no.2,1971:478-483.。
探测线圈方法的监测装置已经广泛应用，并取得比较好的应用效果。然而，由于探测线圈的感应电压波形形状比较特殊，监测装置在设备出厂、设备投运之前往往没有办法校验，不能用通用的继电保护测试仪也不能用通用的信号发生器产生类似的电压波形，即缺少有效手段向监测装置探测线圈电压输入端输入合适的电压信号，难以事先校验监测装置的信号采样、故障特征计算、逻辑判断是否正确。目前监测装置总是生产之后拿到现场安装使用，只有当发电机运行、现场的探测线圈产生电压信号输入到监测装置之后，设备调试人员才能够观测装置采样数据是否正确；另外，由于发电机正常情况下没有转子匝间故障，此时探测线圈产生的电压信号是正常的波形而不是转子匝间故障时的异常波形，因此难以提前校验监测装置的故障特征计算、逻辑判断是否正确。
简言之，由于探测线圈感应电压波形形状比较特殊，监测装置缺乏在设备出厂、设备投运之前的有效校验手段，不能提前发现问题，等到发电机运行之后再发现监测装置有问题，再去更换插件、更换程序、甚至更换设备，就会十分被动。
技术实现要素：
本发明的目的，在于提供一种发电机转子绕组匝间短路故障监测装置的测试装置及方法，测试装置可以产生类似现场探测线圈实测的电压波形，模拟正常波形和故障波形，可以在设备安装之前提前校验监测装置的信号采样、故障特征计算、逻辑判断是否正确。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种发电机转子绕组匝间短路故障监测装置的测试装置，包括hmi人机接口模块、计算模块、两个da转换模块、两个信号放大输出模块和电源模块，其中，根据被模拟的发电机转子数据，通过hmi人机接口模块设置定值参数，计算模块根据定值参数计算键相信号数据和探测线圈电压数据，并将数据分别输出给两个da转换模块，两个da转换模块输出对应的两个模拟信号，分别经过两个信号放大输出模块，输出模拟的键相信号和探测线圈电压信号，并送至被测的转子匝间故障监测装置；所述电源模块为其余模块供电。
上述计算模块包括高频脉动信号计算模块、第一低频调理信号计算模块、第二低频调理信号计算模块、模拟故障信号计算模块、信号合成模块、键相信号计算模块和数据输出模块，所述高频脉动信号计算模块、第一低频调理信号计算模块、第二低频调理信号计算模块和模拟故障信号计算模块的输出端均连接信号合成模块的输入端，所述信号合成模块和键相信号计算模块的输出端分别连接数据输出模块的输入端。
一种基于如前所述的发电机转子绕组匝间短路故障监测装置的测试装置的测试方法，包括如下步骤：
步骤1，根据被模拟的发电机转子数据，通过hmi人机接口，在测试装置中设定输出波形的定值参数；
步骤2，测试装置的计算模块接收hmi人机接口设定的定值参数；计算模块根据第一中断程序循环根据定值参数计算模拟的键相信号数据和探测线圈电压数据，计算结果放在数据区内；计算模块根据第二中断程序循环定时从数据区内读取数据，将键相信号数据和探测线圈电压信号数据送出，分别送给两个da转换模块；
步骤3，两个da转换模块输出对应的两个模拟信号，分别经过两个信号放大输出模块，输出模拟的键相信号和探测线圈电压信号；
步骤4，将模拟的键相信号和探测线圈电压信号送至被测的转子匝间故障监测装置，随后检查被测的转子匝间监测装置的信号采样、故障特征计算和逻辑判断结果是否正确。
上述步骤1中，定值参数包括：工频频率参数、高频脉动信号参数、第一低频调理信号参数、第二低频调理信号参数、模拟故障信号参数、键相信号参数和信号输出中断频率。
上述步骤2的具体内容是：计算模块在第一中断程序循环根据定值参数计算模拟的键相信号数据和探测线圈电压信号数据，这些离散数据对应发电机转子在额定转速下旋转一周时键相信号和探测线圈所感应的波形数据离散值，离散数据的时间间隔是1/fs，fs为步骤1所述的信号输出中断频率，计算结果放在数据区内，离散数据与转子位置对应，起始位置和终止位置对应于转子磁极n极的中线位置，中间位置对应于转子磁极s极的中线位置；其中，第一中断程序循环的时间间隔范围是0.5s～5s；计算模块在第二中断程序循环中定时从数据区内循环读取数据，将键相信号数据和探测线圈信号数据送出，分别送给两个da转换模块；其中，第二中断程序循环的时间间隔是1/fs，fs为步骤1所述的信号输出中断频率。
上述步骤2中的键相信号数据对应一个脉冲电压波形，脉冲幅度由步骤1中的键相信号参数确定，用于模拟发电机转子旋转一周出现一次脉冲电压的键相信号。
上述步骤2中，探测线圈电压数据用于模拟发电机转子旋转一周出现的探测线圈感应的电压波形，计算公式如下：
uprobe(i)＝u1(i)·λ1(i)·λfault(i)+u2(i)
其中，i为离散序列号，i＝0,1,2,...,w-1；w为离散数据的点数；uprobe为探测线圈电压数据；u1为高频脉动信号；λ1为第一低频调理信号，它对应一个正负梯形波，模拟转子磁极的影响；u2为第二低频调理信号，模拟定转子合成的气隙主磁通的影响；λfault为模拟故障信号，它是一个方波，在对应于模拟的转子匝间故障的槽位置及其左右一个槽距的范围内，该信号的值在0～1之间，在对应转子的其他位置上，该信号的值为1。
上述步骤4的具体内容是：将模拟的键相信号和探测线圈电压信号送至被测的转子匝间故障监测装置；先设定输出模拟的正常运行时的探测线圈感应电压波形，检查转子匝间监测装置的信号采样记录的探测线圈电压波形与测试装置模拟的探测线圈电压信号波形是否一致，检查装置信号采样记录的键相信号波形与测试装置模拟的键相信号波形是否一致，检测监测装置计算的故障特征——脉动的峰峰值与步骤1设定的高频脉动信号的峰峰值是否一致，如果这些都一致，表明被测装置的信号采样、故障特征计算正确；再设定输出模拟的转子匝间故障运行时的探测线圈感应电压波形，让模拟的故障位置对应的高频脉动信号的峰峰值与正常的峰峰值偏差超过被测装置内部设定的监测定值，如果被测装置报出匝间故障信号，表明被测装置的逻辑判断结果正确。
采用上述方案后，本发明的有益效果是：可以产生类似现场探测线圈实测的电压波形，可以模拟正常波形和匝间故障的异常波形，可以在设备安装之前提前检测监测装置的信号采样、故障特征计算、逻辑判断是否正确；加强了监测装置的产品检验环节，有助于提高监测装置的产品质量，为监测装置提供了有效的定检、年检手段，有助于提早发现并消除监测装置缺陷，提供了有效的转子匝间故障监测装置的校验手段。
附图说明
图1是一台600mw发电机转子截面及探测线圈示意图；
图2是探测线圈电压信号、键相信号示意图；
图3是本发明测试装置的模块示意图；
图4是本发明实施例的键相信号示意图；
图5是本发明实施例的探测线圈电压信号计算方法示意图；
图6是本发明实施例的探测线圈电压信号示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
图1为一台600mw发电机转子截面及探测线圈示意图。图1中略去了键相信号、转子匝间故障监测装置。图1中的发电机转子是一对极，即一个n极和一个s极；转子圆周上有48个等分点，对称的取其中32个等分点开槽，得到转子32槽，槽间距角度为7.5deg；工频频率fn＝50hz，发电机额定转速3000rpm，旋转一周时间为20ms；在发电机定子内壁上安装探测线圈；键相信号与探测线圈电压信号同时输入到转子匝间故障监测装置，监测装置实时采样记录键相信号、探测线圈电压信号的波形，计算故障特征(主要是高频脉动信号的峰峰值)，进而判断是否出现转子匝间故障。
图2是图1所示发电机转子匝间监测探测线圈电压信号、键相信号的示意图。键相位置以转子磁极n极中线为基准；发电机转子在额定转速3000rpm下旋转，键相信号为一窄脉冲周期信号，tn＝1/fn＝20ms为一个周期；探测线圈电压信号是一个包含高频脉动的周期信号，高频脉动信号的波峰个数和序号与转子槽相对应，对于图1的示例，在转子一个旋转周期内，即tn＝20ms时间内，高频脉动信号波峰个数为32，与转子槽相对应，高频脉动信号的周期是48×50hz＝2400hz。转子匝间无故障时，探测线圈电压信号波峰包络线平滑；转子某槽，比如2号槽出现匝间故障时，探测线圈电压信号对应2号槽的高频脉动电压峰峰值会有所降低。
本发明提供一种发电机转子绕组匝间短路故障监测装置的测试装置，如图3所示，所述测试装置包括hmi人机接口模块、计算模块、两个da转换模块、两个信号放大输出模块和电源模块；根据被模拟的发电机转子齿槽分布的尺寸数据，通过hmi人机接口设置定值参数，计算模块计算键相信号数据和探测线圈电压数据，并将数据分别输出给两个da转换模块，两个da转换模块输出对应的两个模拟信号，分别经过两个信号放大输出模块，输出模拟的键相信号和探测线圈电压信号；最后将模拟的键相信号和探测线圈电压信号送至被测的转子匝间故障监测装置，用于装置校验；所述电源模块为整个测试装置供电。
进一步的，所述hmi人机接口模块用于设定输出波形的定值参数，包括：工频频率参数、高频脉动信号参数、低频调理信号1参数、低频调理信号2参数、模拟故障信号参数、键相信号参数、信号输出中断频率；工频频率为50hz或60hz，信号输出中断频率范围是50khz～100khz。对于本实施例，工频频率为50hz，信号输出中断频率设为72khz。
进一步的，所述计算模块，包括：高频脉动信号计算模块、低频调理信号1计算模块、低频调理信号2计算模块、模拟故障信号计算模块、信号合成模块、键相信号计算模块、数据输出模块；计算模块数据输出两路数据，一是键相信号数据，二是探测线圈电压数据。
进一步的，所述两个da转换模块分别接收计算模块的两路数据：键相信号数据和探测线圈电压数据，将其转换为两路模拟信号。对于本实施例，da转换模块采用max7541和max400器件，其中max7541芯片做高速da转换，max400将max7541的输出信号进行稳定跟随，最终送到下一级信号放大输出模块。
本发明还提供一种发电机转子绕组匝间短路故障监测装置的测试方法，采用前述的测试装置，仍以图1的发电机转子为例，采用如下步骤实现转子匝间故障监测装置的测试：
步骤1，根据被模拟的发电机转子数据，通过hmi人机接口，在测试装置中设定输出波形的定值参数；对本实施例，定值参数及其整定结果为：
a)工频频率参数：fn＝50hz，与发电机的额定频率一致；
b)高频脉动信号参数：幅度a、频率f、相位φ；幅度a取值范围1v～10v，本实施例中幅度a取5v；频率f＝48×50hz＝2400hz；以转子磁极n极中线为基准，参考图1，圆周有48个等分点，各个槽位置对应高频脉动信号的峰值，转子磁极n极中线对应高频脉动信号的谷值，取相位φ＝-90deg；
c)低频调理信号1参数：拐点位置t1、t2、t3、t4；拐点位置t2等于转子磁极n极到相邻的第1个槽之间跨距对应的时间；拐点位置t3等于转子磁极n极到靠近s极的槽之间跨距对应的时间；拐点位置t1比t2少一个槽距对应的时间；拐点位置t4比t3多一个槽距对应的时间；在本实施例中：
d)低频调理信号2参数：幅度b；幅度b取值范围1v～10v，本实施例中，幅度b取8v；
e)模拟故障信号参数：幅度系数k、故障位置tfault、故障宽度δt；幅度系数k的取值范围是0～1.0，在本实施例中，模拟正常时，k＝1.0，模拟转子匝间故障时，k＝0.5；故障位置tfault等于转子磁极n极到所模拟的故障槽之间跨距对应的时间，以模拟2号槽故障为例，
f)键相信号参数：幅度c；幅度c取值范围1v～10v，本实施例中幅度c取5v；
g)信号输出中断频率：fs；参考图1，考虑转子圆周上48个等分点，信号输出中断频率设为fs＝72khz。
步骤2，测试装置的计算模块接收hmi人机接口设定的定值参数；计算模块在中断1循环中计算模拟的键相信号数据和探测线圈电压数据，计算结果放在数据区内；计算模块在中断2循环中定时从数据区内循环读取数据，将键相信号数据和探测线圈信号数据送出，分别送给两个da转换模模块；
具体的，中断1的时间间隔范围是0.5s～5s，默认取值为1s，对于本实施例，中断1的时间间隔是1s；中断2的时间间隔是1/fs，fs为步骤1所述的信号输出中断频率，对于本实施例，中断2的时间间隔是1/72khz＝0.013889ms；
进一步地，计算模拟的键相信号数据和探测线圈电压数据是离散数据，这些离散数据对应发电机转子在额定转速下旋转一周时探测线圈所感应的波形数据离散值，离散数据的时间间隔是1/fs，fs为步骤1所述的信号输出中断频率，离散数据点数w＝fs/fn，fn为工频频率；计算结果放在数据区内，离散数据与转子位置对应，起始位置和终止位置对应于转子磁极n极的中线位置，中间位置对应于转子磁极s极的中线位置；对于本实施例，键相信号数据、探测线圈电压数据的离散数据点数都是w＝72khz/50hz＝1440个；
键相信号数据和探测线圈电压数据按下述的方法计算：
(a)键相信号数据的计算
其中，ukeyphasor为键相信号数据；i为离散数据的序列号，i＝0,1,2,...,w-1；w为离散数据的点数；c为键相信号的幅度；对于本实施例，c＝5v；计算结果如图4所示；
键相信号数据对应一个脉冲电压波形，脉冲幅度由步骤1所述的键相信号参数确定，用于模拟发电机转子旋转一周出现一次脉冲电压的键相信号。
(b)高频脉动信号的计算
高频脉动信号是周期脉动的波形，可以用三角波模拟，也可以用正弦波模拟，其周期对应发电机转子在额定转速下旋转一个转子槽距的时间，高频脉动的波峰个数和序号与转子槽相对应；
为方便计算，本实施例采用正弦波，高频脉动信号按下式计算：
其中，u1为高频脉动信号；i为离散数据的序列号，i＝0,1,2,...,w-1；w为离散数据的点数；a为幅度；f为频率，φ为相位；fs为信号输出中断频率；对于本实施例，a＝5v，f＝48×50hz＝2400hz，
(c)低频调理信号1的计算
λ1(i)为低频调理信号1，它对应一个正负梯形波，模拟转子磁极的影响；i为离散数据的序列号，i＝0,1,2,...,w-1；w为离散数据的点数；
当对应转子n极到s极之间转子槽位置时，即
(d)低频调理信号2的计算
u2(i)为低频调理信号2，模拟定转子合成的气隙主磁通的影响，它对应一个正弦波，对应转子n极的中线位置是该正弦波由负变正的过零点，对应转子s极的中线位置是该正弦波由正变负的过零点；具体地按下式计算：
其中，i为离散数据的序列号，i＝0,1,2,...,w-1；w为离散数据的点数；b为幅度；fn为工频频率；fs为信号输出中断频率；对于本实施例，b＝8v，fn＝50hz，fs＝72khz；
(e)模拟故障信号的计算
λfault(i)为模拟故障信号；当模拟正常情况时，它是数值为1的直线；当模拟故障时，它在数值为1的直线的基础上，在对应模拟故障故障槽位置的地方，向下形成一个窄方波缺口；具体计算公式为：
其中，i为离散数据的序列号，i＝0,1,2,...,w-1；w为离散数据的点数；
(f)探测线圈电压数据的计算
探测线圈电压数据用于模拟发电机转子旋转一周出现的探测线圈感应的电压波形，它由前述的高频脉动信号、低频调理信号1、低频调理信号2、模拟故障信号合成，参见图5，合成方法是高频脉动信号、低频调理信号1、模拟故障信号三个信号相乘之后，再与低频调理信号2叠加，计算公式如下：
uprobe(i)＝u1(i)·λ1(i)·λfault(i)+u2(i)
其中，i为离散序列号，i＝0,1,2,...,w-1；w为离散数据的点数；uprobe为探测线圈电压数据；u1为高频脉动信号；λ1为低频调理信号1，它对应一个正负梯形波，模拟转子磁极的影响；u2为低频调理信号2，模拟定转子合成的气隙主磁通的影响；λfault为模拟故障信号，它是一个方波，在对应于模拟的转子匝间故障的槽位置及其左右一个槽距的范围内，该信号的值在0～1之间，在对应转子的其他位置上，该信号的值为1。
步骤3，前述的两个da转换模块输出对应的两个模拟信号，分别经过两个信号放大输出模块，输出模拟的键相信号和探测线圈电压信号；
步骤4，最后将模拟的键相信号和探测线圈电压信号送至被测的转子匝间故障监测装置；随后检查被测的转子匝间监测装置的信号采样、故障特征计算和逻辑判断结果是否正确；
具体来说，将模拟的键相信号和探测线圈电压信号送至被测的转子匝间故障监测装置；先设定输出模拟的正常运行时的探测线圈感应电压波形，即让步骤3中的λfault始终为1，检查转子匝间监测装置的信号采样记录的探测线圈电压波形与测试装置模拟的探测线圈电压信号波形是否一致，检查装置信号采样记录的键相信号波形与测试仪模拟的键相信号波形是否一致，检测监测装置计算的故障特征——脉动的峰峰值与步骤1设定的高频脉动信号的峰峰值是否一致，如果这些都一致，表明被测装置的信号采样、故障特征计算正确；再设定输出模拟的转子匝间故障运行时的探测线圈感应电压波形，即让步骤3中的λfault在对应的转子匝间故障位置的值小于1，让模拟的故障位置对应的高频脉动信号的峰峰值与正常的峰峰值偏差超过被测装置内部设定的监测定值，如果被测装置报出匝间故障信号，表明被测装置的逻辑判断结果正确。
对于本实施例，当模拟正常运行时，即模拟故障信号的幅度系数k＝1.0时，转子匝间监测装置故障特征计算出的对应于各个槽的脉动电压峰峰值是高频脉动信号峰值a的两倍，10v，且不会报出匝间故障的报警信号；当模拟2号槽匝间故障时，此时模拟故障信号的幅度系数k＝0.5，转子匝间监测装置故障特征计算出的对应于2号槽的脉动电压峰值是7.5v，且报出匝间故障的报警信号。这样就表明被测的转子匝间监测装置正常，否则应进一步检查被测的转子匝间监测装置在采样、定值参数、故障特征计算、逻辑判断等，检查在哪个环节出现了问题。
为了方便实施本发明，前述内容在高频脉动信号、低频调理信号1、低频调理信号2上采用了简单的函数。实际上高频脉动信号可以由正弦波改为三角波；低频调理信号1可以由梯形波改成顶部弯曲的近似梯形波；低频调理信号2可以在工频正弦波的基础上叠加三次、五次谐波，使低频调理信号2发生一定的畸变，用于模拟发电机电枢反应的影响。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。