旋转整流桥在线实时监测方案设计方法、装置及存储介质与流程

本发明涉及核电机组无刷励磁系统领域，尤其涉及一种核电站旋转整流桥在线实时监测方案设计方法、装置及计算机可读存储介质。

背景技术：

随着核电厂使用核电机组的日益增多，其无刷励磁系统的故障时有发生，给各核电厂带来了巨大经济损失。核电机组的旋转整流桥是无刷励磁系统的重要组成部分，也是最终实现对转子励磁的最重要环节，为了保证旋转整流桥正常工作，需要对旋转整流桥进行在线实时监测，并在发生故障时判断出故障类型，以便发出与故障类型相对应的报警信号，其中，短路故障所带来的危害尤其严重，必须立即根除。

但是，由于无刷励磁系统取消了滑环和电刷，对旋转整流桥的二极管的监视与保护十分困难，该问题一直阻碍着无刷励磁技术的发展；同时，作为旋转整流设备，由于旋转整流桥随励磁机的转子同轴旋转，其电压、电流无法测得，因此难以对旋转整流桥实现在线实时监测。

目前，对大型核电机组旋转整流桥的在线实时监测方案的研究在国内尚属空白，据报道有采用探头方式进行监测，但其监测结果并不理想，有现场反馈发生误报，并且其技术原理受制于外方垄断，需要高昂的维护费用，成本较高。因此，开展对旋转整流桥的在线实时监测方案的研究，对核电厂的安全具有重要的意义，同时也具有很大的市场应用价值和前景。

有鉴于此，确有必要提供一种旋转整流桥在线实时监测方案设计方法、装置及计算机可读存储介质，以实现对核电机组无刷励磁系统的旋转整流桥的在线实时监测方案的设计，为无刷励磁系统的安全运行提供分析依据，并降低成本。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题在于：提供一种旋转整流桥在线实时监测方案设计方法、装置及计算机可读存储介质，能够实现对核电机组无刷励磁系统的旋转整流桥的在线实时监测方案的设计，为无刷励磁系统的安全运行提供分析依据，并降低成本。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种旋转整流桥在线实时监测方案设计方法，所述方法适用于采用无刷励磁系统的核电机组的旋转整流桥，包括：

根据预设核电机组的实际参数建立旋转整流桥的仿真模型；

根据所述仿真模型对所述旋转整流桥在非故障工况和故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得非故障仿真波形和故障仿真波形；

对所述非故障仿真波形和所述故障仿真波形进行分析，提取非故障谐波特征和故障谐波特征；

根据所述非故障谐波特征和所述故障谐波特征设计所述旋转整流桥的在线实时监测方案。

进一步地，所述旋转整流桥为三相旋转整流桥，所述故障工况至少包括所述三相旋转整流桥的一管开路故障工况和两管开路故障工况。

进一步地，所述根据所述仿真模型对所述旋转整流桥在非故障工况和故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得非故障仿真波形和故障仿真波形，具体包括：

根据所述仿真模型对所述旋转整流桥在所述非故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得所述非故障仿真波形；

根据所述仿真模型对所述旋转整流桥至少在所述一管开路故障工况和所述两管开路故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得一管开路故障仿真波形和两管开路故障仿真波形。

进一步地，所述对所述非故障仿真波形和所述故障仿真波形进行分析，提取非故障谐波特征和故障谐波特征，具体包括：

对所述非故障仿真波形进行傅里叶谐波分析，提取所述非故障谐波特征；

对所述一管开路故障仿真波形和所述两管开路故障仿真波形进行傅里叶谐波分析，提取一管开路故障谐波特征和两管开路故障谐波特征。

进一步地，所述非故障谐波特征为励磁电流至少包括6次谐波分量；所述一管开路故障谐波特征为励磁电流至少包括2次谐波分量、3次谐波分量和6次谐波分量；所述两管开路故障谐波特征为励磁电流至少包括2次谐波分量、3次谐波分量、4次谐波分量、5次谐波分量和6次谐波分量。

进一步地，所述非故障仿真波形至少包括所述旋转整流桥在所述非故障工况下运行时的励磁电流、电枢线电压、电枢相电流、二极管电流、负载电压和负载电流的仿真波形；所述故障仿真波形至少包括所述旋转整流桥在所述故障工况下运行时的励磁电流、电枢线电压、电枢相电流、断路二极管电流、负载电压和负载电流的仿真波形。

进一步地，所述方法还包括：

根据所述实际参数对所述预设核电机组在所述非故障工况和所述故障工况下的运行状态进行理论分析；

根据所述非故障谐波特征和所述故障谐波特征对所述理论分析的结果进行验证。

为了解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种旋转整流桥在线实时监测方案设计装置，所述装置用于实现上述任一项所述的旋转整流桥在线实时监测方案设计方法，所述装置包括：

建模模块，用于根据预设核电机组的实际参数建立旋转整流桥的仿真模型；

仿真模块，用于根据所述仿真模型对所述旋转整流桥在非故障工况和故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得非故障仿真波形和故障仿真波形；

谐波特征提取模块，用于对所述非故障仿真波形和所述故障仿真波形进行分析，提取非故障谐波特征和故障谐波特征；以及，

监测方案设计模块，用于根据所述非故障谐波特征和所述故障谐波特征设计所述旋转整流桥的在线实时监测方案。

本发明实施例还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包括存储的计算机程序；其中，所述计算机程序在运行时控制所述计算机可读存储介质所在的设备执行上述任一项所述的旋转整流桥在线实时监测方案设计方法。

本发明实施例还提供了一种旋转整流桥在线实时监测方案设计装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的旋转整流桥在线实时监测方案设计方法。

与现有技术相比，本发明实施例提供了一种旋转整流桥在线实时监测方案设计方法、装置及计算机可读存储介质，所述方法适用于采用无刷励磁系统的核电机组的旋转整流桥，根据预设核电机组的实际参数建立旋转整流桥的仿真模型，并根据仿真模型对旋转整流桥在非故障工况和故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得非故障仿真波形和故障仿真波形，对非故障仿真波形和故障仿真波形进行分析，提取非故障谐波特征和故障谐波特征，根据非故障谐波特征和故障谐波特征设计旋转整流桥的在线实时监测方案，从而能够实现对核电机组无刷励磁系统的旋转整流桥的在线实时监测方案的设计，为无刷励磁系统的安全运行提供了分析依据，并降低了成本。

附图说明

图1是本发明提供的一种旋转整流桥在线实时监测方案设计方法的一个优选实施例的流程图；

图2是本发明提供的一种三相无刷励磁系统的旋转整流桥的仿真模型示意图；

图3a是本发明提供的一种非故障工况时旋转整流桥的部分仿真电路图；

图3b是本发明提供的一种一管开路故障工况时旋转整流桥的部分仿真电路图；

图3c是本发明提供的一种两管开路故障工况时旋转整流桥的部分仿真电路图；

图4是本发明提供的一种旋转整流桥在线实时监测方案设计装置的一个优选实施例的结构框图；

图5是本发明提供的一种旋转整流桥在线实时监测方案设计装置的另一个优选实施例的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本技术领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，是本发明提供的一种旋转整流桥在线实时监测方案设计方法的一个优选实施例的流程图，所述方法适用于采用无刷励磁系统的核电机组的旋转整流桥，包括步骤s11至步骤s14：

步骤s11、根据预设核电机组的实际参数建立旋转整流桥的仿真模型；

步骤s12、根据所述仿真模型对所述旋转整流桥在非故障工况和故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得非故障仿真波形和故障仿真波形；

步骤s13、对所述非故障仿真波形和所述故障仿真波形进行分析，提取非故障谐波特征和故障谐波特征；

步骤s14、根据所述非故障谐波特征和所述故障谐波特征设计所述旋转整流桥的在线实时监测方案。

具体的，根据预先设定的核电机组的实际参数(例如电机尺寸、几何形状、绕组形式和材料属性等参数)建立旋转整流桥的仿真模型，通过设置(例如改变仿真模型中元件的连接状态)并运行该仿真模型，分别对旋转整流桥在非故障工况和故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得非故障仿真波形和故障仿真波形，对仿真获得的非故障仿真波形进行谐波分析，提取非故障谐波特征，对仿真获得的故障仿真波形进行波形分析，提取故障谐波特征，基于提取到的非故障谐波特征和故障谐波特征，分析设计旋转整流桥的在线实时监测方案。

需要说明的是，建立仿真模型需要满足以下要求：

(1)必须基于实际参数准确建立旋转整流桥的仿真模型，这是准确计算发生故障时电机内部暂态过程的基础；

(2)仿真模型应该能够正确反映故障期间电机内部气隙磁场(包括谐波磁场)的变化，只有这样才能客观的反映故障期间电机内部发生的暂态过程；

(3)对旋转整流桥的仿真必须考虑到二极管的实际导通和关断条件。

本发明实施例选择ansys/maxwell有限元仿真分析软件来进行建模，maxwell根据核电机组实际物理模型的几何形状、尺寸、材料属性等实际参数进行建模，外电路和电机内部电磁场的耦合能够准确反映电气量和磁场之间的相互作用，并且ansys/maxwell可以生成基于有限元算法的高保真、降阶模型，建立好的仿真模型可用于ansyssimplorer系统仿真分析，能够满足电磁暂态仿真中对旋转整流桥的仿真模型的关键需求。

如图2所示，是本发明提供的一种三相无刷励磁系统的旋转整流桥的仿真模型示意图，该仿真模型在实际运行时需要设置相应的运行参数和结构参数，主要的额定运行参数及结构参数设置可参考表1。

表1主要额定运行参数及结构参数

本发明实施例所提供的一种旋转整流桥在线实时监测方案设计方法，通过建立旋转整流桥的仿真模型对旋转整流桥在非故障工况和故障工况下的运行状态进行仿真，通过谐波分析从仿真获得的非故障仿真波形和故障仿真波形中提取相应的非故障谐波特征和故障谐波特征，并基于提取到的非故障谐波特征和故障谐波特征设计旋转整流桥的在线实时监测方案，从而能够实现对核电机组无刷励磁系统的旋转整流桥的在线实时监测方案的设计，为无刷励磁系统的安全运行提供了分析依据，并降低了成本。

在另一个优选实施例中，所述旋转整流桥为三相旋转整流桥，所述故障工况至少包括所述三相旋转整流桥的一管开路故障工况和两管开路故障工况。

可以理解的，核电机组使用三相电机，相应的旋转整流桥为三相旋转整流桥，由于实际无刷励磁系统出现的故障多为一管开路故障和两管开路故障，因此故障工况至少包括三相旋转整流桥的一管开路故障工况和两管开路故障工况，也可以包括其他类型的故障，本发明实施例不作具体限定。

在又一个优选实施例中，所述根据所述仿真模型对所述旋转整流桥在非故障工况和故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得非故障仿真波形和故障仿真波形，具体包括：

根据所述仿真模型对所述旋转整流桥在所述非故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得所述非故障仿真波形；

根据所述仿真模型对所述旋转整流桥至少在所述一管开路故障工况和所述两管开路故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得一管开路故障仿真波形和两管开路故障仿真波形。

具体的，非故障工况(正常运行工况)时旋转整流桥所对应的仿真电路可参考图3a，根据相应的仿真模型对旋转整流桥在正常运行工况下的运行状态进行仿真，对应获得非故障仿真波形；一管开路故障工况时旋转整流桥所对应的仿真电路可参考图3b，图3b中c相上桥臂的二极管处于断路状态，根据相应的仿真模型对旋转整流桥在一管开路故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得一管开路故障仿真波形；两管开路故障工况时旋转整流桥所对应的仿真电路可参考图3c，图3c中c相上下桥臂的二极管均处于断路状态，根据相应的仿真模型对旋转整流桥在两管开路故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得两管开路故障仿真波形。

需要说明的是，一管开路故障体现在仿真电路中可以是任意一相的上桥臂或下桥臂的二极管处于断路状态；两管开路故障体现在仿真电路中可以是任意一相的上下桥臂的二极管均处于断路状态，也可以是任意两相的上桥臂的二极管均处于断路状态，还可以是某一相的上桥臂的二极管以及另一相的下桥臂的二极管均处于断路状态；本发明实施例不作具体限定，并且仿真分析过程同理，这里不再赘述。

在又一个优选实施例中，所述对所述非故障仿真波形和所述故障仿真波形进行分析，提取非故障谐波特征和故障谐波特征，具体包括：

对所述非故障仿真波形进行傅里叶谐波分析，提取所述非故障谐波特征；

对所述一管开路故障仿真波形和所述两管开路故障仿真波形进行傅里叶谐波分析，提取一管开路故障谐波特征和两管开路故障谐波特征。

具体的，结合上述实施例，通过对仿真获得的非故障仿真波形进行傅里叶谐波分析，获得非故障仿真波形的谐波次数及其对应的幅值，从而提取出非故障谐波特征；通过对仿真获得的一管开路故障仿真波形进行傅里叶谐波分析，获得一管开路故障仿真波形的谐波次数及其对应的幅值，从而提取出一管开路故障谐波特征；通过对仿真获得的两管开路故障仿真波形进行傅里叶谐波分析，获得两管开路故障仿真波形的谐波次数及其对应的幅值，从而提取出两管开路故障谐波特征。

作为优选方案，所述非故障谐波特征为励磁电流至少包括6次谐波分量；所述一管开路故障谐波特征为励磁电流至少包括2次谐波分量、3次谐波分量和6次谐波分量；所述两管开路故障谐波特征为励磁电流至少包括2次谐波分量、3次谐波分量、4次谐波分量、5次谐波分量和6次谐波分量。

需要说明的是，谐波特征包括谐波次数以及幅值，根据谐波分析结果，不同状态对应的波形所包含的谐波分量不同，以励磁机定子的励磁电流为例，具体的谐波分析结果如表2所示。

表2非故障、一管开路故障、两管开路故障时定子励磁电流谐波分析

表中主要考查的是12次以内的谐波特征变化，从而分辨出非故障、一管开路和两管开路等故障类型，从谐波分析结果来看，非故障运行时，定子励磁电流主要含有6次谐波分量，而在一管开路故障运行时，励磁电流主要包含2次、3次、6次谐波分量，在两管开路故障运行时，励磁电流主要包含2次、3次、4次、5次和6次谐波分量。

作为优选方案，所述非故障仿真波形至少包括所述旋转整流桥在所述非故障工况下运行时的励磁电流、电枢线电压、电枢相电流、二极管电流、负载电压和负载电流的仿真波形；所述故障仿真波形至少包括所述旋转整流桥在所述故障工况下运行时的励磁电流、电枢线电压、电枢相电流、断路二极管电流、负载电压和负载电流的仿真波形。

需要说明的是，当无刷励磁系统中存在多组三相旋转整流桥时，例如，无刷励磁系统是由16组三相旋转整流桥并联而成的，当单臂或两臂断路故障时，仅有一组三相旋转整流桥的电枢电流出现变化，其余15组均处于正常运行状态，故障组谐波分量感应到励磁绕组上时，产生的谐波仅占总感应幅值的1/16，因此，该谐波分量幅值是比较小的，在设计旋转整流桥的在线实时监测方案时需要采用灵敏度较高的谐波传感器，以便能够更加有效、准确地检测出励磁绕组上小幅值的谐波分量，从而为旋转整流桥的在线故障监测提供更加准确的检测结果。

在又一个优选实施例中，所述方法还包括：

根据所述实际参数对所述预设核电机组在所述非故障工况和所述故障工况下的运行状态进行理论分析；

根据所述非故障谐波特征和所述故障谐波特征对所述理论分析的结果进行验证。

具体的，选择预先设定的核电机组为研究对象，基于电机学理论，根据该核电机组的实际参数对该核电机组在非故障工况和故障工况下的运行状态进行理论分析，对应获得非故障理论波形和故障理论波形，分别对理论分析获得的非故障理论波形和故障理论波形进行谐波分析，提取出相应的谐波特征，根据仿真获得的非故障谐波特征和故障谐波特征分别对理论分析获得的谐波特征进行验证。

可以理解的，在对仿真分析结果和理论分析结果进行验证时，需要对应选择基于相同工作状态下所提取的谐波特征进行比较验证。

本发明实施例所提供的一种旋转整流桥在线实时监测方案设计方法，结合了理论分析和仿真分析，获得旋转整流桥在非故障工况和故障工况下运行时的谐波特征以及验证结果，为旋转整流桥的在线实时监测方案的设计打下基础。

本发明实施例还提供了一种旋转整流桥在线实时监测方案设计装置，用于实现上述任一实施例所述的旋转整流桥在线实时监测方案设计方法，装置中的各个模块、单元的作用以及实现的技术效果分别与上述实施例所述的旋转整流桥在线实时监测方案设计方法的作用以及实现的技术效果对应相同，这里不再赘述。

参见图4所示，是本发明提供的一种旋转整流桥在线实时监测方案设计装置的一个优选实施例的结构框图，所述装置包括：

建模模块11，用于根据预设核电机组的实际参数建立旋转整流桥的仿真模型；

仿真模块12，用于根据所述仿真模型对所述旋转整流桥在非故障工况和故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得非故障仿真波形和故障仿真波形；

谐波特征提取模块13，用于对所述非故障仿真波形和所述故障仿真波形进行分析，提取非故障谐波特征和故障谐波特征；以及，

监测方案设计模块14，用于根据所述非故障谐波特征和所述故障谐波特征设计所述旋转整流桥的在线实时监测方案。

优选地，所述旋转整流桥为三相旋转整流桥，所述故障工况至少包括所述三相旋转整流桥的一管开路故障工况和两管开路故障工况。

优选地，所述仿真模块具体包括：

非故障仿真单元，用于根据所述仿真模型对所述旋转整流桥在所述非故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得所述非故障仿真波形；以及，

故障仿真单元，用于根据所述仿真模型对所述旋转整流桥至少在所述一管开路故障工况和所述两管开路故障工况下的运行状态进行仿真，对应获得一管开路故障仿真波形和两管开路故障仿真波形。

优选地，所述谐波特征提取模块具体包括：

非故障谐波特征提取单元，用于对所述非故障仿真波形进行傅里叶谐波分析，提取所述非故障谐波特征；以及，

故障谐波特征提取单元，用于对所述一管开路故障仿真波形和所述两管开路故障仿真波形进行傅里叶谐波分析，提取一管开路故障谐波特征和两管开路故障谐波特征。

优选地，所述非故障谐波特征为励磁电流至少包括6次谐波分量；所述一管开路故障谐波特征为励磁电流至少包括2次谐波分量、3次谐波分量和6次谐波分量；所述两管开路故障谐波特征为励磁电流至少包括2次谐波分量、3次谐波分量、4次谐波分量、5次谐波分量和6次谐波分量。

优选地，所述非故障仿真波形至少包括所述旋转整流桥在所述非故障工况下运行时的励磁电流、电枢线电压、电枢相电流、二极管电流、负载电压和负载电流的仿真波形；所述故障仿真波形至少包括所述旋转整流桥在所述故障工况下运行时的励磁电流、电枢线电压、电枢相电流、断路二极管电流、负载电压和负载电流的仿真波形。

优选地，所述装置还包括：

理论分析模块，用于根据所述实际参数对所述预设核电机组在所述非故障工况和所述故障工况下的运行状态进行理论分析；以及，

验证模块，用于根据所述非故障谐波特征和所述故障谐波特征对所述理论分析的结果进行验证。

本发明实施例还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包括存储的计算机程序；其中，所述计算机程序在运行时控制所述计算机可读存储介质所在的设备执行上述任一实施例所述的旋转整流桥在线实时监测方案设计方法。

本发明实施例还提供了一种旋转整流桥在线实时监测方案设计装置，参见图5所示，是本发明提供的一种旋转整流桥在线实时监测方案设计装置的另一个优选实施例的结构框图，所述装置包括处理器10、存储器20以及存储在所述存储器20中且被配置为由所述处理器10执行的计算机程序，所述处理器10在执行所述计算机程序时实现上述任一实施例所述的旋转整流桥在线实时监测方案设计方法。

优选地，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元(如计算机程序1、计算机程序2、······)，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器20中，并由所述处理器10执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述装置中的执行过程。

所述处理器10可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，通用处理器可以是微处理器，或者所述处理器10也可以是任何常规的处理器，所述处理器10是所述装置的控制中心，利用各种接口和线路连接所述装置的各个部分。

所述存储器20主要包括程序存储区和数据存储区，其中，程序存储区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等，数据存储区可存储相关数据等。此外，所述存储器20可以是高速随机存取存储器，还可以是非易失性存储器，例如插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard，smc)、安全数字(securedigital，sd)卡和闪存卡(flashcard)等，或所述存储器20也可以是其他易失性固态存储器件。

需要说明的是，上述装置可包括，但不仅限于，处理器、存储器，本领域技术人员可以理解，图5结构框图仅仅是该装置的示例，并不构成对该装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件。

综上，本发明实施例所提供的一种旋转整流桥在线实时监测方案设计方法、装置及计算机可读存储介质，通过建立旋转整流桥的仿真模型对旋转整流桥在非故障工况和故障工况下的运行状态进行仿真，通过谐波分析从仿真获得的非故障仿真波形和故障仿真波形中提取相应的非故障谐波特征和故障谐波特征，并基于提取到的非故障谐波特征和故障谐波特征设计旋转整流桥的在线实时监测方案，从而能够实现对核电机组无刷励磁系统的旋转整流桥的在线实时监测方案的设计，为无刷励磁系统的安全运行提供了分析依据，并降低了成本。

根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。