基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护方法与装置与流程

本发明涉及电力系统保护技术领域，特别涉及一种基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护方法与装置。

背景技术：

远距离、大容量输电是我国电力工业发展的客观需求，为提升长距离输电线路的输送能力，增进系统的稳定性，串联电容补偿技术得到了越来越广泛的应用。但汽轮发电机组与串联电容补偿输电网之间相互作用会引发一种次同步频率范围的稳定性问题，即次同步谐振(ssr)问题。发生ssr问题时，机组轴系各质块之间会产生较高的暂态扭矩和应力，造成疲劳寿命损失，降低机组轴系的使用寿命；极端情况下，机组轴系暂态扭矩过大甚至会导致机组大轴断裂，造成严重的设备乃至人身安全事故。

为保障汽轮发电机组的轴系安全，确保发生ssr问题时机组轴系不会产生过大的疲劳寿命损失，不会发生机组大轴一次性断裂问题，现有研究已经提出了一些保护方法，如tsr(torsionalstressrelay，扭振继电器)。但tsr在响应上存在较长的延时(约0.5s)，不能够反映机组发生ssr时轴系产生的冲击性扭矩，仅能够在机组扭矩发散时发挥作用。然而，机组冲击性扭矩过大也会导致机组轴系疲劳寿命损失过大，甚至导致机组大轴一次性断裂。因此有必要研发出一种响应速度更快、可靠性更高的汽轮机组暂态扭矩保护技术和装置。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护方法，该方法可以避免扭矩过大对机组轴系产生损坏，保障汽轮发电机组轴系安全，有效解决汽轮机组与串联电容补偿输电网之间的ssr问题。

本发明的另一个目的在于提出一种基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护方法，包括以下步骤：利用滤波器对机组轴系转速信号进行滤波，得到机组的当前模态转速；利用当前模态转速进行暂态扭矩辨识，得到暂态扭矩辨识值；若所述当前模态转速大于第一预设值，则判断暂态扭矩辨识值是否大于第二预设值；若所述暂态扭矩辨识值大于第二预设值，且处于持续增长状态，则发出跳闸指令，以切除当前机组。

本发明实施例的基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护方法，基于模态转速获取和暂态扭矩辨识，首先，利用滤波器对机组轴系转速进行滤波，得到机组的模态转速；然后，利用扭矩辨识环节得到机组的暂态扭矩；最后，利用保护判据判断是否发出跳闸指令将机组与电网断开，从而可以避免扭矩过大对机组轴系产生损坏，保障汽轮发电机组轴系安全，有效解决汽轮机组与串联电容补偿输电网之间的ssr问题。

另外，根据本发明上述实施例的基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述若所述暂态扭矩辨识值大于第二预设值，且处于持续增长状态，则发出跳闸指令，包括：判断所述暂态扭矩辨识值是否大于所述第二预设值；如果大于所述第二预设值，则延时一个周波，以根据当前周波扭矩峰值与前一周波峰值判断是否为持续增长状态；如果为所述持续增长状态，则生成所述跳闸指令。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述当前模态转速进行暂态扭矩辨识，得到暂态扭矩辨识值，包括：将所述当前模态转速转化为扭矩对应的轴系位置的模态转速信号；对所述扭矩对应的轴系位置的模态转速信号进行积分，得到各模态对应的扭角；将所述各模态对应的扭角转化为质块相对于同步旋转坐标系的电气扭角；根据质块相对于同步旋转坐标系的电气扭角求解各轴段之间的扭矩。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述模态转速信号的转化公式为：

ω^(m)＝ω./k，

其中，ω为当前模态转速，./定义为矩阵对应元素相除，k为系数行向量；

对ω^(m)进行积分得到各模态对应的扭角δ^(m)；

所述电气扭角的转化公式为：

[δ1δ2…δn-1δn]^t＝q·[δ1^(m)δ2^(m)…δn-1^(m)0]^t，

其中，q为系数矩阵，δ^(m)为各模态对应的扭角，δ为电气扭角。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述各轴段之间的扭矩的计算公式为：

tij＝kij(δi-δj)，

其中，kij表示各轴段之间的弹性系数。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护装置，包括：模态转速获取模块，用于利用滤波器对机组轴系转速信号进行滤波，得到机组的当前模态转速；暂态扭矩辨识模块，用于利用所述当前模态转速进行暂态扭矩辨识，得到暂态扭矩辨识值；启动逻辑模块，用于在所述当前模态转速大于第一预设值时，判断暂态扭矩辨识值是否大于第二预设值；保护判据模块，用于在所述暂态扭矩辨识值大于第二预设值，且处于持续增长状态时，发出跳闸指令，以切除当前机组。

本发明实施例的基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护装置，基于模态转速获取和暂态扭矩辨识，首先，利用滤波器对机组轴系转速进行滤波，得到机组的模态转速；然后，利用扭矩辨识环节得到机组的暂态扭矩；最后，利用保护判据判断是否发出跳闸指令将机组与电网断开，从而可以避免扭矩过大对机组轴系产生损坏，保障汽轮发电机组轴系安全，有效解决汽轮机组与串联电容补偿输电网之间的ssr问题。

另外，根据本发明上述实施例的基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述保护判据模块进一步用于判断所述暂态扭矩辨识值是否大于所述第二预设值；如果大于所述第二预设值，则延时一个周波，以根据当前周波扭矩峰值与前一周波峰值判断是否为持续增长状态；如果为所述持续增长状态，则生成所述跳闸指令。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述暂态扭矩辨识模块进一步用于将所述当前模态转速转化为扭矩对应的轴系位置的模态转速信号；对所述扭矩对应的轴系位置的模态转速信号进行积分，得到各模态对应的扭角；将所述各模态对应的扭角转化为质块相对于同步旋转坐标系的电气扭角；根据质块相对于同步旋转坐标系的电气扭角求解各轴段之间的扭矩。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述模态转速信号的转化公式为：

ω^(m)＝ω./k，

其中，ω为当前模态转速，./定义为矩阵对应元素相除，k为系数行向量；

对ω^(m)进行积分得到各模态对应的扭角δ^(m)；

所述电气扭角的转化公式为：

[δ1δ2…δn-1δn]^t＝q·[δ1^(m)δ2^(m)…δn-1^(m)0]^t，

其中，q为系数矩阵，δ^(m)为各模态对应的扭角，δ为电气扭角。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述各轴段之间的扭矩的计算公式为：

tij＝kij(δi-δj)，

其中，kij表示各轴段之间的弹性系数。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的整体方案示意图；

图2为根据本发明实施例的基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护方法的流程图；

图3为根据本发明实施例的模态转速环节实现方法流程图；

图4为根据本发明实施例的基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例的技术方案如图1所示，基于模态转速获取和暂态扭矩辨，主要包括模态转速获取、启动逻辑、暂态扭矩辨识和保护判据四个环节。

方案实现的基本原理是：模态转速获取环节：利用转速传感器获得机组的轴系转速(机头或机尾转速)，对转速信号进行滤波得到机组的模态转速信号；启动逻辑环节：根据模态转速判断是否发出启动信号；暂态扭矩辨识环节：利用机组模态转速信号、机组轴系参数计算机组的暂态扭矩；保护判据环节：启动信号存在时，保护判据根据扭矩辨识值判断是否需要发出跳闸指令。当汽轮发电机组轴系暂态扭矩超过预设定值且为持续增长状态时，保护装置发出跳闸指令将机组与电网断开，避免扭矩过大对机组轴系产生较大的损坏。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护方法与装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护方法。

图2是本发明一个实施例的基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护方法的流程图。

如图2所示，该基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护方法包括以下步骤：

在步骤s201中，利用滤波器对机组轴系转速信号进行滤波，得到机组的当前模态转速。

可以理解的是，本发明实施例利用转速传感器获取转速信号，并利用滤波器对机组轴系转速信号进行滤波得到机组各个模态下的模态转速。

具体而言，如图1所示，模态转速获取环节

模态转速获取环节的主要作用是利用滤波器将转速传感器获取的转速脉冲信号转化为各个模态下的转速数字信号，实现方法如图3所示，具体包括：

(1)信号转换

信号转换的主要作用是将转速传感器获取的转速信号脉冲量转化为数字信号，然后用于滤波。

(2)低通、高通滤波器

低通、高通滤波器主要作用是滤除转速信号中的直流分量、低频分量和工频分量，确保获取到的模态转速更精确。低通、高通滤波器的特征频率需要“躲”开机组的模态频率，确保滤波得到的模态转速信号不会失真。

以常见汽轮机组为例，高通滤波器特征频率可选取为10hz，低通滤波器的特征频率可选取为40hz。

(3)带通、带阻滤波器

经低通、高通滤波器滤波之后的转速信号再通过带通、带阻滤波器之后便能够得到各个模态下的模态转速信号。在设计带通、带阻滤波器时，需要给定滤波器的特征频率和带宽。其中，特征频率是机组的模态频率；带宽的选取原则是经带通、带阻滤波器得到的信号必须为单一模态频率下的模态转速信号。有多种设计方法可以用来设计带通、带阻滤波器，常见的设计方法有fir滤波器、切比雪夫滤波器、贝赛尔滤波器、椭圆滤波器等。

另外，含有n个质块的汽轮机组共对应n-1个模态，下面以其中一个模态为例描述模态转速信号的获取方法：

首先，信号通过以ω1为特征频率的带通滤波器获得模态转速信号；然后，分别通过以ω2、ω3…ωn-1为特征频率的带阻滤波器，消除其余模态频率信号的影响。

然后，转速信号经过带通、带阻滤波器进行滤波便能够得到准确的各个模态频率下的模态转速信号。

在步骤s202中，利用当前模态转速进行暂态扭矩辨识，得到暂态扭矩辨识值。

可以理解的是，在得到模态转速之后，本发明实施例进行暂态扭矩辨识、判断启动逻辑。也就是说，本发明实施例可以利用模态转速计算暂态扭矩，并判断启动逻辑，其中，启动逻辑环节将在下面进行详细阐述，在此不做具体叙述。步骤s202为如图1所示的暂态扭矩辨识环节：利用模态转速求解汽轮机组各轴段之间的扭矩。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据当前模态转速进行暂态扭矩辨识，得到暂态扭矩辨识值，包括：将当前模态转速转化为扭矩对应的轴系位置的模态转速信号；对扭矩对应的轴系位置的模态转速信号进行积分，得到各模态对应的扭角；将各模态对应的扭角转化为质块相对于同步旋转坐标系的电气扭角；根据质块相对于同步旋转坐标系的电气扭角求解各轴段之间的扭矩。

具体而言，暂态扭矩辨识环节

暂态扭矩辨识环节的主要作用是利用机组的模态转速、轴系参数计算机组的轴系暂态扭矩，计算步骤如下，以当前获取转速信号为高压缸转速为例：

1)、将高压缸处的模态转速信号ω转化为扭矩对应的轴系位置的模态转速信号ω^(m)，即：

ω^(m)＝ω./k(./定义为矩阵对应元素相除)，

ω＝[ω1ω2…ωn-10],ω^(m)＝[ω1^(m)ω2^(m)…ωn-1^(m)0]，

其中，系数行向量k由机组轴系转动惯量m、弹性系数k决定；

2)、对ω^(m)进行积分求解得到各模态对应的扭角δ^(m)；

3)、将各模态对应的扭角δ^(m)转化为质块相对于同步旋转坐标系的电气扭角δ，即：

[δ1δ2…δn-1δn]^t＝q·[δ1^(m)δ2^(m)…δn-1^(m)0]^t，

其中，系数矩阵q由机组轴系转动惯量m、弹性系数k决定；

4)、求解各轴段之间的扭矩tij，即：

tij＝kij(δi-δj)，

其中，kij表示各轴段之间的弹性系数。

通过以上步骤，即可实现利用轴系转速求解汽轮机组的暂态扭矩。

在步骤s203中，若当前模态转速大于第一预设值，则判断暂态扭矩辨识值是否大于第二预设值。

可以理解的是，满足启动逻辑后，开始进行保护判据，开始采集机组当前电压电流和转速。具体地：步骤s203为如图1所示的启动逻辑环节：判断模态转速是否超过第一预设值，超过则发出启动信号，判断暂态扭矩辨识值是否大于第二预设值并处于持续增长状态，采集机组当前电压电流和转速。

具体而言，启动逻辑环节

机组模态转速低于一定值时，机组轴系各质块之间的扭矩较小，机组轴系不存在疲劳损耗过大或损坏的风险。为了降低保护装置运算量，可以在保护装置中设定第一预设值，只有当机组模态转速高于第一预设值时，保护装置才会发出启动信号，否则不发出启动信号。只有在启动信号存在时，保护装置才会判断暂态扭矩辨识值是否大于第二预设值并处于持续增长状态、采集机组当前电压电流和转速。

在步骤s204中，若暂态扭矩辨识值大于第二预设值，且处于持续增长状态，则发出跳闸指令，以切除当前机组。

可以理解的是，检测到启动信号后，保护装置开始采集机组当前电压电流和转速，并进行保护判据，判据满足时，保护装置发出跳闸指令；判据不满足时，保护装置不动作。

进一步地，在本发明的一个实施例中，若暂态扭矩辨识值大于第二预设值，且处于持续增长状态，则发出跳闸指令，包括：判断暂态扭矩辨识值是否大于第二预设值；如果大于第二预设值，则延时一个周波，以根据当前周波扭矩峰值与前一周波峰值判断是否为持续增长状态；如果为持续增长状态，则生成跳闸指令。

具体而言，如图1所示，保护判据环节

启动逻辑发出启动信号后，保护装置开始进行保护判据。当机组暂态扭矩辨识值第二预设值，且处于持续增长状态时，判定为满足保护判据，发出跳闸指令。判据的具体实现方法如下：

首先，比较暂态扭矩辨识值与第二预设值的大小，如果辨识值大于第二预设值则判定暂态扭矩越限；然后，延时一个周波，比较当前周波扭矩峰值与前一周波峰值的大小，判断暂态扭矩是否为持续增长状态。

只有当二者同时满足时，保护装置才会发出跳闸指令，将机组与电网断开，避免机组轴系受到更大的损坏。

综上，本发明实施例首先利用滤波器对机组轴系转速信号进行滤波得到机组的模态转速；然后进行暂态扭矩辨识、判断启动逻辑；最后通过比较暂态扭矩辨识值与第二预设值的大小来判定机组轴系是否有损坏或疲劳寿命损耗过大的风险。如果暂态扭矩辨识值超过第二预设值且处于持续增长状态，保护装置就会发出跳闸指令迅速将机组切除，避免扭矩过大对机组造成更大的损坏。

根据本发明实施例提出的基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护方法，基于模态转速获取和暂态扭矩辨识。首先，利用滤波器对机组轴系转速进行滤波，得到机组的模态转速；然后，利用扭矩辨识环节得到机组的暂态扭矩；最后，利用保护判据判断是否发出跳闸指令将机组与电网断开，从而可以避免扭矩过大对机组轴系产生损坏，保障汽轮发电机组轴系安全，有效解决汽轮机组与串联电容补偿输电网之间的ssr问题。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护装置。

图4是本发明一个实施例的基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护装置

如图4所示，该基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护装置10包括：模态转速获取模块100、暂态扭矩辨识模块200、启动逻辑模块300和保护判据模块400。

其中，模态转速获取模块100用于利用滤波器对机组轴系转速信号进行滤波，得到机组的当前模态转速；暂态扭矩辨识模块200用于利用当前模态转速进行暂态扭矩辨识，得到暂态扭矩辨识值；启动逻辑模块300用于在当前模态转速大于第一预设值时，判断暂态扭矩辨识值是否大于第二预设值；保护判据模块400用于在暂态扭矩辨识值大于第二预设值，且处于持续增长状态时，发出跳闸指令，以切除当前机组。本发明实施例的装置10可以避免扭矩过大对机组轴系产生损坏，保障汽轮发电机组轴系安全，有效解决汽轮机组与串联电容补偿输电网之间的ssr问题。

进一步地，在本发明的一个实施例中，保护判据模块400进一步用于判断暂态扭矩辨识值是否大于第二预设值；如果大于第二预设值，则延时一个周波，以根据当前周波扭矩峰值与前一周波峰值判断是否为持续增长状态；如果为持续增长状态，则生成跳闸指令。

进一步地，在本发明的一个实施例中，暂态扭矩辨识模块200进一步用于将当前模态转速转化为扭矩对应的轴系位置的模态转速信号；对扭矩对应的轴系位置的模态转速信号进行积分，得到各模态对应的扭角；将各模态对应的扭角转化为质块相对于同步旋转坐标系的电气扭角；根据质块相对于同步旋转坐标系的电气扭角求解各轴段之间的扭矩。

进一步地，在本发明的一个实施例中，模态转速信号的转化公式为：

ω^(m)＝ω./k，

其中，ω为当前模态转速，./定义为矩阵对应元素相除，k为系数行向量；

对ω^(m)进行积分得到各模态对应的扭角δ^(m)；

电气扭角的转化公式为：

[δ1δ2…δn-1δn]^t＝q·[δ1^(m)δ2^(m)…δn-1^(m)0]^t，

其中，q为系数矩阵，δ^(m)为各模态对应的扭角，δ为电气扭角。

进一步地，在本发明的一个实施例中，各轴段之间的扭矩的计算公式为：

tij＝kij(δi-δj)，

其中，kij表示各轴段之间的弹性系数。

需要说明的是，前述对基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于轴系转速的汽轮机组暂态扭矩保护装置，基于模态转速获取和暂态扭矩辨识。首先，利用滤波器对机组轴系转速进行滤波，得到机组的模态转速；然后，利用扭矩辨识环节得到机组的暂态扭矩；最后，利用保护判据判断是否发出跳闸指令将机组与电网断开，从而可以避免扭矩过大对机组轴系产生损坏，保障汽轮发电机组轴系安全，有效解决汽轮机组与串联电容补偿输电网之间的ssr问题。

另外，本发明实施例的方法与装置在具体分析中可采用多种方法来实现，包括但不限于：

(1)将本发明中保护装置的整体结构改变为其他形式；

(2)采用与本发明中不同的滤波器设计方法来实现模态转速获取；

(3)使用其他位置的轴系转速信号，如中压缸转速、低压缸转速等；

(4)在各种分析软件中采用电路或/和各种功能模块组合成实现本发明的模型；

(5)上述实现方法的组合应用。

在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对保护装置内部各模块结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。