姚婷婷，李興建，王 凱，張琦雪，彭學(xué)軍，于 哲，篤 峻，陳 俊

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發(fā)電機(jī)軸系扭振模擬測試裝置的研制及應(yīng)用

姚婷婷，李興建，王 凱，張琦雪，彭學(xué)軍，于 哲，篤 峻，陳 俊

（南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100）

汽輪發(fā)電機(jī)扭振保護(hù)裝置的測試，除施加二次電流、電壓信號以外，還需要發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖信號,模擬出次同步振蕩時的場景。針對扭振保護(hù)專用測試工具和方法欠缺的行業(yè)現(xiàn)狀，本文研制了一種扭振保護(hù)測試裝置，既能夠依據(jù)設(shè)定參數(shù)輸出特定穩(wěn)態(tài)或扭振轉(zhuǎn)速信號，也可以利用RTDS的仿真數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)速信號，并可同步模擬發(fā)電機(jī)電流電壓進(jìn)行扭振保護(hù)測試。

發(fā)電機(jī)軸系扭振；次同步振蕩；扭振信號；扭振保護(hù)

0 前言

國內(nèi)外理論研究與工程實(shí)踐表明，在長距離輸電的系統(tǒng)中，如果存在電容串補(bǔ)或者高壓直流輸電，則電網(wǎng)系統(tǒng)可能發(fā)生次同步振蕩，當(dāng)電力系統(tǒng)的次同步振蕩頻率與發(fā)電機(jī)組軸系的固有扭振頻率互補(bǔ)時，在機(jī)網(wǎng)交互作用下，機(jī)組軸系將處于扭振狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞損耗，影響轉(zhuǎn)子的機(jī)械性能和壽命，嚴(yán)重時可導(dǎo)致大軸產(chǎn)生裂紋、損傷，甚至螺栓剪斷、大軸斷裂。因此，專門針對次同步振蕩導(dǎo)致的大型火電、核電等機(jī)組的軸系扭振進(jìn)行監(jiān)測和保護(hù)的扭振保護(hù)裝置得到日益廣泛的應(yīng)用[1-4]。

扭振保護(hù)裝置測量發(fā)電機(jī)大軸的轉(zhuǎn)速信號，監(jiān)測大軸扭振情況，實(shí)現(xiàn)扭振發(fā)散保護(hù)和疲勞越限保護(hù)，是保障機(jī)組設(shè)備安全運(yùn)行的最后一道防線，其經(jīng)典的部署如圖1所示，從圖中可見扭振保護(hù)裝置采集的信號不僅有電氣量信號，還有轉(zhuǎn)速信號，而常見的繼電保護(hù)測試儀僅能輸出電氣量信號。因此扭振保護(hù)裝置的測試需要有專門的試驗(yàn)設(shè)備或試驗(yàn)方法。

圖1 扭振保護(hù)裝置典型部署圖

扭振保護(hù)裝置測試目前主要有以下兩種方法：

（1）通過RTDS試驗(yàn)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過RTDS建立數(shù)字動模系統(tǒng)，由軸系模型、發(fā)電機(jī)模型、勵磁模型（含PSS模型）、調(diào)速器模型、輸電系統(tǒng)模型（包含串補(bǔ)或高壓直流輸電系統(tǒng)）共同構(gòu)成一個模擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)組電氣量信號和軸系扭振信號，用于測試扭振保護(hù)裝置，該測試方法可真實(shí)模擬次同步振蕩和軸系扭振，是扭振保護(hù)裝置的最佳試驗(yàn)方法，但是該方法僅適用于研發(fā)階段和原理驗(yàn)證，不能用于生產(chǎn)和工程調(diào)試[5-6]。

（2）使用波形/函數(shù)信號發(fā)生器模擬轉(zhuǎn)速信號，并結(jié)合繼電保護(hù)測試儀輸出的電氣量信號，對扭振保護(hù)裝置進(jìn)行測試。該試驗(yàn)方法存在諸多缺陷：針對于非扭振保護(hù)的應(yīng)用場合，波形/函數(shù)信號發(fā)生器無法輸出包含多個模態(tài)的扭振轉(zhuǎn)速信號；無法控制輸出模態(tài)分量幅值隨時間變化的信號；無法同時輸出多組轉(zhuǎn)速信號，繼電保護(hù)測試儀和波形/函數(shù)信號發(fā)生器也無法進(jìn)行同步等等。因此，這種試驗(yàn)方法僅能實(shí)現(xiàn)部分功能測試工作，而且該試驗(yàn)方法與保護(hù)場景無相關(guān)性，不便于保護(hù)裝置的功能驗(yàn)證。

因此，針對扭振保護(hù)裝置專用測試工具和方法欠缺的行業(yè)現(xiàn)狀，本文研制了一種可用于扭振保護(hù)功能驗(yàn)證的扭振保護(hù)測試裝置，旨在為扭振保護(hù)裝置在研發(fā)、工程、生產(chǎn)過程中的功能驗(yàn)證提供簡便易行的方法。

1 扭振保護(hù)測試裝置的構(gòu)成

扭振保護(hù)測試裝置用來模擬大軸運(yùn)行環(huán)境的電壓電流等電氣參數(shù)，提供外部開入等開關(guān)量參數(shù)，模擬轉(zhuǎn)速信號反映大軸的扭振情況，解決研發(fā)、工程、生產(chǎn)過程中的扭振保護(hù)的功能驗(yàn)證的問題。

扭振保護(hù)測試裝置系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，包括管理模塊、交流電氣量輸出模塊、扭振信號輸出模塊、同步模塊和液晶顯示模塊。

各部分模塊的功能如下：

（1）管理模塊：用于管理液晶菜單、與計(jì)算機(jī)通信、下發(fā)數(shù)據(jù)給交流電氣量信號輸出模塊和扭振信號輸出模塊；

（2）交流電氣量信號輸出模塊和扭振信號輸出模塊：分別用于實(shí)時計(jì)算產(chǎn)生發(fā)電機(jī)扭振保護(hù)所需要的交流電氣量信號和扭振信號，以模擬發(fā)電機(jī)大軸的運(yùn)行狀態(tài)；

（3）同步模塊：交流電氣量信號和扭振信號兩者之間通過同步信號，實(shí)現(xiàn)同步輸出，同步信號由同步模塊提供；

（4）液晶顯示模塊：提供用戶友好的人機(jī)界面用于快速試驗(yàn)，進(jìn)行扭振保護(hù)功能的驗(yàn)證。

管理模塊、同步模塊和液晶顯示模塊是本測試裝置的輔助部分，交流電氣量輸出模塊和扭振信號輸出模塊是本測試裝置的核心內(nèi)容，下面重點(diǎn)介紹這兩個模塊的實(shí)現(xiàn)原理和方法。

圖2 扭振保護(hù)測試裝置結(jié)構(gòu)圖

1.1 交流電氣輸出模塊

交流電氣輸出模塊主要用來模擬輸出發(fā)電機(jī)電壓、電流信號，其實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

圖3 交流電氣輸出模塊圖

有兩種信號生成方法：

（1）通過液晶模塊提供的人機(jī)接口設(shè)置交流電氣量信號的參數(shù)，參數(shù)主要包括電氣量的幅值、角度、頻率、頻率變化率，然后依據(jù)下式計(jì)算輸出量：

（2）將RTDS系統(tǒng)仿真試驗(yàn)得到的離線數(shù)據(jù)通過回放形式輸出。離線仿真數(shù)據(jù)支持COMTRADE或其它格式。通過后臺軟件經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)下載給管理模塊，管理模塊再將這些數(shù)據(jù)分發(fā)給交流電氣量輸出模塊，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)的精度，該模塊可以直接將這些離線數(shù)據(jù)經(jīng)過幅值變化送入D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)化，也可以通過拉格朗日插值算法將數(shù)據(jù)進(jìn)一步提高精度，然后送入D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)化。RTDS或者電力系統(tǒng)的仿真軟件功能強(qiáng)大，仿真數(shù)據(jù)的正確性和精度都已經(jīng)得到了行業(yè)公認(rèn)，通過該方法輸出的電氣參數(shù)，既能真實(shí)的反應(yīng)機(jī)組運(yùn)行狀況，又兼顧方便試驗(yàn)，因此該方法的實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)中具有很重要的意義。

1.2 扭振信號輸出模塊

本測試裝置中,轉(zhuǎn)速信號的模擬產(chǎn)生也有兩種方法：

（1）通過液晶模塊提供的人機(jī)接口設(shè)置轉(zhuǎn)速脈沖信號參數(shù)，包括發(fā)電機(jī)大軸轉(zhuǎn)盤的齒數(shù)、用于產(chǎn)生扭振信號的模態(tài)的數(shù)目、頻率、幅值和幅值變化率。然后依據(jù)下式計(jì)算得到實(shí)時轉(zhuǎn)速值：

設(shè)置好參數(shù)后，按照設(shè)定的定時的步長進(jìn)行實(shí)時計(jì)算，得到實(shí)時的離散數(shù)值，最終以4～20mA信號、0～10V電壓信號或者脈沖載波信號的方式進(jìn)行輸出，如果采用4～20mA信號、0～10V電壓信號的形式輸出，則直接將計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，如果采用脈沖載波信號，則需要將計(jì)算好的數(shù)據(jù)進(jìn)一步去調(diào)制載波信號，然后再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，獲得脈沖載波信號，實(shí)現(xiàn)的原理如圖4所示。

圖4 扭振信號輸出模塊圖

（2）采用RTDS仿真試驗(yàn)得到離線數(shù)據(jù)，后臺軟件利用仿真數(shù)據(jù)，形成測試菜單項(xiàng)，試驗(yàn)時經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)下載給管理模塊，管理模塊再將這些數(shù)據(jù)分發(fā)給本模塊，由DSP處理這些數(shù)據(jù)獲得扭振信號。

1.3 同步模塊

同步模塊在裝置內(nèi)部提供同步脈沖信號，用于控制交流電氣量輸出模塊和扭振信號輸出模塊的同步輸出。同步模塊的存在保證了交流電氣量和扭振信號精準(zhǔn)同步，使得扭振測試裝置能更準(zhǔn)確的模擬發(fā)電機(jī)短路故障或次同步振蕩等情況下機(jī)組大軸的扭振狀態(tài)，從而更有利于扭振保護(hù)裝置的功能驗(yàn)證。

同步輸出模態(tài)數(shù)據(jù)的原理框圖如圖5所示。

太西無煙煤具有低灰、低硫、低磷、高化學(xué)活性、高固定碳含量、高鏡質(zhì)組含量、高發(fā)熱量、高機(jī)械強(qiáng)度、高導(dǎo)電性等特點(diǎn)，被國際上譽(yù)為“煤中之王”，是我國和世界的稀有煤種。經(jīng)深度降灰技術(shù)洗選加工后，可以得到灰分小于2%、其他指標(biāo)兼優(yōu)的超低灰純煤。利用太西無煙超低灰純煤生產(chǎn)的活性炭具有比表面積異常發(fā)達(dá)、微孔分布集中，且微孔直接暴露于表面，吸附路徑短、孔徑分布窄、有效吸附中心多、脫附速度快等特征，其質(zhì)量優(yōu)勢和價格優(yōu)勢是國內(nèi)其他同類煤種生產(chǎn)的活性炭所無法比擬的。本文主要介紹利用太西超低灰純煤為原料生產(chǎn)的凈水活性炭的孔結(jié)構(gòu)特征及其吸附性能。

圖5 同步輸出故障圖

2 扭振保護(hù)的測試過程

本裝置支持兩種方式的測試，一種是通過人機(jī)界面設(shè)定故障參數(shù)模擬常見的軸系扭振信號和電氣環(huán)境；另一種采用RTDS建立仿真模型，仿真出扭振信號和電氣環(huán)境參數(shù)等離線數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，這兩種過程有所區(qū)別。

2.1 人機(jī)界面菜單控制方式

人機(jī)界面控制方式提供快速簡便的試驗(yàn)?zāi)芰?，其扭振信號的模型參?shù)主要包括發(fā)電機(jī)大軸轉(zhuǎn)盤的齒數(shù)、用于產(chǎn)生扭振信號的模態(tài)的數(shù)目、頻率、幅值和幅值變化率等。其流程如圖6所示。

圖6 快捷菜單測試流程圖

2.2 RTDS離線仿真數(shù)據(jù)試驗(yàn)方式

利用RTDS試驗(yàn)仿真系統(tǒng)平臺構(gòu)建扭振保護(hù)的仿真驗(yàn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)產(chǎn)生軸系扭振，輸出含有扭振的轉(zhuǎn)速信號和發(fā)電機(jī)電氣量數(shù)據(jù)。完成仿真試驗(yàn)后，數(shù)據(jù)獲得后，將數(shù)據(jù)以設(shè)定的格式保存，利用該數(shù)據(jù)可在扭振保護(hù)測試裝置上進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)時通過后臺工具將仿真數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)下載到扭振保護(hù)測試裝置。扭振保護(hù)測試裝置把離線仿真數(shù)據(jù)中的參數(shù)進(jìn)行分類，分別下發(fā)給交流電氣輸出模塊和扭振信號輸出模塊。后臺下發(fā)輸出命令，扭振保護(hù)測試裝置調(diào)用同步模塊，同步輸出。整個仿真過程如圖7所示。

圖7 仿真測試流程圖

3 扭振轉(zhuǎn)速脈沖信號的產(chǎn)生

為實(shí)現(xiàn)模態(tài)發(fā)散保護(hù)和疲勞越限保護(hù)的功能測試，扭振保護(hù)測試裝置需具備扭振轉(zhuǎn)速信號的輸出能力。

扭振轉(zhuǎn)速信號，采用呈正弦波特征變化的模態(tài)信號作為調(diào)制信號，對穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)速脈沖信號進(jìn)行頻率調(diào)制（FM）得到。穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)速脈沖信號和發(fā)電機(jī)測速齒盤的齒數(shù)有關(guān)，例如發(fā)電機(jī)大軸測速齒盤的齒數(shù)為60,則穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)速脈沖頻率為3000Hz，其輸出的波形如圖8(a)所示。

扭振信號實(shí)時轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：

實(shí)時計(jì)算后產(chǎn)生的扭振信號的轉(zhuǎn)速變化如圖8(b)所示，對應(yīng)可以得到圖8(c)的輸出脈沖。在具體的工程應(yīng)用中，我們還可以對扭振轉(zhuǎn)速信號疊加某些噪聲信號，或者直接模擬丟失脈沖信號的某些情況，以考驗(yàn)扭振保護(hù)裝置的抗干擾能力，因此對扭振保護(hù)測試的性能和功能試驗(yàn)提供了很好的幫助。

圖8 扭振轉(zhuǎn)速信號產(chǎn)生圖

4 扭振保護(hù)測試裝置的工程應(yīng)用

扭振保護(hù)測試裝置解決了扭振保護(hù)工程調(diào)試中存在的實(shí)際問題，在威信電廠、哈密大南湖電廠、神華國華寧東電廠以及哥倫比亞某電廠的扭振保護(hù)裝置投運(yùn)過程中發(fā)揮了實(shí)際作用，為工程投運(yùn)的順利實(shí)施作出了貢獻(xiàn)，得到了用戶的好評。

在實(shí)際的測試中，我們利用示波器記錄了試驗(yàn)過程中的波形數(shù)據(jù)，如圖9所示：

圖9(a)是沒有發(fā)生扭振時的額定轉(zhuǎn)速信號，此波形頻率恒定故此時的波形圖穩(wěn)定無變化；圖9(b)是發(fā)生穩(wěn)態(tài)扭振時的轉(zhuǎn)速信號，該扭振信號的頻率在發(fā)生變化，可見信號波形以中心頻率振蕩變化；圖9(c)是發(fā)生發(fā)散扭振時的轉(zhuǎn)速信號，該扭振信號不僅頻率在發(fā)生變化，而且信號的振幅也在變化，可見微觀信號波形以中心頻率振蕩變化，而宏觀波形振幅有明顯變化。

(a) 額定轉(zhuǎn)速信號波形

(b) 穩(wěn)態(tài)扭振信號波形

(c) 發(fā)散扭振信號波形微觀圖

(d) 發(fā)散扭振信號波形宏觀圖

圖9 實(shí)際試驗(yàn)扭振信號波形圖

5 扭振保護(hù)測試裝置的優(yōu)勢和不足

本文所介紹的扭振保護(hù)測試裝置的優(yōu)點(diǎn)分析如下：

（1）解決了扭振保護(hù)裝置測試時缺少試驗(yàn)方法和儀器的問題，其設(shè)定扭振信號的方式更加貼近現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，并且和扭振保護(hù)裝置的功能相對應(yīng)，方便易用；

（2）可以利用RTDS仿真模型得到的離線數(shù)據(jù)形成測試菜單項(xiàng)，驗(yàn)證扭振保護(hù)的功能，將RTDS試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和測試儀的便攜性可靠結(jié)合，更加方便扭振保護(hù)裝置的功能測試；

（3）可以在扭振信號的模型基礎(chǔ)上，疊加一些噪聲信號或者直接模擬脈沖信號的丟失，以檢驗(yàn)扭振保護(hù)裝置的抗干擾能力；

扭振保護(hù)測試裝置也存在一些不足，所采用的疊加噪聲信號或者模擬脈沖信號丟失的情況，不一定適合現(xiàn)場的一些情況，而采用RTDS仿真數(shù)據(jù)的方式也僅僅是一種離線系統(tǒng)，不能支持現(xiàn)場多變的測試要求等。對于這些不足，我們將在后續(xù)的工作中結(jié)合實(shí)際的情況，給出更好的解決思路。

6 結(jié)語

本文在充分研究當(dāng)前扭振保護(hù)測試工作中存在的實(shí)際問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開發(fā)出了一種扭振保護(hù)測試裝置，其原理貼近工程實(shí)際，符合扭振的應(yīng)用場景，解決了扭振保護(hù)裝置測試手段缺乏的問題，在許多扭振保護(hù)裝置安裝的電廠工程中得到了應(yīng)用。工程實(shí)踐表明，該測試裝置所采用的試驗(yàn)方法，原理可靠，并貼近工程使用的實(shí)際情況，為扭振保護(hù)裝置運(yùn)檢、驗(yàn)收提供了有效的測試手段。

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The Research and Application of Shaft System Torsional Vibration Test

YAO Tingting, LI Xingjian, WANG Kai, ZHANG Qixue, PENG Xuejun, YU Zhe, DU Jun, CHEN Jun

(NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, China)

To test the turbo-generator torsional vibration protection device, except for injecting secondary current and voltage signals, generator speed impulse signal is also needed to simulate the NIUstatus of Subsynchronous Oscillation. Currently there is no dedicated testing tool and method for torsional vibration protection, so a torsional vibration protection testing device is developed, the device can output a certain steady-state or torsional vibration speed signal by configuring parameters or using the RTDS(Real Time Digital Simulator) simulation data, it also can synchronously simulate generator current and voltage to executing torsional vibration protection testing.

generator shaft system torsional vibration; SSO(Subsynchronous Oscillation); torsional vibration signal; torsional vibration protection

TM303.5

A

1000-3983(2018)05-0030-06

2017-10-18

姚婷婷（1980-），2004年07月畢業(yè)于南京理工大學(xué)動力學(xué)院，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動化，工程師。