阅读说明：本技术 一种水电机组振动的反时限保护方法 (Inverse time limit protection method for vibration of hydroelectric generating set ) 是由 张飞 潘伟峰 江献玉 孙尔军 秦俊 邓磊 于 2020-02-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种水电机组振动的反时限保护方法,包括：确定各个监测点启动振动保护的动作整定值,动作整定值同时适用于不同运行工况；获取运行状态下各个监测点的实时振动特征值；判断实时振动特征值是否连续在预设次数内大于振动启动量,当判断为是时,启动振动反时限保护,并计算实时振动特征值的累积值；比较累积值与预设数值,当累积值大于预设数值时,比较累积值与动作整定值,得到比较结果；根据比较结果对水电机组进行保护。通过将振动特征值与振动启动量比较,以及将大于振动启动量的情况下的累积值进行比较,两步比较相结合的方案,能够在工况频繁切换时提供有效保护,实现了对任意工况和任意工况切换过程中的振动保护。(The invention provides an inverse time limit protection method for vibration of a hydroelectric generating set, which comprises the following steps: determining an action setting value for starting vibration protection at each monitoring point, wherein the action setting value is simultaneously suitable for different operating conditions; acquiring real-time vibration characteristic values of each monitoring point in an operating state; judging whether the real-time vibration characteristic value is continuously greater than the vibration starting amount within preset times, starting vibration inverse time limit protection when the real-time vibration characteristic value is judged to be greater than the vibration starting amount, and calculating an accumulated value of the real-time vibration characteristic value; comparing the accumulated value with a preset value, and when the accumulated value is greater than the preset value, comparing the accumulated value with an action setting value to obtain a comparison result; and protecting the hydroelectric generating set according to the comparison result. Through comparing the vibration characteristic value with the vibration starting amount and comparing the accumulated value under the condition of being larger than the vibration starting amount, the scheme combining the two steps of comparison can provide effective protection when the working conditions are frequently switched, and the vibration protection in the switching process of any working condition and any working condition is realized.)

一种水电机组振动的反时限保护方法

技术领域

本发明涉及水电机组保护技术领域，尤其涉及一种水电机组振动的反时限 保护方法。

背景技术

目前，我国是世界上水电资源最为丰富的国家，截至2018年底，全国水 电装机容量达到了35226万千瓦，年发电量12329亿千瓦时，分别占全国电力 装机容量和年发电量的18.5％和17.6％。随着三峡、乌东德、白鹤滩等大型水 电站的投产运行，我国水电机组制造技术已逐渐从技术跟随向技术引领发展。 但是，在水电机组运行与维护技术方面，我国尚存在很大提升空间。因此，加 强水电机组运维技术研究是保障机组及电网安全稳定运行的基础，同时，对于 促进新能源消纳等也是重要的战略支撑。

目前，为保障水电机组安全稳定运行，状态检修技术已进入新的发展阶段， 水电机组普遍配置有状态监测系统对机组运行稳定性(振动、摆度、压力脉动 等)参数进行实时监测，通过比较特征监测值与报警阈值的关系以判断机组是 否出现异常，以便及时采取措施避免机组“带病”运行。然而，受限于水电机 组在电力系统中承担的功能不同，其运行方式也不同，对于抽水蓄能机组其工 况转换将更加频繁。因此，现有的振动保护系统普遍依赖于水电机组实际运行 的工况，且只能提供稳定运行工况下的机组振动异常保护，对于过渡过程工况 无法实现保护，给机组运维造成很大隐患。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种水电机组振动的反时限保护方法， 以解决现有的保护方法无法准确保护所有工况的问题。

基于上述目的，本发明提供了一种水电机组振动的反时限保护方法，所述 保护方法包括：

确定各个监测点启动振动保护的动作整定值，所述动作整定值同时适用于 不同运行工况；

获取运行状态下各个监测点的实时振动特征值；

判断所述实时振动特征值是否连续在预设次数内大于振动启动量，当判断 为是时，启动振动反时限保护，并计算实时振动特征值的累积值；

比较所述累积值与预设数值，当所述累积值大于预设数值时，比较累积值 与动作整定值，得到比较结果；

根据所述比较结果对所述水电机组进行保护。

在其中一个实施例中，所述确定各个监测点启动振动保护的动作整定值包 括：

获取不同运行工况下机组的历史振动特征值，所述运行工况包括稳定运行 过程和工况转换过程；

根据不同监测点的振动启动量，分别计算各个监测点的历史振动特征值的 积分常数，得到各个监测点的积分常数数组；

分别选取各个监测点的值最大的积分常数；

考虑可靠系数，并分别计算各个监测点振动保护的动作整定值。

在其中一个实施例中，所述动作整定值通过S_i＝k·S_maxi计算，其中，S_i为 各个监测点的动作整定值，k为可靠系数，S_maxi为对应监测点的最大积分常数， 所述可靠系数的值为1.1～1.5。

在其中一个实施例中，所述振动特征值的积分常数通过计算，其中，S′_act为振动特征值的积分常数，pu＝V/V_act，V为历史振动特征值， V_act为振动启动量，r为常数，Δt为实时振动特征值计算时间间隔。

在其中一个实施例中，所述累积值通过其中，S_act为实 时振动特征值的累积值，pu₁为实时振动特征值与振动启动量的比值，r为常 数，Δt₁为预设次数内的实时振动特征值时间间隔。

在其中一个实施例中，所述预设数值为0。

在其中一个实施例中，根据所述比较结果对所述水电机组进行保护包括：

当所述累积值大于或等于动作整定值时，水电机组振动保护系统跳机；

当所述累积值小于动作整定值时，返回获取运行状态下各个监测点的实时 振动特征值。

在其中一个实施例中，所述预设次数为两次或者两次以上。

在其中一个实施例中，所述预设次数为两次。

在其中一个实施例中，所述振动特征值包括振动特征的峰峰值或振动特征 的有效值，所述振动特征的峰峰值的计算包括：

确定待计算的数据；

将待计算的数据按数值大小排序；

确定上分位点对应的第一数值和下分位数点对应的第二数值；

计算第一数值和第二数值的差值，得到峰峰值。

从上面所述可以看出，本发明提供的反时限保护方法通过确定在不同工况 下都能适用的动作整定值，并实时获取振动特征值，当振动特征值连续大于振 动启动量预设次数后，启动振动反时限保护，进一步根据振动特征值的累积值 与预设数值和动作整定值的关系，对水电机组进行不同的保护。因此，本发明 的保护方法通过将振动特征值与振动启动量比较，以及将大于振动启动量的情 况下的累积值进行比较，两步比较相结合的方案，能够在工况频繁切换时提供 有效保护，从而实现了对任意工况和任意工况切换过程中的振动保护，提高了 振动保护方法的通用性和安全性。具有简单、便捷，可靠性高和灵敏度好等效 果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的水电机组振动的反时限保护方法的流程图；

图2为本发明实施例的反时限保护曲线的示意图；

图3为本发明实施例的确定各个监测点启动振动保护的动作整定值的流 程图；

图4为本发明实施例的峰峰值的常规计算示意图；

图5为本发明实施例的峰峰值的双侧分位数法计算示意图；

图6为本发明实施例的某机组在示例工况下的水导摆度峰峰值特征示意 图；

图7为本发明实施例的水电机组振动的反时限保护方法的具体流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例， 并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术 语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中 使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性， 而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该 词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而 不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的 或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、 “下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变 后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

水电机组运行具有典型的断续工作制特征，根据电网运行情况，调度对机 组的运行掌控具有明显的周期性特征。这种特征主要表现在：电网负荷高峰期 (上午、下午与晚上)进行发电，负荷低谷期(凌晨)停机，对于抽水蓄能电 站则在负荷低谷期进行抽水。抽水运行时间通常在6～8小时，而每次发电的时 间在2～3个小时。因此很多水电机组具有频繁启停的特性，而在每一次启机至 负荷调整完毕后，通常要经过半小时至一个小时的振动峰峰值稳定时间。以稳 定发电工况为例，稳定工况定义为机组负荷调整稳定、叶开度基本恒定的状态。 稳定工况主要是指负荷稳定，此时的瓦温、油温、风温、水温等表征润滑、冷 却系统状态的参数并不必然稳定。随着机组长时间的运行，一般而言超过一个 小时后，温度参数能够达到稳定(一小时温差变化小于2K)。温度参数稳定后， 振动特征值亦达到稳定状态，在此过程过程中振动峰峰值与时间大致成反时限 关系，即在负荷调整完毕时开始，振动峰峰值较大，而当润滑、冷却介质温度 恒定后，振动峰峰值较小，且趋于稳定，振动峰峰值呈收敛特性，而这是阈值 报警策略所不能反映的。

本申请的发明人在长期的振动保护工作中发现，机组在实际运行中，目前 的振动保护系统虽实现了针对不同运行工况设置不同的报警值，然后受限于运 行工况的复杂性，报警阈值通常根据运行工况设置为多个数值，造成振动保护 系统参数设置复杂且不可靠。越高限阈值报警仅能在稳定运行工况时有效，考 虑到实际运行机组在不同的工况点上运行(水头不同、负荷不同)，因此很多 电站给出了依赖于运行工况点的振动报警策略。这导致了报警策略复杂化。同 时，机组的工况切换通常较为频繁，如：对于调峰调频机组，其负荷调整范围 大且频繁启动，机组工况转换过程频繁(停机至发电带负荷、带负荷至停机等)， 该转换的频繁性在抽水蓄能机组中更加显著，使得过渡过程工况下报警复杂且 可靠性低。

本申请发明人提出一种能够同时对稳定运行工况和过渡过程的工况均有 效保护的方法。该方法根据振动的累积量参数对机组进行保护，该参数按躲过 机组正常运行条件可能发生的最大机组振动累积量进行整定。该方法简单、便 捷，能够解决传统上水电机组分工况多参数保护、以及过渡工况下保护缺失的 问题，且该方法可靠性高、灵敏度好，能够实现水电机组振动的有效保护。

请参阅图1，为本发明实施例提供的水电机组振动的反时限保护方法，所 述保护方法包括：

S100，确定各个监测点启动振动保护的动作整定值，所述动作整定值同时 适用于不同运行工况；

S200，获取运行状态下各个监测点的实时振动特征值；

S300，判断所述实时振动特征值是否连续在预设次数内越限，当判断为是 时，启动振动反时限保护，并计算实时振动特征值的累积值；

S400，比较所述累积值与预设数值，当所述累积值大于预设数值时，比较 累积值与动作整定值，得到比较结果；

S500，根据所述比较结果对所述水电机组进行保护。

本发明通过确定在不同工况下都能适用的动作整定值，并实时获取振动特 征值，当振动特征值连续大于振动启动量预设次数后，启动振动反时限保护， 进一步根据振动特征值的累积值与预设数值和动作整定值的关系，对水电机组 进行不同的保护。因此，本发明的保护方法通过将振动特征值与振动启动量比 较，以及将大于振动启动量的情况下的累积值进行比较，两步比较相结合的方 案，能够在工况频繁切换时提供有效保护，从而实现了对任意工况和任意工况 切换过程中的振动保护，提高了振动保护方法的通用性和安全性。具有简单、 便捷，可靠性高和灵敏度好等效果。

步骤S100中，动作整定值根据反时限保护所确定。反时限保护的概念是： 被保护设备故障时，故障电流越大，继电保护设备的延时越小。即：动作电流 与动作时间成反比。典型的反时限保护曲线见图2所示。以电流为例，图中I_oph和I_opl分别表示定上限动作电流和下限启动电流，t_up和t_s分别表示上限动作延 时和下限动作延时。

请参阅图3，所述确定各个监测点启动振动保护的动作整定值包括：

S110，获取不同运行工况下机组的历史振动特征值，所述运行工况包括稳 定运行过程和工况转换过程；

S120，根据不同监测点的振动启动量，分别计算各个监测点的振动特征值 的积分常数，得到各个监测点的积分常数数组；

S130，分别选取各个监测点的最大积分常数；

S140，考虑可靠系数，并计算各个监测点振动保护的动作整定值。

步骤S110中，不同运行工况包括水电机组静止工况、空载无励变转速工况、 空载额定转速变励磁工况、发电机并网带负荷工况或发电机并网调相运行工况 等。振动特征值为不同工况下的正常数值，包括振动特征的峰值、峰峰值、有 效值、平均值、基波幅值、2次谐波幅值或者1/2次谐波幅值等，例如可以为 速度有效值、速度峰峰值、位移峰峰值和加速度峰峰值等。

具体地，峰峰值的计算是一组统计数据中最大值与最小值的差值，反映了 数据的变化范围，通过双侧分位数法计算。包括：确定待计算的数据；将待计 算的数据按数值大小排序；确定上分位点对应的第一数值和下分位数点对应的 第二数值；计算第一数值和第二数值的差值，得到峰峰值。

通过获取稳定运行工况和工况转换过程中的机组的历史振动特征值，能够 全面准确的获取不同监测点的振动特征值的正常数据范围，提高后续动作整定 值的可靠性。

步骤S120中，振动启动量可以理解为，振动保护启动的阈值，当实时振 动特征值大于该值时，保护装置将启动，反时限开始计时。振动保护启动的阈 值可以采用具体的振动特征值的国标中推荐的数值或者主机设计制造厂家推 荐的数值。例如，对于振动峰峰值这一振动特征值，可以参考GB/T32584-2016 附录B中B/C区分界线、GB/T 11348.5-2002图A1中C/D区的分界线或者主 机设计制造厂家推荐的数值。

所述振动特征值的积分常数通过式计算。在该式中，S′_act为振动特征值的积分常数。pu＝V/V_act，V为历史振动特征值，V_act为振动启动 量。r为常数，可以为0～2，用于表征反时限的特性，例如常规的反时限特性 (r＝0.02)、甚反时限特性(r＝1)和高度反时限特性(r＝2)。不同的特性分别 适用于不同的场景，在实际应用时根据具体的需求选择r的具体取值。Δt为实 时振动特征值计算时间间隔。

在该步骤中，由于振动特征值包含多种稳定运行工况和多种稳定运行工况 之间切换过程数值，即工况数为稳定运行工况数量和工况切换过程数量的和。 因此，每个监测点振动特征值的积分常数是一个积分常数数组，该数组中积分 常数数量即为稳定工况数量和工况切换过程数量的和值。

步骤S130中，各个监测点的最大积分常数指的是，自积分常数数组中选 择数值最大的积分常数，作为考虑所有工况后相应测点的最大积分常数。每个 监测点分别对应一个最大积分常数。

步骤S140中，各个监测点振动保护的动作整定值分别通过式S_i＝k·S_maxi计算，其中，S_i为各个监测点的动作整定值，k为可靠系数，S_maxi为对应监测 点的最大积分常数。所述动作整定值能够躲过水电机组正常运行工况下可能发 生的最大振动累积量，能够提供正常工况和工况切换过程的全面保护。

所述可靠系数的值根据经验设定，宜设置为1.1～1.5。将可靠系数的值设 定为大于1，能够使动作整定值可靠的躲过正常工况(稳定运行工况和正常工 况转换过程)监测时计算出的振动特征值累积，能够尽量平衡振动保护误动和 振动保护拒动，使不该动作的继电器及时返回，使正常运行的部分系统不被切 除。

步骤S200中，可以通过内置于各种不同的状态监测系统、监测与数据采 集系统等中的装置，例如传感器检测实时振动特征值。数据采集的具体方法和 装置较为已知，此处不再赘述。

步骤S300中，预设次数可以为两次或者两次以上。将预设次数设置为两 次或者两次以上，能够尽可能降低在实际振动特征值监测过程中，振动特征值 越限振动启动量的随机性带来的干扰，避免保护装置误动，使保护装置能够准 确启动，增加保护的可靠性。

较佳地，预设次数设置为两次，能够使保护装置的灵敏性和准确性均为良 好。

反时限保护的定义与前述的步骤S100中相同，此处不再赘述。

所述实时振动特征值的累积值通过式其中，S_act为 实时振动特征值的累积值，pu₁为实时振动特征值与振动启动量的比值，r为 常数，Δt₁为预设次数内的实时振动特征值时间间隔。

应当说明的是，如果判断得到实时振动特征值没有连续在预设次数内越 限，则返回至步骤S200中，继续获取运行状态下各个监测点的实时振动特征 值。

步骤S400中，预设数值可以设置为0。

应当说明的是，当累积值小于预设数值时，复归保护，并返回步骤S200 中。复归保护的具体含义是指，累积值小于预设数值后，实时振动特征值会快 速降低，并恢复至正常水平。

当累积值大于预设数值时，进一步比较累积值与动作整定值，再根据比较 结果，进行下一步的保护操作。

通过两次比较，即累积值与预设数值和动作整定值的比较，先判断累积值 大于预设数值后，再进行下一步比较，可以更好的降低由于振动随机性造成的 干扰，提高保护的可靠性和准确性。

步骤S500中，根据所述比较结果对所述水电机组进行保护包括：

当所述累积值大于或等于动作整定值时，水电机组振动保护系统跳机；

当所述累积值小于动作整定值时，返回获取运行状态下各个监测点的实时 振动特征值。

当且仅当，累积值大于或等于动作整定值时，才使振动保护系统跳机，能 够进一步提高保护的可靠性和有效性，降低运行状态不稳定时误判的几率。

应当说明的是，当机组处于运行状态时，该步骤中存在累积值大于零，但 是长时间不能达到动作限定值的情况。此时，振动保护系统处于启动状态，仍 可以稳定运行，这一状态可以称为临界状态。

以下以抽水蓄能电站旋转部件振动水导轴承位置处摆度信号(水导摆度) 为例进行说明，振动特征值即水导摆度特征值为峰峰值，设定机组振动测点有 M个，其中的某个测点为第m个测点。

如图4和图5所示，为峰峰值的具体计算过程，当分位数为2.5％时，具 体计算过程如下：⑴确定计算时段内数据{x₁,x₂,…,x_n}；⑵将时段内数据依次 排序(由大到小或由小到大){y₁,y₂,…,y_n}；⑶确定上分位点和下分位数点对 应的数值y_α/2、y_1-α/2；⑷计算|y_α/2-y_1-α/2|的值作为峰峰值。采用双侧分位数法计 算，能够克服信号中包含的不同程度的噪声，尤其是冲击噪声对数据的准确性 造成的影响，具有优良的准确性。

如图7，动作整定值确定包括：(1)获得机组不同工况下的振动特性， 振动特征为水导摆度峰峰值。某机组在示例工况下的水导摆度峰峰值见图6 所示。

⑵根据不同测点振动阈值，获得积分常数。在本步骤中需要根据公式确定积分数值，需要首先确定pu值的基准值V_act，即水导摆 度峰峰值的基准值。V_act这一基准值可以采用GB/T 32584-2016附录B中B/C 区分界线、GB/T 11348.5-2002图A1中C/D区的分界线或者主机设计制造厂 家推荐的数值，本示例选定该数值为200μm。

根据图6，发电带负荷过程中的起始阶段水导摆度峰峰值大于200μm，此 时根据公式计算出的积分常数数值为正，从起始时刻开始积 分常数数值将逐渐增大，而当负荷稳定后，振动数值远小于200μm，积分常数 数值将减小，迅速变为负值。根据图2中反时限的定义，只有当保护量大于启 动量时，保护装置才启动，此含义即：当水导摆度峰峰值大于200μm时才进 行积分。按这一动作逻辑：当该式中的幂指数为0.5时，即r＝0.5时，发电带 负荷工况和抽水调相转抽水两个工况下水导摆度峰峰值的积分值为： S_act1＝7.49、S_act2＝9.58。按照类似计算方式，可以得到多个过程的水导摆度峰峰 值的积分值序列，为S_m＝{S_act1，S_act1，...，S_actN}，其中N为过渡过程的数量。 按照类似方式，对于M个测点可以得到M个一维数组。

⑶获得相应测点的最大积分常数。对不同测点按照步骤⑵可以获得每个 测点不同工况下的一系列积分常数值数组，其中每个测点对应一个积分常数值 数组。取每个相应测点所对应的数组中的最大值，该值即为考虑所有工况后相 应测点的最大积分常数。对水导摆度示例，取max{S_m}，即max{S_act1，S_act1，...， S_actN}＝S_actx，该值S_actx即为水导摆度的最大积分常数。对M个测点，分别有相 应的最大积分常数{S_max1，S_max2，...，S_maxM}。

⑷考虑可靠系数获得不同测点整定值。考虑一定的可靠系数k(k>1)， 将每个测点对应的S_maxi乘以可靠系数k，得到相应测点的整定值S_i＝k·S_maxi，该 值即为相应测点水导摆度峰峰值的动作整定值，该值能够躲过水电机组正常运 行工况下可能发生的最大振动累积量。

监视与动作流程如下：

(5)运行状态下振动监测系统实时采集水导摆度峰峰值数据。

(6)判断振动值是否连续两次越限。

(7)启动振动反时限保护，计算累积值。该步骤中，当某个测点水导摆度 峰峰值连续越限两次，保护装置或程序一旦启动后，则根据公式 计算累积值。

(8)一旦保护装置或程序启动，对于超过限值V_act的通道，累积值计算后， 将存在某个累积值计算结果，当：累积值小于零时，复归保护；该步骤含义是， 振动越限后很快降低，恢复至正常水平。当累积值大于零，并达到反时限定值， 监测与振动保护系统出口跳机，完成振动保护功能。

本发明实施例提供的水电机组振动的反时限保护方法，能够通过统计水电 机组振动监测点在不同工况下的历史振动特征值；并根据历史振动特征值获得 相应监测点的最大积分常数以及动作整定值；通过监测实时振动特征值是否越 限启动振动保护装置，计算实时振动特征值的累积值，通过实时比较该累积值 是否大于零，以及是否大于保护定值确定保护的流程方向，当累积值小于零时 复归保护系统，当累积值大于零且大于动作整定值时保护出口动作，使保护系 统出口跳机。能够有效提高工况频繁切换机组的运行状态较为恶化时，保护的 可靠性和有效性，同时也能提高稳定运行工况时保护的可靠性和有效性。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的 范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实 施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过 程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施 方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性 的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明 的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步 骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变 化，为了简明它们没有在细节中提供。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面 的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是 显而易见的。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样 的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、 修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。