带转子匝间短路故障运行的发电机运行控制系统及方法
阅读说明：本技术 带转子匝间短路故障运行的发电机运行控制系统及方法 (Generator operation control system and method with rotor inter-turn short circuit fault operation ) 是由 胡相余 王健 孟涛 王锐 阮柏松 陈涛 毛思锋 姜彤 张庆 陈功 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明属于汽轮发电机运行控制和发电机运行管理技术领域,是一种考虑带发电机转子匝间短路故障运行的发电机运行控制系统,包括：数据采集模块、数据分析处理模块、判断模块和绘图模块；数据采集模块,每过时间间隔T,获取汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；数据分析处理模块,利用获取的汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据,计算时间间隔T内发电机励磁电流变化率；用于当输出匝间短路运行状态故障信号时,得到不同的匝间短路后发电机P-Q曲线变化率μ＝{μ-(1),μ-(2),μ-(3),…,μ-(N)}；判断模块,对计算得到的每个发电机励磁电流变化率进行判断；绘图模块,根据比例缩小法,绘制缩小μ倍的带匝间短路故障运行的发电机运行极限图。(The invention belongs to the technical field of turbo generator operation control and generator operation management, and relates to a generator operation control system considering turn-to-turn short circuit fault operation of a rotor with a generator, which comprises the following components: the device comprises a data acquisition module, a data analysis processing module, a judgment module and a drawing module; the data acquisition module acquires excitation current data of an excitation winding when the turbonator operates at each time interval T; the data analysis processing module is used for calculating the change rate of the excitation current of the generator within a time interval T by using the obtained excitation current data of the excitation winding when the turbonator operates; the method is used for obtaining the P-Q curve change rate mu of the generator after different turn-to-turn short circuits when outputting the turn-to-turn short circuit operation state fault signal 1 ,μ 2 ,μ 3 ,…,μ N }; the judgment module is used for judging the change rate of the excitation current of each generator obtained through calculation; a drawing module for drawing according to a scaling methodAnd (4) making a generator operation limit diagram with mu-fold reduced operation with turn-to-turn short circuit faults.)
技术领域
本发明属于汽轮发电机运行控制和发电机运行管理技术领域，具体地说，涉及带转子匝间短路故障运行的发电机运行控制系统及方法。
背景技术
转子绕组匝间短路故障是汽轮发电机最常见的电气故障形式之一。短路匝数较少时，故障机组仍可以继续运行；但是，一旦短路匝数增多，转子可能会出现一点接地及两点接地故障，使发电厂必须停机，并进行检修，浪费大量人力物力，提高成本，降低汽轮发电机的工作效率。因此，对汽轮发电机的转子绕组匝间短路故障实行在线监测和在线诊断十分必要，对转子绕组匝间短路故障的快速、准确检测，可以缩短故障处理时间,降低停机成本。
近些年，对于汽轮发电机的转子绕组短路故障的诊断得到了快速发展，现有的控制方法总体上可以分为离线的检测方法和在线的检测方法两类。其中，在线的检测方法具有及时发现故障的特点，但是，由于诊断的灵敏度不高，普及率并不高，普适性差，且工作效率低。离线的检测方法尽管在停机状态下完成，可以有效排除各类干扰，检测可靠性较高，但是，由于离线的监测方法需要在停机的环境下才能进行，不能及时发现故障的弊病。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种带转子匝间短路故障运行的发电机运行控制方法，该方法提高了汽轮发电机转子绕组匝间短路故障在线诊断水平，并为汽轮发电机在产生带匝间短路故障时，提供在线控制方法，保证汽轮发电机的正常运行。
本发明提供了一种考虑带转子匝间短路故障运行的发电机运行控制系统，该系统包括：数据采集模块、数据分析处理模块、判断模块和绘图模块；
所述数据采集模块，用于每过时间间隔T，获取汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；其中，所述励磁电流数据包括励磁电流测量值；
所述数据分析处理模块，用于利用获取的汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据，计算时间间隔T内发电机励磁电流变化率；
还用于当输出匝间短路运行状态故障信号时，利用数据分析处理模块，计算不同的匝间短路百分比,并根据计算所得到的不同的匝间短路百分比，查阅发电机转子绕组短路匝数百分比P-Q运行极限变化率对照表，得到不同的匝间短路后发电机P-Q曲线变化率，记为μ＝{μ1,μ2,μ3,…,μN}；
所述判断模块，用于对计算得到的每个发电机励磁电流变化率进行判断；
如果计算得到的励磁电流变化率大于励磁电流偏差率设定值&，则输出匝间短路运行状态故障信号，并利用数据分析处理模块，计算不同的匝间短路百分比,并根据计算所得到的不同的匝间短路百分比，查阅发电机转子绕组短路匝数百分比P-Q运行极限变化率对照表，得到不同的匝间短路后发电机P-Q曲线变化率，记为μ＝{μ1,μ2,μ3,…,μN}；
如果计算得到的励磁电流变化率小于或等于励磁电流偏差率设定值&，则输出运行状态正常信号；
所述绘图模块，用于根据比例缩小法，绘制缩小μ倍的带匝间短路故障运行的发电机运行极限图。
作为上述技术方案的改进之一，所述系统还包括：故障处理模块，用于将短路匝数百分比作为匝间短路故障严重程度指标，根据匝间短路故障严重程度指标和绘制的缩小μ倍的带匝间短路故障运行的发电机运行极限图，实时在线处理匝间短路故障。
作为上述技术方案的改进之一，所述数据分析处理模块包括：读取单元、第一分析处理单元和第二分析处理单元；
所述读取单元，用于获取汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；
所述第一分析处理单元，用于根据获取的汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据，计算时间间隔T内发电机励磁电流变化率；
其中，an为时间间隔T内发电机励磁电流变化率；为Tn时刻汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；为Tn+1时刻汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；
所述第二分析处理单元，用于当输出匝间短路运行状态故障信号时，利用数据分析处理模块，计算匝间短路百分比k；
其中，ΔN为T时刻转子绕组发生匝间短路的匝数；N为转子绕组匝数；为T时刻汽轮发电机励磁绕组的励磁电流测量值；为汽轮发电机未发生匝间短路时励磁绕组的励磁电流测量值；
并根据计算所得到的不同的匝间短路百分比k＝{k1,k2,k3,…,kN}，查阅发电机转子绕组短路匝数百分比P-Q运行极限变化率对照表，得到不同的匝间短路后发电机P-Q曲线变化率，记为μ＝{μ1,μ2,μ3,…,μN}；其中，每一匝间短路百分比对应一个匝间短路后发电机P-Q曲线变化率。
作为上述技术方案的改进之一，所述时间间隔T为0.04s。
本发明还提供了一种带转子匝间短路故障运行的发电机运行控制方法，该方法包括：
步骤S1每过时间间隔T，利用数据采集模块，获取汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；其中，时间间隔T为0.04s；所述励磁电流数据包括：励磁电流测量值；
步骤S2通过数据分析处理模块，利用步骤S1获取的汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据，计算时间间隔T内发电机励磁电流变化率；
步骤S3利用判断模块，对计算得到的发电机励磁电流变化率进行判断；
如果计算得到的励磁电流变化率大于励磁电流偏差率设定值&，则输出匝间短路运行状态故障信号，并进行下一步骤S4；
如果计算得到的励磁电流变化率小于或等于励磁电流偏差率设定值&，则输出运行状态正常信号；
步骤S4当输出匝间短路运行状态故障信号时，利用数据分析处理模块，计算匝间短路百分比,并将该短路匝数百分比作为匝间短路故障严重程度指标；
步骤S5根据计算所得到的不同的匝间短路百分比，查阅发电机转子绕组短路匝数百分比P-Q运行极限变化率对照表，得到不同的匝间短路后发电机P-Q曲线变化率，记为μ＝{μ1,μ2,μ3,…,μN}；
步骤S6通过数据绘图模块，根据比例缩小法，生成缩小μ倍的带匝间短路故障运行的发电机运行极限图。
作为上述技术方案的改进之一，所述方法还包括：故障处理模块将短路匝数百分比作为匝间短路故障严重程度指标，根据匝间短路故障严重程度指标和绘制的缩小μ倍的带匝间短路故障运行的发电机运行极限图，实时在线处理匝间短路故障，保证发电厂正常运转。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤S2具体包括：
根据获取的汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据，计算时间间隔T内发电机励磁电流变化率；
其中，an为时间间隔T内发电机励磁电流变化率；为Tn时刻汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；为Tn+1时刻汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤S5具体包括：
当输出匝间短路运行状态故障信号时，利用数据分析处理模块，计算匝间短路百分比k；
其中，ΔN为T时刻转子绕组发生匝间短路的匝数；N为转子绕组匝数；为T时刻汽轮发电机励磁绕组的励磁电流测量值；为汽轮发电机未发生匝间短路时励磁绕组的励磁电流测量值；
并根据计算所得到的不同的匝间短路百分比k＝{k1,k2,k3,…,kN}，查阅发电机转子绕组短路匝数百分比P-Q运行极限变化率对照表，得到不同的匝间短路后发电机P-Q曲线变化率，记为μ＝{μ1,μ2,μ3,…,μN}。
本发明与现有技术相比效果是：
本发明的系统能够直观地看出发电机在运行时，每一个时刻的运行状态，是否有匝间短路故障，能够清楚地、准确地判断出发电机的各个时刻的运行状态；其诊断的灵敏度大大提高，普及率高，普适性好，且工作效率高，不必在停机的环境下进行，能够及时发现故障。
附图说明
图1是本发明的一种带转子匝间短路故障运行的发电机运行控制方法的流程图；
图2是图1的方法中绘制的匝间短路后发电机P-Q曲线图。
具体实施方式
现结合附图和实例对本发明作进一步的描述。
本发明提供了一种考虑带转子匝间短路故障运行的发电机运行控制系统，该系统包括：数据采集模块、数据分析处理模块、判断模块和绘图模块；
所述数据采集模块，用于每过时间间隔T，获取汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；
所述数据分析处理模块，用于利用获取的汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据，计算时间间隔T内发电机励磁电流变化率；
还用于当输出匝间短路运行状态故障信号时，利用数据分析处理模块，计算匝间短路百分比,并根据计算所得到的不同的匝间短路百分比，查阅发电机转子绕组短路匝数百分比P-Q运行极限变化率对照表，得到不同的匝间短路后发电机P-Q曲线变化率；
具体地，所述数据分析处理模块包括：读取单元、第一分析处理单元和第二分析处理单元；
所述读取单元，用于获取汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；
所述第一分析处理单元，用于根据获取的汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据，计算时间间隔T内发电机励磁电流变化率；
其中，an为时间间隔T内发电机励磁电流变化率；为Tn时刻汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；为Tn+1时刻汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；
所述第二分析处理单元，用于当输出匝间短路运行状态故障信号时，利用数据分析处理模块，计算匝间短路百分比k；
其中，ΔN为T时刻转子绕组发生匝间短路的匝数；N为转子绕组匝数；为T时刻汽轮发电机励磁绕组的励磁电流测量值；为汽轮发电机未发生匝间短路时励磁绕组的励磁电流测量值；
并根据计算所得到的不同的匝间短路百分比k＝{k1,k2,k3,…,kN}，查阅发电机转子绕组短路匝数百分比P-Q运行极限变化率对照表，得到不同的匝间短路后发电机P-Q曲线变化率，记为μ＝{μ1,μ2,μ3,…,μN}；其中，每一匝间短路百分比对应一个匝间短路后发电机P-Q曲线变化率。
所述判断模块，用于对计算得到的发电机励磁电流变化率进行判断；
如果计算得到的励磁电流变化率大于励磁电流偏差率设定值&，则输出匝间短路运行状态故障信号，并进行下一步骤S4；在本实施例中，&＝2％；
如果计算得到的励磁电流变化率小于或等于励磁电流偏差率设定值&，则输出运行状态正常信号；
所述绘图模块，用于根据比例缩小法，生成缩小μ倍的带匝间短路故障运行的发电机运行极限图。
所述系统还包括：故障处理模块，用于将短路匝数百分比作为匝间短路故障严重程度指标，根据匝间短路故障严重程度指标和绘制的缩小μ倍的带匝间短路故障运行的发电机运行极限图，实时在线处理匝间短路故障，保证发电厂正常运转。
如图1所示，本发明还提供了一种考虑带转子匝间短路故障运行的发电机运行控制方法，该方法包括：
步骤S1每过时间间隔T，利用数据采集模块，获取汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；其中，时间间隔T为0.04s；励磁电流数据包括：励磁电流测量值：
步骤S2通过数据分析处理模块，利用步骤S1获取的汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据，计算时间间隔T内发电机励磁电流变化率；
具体地，
其中，an为时间间隔T内发电机励磁电流变化率；为Tn时刻汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；为Tn+1时刻汽轮发电机运行时励磁绕组的励磁电流数据；
步骤S3利用判断模块，对计算得到的发电机励磁电流变化率进行判断；
如果计算得到的励磁电流变化率大于励磁电流偏差率设定值&，则输出匝间短路运行状态故障信号，并进行下一步骤S4；
如果计算得到的励磁电流变化率小于或等于励磁电流偏差率设定值&，则输出运行状态正常信号；
步骤S4当输出匝间短路运行状态故障信号时，利用数据分析处理模块，计算匝间短路百分比,并将该短路匝数百分比作为匝间短路故障严重程度指标；
步骤S5根据计算所得到的不同的匝间短路百分比，查阅发电机转子绕组短路匝数百分比P-Q运行极限变化率对照表，得到不同的匝间短路后发电机P-Q曲线变化率，记为μ＝{μ1,μ2,μ3,…,μN}；
具体地，当输出匝间短路运行状态故障信号时，利用数据分析处理模块，计算匝间短路百分比k；
其中，ΔN为T时刻转子绕组发生匝间短路的匝数；N为转子绕组匝数；为T时刻汽轮发电机励磁绕组的励磁电流测量值；为汽轮发电机未发生匝间短路时励磁绕组的励磁电流测量值；
并根据计算所得到的不同的匝间短路百分比k＝{k1,k2,k3,…,kN}，查阅发电机转子绕组短路匝数百分比P-Q运行极限变化率对照表，得到不同的匝间短路后发电机P-Q曲线变化率，记为μ＝{μ1,μ2,μ3,…,μN}。
该发电机转子绕组短路匝数百分比P-Q运行极限变化率对照表的获取过程具体如下：
步骤A利用励磁绕组的电抗与绕组匝数的平方成正比的关系,根据下式：
将上式转化为下式：
其中，xf为发生匝间短路前励磁绕组的电抗值；
通过上式，计算发生匝间短路后励磁绕组的电抗值
步骤B根据发电机直轴同步反应电抗计算公式，计算得到发电机直轴同步反应电抗xd：
其中，为已知的发电机参数励磁绕组漏抗；xδ为定子漏抗；
步骤C参见图2，根据公式
画出发电机运行时的电压电流相量图,将图中坐标轴数据放大倍,便可以得到发生匝间短路之后发电机新的运行极限图；该图为带匝间短路故障运行的发电机运行极限图；
其中，为发电机额定工作的空载电势，记为标幺值；为发电机机端电压；j为虚数单位；为发电机机端电流；
步骤D通过数据分析处理模块，按照公式
其中，为发电机实际工作的空载电势；
计算得到匝间短路后发电机P-Q曲线变化率.
通过数据分析处理装置按照上述步骤A～D，分别计算N匝绕组中短路匝数百分比为k匝时的发电机P-Q曲线变化率μ,将其制成表格，就得到发电机转子绕组短路匝数百分比P-Q运行极限变化率对照表。
即在有N匝绕组的发电机中，对照表通过以下步骤获得：
短路匝数为1时，通过上述步骤A、B、C、D过程，计算出此时P-Q曲线变化率为μ1.
短路匝数为2时，通过上述步骤A、B、C、D过程，计算出此时P-Q曲线变化率为μ2.
……
短路匝数为N时，通过上述步骤A、B、C、D过程，计算出此时P-Q曲线变化率为μN.
将短路匝数和计算出的P-Q曲线变化率μ一一对应便可以得到所述对照表。
步骤S6通过数据绘图模块，根据比例缩小法，生成缩小μ倍的带匝间短路故障运行的发电机运行极限图。
所述方法还包括：故障处理模块将短路匝数百分比作为匝间短路故障严重程度指标，根据匝间短路故障严重程度指标和绘制的缩小μ倍的带匝间短路故障运行的发电机运行极限图，实时在线处理匝间短路故障，保证发电厂正常运转。
参见图2，曲线AC为励磁绕组温升约束，通过O1C绕点O1旋转得到，曲线BC为定子电流温升约束，通过OC绕点O旋转得到，曲线CD为原动机功率约束，CD位置通过原动机最大功率得到，曲线DE为发电机稳定运行限制，通过稳定性运行计算得到。P和Q分别为有功功率和无功功率；
PQ运行极限图是机组稳态运行情况下有功功率和无功功率的关系曲线图，是分析发电机静态运行稳定性的工具之一，它用于表述机组某时刻的运行状态及各约束条件对运行点的影响。通过图2可以直观地看出发电机在运行时，每一个时刻的运行状态，是否有匝间短路故障，能够清楚地、准确地判断出发电机的各个时刻的运行状态。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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