阅读说明：本技术 一种水轮发电机组在线状态监测系统现场校验装置和方法 (On-site calibration device and method for online state monitoring system of hydroelectric generating set ) 是由 蒋致乐 郑凯 薛晨 易瑞吉 刘旻 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种水轮发电机组在线状态监测系统现场校验装置,包括信号发生单元、信号调制单元和信号转换单元,所述信号发生单元包括单片集成函数发生器和宽频带直流功放电路,所述单片集成函数发生器与宽频带直流功放电路连接,宽频带直流功放电路与信号调制单元连接,所述信号调制单元与信号转换单元连接,所述信号转换单元输出电压信号和电流信号；本发明在不拆卸机组在线状态监测系统的前提下,通过现场校验装置,模拟各型传感器的信号特性,输出调制过的电压/电流信号,采用标准的步骤和方法,现场校验在线状态监测系统的核心设备各通道信号采集的准确性,以及软件的幅频分析功能和报警逻辑。(The invention relates to a field calibration device of an online state monitoring system of a water turbine generator set, which comprises a signal generating unit, a signal modulation unit and a signal conversion unit, wherein the signal generating unit comprises a single-chip integration function generator and a broadband direct current power amplifier circuit; the invention simulates the signal characteristics of various sensors and outputs modulated voltage/current signals through a field calibration device on the premise of not disassembling the unit online state monitoring system, and adopts standard steps and methods to carry out field calibration on the accuracy of signal acquisition of each channel of core equipment of the online state monitoring system, and the amplitude-frequency analysis function and the alarm logic of software.)

一种水轮发电机组在线状态监测系统现场校验装置和方法

技术领域

本发明涉及一种水轮发电机组在线状态监测系统现场校验装置和方法，属于水轮发电机组在线状态监测技术领域。

背景技术

水轮发电机组在线状态监测系统是实时在线监视水轮发电机组各部位运行状态的监测装置。其主要的监测数据为机组的摆度、振动、压力脉动，包括部分工况参数，部分工况参数由其他监控设备提供，主要为4～20mA的电流信号，作为运行分析的参考值。该系统作为水电站机组的监测设备，一般安装在发电机层的屏柜内。目前对该系统的校验，仅进行传感器的校验，因拆卸、运输困难，现场校验工作尚未覆盖到该系统的核心硬件设备-数据采集器，其次，系统软件的幅频分析是判断机组工况最重要的手段，厂家出厂检验采用的标准信号仅是恒定的电流信号和单一频率的电压信号，与实际水轮发电机组的稳定性信号偏差较大，软件幅频分析功能的校验工作有所欠缺。综上所述，因缺少合适的现场校验装置和方法，当机组运行状态发生异常时，不能迅速判断在线状态监测系统提供的数据是否准确、可靠，影响电厂运行人员对机组故障的分析和判断。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种在不拆卸机组在线状态监测系统的前提下，进行现场校验的装置和方法。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种水轮发电机组在线状态监测系统现场校验装置，包括信号发生单元、信号调制单元和信号转换单元，所述信号发生单元包括单片集成函数发生器和宽频带直流功放电路，所述单片集成函数发生器与宽频带直流功放电路连接，宽频带直流功放电路与信号调制单元连接，所述信号调制单元与信号转换单元连接，所述信号转换单元输出电压信号和电流信号。

对上述技术方案的进一步设计为：所述信号发生单元还包括选择门，所述宽频带直流功放电路与选择门连接，所述选择门与三路加法器连接。

所述选择门分别输出不带波形信号和波形信号，所述不带波形信号作为校验信号输出，所述波形信号输出至信号调制单元。

所述信号调制单元包括三路加法器，所述选择门与三路加法器连接。

所述三路加法器设有三个输入端，三个输入端分别与一信号发生单元连接。

所述信号转换单元包括信号转换器，所述三路加法器输出端与信号转换器连接。

所述信号调制单元还包括稳压电源，所述稳压电源与三路加法器连接；所述信号发生单元还包括电源模块，所述电源模块与宽频带直流功放电路连接。

所述单片集成函数发生器采用MAX038型芯片。所述单片集成函数发生器输出频率范围在0.1~20MHz之间，输出波形的峰值为±2V。

一种水轮发电机组在线状态监测系统现场校验方法，包括如下步骤：

步骤一、拆除水轮发电机组在线状态监测系统的传感器输入信号线，将现场校验装置输出信号与监测系统连接并作为监测系统的输入信号；

步骤二、采用现场校验装置输出带偏值电压V₀的正弦波信号，信号的振幅电压为V_p-p，记录监测系统的采集电压值与输入电压值之间的偏差，校验监测系统的幅值分析功能；

采用现场校验装置调制不同频率和不同V_p-p的合成信号，记录系统频谱分析后各分量的频率值和幅值，与输入值进行对比，校验系统的频谱分析功能；

采用现场校验装置输出方波信号，并逐步增加占空比，模拟机组齿盘波形，校验监测系统的转速测试精度；

步骤三、采用现场校验装置输出电流值I，记录系统的采集电流值与输入电流值的偏差，校验电流通道的测试精度；

采用现场校验装置输出带偏值电流I₀的正弦波信号，信号的振幅为I_p-p，记录监测系统的采集电流值与输入电流值的偏差，校验监测系统的幅值分析功能；

采用现场校验装置调制不同频率和不同I_p-p的合成信号，记录监测系统频谱分析后各分量的频率值和幅值，与输入值进行对比，校验系统的频谱分析功能；

步骤四、重复步骤二和三，并逐渐增加V_p-p和I_P-P值，直到幅值响应达到和超过系统设定的报警值，记录报警时的输入值与设定值的偏差，校验监测系统的报警功能；

步骤五、拆除现场校验装置与监测系统的连接。

对上述方法的进一步设计为：所述步骤二中输出正弦波信号的振幅电压V_p-p不少于3组；

步骤三中，输出的电流值I在4~20mA之间，且不少于8组；输出正弦波信号的振幅I_p-p不少于3组。

本发明技术方案与现有技术相比具有的有益效果为：

本发明在不拆卸机组在线状态监测系统的前提下，设计了一套适合水轮发电机组在线状态监测系统特性的现场校验装置，能够模拟各型传感器的信号特性，输出调制过的电压/电流信号，采用标准的步骤和方法，现场校验在线状态监测系统的核心设备各通道信号采集的准确性，以及软件的幅频分析功能和报警逻辑，从而解决了水轮发电机组在线状态监测系统现场校验的问题。

本发明装置中信号发生单元中采用的单片集成函数发生器采用MAX038型单片机，注重满足0.5Hz～50Hz低频输出信号的精度，与水轮发电机组主要是低频振动的特性一致。信号调制单元最多能输出三路信号的矢量和信号，模拟水轮发电机组振动的多分量特性。信号调制单元输入和输出信号保持精度、频率一致。信号转换单元将调制过的电压信号转换为电流信号，校验在线状态监测系统的电流通道。

本发明装置结构简单，操作方便。

附图说明

图1为本发明现场校验装置原理图；

图2为本发明信号调制单元电路图；

图3为本发明现场校验方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，本实施例的水轮发电机组在线监测系统现场校验装置，包括依次连接的信号发生单元、信号调制单元和信号转换单元。

本实施例中信号发生单元采用成熟的函数信号发生器，为适应水轮发电机组的频率特点，尤其注重信号的低频特性，本实施例中该单元的核心采用单片集成函数发生器，并选用MAX038型芯片，该芯片内部提供2.5V基准电压和一个外接电阻和电容，可以控制输出频率范围在0.1~20MHz之间，通过设定正弦波或方波输出，因所有波形输出的峰峰值为±2V。本实施例中信号发生单元还包括宽频带直流功放电路和选择门，单片集成函数发生器输出的信号经过宽频带直流功放电路，经运算后，通过选择门，选择门输出的不带波形信号直接作为校验信号输出，带波形信号输出至信号调制单元。

如图2所示，信号调制单元主要由运放器、激励电源组成，其实质是一个加法器。该加法器可接收3路信号发生单元发送的V_p-p、V₀信号，经运算放大单元，同相或反相输出，信号放大系数由R决定，输出电压V_out为输入电压的矢量和。信号调制单元的输出可直接作为电压通道的校验信号，在进行电流通道校验时，信号调制单元的输出作为信号转换单元的输入信号进入信号转换单元。

由于信号发生单元仅能输出电压信号，而在线状态监测系统电流通道需要I_p-p、I₀信号，所以本实施例设置信号转换单元，将V_p-p、V₀转换为I_p-p、I₀，信号转换单元包括信号转换器，主要由可调电位器和电源组成。其核心是可调电位器，通过改变电位器的阻抗，在满足功耗和信号不失真的情况下，将电压信号转换为电流信号，输出的电流信号作为电流通道的校验信号。

如图3所示，现场校验实施方案如下：

（1）校验设备准备。检查现场校验装置的电源，手动输入信号，用高精度示波器采集输出信号，与设定信号进行对比，保证现场校验装置输出信号的精度；重新整定在线状态监测系统的通道参数，将通道率定为与输入信号一致，便于记录分析。

（2）接线。拆除在线状态监测系统的传感器输入信号线，将现场校验装置输出信号作为系统的输入信号，该步骤注意电压和电流接线的区别。

（3）电压通道校验

3.1 采用现场校验装置输出带偏值电压的正弦波信号，信号的偏值电压V₀和振幅电压V_p-p可根据系统选用的传感器型式而定，如采用电涡流位移传感器，偏值电压V₀一般选取为-10V（中间值），振幅电压V_p-p不少于3组，记录系统的采集电压值与输入电压值的偏差，校验系统的幅值分析功能。

3.2采用现场校验装置调制的不同频率和不同V_p-p的合成信号，合成信号的频率成分至少应包含转频、低频、倍频的组合，合成信号各分量的V_p-p电压范围应包含该监测系统主要的应用区间，记录系统频谱分析后各分量的频率值和幅值，与输入值进行对比，校验系统的频谱分析功能。

3.3校验主要采集振动信号的电压通道。该步骤与步骤3.1和3.2基本一致，差别在于正弦波电压信号可不加偏值。

3.4校验采集转速的电压通道。用现场校验装置输出的方波信号，逐步增加占空比，模拟机组齿盘波形，校验系统的转速测试精度。

（4）校验采集压力脉动、工况参数的电流通道。

4.1采用采用现场校验装置输出电流值I₀，电流值I₀在4~20mA之间选取，不少于8组，记录系统的采集电流值与输入电流值的偏差，校验电流通道的测试精度。

4.2采用现场校验装置输出带偏值电流正弦波信号，信号的偏值电流I₀和振幅I_p-p可根据系统选用的传感器型式而定，振幅I_p-p不少于3组，记录系统的采集电流值与输入电流值的偏差，校验系统的幅值分析功能。

4.3采用现场校验装置调制的不同频率和不同I_p-p的合成信号，合成信号的频率成分至少应包含转频、低频、倍频的组合，合成信号各分量的I_p-p电压范围应包含该系统主要的应用区间，记录系统频谱分析后各分量的频率值和幅值，与输入值进行对比，校验系统的频谱分析功能。

（5）重复步骤（3）和（4），并逐渐增加V_p-p和I_P-P值，直到幅值响应达到和超过系统设定的报警值，记录报警时的输入值与设定值的偏差，校验系统的报警功能。

（6）数据记录，生成报告，然后拆除现场校验装置与监测系统的连接。

本实施例方法将在线状态监测系统作为一个有机联系的整体，校验的内容包括硬件部分的信号采集，也包括软件部分的功能分析；并针对采集不同类型稳定性参数的信号通道，提出了与之相适应的校验方法。本实施例方法将转速测量纳入了校验内容，并设计了与之相适应的校验方法。

本实施例方法采用的合成信号根据水轮发电机组稳定性参数多分量的频谱特点设置，采用的合成信号能构模拟机组稳定性参数，校验在线状态监测系统软件部分对于复杂信号的分析功能，尤其是频谱分析功能。

常规的电流通道校验，仅进行平均值的精度校验，对于测试压力脉动的通道来说，存在较大的缺陷，本方法在平均值的测试精度校验基础上，增加了其幅值和频谱分析功能的校验。

本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。