發電機軸系扭振模擬測試裝置的研制及應用

姚婷婷，李興建，王 凱，張琦雪，彭學軍，于 哲，篤 峻，陳 俊

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發電機軸系扭振模擬測試裝置的研制及應用

姚婷婷，李興建，王 凱，張琦雪，彭學軍，于 哲，篤 峻，陳 俊

（南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100）

汽輪發電機扭振保護裝置的測試，除施加二次電流、電壓信號以外，還需要發電機轉速脈沖信號,模擬出次同步振蕩時的場景。針對扭振保護專用測試工具和方法欠缺的行業現狀，本文研制了一種扭振保護測試裝置，既能夠依據設定參數輸出特定穩態或扭振轉速信號，也可以利用RTDS的仿真數據輸出轉速信號，并可同步模擬發電機電流電壓進行扭振保護測試。

發電機軸系扭振；次同步振蕩；扭振信號；扭振保護

0 前言

國內外理論研究與工程實踐表明，在長距離輸電的系統中，如果存在電容串補或者高壓直流輸電，則電網系統可能發生次同步振蕩，當電力系統的次同步振蕩頻率與發電機組軸系的固有扭振頻率互補時，在機網交互作用下，機組軸系將處于扭振狀態，進而產生疲勞損耗，影響轉子的機械性能和壽命，嚴重時可導致大軸產生裂紋、損傷，甚至螺栓剪斷、大軸斷裂。因此，專門針對次同步振蕩導致的大型火電、核電等機組的軸系扭振進行監測和保護的扭振保護裝置得到日益廣泛的應用[1-4]。

扭振保護裝置測量發電機大軸的轉速信號，監測大軸扭振情況，實現扭振發散保護和疲勞越限保護，是保障機組設備安全運行的最后一道防線，其經典的部署如圖1所示，從圖中可見扭振保護裝置采集的信號不僅有電氣量信號，還有轉速信號，而常見的繼電保護測試儀僅能輸出電氣量信號。因此扭振保護裝置的測試需要有專門的試驗設備或試驗方法。

圖1 扭振保護裝置典型部署圖

扭振保護裝置測試目前主要有以下兩種方法：

（1）通過RTDS試驗仿真系統進行仿真驗證。通過RTDS建立數字動模系統，由軸系模型、發電機模型、勵磁模型（含PSS模型）、調速器模型、輸電系統模型（包含串補或高壓直流輸電系統）共同構成一個模擬仿真系統。該系統產生機組電氣量信號和軸系扭振信號，用于測試扭振保護裝置，該測試方法可真實模擬次同步振蕩和軸系扭振，是扭振保護裝置的最佳試驗方法，但是該方法僅適用于研發階段和原理驗證，不能用于生產和工程調試[5-6]。

（2）使用波形/函數信號發生器模擬轉速信號，并結合繼電保護測試儀輸出的電氣量信號，對扭振保護裝置進行測試。該試驗方法存在諸多缺陷：針對于非扭振保護的應用場合，波形/函數信號發生器無法輸出包含多個模態的扭振轉速信號；無法控制輸出模態分量幅值隨時間變化的信號；無法同時輸出多組轉速信號，繼電保護測試儀和波形/函數信號發生器也無法進行同步等等。因此，這種試驗方法僅能實現部分功能測試工作，而且該試驗方法與保護場景無相關性，不便于保護裝置的功能驗證。

因此，針對扭振保護裝置專用測試工具和方法欠缺的行業現狀，本文研制了一種可用于扭振保護功能驗證的扭振保護測試裝置，旨在為扭振保護裝置在研發、工程、生產過程中的功能驗證提供簡便易行的方法。

1 扭振保護測試裝置的構成

扭振保護測試裝置用來模擬大軸運行環境的電壓電流等電氣參數，提供外部開入等開關量參數，模擬轉速信號反映大軸的扭振情況，解決研發、工程、生產過程中的扭振保護的功能驗證的問題。

扭振保護測試裝置系統架構如圖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、與計算機通信、下發數據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：分別用于實時計算產生發電機扭振保護所需要的交流電氣量信號和扭振信號，以模擬發電機大軸的運行狀態；

（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，實現同步輸出，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界面用于快速試驗，進行扭振保護功能的驗證。

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容，下面重點介紹這兩個模塊的實現原理和方法。

圖2 扭振保護測試裝置結構圖

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電機電壓、電流信號，其實現原理如圖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接口設置交流電氣量信號的參數，參數主要包括電氣量的幅值、角度、頻率、頻率變化率，然后依據下式計算輸出量：

（2）將RTDS系統仿真試驗得到的離線數據通過回放形式輸出。離線仿真數據支持COMTRADE或其它格式。通過后臺軟件經網絡將數據下載給管理模塊，管理模塊再將這些數據分發給交流電氣量輸出模塊，根據仿真數據的精度，該模塊可以直接將這些離線數據經過幅值變化送入D/A進行轉化，也可以通過拉格朗日插值算法將數據進一步提高精度，然后送入D/A進行轉化。RTDS或者電力系統的仿真軟件功能強大，仿真數據的正確性和精度都已經得到了行業公認，通過該方法輸出的電氣參數，既能真實的反應機組運行狀況，又兼顧方便試驗，因此該方法的實現在現實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,轉速信號的模擬產生也有兩種方法：

（1）通過液晶模塊提供的人機接口設置轉速脈沖信號參數，包括發電機大軸轉盤的齒數、用于產生扭振信號的模態的數目、頻率、幅值和幅值變化率。然后依據下式計算得到實時轉速值：

設置好參數后，按照設定的定時的步長進行實時計算，得到實時的離散數值，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，則直接將計算的數據進行數模轉換，如果采用脈沖載波信號，則需要將計算好的數據進一步去調制載波信號，然后再進行數模轉換，獲得脈沖載波信號，實現的原理如圖4所示。

圖4 扭振信號輸出模塊圖

（2）采用RTDS仿真試驗得到離線數據，后臺軟件利用仿真數據，形成測試菜單項，試驗時經網絡將數據下載給管理模塊，管理模塊再將這些數據分發給本模塊，由DSP處理這些數據獲得扭振信號。

1.3 同步模塊

同步模塊在裝置內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同步，使得扭振測試裝置能更準確的模擬發電機短路故障或次同步振蕩等情況下機組大軸的扭振狀態，從而更有利于扭振保護裝置的功能驗證。

同步輸出模態數據的原理框圖如圖5所示。

太西無煙煤具有低灰、低硫、低磷、高化學活性、高固定碳含量、高鏡質組含量、高發熱量、高機械強度、高導電性等特點，被國際上譽為“煤中之王”，是我國和世界的稀有煤種。經深度降灰技術洗選加工后，可以得到灰分小于2%、其他指標兼優的超低灰純煤。利用太西無煙超低灰純煤生產的活性炭具有比表面積異常發達、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，其質量優勢和價格優勢是國內其他同類煤種生產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的凈水活性炭的孔結構特征及其吸附性能。

圖5 同步輸出故障圖

2 扭振保護的測試過程

本裝置支持兩種方式的測試，一種是通過人機界面設定故障參數模擬常見的軸系扭振信號和電氣環境；另一種采用RTDS建立仿真模型，仿真出扭振信號和電氣環境參數等離線數據進行試驗，這兩種過程有所區別。

2.1 人機界面菜單控制方式

人機界面控制方式提供快速簡便的試驗能力，其扭振信號的模型參數主要包括發電機大軸轉盤的齒數、用于產生扭振信號的模態的數目、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離線仿真數據試驗方式

利用RTDS試驗仿真系統平臺構建扭振保護的仿真驗證系統。該系統產生軸系扭振，輸出含有扭振的轉速信號和發電機電氣量數據。完成仿真試驗后，數據獲得后，將數據以設定的格式保存，利用該數據可在扭振保護測試裝置上進行反復試驗。試驗時通過后臺工具將仿真數據通過網絡下載到扭振保護測試裝置。扭振保護測試裝置把離線仿真數據中的參數進行分類，分別下發給交流電氣輸出模塊和扭振信號輸出模塊。后臺下發輸出命令，扭振保護測試裝置調用同步模塊，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 扭振轉速脈沖信號的產生

為實現模態發散保護和疲勞越限保護的功能測試，扭振保護測試裝置需具備扭振轉速信號的輸出能力。

扭振轉速信號，采用呈正弦波特征變化的模態信號作為調制信號，對穩態的轉速脈沖信號進行頻率調制（FM）得到。穩態的轉速脈沖信號和發電機測速齒盤的齒數有關，例如發電機大軸測速齒盤的齒數為60,則穩態的轉速脈沖頻率為3000Hz，其輸出的波形如圖8(a)所示。

扭振信號實時轉速的計算公式為：

實時計算后產生的扭振信號的轉速變化如圖8(b)所示，對應可以得到圖8(c)的輸出脈沖。在具體的工程應用中，我們還可以對扭振轉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，以考驗扭振保護裝置的抗干擾能力，因此對扭振保護測試的性能和功能試驗提供了很好的幫助。

圖8 扭振轉速信號產生圖

4 扭振保護測試裝置的工程應用

扭振保護測試裝置解決了扭振保護工程調試中存在的實際問題，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裝置投運過程中發揮了實際作用，為工程投運的順利實施作出了貢獻，得到了用戶的好評。

在實際的測試中，我們利用示波器記錄了試驗過程中的波形數據，如圖9所示：

圖9(a)是沒有發生扭振時的額定轉速信號，此波形頻率恒定故此時的波形圖穩定無變化；圖9(b)是發生穩態扭振時的轉速信號，該扭振信號的頻率在發生變化，可見信號波形以中心頻率振蕩變化；圖9(c)是發生發散扭振時的轉速信號，該扭振信號不僅頻率在發生變化，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) 額定轉速信號波形

(b) 穩態扭振信號波形

(c) 發散扭振信號波形微觀圖

(d) 發散扭振信號波形宏觀圖

圖9 實際試驗扭振信號波形圖

5 扭振保護測試裝置的優勢和不足

本文所介紹的扭振保護測試裝置的優點分析如下：

（1）解決了扭振保護裝置測試時缺少試驗方法和儀器的問題，其設定扭振信號的方式更加貼近現實應用，并且和扭振保護裝置的功能相對應，方便易用；

（2）可以利用RTDS仿真模型得到的離線數據形成測試菜單項，驗證扭振保護的功能，將RTDS試驗的準確性和測試儀的便攜性可靠結合，更加方便扭振保護裝置的功能測試；

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

扭振保護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，不一定適合現場的一些情況，而采用RTDS仿真數據的方式也僅僅是一種離線系統，不能支持現場多變的測試要求等。對于這些不足，我們將在后續的工作中結合實際的情況，給出更好的解決思路。

6 結語

本文在充分研究當前扭振保護測試工作中存在的實際問題的基礎上，設計并開發出了一種扭振保護測試裝置，其原理貼近工程實際，符合扭振的應用場景，解決了扭振保護裝置測試手段缺乏的問題，在許多扭振保護裝置安裝的電廠工程中得到了應用。工程實踐表明，該測試裝置所采用的試驗方法，原理可靠，并貼近工程使用的實際情況，為扭振保護裝置運檢、驗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月畢業于南京理工大學動力學院，碩士，主要研究方向為電力系統及其自動化，工程師。