发电机轴系扭振模拟测试装置的研制及应用

姚婷婷，李兴建，王 凯，张琦雪，彭学军，于 哲，笃 峻，陈 俊



发电机轴系扭振模拟测试装置的研制及应用

姚婷婷，李兴建，王 凯，张琦雪，彭学军，于 哲，笃 峻，陈 俊

（南瑞继保电气有限公司，南京 211100）

汽轮发电机扭振保护装置的测试，除施加二次电流、电压信号以外，还需要发电机转速脉冲信号,模拟出次同步振荡时的场景。针对扭振保护专用测试工具和方法欠缺的行业现状，本文研制了一种扭振保护测试装置，既能够依据设定参数输出特定稳态或扭振转速信号，也可以利用RTDS的仿真数据输出转速信号，并可同步模拟发电机电流电压进行扭振保护测试。

发电机轴系扭振；次同步振荡；扭振信号；扭振保护

0 前言

国内外理论研究与工程实践表明，在长距离输电的系统中，如果存在电容串补或者高压直流输电，则电网系统可能发生次同步振荡，当电力系统的次同步振荡频率与发电机组轴系的固有扭振频率互补时，在机网交互作用下，机组轴系将处于扭振状态，进而产生疲劳损耗，影响转子的机械性能和寿命，严重时可导致大轴产生裂纹、损伤，甚至螺栓剪断、大轴断裂。因此，专门针对次同步振荡导致的大型火电、核电等机组的轴系扭振进行监测和保护的扭振保护装置得到日益广泛的应用[1-4]。

扭振保护装置测量发电机大轴的转速信号，监测大轴扭振情况，实现扭振发散保护和疲劳越限保护，是保障机组设备安全运行的最后一道防线，其经典的部署如图1所示，从图中可见扭振保护装置采集的信号不仅有电气量信号，还有转速信号，而常见的继电保护测试仪仅能输出电气量信号。因此扭振保护装置的测试需要有专门的试验设备或试验方法。

图1 扭振保护装置典型部署图

扭振保护装置测试目前主要有以下两种方法：

（1）通过RTDS试验仿真系统进行仿真验证。通过RTDS建立数字动模系统，由轴系模型、发电机模型、励磁模型（含PSS模型）、调速器模型、输电系统模型（包含串补或高压直流输电系统）共同构成一个模拟仿真系统。该系统产生机组电气量信号和轴系扭振信号，用于测试扭振保护装置，该测试方法可真实模拟次同步振荡和轴系扭振，是扭振保护装置的最佳试验方法，但是该方法仅适用于研发阶段和原理验证，不能用于生产和工程调试[5-6]。

（2）使用波形/函数信号发生器模拟转速信号，并结合继电保护测试仪输出的电气量信号，对扭振保护装置进行测试。该试验方法存在诸多缺陷：针对于非扭振保护的应用场合，波形/函数信号发生器无法输出包含多个模态的扭振转速信号；无法控制输出模态分量幅值随时间变化的信号；无法同时输出多组转速信号，继电保护测试仪和波形/函数信号发生器也无法进行同步等等。因此，这种试验方法仅能实现部分功能测试工作，而且该试验方法与保护场景无相关性，不便于保护装置的功能验证。

因此，针对扭振保护装置专用测试工具和方法欠缺的行业现状，本文研制了一种可用于扭振保护功能验证的扭振保护测试装置，旨在为扭振保护装置在研发、工程、生产过程中的功能验证提供简便易行的方法。

1 扭振保护测试装置的构成

扭振保护测试装置用来模拟大轴运行环境的电压电流等电气参数，提供外部开入等开关量参数，模拟转速信号反映大轴的扭振情况，解决研发、工程、生产过程中的扭振保护的功能验证的问题。

扭振保护测试装置系统架构如图2所示，包括管理模块、交流电气量输出模块、扭振信号输出模块、同步模块和液晶显示模块。

各部分模块的功能如下：

（1）管理模块：用于管理液晶菜单、与计算机通信、下发数据给交流电气量信号输出模块和扭振信号输出模块；

（2）交流电气量信号输出模块和扭振信号输出模块：分别用于实时计算产生发电机扭振保护所需要的交流电气量信号和扭振信号，以模拟发电机大轴的运行状态；

（3）同步模块：交流电气量信号和扭振信号两者之间通过同步信号，实现同步输出，同步信号由同步模块提供；

（4）液晶显示模块：提供用户友好的人机界面用于快速试验，进行扭振保护功能的验证。

管理模块、同步模块和液晶显示模块是本测试装置的辅助部分，交流电气量输出模块和扭振信号输出模块是本测试装置的核心内容，下面重点介绍这两个模块的实现原理和方法。

图2 扭振保护测试装置结构图

1.1 交流电气输出模块

交流电气输出模块主要用来模拟输出发电机电压、电流信号，其实现原理如图3所示。

图3 交流电气输出模块图

有两种信号生成方法：

（1）通过液晶模块提供的人机接口设置交流电气量信号的参数，参数主要包括电气量的幅值、角度、频率、频率变化率，然后依据下式计算输出量：

（2）将RTDS系统仿真试验得到的离线数据通过回放形式输出。离线仿真数据支持COMTRADE或其它格式。通过后台软件经网络将数据下载给管理模块，管理模块再将这些数据分发给交流电气量输出模块，根据仿真数据的精度，该模块可以直接将这些离线数据经过幅值变化送入D/A进行转化，也可以通过拉格朗日插值算法将数据进一步提高精度，然后送入D/A进行转化。RTDS或者电力系统的仿真软件功能强大，仿真数据的正确性和精度都已经得到了行业公认，通过该方法输出的电气参数，既能真实的反应机组运行状况，又兼顾方便试验，因此该方法的实现在现实中具有很重要的意义。

1.2 扭振信号输出模块

本测试装置中,转速信号的模拟产生也有两种方法：

（1）通过液晶模块提供的人机接口设置转速脉冲信号参数，包括发电机大轴转盘的齿数、用于产生扭振信号的模态的数目、频率、幅值和幅值变化率。然后依据下式计算得到实时转速值：

设置好参数后，按照设定的定时的步长进行实时计算，得到实时的离散数值，最终以4～20mA信号、0～10V电压信号或者脉冲载波信号的方式进行输出，如果采用4～20mA信号、0～10V电压信号的形式输出，则直接将计算的数据进行数模转换，如果采用脉冲载波信号，则需要将计算好的数据进一步去调制载波信号，然后再进行数模转换，获得脉冲载波信号，实现的原理如图4所示。

图4 扭振信号输出模块图

（2）采用RTDS仿真试验得到离线数据，后台软件利用仿真数据，形成测试菜单项，试验时经网络将数据下载给管理模块，管理模块再将这些数据分发给本模块，由DSP处理这些数据获得扭振信号。

1.3 同步模块

同步模块在装置内部提供同步脉冲信号，用于控制交流电气量输出模块和扭振信号输出模块的同步输出。同步模块的存在保证了交流电气量和扭振信号精准同步，使得扭振测试装置能更准确的模拟发电机短路故障或次同步振荡等情况下机组大轴的扭振状态，从而更有利于扭振保护装置的功能验证。

同步输出模态数据的原理框图如图5所示。

太西无烟煤具有低灰、低硫、低磷、高化学活性、高固定碳含量、高镜质组含量、高发热量、高机械强度、高导电性等特点，被国际上誉为“煤中之王”，是我国和世界的稀有煤种。经深度降灰技术洗选加工后，可以得到灰分小于2%、其他指标兼优的超低灰纯煤。利用太西无烟超低灰纯煤生产的活性炭具有比表面积异常发达、微孔分布集中，且微孔直接暴露于表面，吸附路径短、孔径分布窄、有效吸附中心多、脱附速度快等特征，其质量优势和价格优势是国内其他同类煤种生产的活性炭所无法比拟的。本文主要介绍利用太西超低灰纯煤为原料生产的净水活性炭的孔结构特征及其吸附性能。

图5 同步输出故障图

2 扭振保护的测试过程

本装置支持两种方式的测试，一种是通过人机界面设定故障参数模拟常见的轴系扭振信号和电气环境；另一种采用RTDS建立仿真模型，仿真出扭振信号和电气环境参数等离线数据进行试验，这两种过程有所区别。

2.1 人机界面菜单控制方式

人机界面控制方式提供快速简便的试验能力，其扭振信号的模型参数主要包括发电机大轴转盘的齿数、用于产生扭振信号的模态的数目、频率、幅值和幅值变化率等。其流程如图6所示。

图6 快捷菜单测试流程图

2.2 RTDS离线仿真数据试验方式

利用RTDS试验仿真系统平台构建扭振保护的仿真验证系统。该系统产生轴系扭振，输出含有扭振的转速信号和发电机电气量数据。完成仿真试验后，数据获得后，将数据以设定的格式保存，利用该数据可在扭振保护测试装置上进行反复试验。试验时通过后台工具将仿真数据通过网络下载到扭振保护测试装置。扭振保护测试装置把离线仿真数据中的参数进行分类，分别下发给交流电气输出模块和扭振信号输出模块。后台下发输出命令，扭振保护测试装置调用同步模块，同步输出。整个仿真过程如图7所示。

图7 仿真测试流程图

3 扭振转速脉冲信号的产生

为实现模态发散保护和疲劳越限保护的功能测试，扭振保护测试装置需具备扭振转速信号的输出能力。

扭振转速信号，采用呈正弦波特征变化的模态信号作为调制信号，对稳态的转速脉冲信号进行频率调制（FM）得到。稳态的转速脉冲信号和发电机测速齿盘的齿数有关，例如发电机大轴测速齿盘的齿数为60,则稳态的转速脉冲频率为3000Hz，其输出的波形如图8(a)所示。

扭振信号实时转速的计算公式为：

实时计算后产生的扭振信号的转速变化如图8(b)所示，对应可以得到图8(c)的输出脉冲。在具体的工程应用中，我们还可以对扭振转速信号叠加某些噪声信号，或者直接模拟丢失脉冲信号的某些情况，以考验扭振保护装置的抗干扰能力，因此对扭振保护测试的性能和功能试验提供了很好的帮助。

图8 扭振转速信号产生图

4 扭振保护测试装置的工程应用

扭振保护测试装置解决了扭振保护工程调试中存在的实际问题，在威信电厂、哈密大南湖电厂、神华国华宁东电厂以及哥伦比亚某电厂的扭振保护装置投运过程中发挥了实际作用，为工程投运的顺利实施作出了贡献，得到了用户的好评。

在实际的测试中，我们利用示波器记录了试验过程中的波形数据，如图9所示：

图9(a)是没有发生扭振时的额定转速信号，此波形频率恒定故此时的波形图稳定无变化；图9(b)是发生稳态扭振时的转速信号，该扭振信号的频率在发生变化，可见信号波形以中心频率振荡变化；图9(c)是发生发散扭振时的转速信号，该扭振信号不仅频率在发生变化，而且信号的振幅也在变化，可见微观信号波形以中心频率振荡变化，而宏观波形振幅有明显变化。

(a) 额定转速信号波形

(b) 稳态扭振信号波形

(c) 发散扭振信号波形微观图

(d) 发散扭振信号波形宏观图

图9 实际试验扭振信号波形图

5 扭振保护测试装置的优势和不足

本文所介绍的扭振保护测试装置的优点分析如下：

（1）解决了扭振保护装置测试时缺少试验方法和仪器的问题，其设定扭振信号的方式更加贴近现实应用，并且和扭振保护装置的功能相对应，方便易用；

（2）可以利用RTDS仿真模型得到的离线数据形成测试菜单项，验证扭振保护的功能，将RTDS试验的准确性和测试仪的便携性可靠结合，更加方便扭振保护装置的功能测试；

（3）可以在扭振信号的模型基础上，叠加一些噪声信号或者直接模拟脉冲信号的丢失，以检验扭振保护装置的抗干扰能力；

扭振保护测试装置也存在一些不足，所采用的叠加噪声信号或者模拟脉冲信号丢失的情况，不一定适合现场的一些情况，而采用RTDS仿真数据的方式也仅仅是一种离线系统，不能支持现场多变的测试要求等。对于这些不足，我们将在后续的工作中结合实际的情况，给出更好的解决思路。

6 结语

本文在充分研究当前扭振保护测试工作中存在的实际问题的基础上，设计并开发出了一种扭振保护测试装置，其原理贴近工程实际，符合扭振的应用场景，解决了扭振保护装置测试手段缺乏的问题，在许多扭振保护装置安装的电厂工程中得到了应用。工程实践表明，该测试装置所采用的试验方法，原理可靠，并贴近工程使用的实际情况，为扭振保护装置运检、验收提供了有效的测试手段。

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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月毕业于南京理工大学动力学院，硕士，主要研究方向为电力系统及其自动化，工程师。