一种基于进相运行状态下的汽轮发电机定子绕组温升预警方法与流程

本发明涉及电力系统发电机运行监测与保护，具体为一种基于进相运行状态下的汽轮发电机定子绕组温升预警方法。

背景技术：

1、汽轮发电机在电力系统中承担着重要的无功功率调节功能。当系统无功过剩或电网电压偏高时，调度部门会要求汽轮发电机进入进相运行状态，即从电力系统吸收无功功率，以抑制系统电压升高、维持电网电压稳定。进相运行时，励磁电流降低导致气隙主磁场减弱，但端部漏磁显著增强，可达滞相运行时的2至3倍。端部交变漏磁在绕组端部拐角和线棒换位处感应强涡流，导致该区域局部发热显著增加，成为进相工况下定子绕组的主要热源。若热点温度长期超过绝缘材料的允许限值，将加速绝缘老化，严重时引发绝缘击穿故障，威胁机组安全运行。因此，准确监测和预警进相运行工况下定子绕组热点温度，是保障汽轮发电机安全运行的重要技术需求。

2、然而，现有技术在汽轮发电机进相运行定子绕组热点温度预警方面存在以下问题:

3、一方面，现有技术对进相运行状态的识别手段单一，且损耗计算方法缺乏对进相工况下端部涡流损耗和绝缘状态的综合考量。现有方法多依赖单一判据识别进相运行状态，在系统无功波动或励磁系统自动调节过程中易发生误判;损耗计算通常依据额定工况铭牌参数或固定损耗模型，未充分考虑进相运行时励磁电流降低、端部漏磁增强导致的端部涡流损耗大幅增加的特殊工况，也未将端部涡流损耗与绝缘材料老化、绝缘受潮的耦合效应纳入计算，导致进相工况下定子绕组总损耗被系统性低估，特别是端部涡流损耗作为主要热源被忽视，热源输入量失准，热点温度预测值偏低，无法准确反映定子绕组的真实热状态。

4、另一方面，现有技术热点温度监测存在传感器覆盖盲区，且预警阈值固定不变，无法自适应反映工况变化对热点温度安全裕度的影响。定子绕组端部拐角、线棒换位处等关键位置因结构原因无法布设传感器，而这些位置恰恰是进相运行时端部涡流损耗集中、热点最易出现的区域，现有技术无法获取这些盲区位置的温度信息，导致真实热点温度可能长期处于监测盲区;现有技术通常采用固定的温度预警阈值，无法反映进相深度、有功出力和冷却条件变化对热点温度安全裕度的工况依赖性，在高风险工况下预警滞后、在低风险工况下频繁误报，影响预警系统的实用性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于进相运行状态下的汽轮发电机定子绕组温升预警方法，克服上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于进相运行状态下的汽轮发电机定子绕组温升预警方法，包括以下步骤：

3、通过电厂监控系统采集汽轮发电机的运行测点数据，基于无功功率和励磁电流的双重判据识别进相运行状态，并依据运行测点数据计算进相深度系数、有功归一化系数、励磁电流归一化系数和电压偏移系数，作为后续定子绕组损耗修正计算和动态预警阈值修正的输入量；

4、将进相深度系数、有功归一化系数、励磁电流归一化系数代入端部涡流损耗修正关系计算端部涡流损耗修正量，将电压偏移系数、运行测点数据中的绝缘介质损耗因数和氢气湿度代入绝缘介质损耗修正关系计算绝缘介质损耗修正量，所述端部涡流损耗由进相运行时端部漏磁在绕组端部和线棒换位处感应产生，为进相工况下定子绕组的主要热源，将端部涡流损耗修正量与绝缘介质损耗修正量叠加至槽内基础铜耗，得到定子绕组总损耗；

5、将定子绕组总损耗作为热源输入，通过热阻迭代辨识方法在线辨识各段热阻参数并计算测点温度，通过空间温升补偿关系将测点温度转换为局部热点温度，所述局部热点位置包括绕组端部拐角和线棒换位处；

6、依据进相深度系数、有功归一化系数和冷却介质温度对基准预警阈值进行动态修正，将局部热点温度与动态预警阈值比对，按照预设分级规则进行分级预警判定并生成机组调度操作指令。

7、优选的，所述通过电厂监控系统采集汽轮发电机的运行测点数据，具体采集过程为：

8、通过电厂监控系统实时采集无功功率、励磁电流、有功功率和机端电压，作为进相运行状态识别和系数计算的基础数据；

9、通过布设于定子绕组冷却回路的湿度传感器采集氢气湿度，通过在线介电测量装置采集绝缘介质损耗因数，通过布设于定子绕组冷却回路的温度传感器采集冷却介质温度，作为端部涡流损耗修正、绝缘介质损耗修正和动态预警阈值修正的输入数据；

10、通过布设于定子绕组端部及槽内的嵌入式温度传感器采集各布设位置的实测温度，作为热阻迭代辨识步骤的校正目标；

11、将上述采集量按采集时刻对齐后组合，得到当前时刻完整的运行测点数据，供后续各步骤调用。

12、优选的，所述基于无功功率和励磁电流的双重判据识别进相运行状态，具体识别过程为：

13、判断当前时刻无功功率是否为负值；

14、判断当前时刻励磁电流是否低于空载励磁电流基准值；

15、当无功功率为负值且励磁电流低于空载励磁电流基准值同时成立时，判定当前机组处于进相运行状态，此时气隙主磁场减弱但端部漏磁显著增强，触发进相深度系数、有功归一化系数、励磁电流归一化系数和电压偏移系数的计算流程；

16、当上述两个条件未同时成立时，判定当前机组处于非进相运行状态，终止后续计算流程，维持当前运行参数不变。

17、优选的，所述依据运行测点数据计算进相深度系数、有功归一化系数、励磁电流归一化系数和电压偏移系数，具体计算过程为：

18、依据当前时刻无功功率与额定无功功率的比值的绝对值计算进相深度系数，进相深度系数越大表示进相程度越深，对应端部漏磁越强，后续端部涡流损耗修正量和动态预警阈值修正量越大；

19、依据当前时刻有功功率与额定有功功率的比值计算有功归一化系数，有功归一化系数反映当前有功出力水平对定子绕组基准损耗的影响程度，用于在后续步骤中从额定工况损耗表中索引对应的槽内基础铜耗；

20、依据当前时刻励磁电流与额定励磁电流的比值计算励磁电流归一化系数，励磁电流归一化系数直接反映气隙主磁场强度，励磁电流越低，端部漏磁越强，端部涡流损耗越大，与进相深度系数共同作为端部涡流损耗修正关系的核心输入量；

21、依据当前时刻机端电压与额定电压之差除以额定电压所得的归一化偏差计算电压偏移系数，电压偏移系数反映机端电压偏离额定值对绝缘介质损耗的影响程度，作为绝缘介质损耗修正关系的输入量。

22、优选的，所述端部涡流损耗修正关系和所述绝缘介质损耗修正关系的建立方法包括：

23、历史运行数据由历次进相运行批次中采集的运行测点数据、对应的端部涡流损耗实测记录及绝缘介质损耗实测记录累积形成；

24、以历史运行数据中各记录的进相深度系数、有功归一化系数、励磁电流归一化系数为自变量，以对应记录的端部涡流损耗实测值为因变量，构造包含进相深度系数与励磁电流归一化系数交互项的端部涡流损耗修正关系，所述端部涡流损耗实测值反映进相运行时端部漏磁切割绕组导体产生的涡流发热，励磁电流越低、进相深度越大，端部涡流损耗越大；

25、以历史运行数据中各记录的电压偏移系数、绝缘介质损耗因数和氢气湿度为自变量，以对应记录的绝缘介质损耗实测值为因变量，构造包含绝缘介质损耗因数与氢气湿度交互项的绝缘介质损耗修正关系，所述绝缘介质损耗实测值反映交变电场作用下绝缘介质极化发热，绝缘介质损耗因数增大和氢气湿度升高均会导致绝缘介质损耗增大；

26、对上述两个修正关系分别进行参数估计，完成回归系数的确定，使两个修正关系具备定量计算能力，供后续定子绕组总损耗计算步骤调用。

27、优选的，所述将端部涡流损耗修正量与绝缘介质损耗修正量叠加至槽内基础铜耗，得到定子绕组总损耗，具体计算过程为：

28、额定工况损耗表依据机组出厂铭牌参数和历史额定工况运行数据预先标定，以有功归一化系数为索引存储对应的额定工况槽内基础铜耗，所述额定工况槽内基础铜耗在滞相运行时为主要损耗，端部涡流损耗占比很小；

29、从所述额定工况损耗表中依据有功归一化系数索引读取对应的额定工况槽内基础铜耗；

30、将进相深度系数、有功归一化系数、励磁电流归一化系数代入端部涡流损耗修正关系，计算当前进相工况下的端部涡流损耗修正量，所述端部涡流损耗修正量在进相工况下通常为槽内基础铜耗的1至3倍，是定子绕组总损耗的主要组成部分；

31、将电压偏移系数、绝缘介质损耗因数和氢气湿度代入绝缘介质损耗修正关系，计算绝缘介质损耗修正量，所述绝缘介质损耗修正量通常为槽内基础铜耗的2%至5%，量级远小于端部涡流损耗修正量；

32、将槽内基础铜耗、端部涡流损耗修正量和绝缘介质损耗修正量求和，得到当前时刻定子绕组总损耗，作为后续热阻迭代辨识步骤的热源输入量。

33、优选的，所述通过热阻迭代辨识方法在线辨识各段热阻参数并计算测点温度，具体辨识过程为：

34、以定子绕组总损耗为热源输入，以冷却介质温度为边界条件，建立定子绕组各段的热路模型，热路模型中各段热阻参数为待辨识量；

35、以当前时刻各嵌入式温度传感器布设位置的实测温度为校正目标，通过迭代调整各段热阻参数使热路模型输出的测点温度与实测温度之间的偏差收敛至预设误差阈值以内，完成各段热阻参数的在线辨识；

36、将收敛后的各段热阻参数代入热路模型，计算各传感器布设位置的测点温度，将所述测点温度输出至空间温升补偿步骤，作为局部热点温度转换的输入量。

37、优选的，所述通过空间温升补偿关系将测点温度转换为局部热点温度，具体转换过程为：

38、以历史运行数据中各记录的测点温度分布和对应的局部热点温度实测值为样本，拟合传感器布设位置测点温度与传感器无法布设位置局部热点温度之间的空间温升补偿关系，所述传感器无法布设位置为绕组端部拐角和线棒换位处，该位置在进相运行时端部涡流损耗集中，温度显著高于传感器布设位置，空间温升补偿关系以各测点温度的加权组合为输入，以局部热点温度为输出，权重系数反映各测点位置与端部热点位置的热传导路径关系；

39、将当前时刻各传感器布设位置的测点温度代入空间温升补偿关系，计算传感器无法布设位置的局部热点温度，将所述局部热点温度输出至分级预警判定步骤，作为与动态预警阈值进行比对的对象。

40、优选的，所述依据进相深度系数、有功归一化系数和冷却介质温度对基准预警阈值进行动态修正，具体修正过程为：

41、依据额定工况下定子绕组绝缘材料的热老化寿命试验数据和行业标准规定的温度限值，预先标定各预警等级对应的基准预警阈值，其中注意阈值、警告阈值和危险阈值分别对应绝缘材料长期允许温度、短期允许温度和紧急限制温度，形成基准预警阈值表；

42、依据当前时刻进相深度系数计算进相工况对端部热点温度的附加温升贡献，依据有功归一化系数计算有功出力水平对绕组热点温度的影响修正量，依据冷却介质温度与额定冷却介质温度的偏差计算冷却条件修正量；

43、将附加温升贡献、影响修正量和冷却条件修正量之和从基准预警阈值表中注意阈值、警告阈值和危险阈值对应的基准预警阈值中分别扣除，分别得到动态注意阈值、动态警告阈值和动态危险阈值，共同构成与当前工况相匹配的动态预警阈值，使预警判定能够自适应反映进相深度、有功出力和冷却条件变化对端部热点温度安全裕度的影响。

44、优选的，所述将局部热点温度与动态预警阈值比对，按照预设分级规则进行分级预警判定并生成机组调度操作指令，具体判定过程为：

45、将局部热点温度与动态预警阈值中的动态注意阈值、动态警告阈值和动态危险阈值依次比对；

46、若局部热点温度低于动态注意阈值，判定为正常状态，维持当前调度计划不变；

47、若局部热点温度不低于动态注意阈值且低于动态警告阈值，判定为一级预警，生成降低进相深度的调度建议指令并上报运行人员；

48、若局部热点温度不低于动态警告阈值且低于动态危险阈值，判定为二级预警，生成限制有功出力并提升励磁电流的调度操作指令，由运行人员确认后执行；

49、若局部热点温度不低于动态危险阈值，判定为三级预警，生成退出进相运行的紧急调度指令并自动下发至机组控制系统执行。

50、与现有技术相比，本发明的有益效果是：该一种基于进相运行状态下的汽轮发电机定子绕组温升预警方法：

51、1、本发明针对进相运行时励磁电流降低、端部漏磁增强导致端部涡流损耗大幅增加的物理机理，构建了端部涡流损耗修正关系和绝缘介质损耗修正关系，分别反映磁场损耗和电场损耗的不同物理机制。端部涡流损耗修正关系以进相深度系数、有功归一化系数、励磁电流归一化系数为输入，引入进相深度系数与励磁电流归一化系数的交互项，从物理机制层面准确描述了进相运行工况下端部漏磁切割绕组导体产生涡流发热的非线性增大效应;绝缘介质损耗修正关系以电压偏移系数、绝缘介质损耗因数、氢气湿度为输入，引入绝缘介质损耗因数与氢气湿度的交互项，准确反映交变电场作用下绝缘介质极化发热及绝缘老化与受潮的协同影响效应。通过明确区分主要热源(端部涡流损耗，通常为槽内基础铜耗的1至3倍)和次要修正(绝缘介质损耗，通常为槽内基础铜耗的2%至5%)，本发明显著提高了进相工况下定子绕组总损耗计算的准确性。在此基础上，通过热阻迭代辨识方法在线更新热路模型各段热阻参数，并通过空间温升补偿关系将有限测点温度转换为传感器无法布设位置(绕组端部拐角和线棒换位处)的局部热点温度，实现了对定子绕组全域热点温度的准确估计，填补了现有技术中传感器覆盖盲区导致热点温度监测遗漏的不足。

52、2、本发明依据当前时刻的进相深度系数、有功归一化系数和冷却介质温度对基准预警阈值进行动态修正，分别得到动态注意阈值、动态警告阈值和动态危险阈值，使预警判定能够自适应反映进相深度、有功出力和冷却条件变化对热点温度安全裕度的影响。与现有技术中固定预警阈值相比，本发明在高风险工况下能够提前触发预警，在低风险工况下避免频繁误报，同时依据预警等级生成差异化的机组调度操作指令，实现了从预警判定到调度响应的全流程闭环控制，有效提升了进相运行安全管控的精细化水平。