发电机的转子匝间短路故障保护方法、系统及存储介质

1.本发明涉及电力系统领域，尤其涉及一种发电机的转子匝间短路故障保护方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.转子绕组匝间短路是同步发电机常见的一种电气故障。现有的故障在线监测装置的基本原理为：如图1所示，磁极对之间对称地分布着多个转子槽，转子绕组(励磁绕组)嵌入在转子槽中。转子主磁场是由所有转子线圈共同产生的，转子绕组匝间短路虽然会影响主磁通的强度，但是由于所占比例很小，不容易测量。而漏磁通分别交链于各槽的转子绕组，其大小与该槽内转子线圈匝数成正比，能直接反映出各槽内转子线圈匝数的变化，所以，现有的故障在线监测装置通常将磁通探测线圈固定在定子上，并使其尽量靠近转子铁心，该磁通探测线圈可在转子旋转过程中探测漏磁通的径向分量和切向分量，并对其进行微分，通过对微分波形的分析可判断发电机是否发生了转子绕组匝间短路故障。
3.下面结合图2说明发电机空载运行时磁通探测线圈法的原理：x1为图1中的转子绕组(展开后)，各个转子槽中转子绕组所对应的漏磁通如x2所示。而且，如果转子绕组不存在匝间短路，则各个转子槽所对应的感应电压x3的波峰包络线x41、x42连续平滑，其波峰个数和序号与转子槽一一对应。当转子绕组的某槽线圈存在匝间短路时，交链于该槽的漏磁通就会减少，在磁通探测线圈上所感应出的电势就会相应降低，感应电势波形中相应位置的波峰离开包络线而凹缩变短，即表明它对应槽中的转子绕组存在匝间短路故障。
4.但是，上述故障在线监测装置所采用的检测方法最适合在空载时监测发电机转子绕组的故障，其受发电机运行状态影响较大，实际运行时电枢反应引起的气隙磁场畸变以及铁心饱和等因素的影响，给匝间短路的准确判断带来了困难。另外，工程中很多发电机的转子绕组是不对称磁极结构，如图3所示，转子磁极的不对称使得常规基于磁通探测线圈包络线的检查方法失效。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于，针对现有的检测方法受发电机运行状态影响较大且不使用不对称磁极结构的发电机的缺陷，提供一种发电机的转子匝间短路故障保护方法、系统及存储介质。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种发电机的转子匝间短路故障保护方法，包括：
7.采集步骤：实时采集磁通探测线圈所探测的感应电势，并将其按序存入感应电势数据组；其中，所述磁通探测线圈安装在发电机的定子上；
8.处理步骤：从所述感应电势数据组中截取特定时段的多个感应电势，并将所截取的多个感应电势分成2p个组，而且，计算每组中相应位置的感应电势的数据和，以获取多个叠加数据，并计算所述多个叠加数据的有效值，其中，所述特定时段大于等于发电机的转子
旋转周期，p为发电机的磁极对数；
9.判断步骤：根据所述有效值确定是否发生转子匝间短路故障，并在发生转子匝间短路故障时，生成保护信号。
10.优选地，所述处理步骤包括：
11.步骤s21，从所述感应电势数据组中截取特定时段的多个感应电势，并将所截取的多个感应电势按多种不同的分组方式分别分成2p个组，其中，不同的分组方式中各个组的数据长度不同；
12.步骤s22，针对每种分组方式，分别计算每组中的相应位置的感应电势的数据和，以获取相应分组方式所对应的多个叠加数据，并计算每种分组方式所对应的多个叠加数据的有效值；
13.步骤s23，在多种分组方式分别所对应的有效值中，确定出最小的有效值；
14.而且，所述根据所述有效值确定是否发生转子匝间短路故障，包括：
15.根据所述最小的有效值确定是否发生转子匝间短路故障。
16.优选地，所述步骤s21包括：
17.从所述感应电势数据组中截取特定时段内的感应电势，以获取n1个感应电势，其中，n1＝0.02pf 2p，f为磁通探测线圈的采样频率；
18.将所截取的n1个感应电势按三种不同的分组方式分别分成2p个组，其中，第一种分组方式中各个组的数据长度为0.01f，并丢弃剩下的2p个数据；第二种分组方式中各个组的数据长度为0.01f 1；第三种分组方式中各个组的数据长度为0.01f-1，并丢弃剩下的4p个数据。
19.优选地，所述步骤s21包括：
20.从所述感应电势数据组中截取特定时段内的感应电势，以获取n2个感应电势，其中，n2＝0.02pf 4p，f为磁通探测线圈的采样频率；
21.将所截取的n2个感应电势按五种不同的分组方式分别分成2p个组，其中，第一种分组方式中各个组的数据长度为0.01f，并丢弃剩下的4p个数据；第二种分组方式中各个组的数据长度为0.01f 1，并丢弃剩下的2p个数据；第三种分组方式中各个组的数据长度为0.01f-1，并丢弃剩下的6p个数据；第四种分组方式中各个组的数据长度为0.01f 2；第五种分组方式中各个组的数据长度为0.01f-2，并丢弃剩下的8p个数据。
22.优选地，所述步骤s21包括：
23.从所述感应电势数据组中截取特定时段内的感应电势，以获取n3个感应电势，其中，n3＝0.02pf 6p，f为磁通探测线圈的采样频率；
24.将所截取的n3个感应电势按七种不同的分组方式分别分成2p个组，其中，第一种分组方式中各个组的数据长度为0.01f，并丢弃剩下的6p个数据；第二种分组方式中各个组的数据长度为0.01f 1，并丢弃剩下的4p个数据；第三种分组方式中各个组的数据长度为0.01f-1，并丢弃剩下的8p个数据；第四种分组方式中各个组的数据长度为0.01f 2，并丢弃剩下的2p个数据；第五种分组方式中各个组的数据长度为0.01f-2，并丢弃剩下的10p个数据；第六种分组方式中各个组的数据长度为0.01f 3；第五种分组方式中各个组的数据长度为0.01f-3，并丢弃剩下的12p个数据。
25.优选地，根据所述有效值确定是否发生转子匝间短路故障，包括：
26.判断所述有效值是否大于设定值，若是，则确定发生发生转子匝间短路故障。
27.优选地，所述计算所述多个叠加数据的有效值，包括：
28.计算所述多个叠加数据的平方和，并对所述平方和进行开方运算，将所述开方运算结果作为有效值。
29.本发明还构造一种存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序在被执行时实现以上所述的发电机的转子匝间短路故障保护方法的步骤。
30.本发明还构造一种发电机的转子匝间短路故障保护系统，包括处理器，所述处理器在执行所存储的计算机程序时实现以上所述的发电机的转子匝间短路故障保护方法的步骤。
31.本发明还构造一种发电机的转子匝间短路故障保护系统，包括：
32.采集模块，用于实时采集磁通探测线圈所探测的感应电势，并将其按序存入感应电势数据组；其中，所述磁通探测线圈安装在发电机的定子上；
33.处理模块，用于从所述感应电势数据组中截取特定时段的多个感应电势，并将所截取的多个感应电势分成2p个组，并计算每组中的相应位置的感应电势的数据和，以获取多个叠加数据，并计算所述多个叠加数据的有效值，其中，所述特定时段大于等于发电机的转子旋转周期，p为发电机的磁极对数；
34.判断模块，用于根据所述有效值确定是否发生转子匝间短路故障，并在发生转子匝间短路故障时，生成保护信号。
35.本发明所提供的技术方案，通过对磁通探测线圈实时探测的感应电势进行截取及分组，然后将各组的数据进行叠加后再计算有效值，最后根据该有效值来判断是否发生转子匝间短路故障，可在全工况下实现对转子匝间短路故障的可靠灵敏保护，而且，完全不受发电机运行状态的影响，即，空载及负载运行都适用，对转子磁极不对称的发电机也适用。因此，这对保障机组的发电安全、提高机组的运行可靠性有重要作用。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
37.图1是对称磁极结构的转子绕组的结构示意图；
38.图2是现有技术的故障在线监测装置的原理示意图；
39.图3是不对称磁极结构的转子绕组的结构示意图；
40.图4是本发明发电机的转子匝间短路故障保护方法实施例一的流程图；
41.图5是发电机正常运行时不对称磁极结构的转子的感应电势的波形图；
42.图6是图1中处理步骤s20实施例一的流程图；
43.图7a至图7g分别是七种分组方式下叠加数据的波形图；
44.图8是本发明发电机的转子匝间短路故障保护实施例一的逻辑结构图。
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.图4是本发明发电机的转子匝间短路故障保护方法实施例一的流程图，该实施例的转子匝间短路故障保护方法包括以下步骤：
47.采集步骤s10：实时采集磁通探测线圈所探测的感应电势，并将其按序存入感应电势数据组；其中，所述磁通探测线圈安装在发电机的定子上；
48.在该步骤中，某磁极不对称发电机正常运行(无转子绕组匝间短路故障)时，磁通探测线圈的感应电势波形如图5所示，显然，它的包络线并不连续平滑。
49.处理步骤s20：从所述感应电势数据组中截取特定时段的多个感应电势，并将所截取的多个感应电势分成2p个组，而且，计算每组中相应位置的感应电势的数据和，以获取多个叠加数据，并计算所述多个叠加数据的有效值，其中，所述特定时段大于等于发电机的转子旋转周期，p为发电机的磁极对数；
50.在该步骤中，在对感应电势进行截取时，可从正、负向电压转换的时刻开始截取，而且，截取的时段大于等于发电机的转子旋转周期，即，覆盖磁通探测线圈在发电机的转子旋转一周的时间内所探测的数据。
51.在对所截取的数据进行分组时，由于p为磁极对数，且n极下磁通探测线圈所探测的感应电势为正，s极下磁通探测线圈所探测的感应电势为负，所以，假如有2对磁极(即p＝2)，有两个n极和s极，对于每个n极，所探测的感应电势波形中均有一段正向电压，而对于每个s极，所探测的感应电势波形中均有一段负向电压，所以，是将所截取的多个感应电势分成2p个组。
52.当获取到2p个分组的数据后，先计算叠加数据，即，将每组中相应位置的数据进行相加，例如，将各个组中的第一个数据相加，将各个组中的第二个数据相加，
……
，以此类推，直至将各个组中的最后一个数据相加，从而获取到一组叠加数据，然后再计算该多个叠加数据的有效值。理想情况下，若发电机运行正常(无发生转子绕组匝间短路故障)，因为相应位置处的正向电压刚好与负向电压相抵消，所以，所获取到的多个叠加数据均为0，进而所计算的有效值也为0；若发电机发生转子绕组匝间短路故障，由于相应位置处的正向电压与负向电压不能完全抵消，所以，该位置所对应的叠加数据是一个绝对值比较大的值，进而所计算的有效值也是一个比较大的值。当然，在其它实施例中，也可以不用对每组中的每个数据都进行运算，而仅挑选部分数据进行运算，例如，仅对每组中的第五个、第十个、
……
、等等进行相加运算，这样，可减少计算量，提高故障保护的响应速度。
53.判断步骤s30：根据所述有效值确定是否发生转子匝间短路故障，并在发生转子匝间短路故障时，生成保护信号。
54.该实施例的技术方案通过对磁通探测线圈实时探测的感应电势进行截取及分组，然后将各组的数据进行叠加后再计算有效值，最后根据该有效值来判断是否发生转子匝间短路故障，可在全工况下实现对转子匝间短路故障的可靠灵敏保护，而且，完全不受发电机运行状态的影响，即，空载及负载运行都适用，对转子磁极不对称的发电机也适用。因此，这
对保障机组的发电安全、提高机组的运行可靠性有重要作用。
55.进一步地，处理步骤s20中，可根据以下方式计算有效值：计算所述多个叠加数据的平方和，并对所述平方和进行开方运算，将所述开方运算结果作为有效值。
56.进一步地，判断步骤s30中，可根据以下方式确定是否发生转子匝间短路故障：判断所述有效值是否大于设定值，若是，则确定发生发生转子匝间短路故障；若否，则确定未发生转子匝间短路故障。
57.图6是图1中处理步骤s20实施例一的流程图，在该实施例中，步骤s20包括：
58.步骤s21，从所述感应电势数据组中截取特定时段的多个感应电势，并将所截取的多个感应电势按多种不同的分组方式分别分成2p个组，其中，不同的分组方式中各个组的数据长度不同；
59.步骤s22，针对每种分组方式，分别计算每组中的相应位置的感应电势的数据和，以获取相应分组方式所对应的多个叠加数据，并计算每种分组方式所对应的多个叠加数据的有效值；
60.步骤s23，在多种分组方式分别所对应的有效值中，确定出最小的有效值；
61.而且，判断步骤s30中，可根据以下方式确定是否发生转子匝间短路故障：根据所述最小的有效值确定是否发生转子匝间短路故障。
62.关于该实施例，需说明的是，发电机在实际运行中，转子并不一定实时严格运行在同步转速上，而是与同步转速有微小差别。当实际转速小于同步转速时，磁通探测线圈转一个磁极花费更多的时间；当实际转速大于同步转速时，磁通探测线圈转一个磁极花费更少的时间。这样，在进行数据分组时，有可能将本该属于本组的数据分到了下一组，或者，将本该属于下一组的数据分到了本组。
63.基于此，该实施例在对所截取的数据进行分组时，可按多种不同的分组方式进行分组，每一种分组方式对应一种实际可能的转速，即，不同的分组方式中各个组的数据长度不同。然后，便可获取按照不同的方式分别分成的2p组数据，再分别针对每种分组方式，计算其所对应的有效值，即可获取多种分组方式分别对应的有效值，最后从多个有效值中确定出最小的一个有效值，进而认为与该最小的有效值相对应的分组方式所对应的转速最接近发电机转子的实际转速，因此，该实施例的技术方案通过平移波形的修正方式，解决转速微小差异导致的误差，显著提升保护的灵敏性。
64.进一步地，在从磁通探测线圈采集所探测的感应电势时，由于发电机的工频为50hz，则周期为0.02s，而磁通探测线圈的采样频率为f，采样频率f一般不小于50k/s，那么，一对磁极所对应的采样点数为0.02f，p对磁极的发电机转子旋转一周，则可采集0.02pf个数据，另外，考虑转子实际转速的影响，可再多采样了几个数据。
65.另外，虽然发电机的转子转速可能大于或小于同步转速，但由于发电机运行时有调频措施，实际转速相对同步转速的偏差不会过大，所以，在实际应用中，可结合转子转速的偏差程度，选择合适数量的分组方式，例如，如果转子的实际转速与同步转速偏差较小，可按三种不同的分组方式进行分组；如果转子的实际转速与同步转速偏差较大，可按七种不同的分组方式进行分组，等等。
66.在一个具体实施例中，针对发电机转子的实际转速与同步转速偏差较小的情况，可对所截取的数据按三种不同的分组方式进行分组，具体地，步骤s21包括：
67.从所述感应电势数据组中截取特定时段内的感应电势，以获取n1个感应电势，其中，n1＝0.02pf 2p，f为磁通探测线圈的采样频率；
68.将所截取的n1个感应电势按三种不同的分组方式分别分成2p个组，其中，第一种分组方式中各个组的数据长度为0.01f，并丢弃剩下的2p个数据；第二种分组方式中各个组的数据长度为0.01f 1；第三种分组方式中各个组的数据长度为0.01f-1，并丢弃剩下的4p个数据。
69.在一个具体实施例中，针对发电机转子的实际转速与同步转速偏差稍稍较大的情况，可对所截取的数据按五种不同的分组方式进行分组，具体地，步骤s21包括：
70.从所述感应电势数据组中截取特定时段内的感应电势，以获取n2个感应电势，其中，n2＝0.02pf 4p，f为磁通探测线圈的采样频率；
71.将所截取的n2个感应电势按五种不同的分组方式分别分成2p个组，其中，第一种分组方式中各个组的数据长度为0.01f，并丢弃剩下的4p个数据；第二种分组方式中各个组的数据长度为0.01f 1，并丢弃剩下的2p个数据；第三种分组方式中各个组的数据长度为0.01f-1，并丢弃剩下的6p个数据；第四种分组方式中各个组的数据长度为0.01f 2；第五种分组方式中各个组的数据长度为0.01f-2，并丢弃剩下的8p个数据。
72.在一个具体实施例中，针对发电机转子的实际转速与同步转速偏差较大的情况，可对所截取的数据按七种不同的分组方式进行分组，具体地，步骤s21包括：
73.从所述感应电势数据组中截取特定时段内的感应电势，以获取n3个感应电势，其中，n3＝0.02pf 6p，f为磁通探测线圈的采样频率；
74.将所截取的n3个感应电势按七种不同的分组方式分别分成2p个组，其中，第一种分组方式中各个组的数据长度为0.01f，并丢弃剩下的6p个数据；第二种分组方式中各个组的数据长度为0.01f 1，并丢弃剩下的4p个数据；第三种分组方式中各个组的数据长度为0.01f-1，并丢弃剩下的8p个数据；第四种分组方式中各个组的数据长度为0.01f 2，并丢弃剩下的2p个数据；第五种分组方式中各个组的数据长度为0.01f-2，并丢弃剩下的10p个数据；第六种分组方式中各个组的数据长度为0.01f 3；第五种分组方式中各个组的数据长度为0.01f-3，并丢弃剩下的12p个数据。
75.下面以对所截取的数据按七种不同的分组方式分组为例，来说明故障的判断过程：
76.首先，从感应电势数据组中截取0.02pf 6p个数据，即，采集转子旋转一周的时段内的数据，另外再多采样了6p个数据。然后，从第一个点开始将数据按照以下七种方式分别分成2p个组：
77.方式1，每组数据长度为0.01f，舍去剩下的6p个点；
78.方式2，每组数据长度为0.01f 1，舍去剩下的4p个点；
79.方式3，每组数据长度为0.01f 2，舍去剩下的2p个点；
80.方式4，每组数据长度为0.01f 3；
81.方式5，每组数据长度为0.01f-1，舍去剩下的8p个点；
82.方式6，每组数据长度为0.01f-2，舍去剩下的10p个点；
83.方式7，每组数据长度为0.01f-3，舍去剩下的12p个点；。
84.在以上七种分组方式中，各组的采样的数据点的长度可为0.01f，可为0.01f 1或
者0.01f-1，可为0.01f 2或者0.01f-2，还可为0.01f 3或者0.01f-3，以上分组情况对于实际现场(转子转速偏离同步转速的程度)已经足够。
85.在按以上分组方式分好组后，针对每种分组方式，可将该分组方式下的2p个组的数据进行叠加，即，将各组的第1个数据相加、各组的第2个数据相加，以此类推，依次得到七种分组方式下的叠加数据，以上七种分组方式分别所对应的叠加数据的波形如图7a至图7g所示。然后，分别计算七种方式下的叠加数据的有效值，可得到七个有效值，再找出七个有效值中的最小值，显然，图7c所对应的分组方式(方式3)下的有效值最小。
86.最后，将该最小值与设定值进行比较，如果大于设定值，则认为发生转子匝间短路故障，反之，则认为未发生转子匝间短路故障。另外，关于设定值，其可为k*d，其中，d为正常运行时空载、50％负载及满载的情况下，对所采集的磁通探测线圈的感应电势按上述方法所计算的最小的有效值；k为系数，例如为1.2。假设实际正常运行时空载、50％负载及满载的情况下，所计算的最小有效值为0.05v，那么，设定值为1.2
×
0.05v＝0.06v。经过仿真模拟可知，当第一极发生1匝短路故障时，最小的有效值为0.39v，保护的灵敏系数为0.39/0.06＝6.5，保护能够灵敏动作。
87.该实施例的技术方案可减小发电机的转子转速与同步转速微小差异所导致的计算偏差。现场测试及仿真表明，正常运行时的最小的有效值非常小，当发生转子绕组一匝短路故障时，最小的有效值远大于设定值，保护能够可靠灵敏动作。
88.图8是本发明发电机的转子匝间短路故障保护系统实施例一的逻辑结构图，该实施例的转子匝间短路故障保护系统包括：采集模块10、处理模块20、判断模块30，其中，采集模块10用于实时采集磁通探测线圈所探测的感应电势，并将其按序存入感应电势数据组；其中，所述磁通探测线圈安装在发电机的定子上；处理模块20用于从所述感应电势数据组中截取特定时段的多个感应电势，并将所截取的多个感应电势分成2p个组，并计算每组中的相应位置的感应电势的数据和，以获取多个叠加数据，并计算所述多个叠加数据的有效值，其中，所述特定时段大于等于发电机的转子旋转周期，p为发电机的磁极对数；判断模块30用于根据所述有效值确定是否发生转子匝间短路故障，并在发生转子匝间短路故障时，生成保护信号。
89.本发明还构造一种发电机的转子匝间短路故障保护系统，该补偿电压确定系统包括处理器，且该处理器在执行计算机程序时实现以上所述的方法的步骤。
90.应当理解，在本技术实施例中，处理器可以是中央处理单元(cen3tral processin3g un3it，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital sign3al processor，dsp)、专用集成电路(application3 specific in3tegrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。其中，通用处理器可以是微处理器，也可以是任何常规的处理器等。
91.而且，由于处理器在执行计算机程序时可实现本发明实施例所提供的任一种发电机的转子匝间短路故障保护方法的步骤，因此，可以实现本发明实施例所提供的任一种发电机的转子匝间短路故障保护方法所能实现的有益效果，详见前面的实施例，在此不再赘述。
92.本发明还构造一种存储介质，该存储介质存储有计算机程序，且该计算机程序在
被处理器执行时实现以上所述的发电机的转子匝间短路故障保护方法的步骤。
93.应当理解，该存储介质可以包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-on3ly memory，rom)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的计算机存储介质。而且，由于该存储介质中所存储的计算机程序在被执行时可实现本发明实施例所提供的任一种发电机的转子匝间短路故障保护方法的步骤，因此，可以实现本发明实施例所提供的任一种发电机的转子匝间短路故障保护方法所能实现的有益效果，详见前面的实施例，在此不再赘述。
94.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。