发电机的转子匝间短路故障定位方法、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定位方法、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，现有的故障在线监测装置并不具备在线故障定位的功能，只能通过波形进行人工判断。即使有些故障在线监测装置有转子绕组匝间短路故障定位功能，但都需要结合转子鉴相信号(即需要转子位置信息)，而且，仅能对磁极对称的发电机进行转子匝间短路故障在线定位，对于磁极不对称的发电机，如图3所示，并不能进行转子匝间短路故障定位。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的需要结合转子鉴相信号进行故障定位的缺陷，提供一种发电机的转子匝间短路故障定位方法、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定位方法，包括：
7.采集步骤：在发电机的转子旋转一周的时段内，实时采集磁通探测线圈所探测的多个感应电势，其中，所述磁通探测线圈安装在发电机的定子上；
8.确定步骤：根据所述多个感应电势的数据值及采集序号，确定出每个磁极下各个转子槽所对应的感应电势；
9.判断步骤：对不同磁极下相应转子槽所对应的感应电势进行绝对值比较，并将绝对值最小的感应电势作为第一数据，将绝对值非最小的感应电势作为第二数据，且根据所
述第一数据与所述第二数据的绝对值差值判断所述第一数据所对应的相应磁极下的相应转子槽是否发生匝间短路故障。
10.优选地，所述确定步骤包括：
11.步骤s21，根据所述多个感应电势的数据值确定出d/2个正向波峰电压及d/2个负向波峰电压，其中，d为发电机的转子的槽数；
12.步骤s22，根据所述d/2个正向波峰电压的数据值及采集序号，确定出每个n磁极下各个转子槽所对应的感应电势；以及，根据所述d/2个负向波峰电压的数据值及采集序号，确定出每个s磁极下各个转子槽所对应的感应电势。
13.优选地，所述步骤s21包括：
14.将所述多个感应电势按其数据值分成p个正向电压数据组及p个负向电压数据组，其中，p为磁极对数；
15.对于每个正向电压数据组，筛选出局部最大数据，并从所述局部最大数据中确定出最大的d/(2p)个数据，且将所述最大的d/(2p)个数据作为正向波峰电压；
16.对于每个负向电压数据组，筛选出局部最小数据，并从所述局部最小数据中确定出最小的d/(2p)个数据，且将所述最小的d/(2p)个数据作为负向波峰电压。
17.优选地，所述筛选出局部最大数据，包括：
18.通过滑动窗口遍历所述正向电压数据组，而且，对于当前的滑动窗口，若所述当前滑动窗口内最中间的数据大于所述当前滑动窗口内的其它数据，则将所述当前滑动窗口内最中间的数据确定为局部最大数据，其中，所述滑动窗口的长度为大于1的奇数；
19.所述筛选出局部最小数据，包括：
20.通过滑动窗口遍历所述负向电压数据组，而且，对于当前的滑动窗口，若所述当前滑动窗口内最中间的数据小于所述当前滑动窗口内的其它数据，则将所述当前滑动窗口内最中间的数据确定为局部最小数据。
21.优选地，在所述步骤s22中，根据所述d/2个正向波峰电压的数据值及采集序号，确定出每个n磁极下各个转子槽所对应的感应电势，包括：
22.对于每组所述d/(2p)个正向波峰电压，将其按从小到大的顺序进行排序，并将排序后的d/(2p)个正向波峰电压依次两两划分为一小组；
23.以相应的n磁极与其前一s磁极的中心线为对称轴，按从中间到两边的顺序，依次将各个小组的两个正向波峰电压与所述相应的n磁极下d/(2p)个转子槽一一对应，且使每一小组的两个正向波峰电压所对应的转子槽对称地分布在该对称轴的两端，以及，使同一小组中采集序号小的正向波峰电压所对应的转子槽在采集序号大的正向波峰电压所对应的转子槽沿电机的转子旋转方向的后面。
24.优选地，在所述步骤s22中，根据所述d/2个负向波峰电压的数据值及采集序号，确定出每个s磁极下各个转子槽所对应的感应电势，包括：
25.对于每组所述d/(2p)个负向波峰电压，将其按从大到小的顺序进行排序，并将排序后的d/(2p)个负向波峰电压依次两两划分为一小组；
26.以相应的s磁极与其前一n磁极的中心线为对称轴，按从中间到两边的顺序，依次将各个小组的两个负向波峰电压与所述相应的s磁极下d/(2p)个转子槽一一对应，且使每一小组的两个负向波峰电压所对应的转子槽对称地分布在该对称轴的两端，以及，使同一
小组中采集序号小的负向波峰电压所对应的转子槽在采集序号大的负向波峰电压所对应的转子槽沿电机的转子旋转方向的后面。
27.优选地，在所述判断步骤中，根据所述第一数据与所述第二数据的绝对值差值判断所述第一数据所对应的相应磁极下的相应转子槽是否发生匝间短路故障，包括：
28.计算所述第一数据与所述第二数据的绝对值差值；
29.判断所述绝对值差值是否大于设定值；
30.若大于所述设定值，则确定所述第一数据所对应的磁极下的相应转子槽发生匝间短路故障。
31.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任一项所述的发电机的转子匝间短路故障定位方法的步骤。
32.本发明还构造一种发电机的转子匝间短路故障定位系统，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定位方法的步骤。
33.本发明还构造一种发电机的转子匝间短路故障定位系统，包括：
34.采集模块，用于在发电机的转子旋转一周的时段内，实时采集磁通探测线圈所探测的多个感应电势，其中，所述磁通探测线圈安装在发电机的定子上；
35.确定模块，用于根据所述多个感应电势的数据值及采集序号，确定出每个磁极下各个转子槽所对应的感应电势；
36.判断模块，用于对不同磁极下相应转子槽所对应的感应电势进行绝对值比较，并将绝对值最小的感应电势作为第一数据，将绝对值非最小的感应电势作为第二数据，且根据所述第一数据与所述第二数据的绝对值差值判断所述第一数据所对应的相应磁极下的相应转子槽是否发生匝间短路故障。
37.本发明所提供的技术方案，通过对磁通探测线圈在发电机的转子旋转一周的时段内所采集的多个感应电势的数据值及采集序号进行分析，可确定出每个磁极下各个转子槽所对应的感应电势，然后再通过对不同磁极下相应转子槽所对应的感应电势进行绝对值比较及差值计算，便可定位出匝间短路故障。而且，该方法不依赖于转子鉴相信号，适用于不对称磁极结构的发电机，还不受负载状态及转速变化的影响，可在全工况下实现对匝间短路故障的可靠定位。
附图说明
38.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：
39.图1是对称磁极结构的转子绕组的结构示意图；
40.图2是现有技术的故障在线监测装置的原理示意图；
41.图3是不对称磁极结构的转子绕组的结构示意图；
42.图4是本发明发电机的转子匝间短路故障定位方法实施例一的流程图；
43.图5a是不对称磁极结构的发电机在正常运行时磁通探测线圈所探测的感应电势
波形图；
44.图5b是不对称磁极结构的发电机在发生转子匝间短路故障时磁通探测线圈所探测的感应电势波形图；
45.图6是本发明发电机的转子匝间短路故障定位系统实施例一的逻辑结构图。
具体实施方式
46.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。
47.图4是本发明发电机的转子匝间短路故障定位方法实施例一的流程图，该实施例的转子匝间短路故障定位方法包括以下步骤：
48.采集步骤s10：在发电机的转子旋转一周的时段内，实时采集磁通探测线圈所探测的多个感应电势，其中，所述磁通探测线圈安装在发电机的定子上；
49.在该步骤中，磁通探测线圈装设在发电机的定子上，且尽可能贴近转子表面，其节距和匝数没有特殊要求，采样频率f一般不小于50k/s。另外，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，磁通探测线圈所探测的感应电势波形如图5a所示，显然，它的包络线并不连续平滑。
50.确定步骤s20：根据所述多个感应电势的数据值及采集序号，确定出每个磁极下各个转子槽所对应的感应电势；
51.在该步骤中，由于发电机的磁极不对称，所以，转子槽不为等距分布。而且，各个磁极下的多个转子槽可按相同的编号规则进行编号，例如，以相邻两个磁极的中心线为对称轴，按从中间到两边的顺序，依次对各个转子槽进行编号。如图5a所示，每个磁极下均有8个转子槽，按转子旋转的方向，依次编号为4、3、2、1、1
′
、2
′
、3
′
、4
′
。
52.判断步骤s30：对不同磁极下相应转子槽所对应的感应电势进行绝对值比较，并将绝对值最小的感应电势作为第一数据，将绝对值非最小的感应电势作为第二数据，且根据所述第一数据与所述第二数据的绝对值差值判断所述第一数据所对应的相应磁极下的相应转子槽是否发生匝间短路故障。
53.在该步骤中，例如，结合图5a，以4号槽为例，可将不同磁极下的四个4号转子槽所对应的感应电势进行绝对值比较，先确定出绝对值最小的一个，将其作为第一数据，其它的4号槽的感应电势为第二数据，再计算第一数据与所述第二数据的绝对值差值，并根据计算结果判断其所对应的转子槽是否发生匝间短路故障。在此说明的是，如果第二数据的数量大于一个(图5b中为三个)，可将第一数据逐次与每个第二数据进行绝对值差值的计算，也可将第一数据与绝对值最大的一个第二数据进行绝对值差值的计算。同样地，可按相同的方式对不同磁极下的其它转子槽进行匝间短路故障的判断及定位。
54.该实施例的技术方案，通过对磁通探测线圈在发电机的转子旋转一周的时段内所采集的多个感应电势的数据值及采集序号进行分析，可确定出每个磁极下各个转子槽所对应的感应电势，然后再通过对不同磁极下相应转子槽所对应的感应电势进行绝对值比较及差值计算，便可定位出匝间短路故障。而且，该方法不依赖于转子鉴相信号，适用于不对称
磁极结构的发电机，还不受负载状态及转速变化的影响，可在全工况下实现对匝间短路故障的可靠定位。
55.进一步地，在一个可选实施例中，确定步骤包括：
56.步骤s21，根据所述多个感应电势的数据值确定出d/2个正向波峰电压及d/2个负向波峰电压，其中，d为发电机的转子的槽数；
57.在该步骤中，由于n磁极(沿电机的转子的旋转方向从s极到n极)下磁通探测线圈所探测的感应电势为正，s磁极(沿电机的转子的旋转方向从n极到s极)下磁通探测线圈所探测的感应电势为负，所以，共有d/2个正向波峰电压及d/2个负向波峰电压，且每个波峰电压对应一个转子槽。
58.步骤s22，根据所述d/2个正向波峰电压的数据值及采集序号，确定出每个n磁极下各个转子槽所对应的感应电势；以及，根据所述d/2个负向波峰电压的数据值及采集序号，确定出每个s磁极下各个转子槽所对应的感应电势。
59.进一步地，步骤s21具体包括：
60.将所述多个感应电势按其数据值分成p个正向电压数据组及p个负向电压数据组，其中，p为磁极对数；
61.对于每个正向电压数据组，筛选出局部最大数据，并从所述局部最大数据中确定出最大的d/(2p)个数据，且将所述最大的d/(2p)个数据作为正向波峰电压；
62.对于每个负向电压数据组，筛选出局部最小数据，并从所述局部最小数据中确定出最小的d/(2p)个数据，且将所述最小的d/(2p)个数据作为负向波峰电压。
63.进一步地，可根据以下方式筛选出局部最大数据：通过滑动窗口遍历所述正向电压数据组，而且，对于当前的滑动窗口，若所述当前滑动窗口内最中间的数据大于所述当前滑动窗口内的其它数据，则将所述当前滑动窗口内最中间的数据确定为局部最大数据，其中，所述滑动窗口的长度为大于1的奇数。相应地，可根据以下方式筛选出局部最小数据：通过滑动窗口遍历所述负向电压数据组，而且，对于当前的滑动窗口，若所述当前滑动窗口内最中间的数据小于所述当前滑动窗口内的其它数据，则将所述当前滑动窗口内最中间的数据确定为局部最小数据。
64.在一个具体实施例中，滑动窗口的长度例如为5，即，一个滑动窗口内有5个采样点(感应电势)的数据。局部最大数据的搜索方法为：从转子旋转一周所采集的感应电势的第一个采样点开始向后搜索，当第i个(i大于等于3且小于n-2，n为采样点的数量)采样点的数据大于第i-1个采样点及第i-2个采样点的数据，且大于第i 1及第i 2个采样点的数据，此时，第i个采样点的数据就是一个局部最大数据；若第1个采样点的数据大于第n-1个采样点及第n-2个采样点的数据，且大于第2和第3个采样点的数据，此时，第1个采样点的数据就是一个局部最大数据；若第2个采样点的数据大于第1个采样点及第n-1个采样点的数据，且大于第3及第4个采样点的数据，此时，第2个采样点的数据就是一个局部最大数据；若第n-1个采样点的数据大于第n-2个采样点及第n-3个采样点的数据，且大于第n个和第1个采样点的数据，此时，第n-1个采样点的数据就是一个局部最大数据；若第n个采样点的数据大于第n-1个采样点及第n-2个采样点的数据，且大于第1个和第2个采样点的数据，此时，第n个采样点的数据就是一个局部最大数据。
65.同样地，局部最小数据的搜索方法为：从转子旋转一周所采集的感应电势的第一
个采样点开始向后搜索，当第i个(i大于等于3且小于n-2)采样点的数据小于第i-1个采样点及第i-2个采样点的数据，且小于第i 1和第i 2个采样点的数据，此时，第i点的数据就是一个局部最小数据；若第1个采样点的数据小于第n-1个采样点及第n-2个采样点的数据，且小于第2个及第3个采样点的数据，此时，第1个采样点的数据就是一个局部最小数据；若第2个采样点的数据小于第1个采样点及第n-1个采样点的数据，且小于第3个和第4个采样点的数据，此时，第2个采样点的数据就是一个局部最小数据；若第n-1个采样点的数据小于第n-2个采样点及第n-3个采样点的数据，且小于第n个和第1个采样点的数据，此时，第n-1个点的数据就是一个局部最小数据；若第n个采样点的数据小于第n-1个采样点及第n-2个采样点的数据，且小于第1个和第2个采样点的数据，此时，第n个点的数据就是一个局部最小数据。
66.进一步地，步骤s22中，根据所述d/2个正向波峰电压的数据值及采集序号，确定出每个n磁极下各个转子槽所对应的感应电势，包括：
67.对于每组所述d/(2p)个正向波峰电压，将其按从小到大的顺序进行排序，并将排序后的d/(2p)个正向波峰电压依次两两划分为一小组；
68.以相应的n磁极与其前一s磁极的中心线为对称轴，按从中间到两边的顺序，依次将各个小组的两个正向波峰电压与所述相应的n磁极下d/(2p)个转子槽一一对应，且使每一小组的两个正向波峰电压所对应的转子槽对称地分布在该对称轴的两端，以及，使同一小组中采集序号小的正向波峰电压所对应的转子槽在采集序号大的正向波峰电压所对应的转子槽沿电机的转子旋转方向的后面。
69.相应地，步骤s22中，根据所述d/2个负向波峰电压的数据值及采集序号，确定出每个s磁极下各个转子槽所对应的感应电势，包括：
70.对于每组所述d/(2p)个负向波峰电压，将其按从大到小的顺序进行排序，并将排序后的d/(2p)个负向波峰电压依次两两划分为一小组；
71.以相应的s磁极与其前一n磁极的中心线为对称轴，按从中间到两边的顺序，依次将各个小组的两个负向波峰电压与所述相应的s磁极下d/(2p)个转子槽一一对应，且使每一小组的两个负向波峰电压所对应的转子槽对称地分布在该对称轴的两端，以及，使同一小组中采集序号小的负向波峰电压所对应的转子槽在采集序号大的负向波峰电压所对应的转子槽沿电机的转子旋转方向的后面。
72.下面结合图5a，以2对磁极(即，p＝2)，转子槽数为32的发电机为例来说明各个转子槽所对应的感应电势的确定方法：在转子旋转一周的时段(1s-1.04s)内所探测的感应电势的波形中，共有2个正向电压数据组及2个负向电压数据组，然后，针对每个正向电压数据组，先筛选出局部最大数据，再通过对这多个局部最大数据进行排序来确定出最大的8个数据，且将这最大的8个数据作为正向波峰电压，这8个数据与相应的n磁极下的8个转子槽一一对应。然后，将这8个数据按从小到大的顺序排列，且两两为一小组，共有四个小组。而且，对于第一小组的两个数据(最小的2个数据)，确定其对应的转子槽为1及1
′
号转子槽；对于第二小组的两个数据，确定其对应的转子槽为2及2
′
号转子槽；依次类推，直至四个小组的数据全都确定好对应的转子槽。从波形图上看，这8个数据对应图中正向波形中n磁极下从1号转子槽到4号转子槽及从1
′
号转子槽到4
′
号转子槽的感应电势的尖，且感应电势从该n磁极与其前一s磁极的中心线到两边递增。
73.同样地，针对每个负向电压数据组，先筛选出局部最小数据，再通过对这多个局部最小数据进行排序来确定出最小的8个数据，且将这最小的8个数据作为负向波峰电压，这8个数据与相应s磁极下的8个转子槽一一对应。然后，将这最小的8个数据按从大到小的顺序排列，且两两为一小组，共有四个小组。而且，对于第一小组的两个数据(最大的2个数据)，确定其对应的转子槽为1及1
′
号转子槽；对于第二小组的两个数据，确定其对应的转子槽为2及2
′
号转子槽；依次类推，直至四个小组的数据全都确定好对应的转子槽。从波形图上看，这8个数据对应图中负向波形中s磁极下从1号转子槽到4号转子槽及从1
′
号转子槽到4
′
号转子槽的感应电势的尖，且感应电势从该s磁极与其前一n磁极的中心线到两边递减。
74.进一步地，在判断步骤s30中，根据所述第一数据与所述第二数据的绝对值差值判断所述第一数据所对应的相应磁极下的相应转子槽是否发生匝间短路故障，包括：
75.计算所述第一数据与所述第二数据的绝对值差值；
76.判断所述绝对值差值是否大于设定值；
77.若大于所述设定值，则确定所述第一数据所对应的磁极下的相应转子槽发生匝间短路故障。
78.在该实施例中，设定值例如为k*μ，其中，μ为阈值，且具体为一匝励磁绕组线圈在磁通探测线圈上感应出的电动势幅值，在实际应用中可通过各磁极下相应转子槽的感应电势的最大值除以该槽的匝数来确定；k为系数，例如为0.5，由于一匝线圈产生的磁动势将消耗在两段气隙上，所以，在一个磁极上，探测线圈产生的感应电动势需要乘以系数0.5。
79.下面结合图5a及图5b来说明判断是否发生转子匝间短路故障：当发电机正常运行(无发生转子匝间短路故障)时，不同磁极下相应转子槽对应的感应电势大小几乎一致，如图5a所示，所以，可基于此判断发电机转子是正常的；当前一个n磁极下的4号转子槽发生转子匝间短路故障时，可以看到两个n磁极下的4号转子槽对应的电势之差为19.2v-17.9v＝1.3v，而设定值为0.5*19.2v/15＝0.64v，其中，4号转子槽的绕组的匝数为15。由于1.3v》0.64v，所以可确定前一个n磁极下的4号转子槽发生转子匝间短路故障。
80.本发明还构造一种发电机的转子匝间短路故障定位系统，包括处理器，该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定位方法的步骤。
81.应当理解，在本技术实施例中，处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated 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。
82.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定位方法的步骤，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定位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。
83.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定位方法的步骤。
84.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-only 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定位方法的步骤，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定位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。
85.图6是本发明发电机的转子匝间短路故障定位系统实施例一的逻辑结构图，该转子匝间短路故障定位系统包括：采集模块10、确定模块20、判断模块30，其中，采集模块10用于在发电机的转子旋转一周的时段内，实时采集磁通探测线圈所探测的多个感应电势，其中，所述磁通探测线圈安装在发电机的定子上；确定模块20用于根据所述多个感应电势的数据值及采集序号，确定出每个磁极下各个转子槽所对应的感应电势；判断模块30用于对不同磁极下相应转子槽所对应的感应电势进行绝对值比较，并将绝对值最小的感应电势作为第一数据，将绝对值非最小的感应电势作为第二数据，且根据所述第一数据与所述第二数据的绝对值差值判断所述第一数据所对应的相应磁极下的相应转子槽是否发生匝间短路故障。
86.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。