一种发电机励磁绕组故障识别方法、装置及电子设备与流程

1.本发明属于电力系统技术领域，具体而言，涉及一种发电机励磁绕组故障识别方法、装置及电子设备。


背景技术：

2.发电机是电力系统的主要组成部分之一，它的安全运行是保证电力系统稳定的一个必要条件。对于一台长期投入运行的发电机来说，机励磁绕组故障时常发生，一方面，短路故障初期的故障特征不明显，对发电机正常运行的影响也较小，然而如果无法及时排除故障，随着短路故障的扩散会导致发电机的励磁电流增大、无功减小，引起机组的剧烈振荡，最终演变成严重的短路故障甚至引发事故；另外一方面，发电机运行时由于励磁绕组之间的挤压、散热不足等造成的匝间短路故障(简称动态匝间短路故障)，其故障特征在发电机停机之后就会消失，现场使用的离线检测方法无法检测出该类故障。
3.对于理想发电机而言，励磁绕组故障导致的故障励磁磁动势在空间中的分布不再对称，因此产生了定子绕组同相不同分支间的不平衡电流，已有方法基于不平衡电流的有效值实现了故障的在线识别。然而实际中的发电机并非理想电机，制造工艺不良等因素导致发电机正常运行时的励磁磁动势发生畸变，由此产生了固有不平衡电流。固有不平衡电流的存在导致了已有的故障识别方法存在着死区，无法实现小匝数短路故障的灵敏识别。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种发电机励磁绕组故障识别方法、装置及电子设备。
5.第一方面，本公开提供了一种发电机励磁绕组故障识别方法，包括：
6.对发电机定子绕组的分支组电流进行电流采样，得到三相电流数据；
7.对所述三相电流数据进行clark变换，将三相电流数据变换为两相电流数据；
8.在二维坐标系中对所述两相电流数据中的两相电流进行表示，一相电流作为二维坐标系中的横坐标，另一相电流作为二维坐标系中的纵坐标，得到两相电流的坐标点；
9.根据两相电流的坐标点，得到两相电流的坐标点在二维坐标系中随时间变化的轨迹；
10.对所述轨迹进行圆曲线拟合，得到拟合圆方程的表达式；
11.根据所述拟合圆方程的表达式，计算拟合圆的圆心偏移量；
12.根据所述拟合圆的圆心偏移量分析发电机励磁绕组故障状态。
13.第二方面，本公开提供了一种发电机励磁绕组故障识别装置，包括：采样单元、变换单元、转换单元、轨迹生成单元、拟合单元、计算单元与分析识别单元；
14.所述采样单元，用于对发电机定子绕组的分支组电流进行电流采样，得到三相电流数据；
15.所述变换单元，用于对所述三相电流数据进行clark变换，将三相电流数据变换为
两相电流数据；
16.所述转换单元，用于将所述两相电流数据中的两相电流转换为在二维坐标系中的坐标点，一相电流作为二维坐标系中的横坐标，另一相电流作为二维坐标系中的纵坐标，得到两相电流的坐标点；
17.所述轨迹生成单元，用于根据两相电流的坐标点，得到两相电流的坐标点在二维坐标系中随时间变化的轨迹；
18.所述拟合单元，用于对所述轨迹进行圆曲线拟合，得到拟合圆方程的表达式；
19.所述计算单元，用于根据所述拟合圆方程的表达式，计算拟合圆的圆心偏移量；
20.所述分析识别单元，根据所述拟合圆的圆心偏移量分析识别发电机励磁绕组故障状态。
21.第三方面，本公开提供了一种电子设备，包括：
22.处理器和存储器；
23.所述存储器，用于存储计算机操作指令；
24.所述处理器，用于通过调用所述计算机操作指令，执行任一项所述的一种发电机励磁绕组故障识别方法。
25.本发明的有益效果：本发明不受固有不平衡电流的影响、不存在监测死区，能够实现小匝数短路故障的监测，无需对发电机进行改造，且能够实现小匝数短路故障的灵敏识别，可以在实际中广泛应用。
26.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
27.进一步，若所述发电机定子绕组为每相多分支并联结构，则对每相一个分支的电流进行采样。
28.进一步，对所述三相电流数据进行clark变换，将三相电流数据变换为两相电流数据，包括：
29.将定子三相电流等效地变换到二维坐标系下，得到三相电流的矢量之和等于两相电流的矢量之和的关系式；
30.获取发电机正常运行时各相定子绕组相电流的表达式；
31.将各相定子绕组相电流的表达式代入所述关系式，得到两相电流的表达式。
32.进一步，发电机未发生励磁绕组故障运行情况下，所述三相电流数据经过clark变换后，得到的二维坐标系中的坐标点随时间变化的轨迹是一个圆心坐标位于原点、半径为定子绕组的电流幅值设定倍数大小的圆。
33.进一步，根据所述拟合圆的圆心偏移量分析识别发电机励磁绕组故障状态，包括：
34.判断所述拟合圆的圆心偏移量与整定值的比值是否大于或等于门槛值；若是则发电机励磁绕组发生故障，否则，发电机励磁绕组未发生故障。
附图说明
35.图1为本发明实施例1提供的一种发电机励磁绕组故障识别方法的流程图；
36.图2为本发明实施例1中一种发电机励磁绕组故障识别方法的程序框图；
37.图3为clark变换的原理图；
38.图4为实验样机不同工况下定子三相电流的clark变换波形图及其圆心偏移仿真
图；
39.图5为实验样机同时存在故障与固有不平衡电流时定子三相电流的 clark变换波形图及其拟合圆的圆心偏移仿真图；
40.图6为实验样机考虑固有不平衡电流的不同匝数故障时clark变换波形拟合圆的圆心偏移值的统计图；
41.图7为本发明实施例2提供的一种发电机励磁绕组故障识别装置的原理图；
42.图8为发电机正常工况下定子绕组三相电流及其clark变换波形仿真图；
43.图9为发电机励磁绕组不同匝数故障时定子绕组三相电流的clark变换波形仿真图；
44.图10为不同匝数短路时基于clark变换的故障识别灵敏系数表；
45.图11为本发明实施例3提供的一种电子设备的原理图。
46.图标：50-电子设备；510-处理器；520-总线；530-存储器；540-收发器。
具体实施方式
47.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
48.实施例1
49.作为一个实施例，如附图1所示，为解决上述技术问题，本实施例提供一种发电机励磁绕组故障识别方法，包括：
50.对发电机定子绕组的分支组电流进行电流采样，得到三相电流数据；
51.对所述三相电流数据进行clark变换，将三相电流数据变换为两相电流数据；
52.将所述两相电流数据中的两相电流转换为在二维坐标系中的坐标点，一相电流作为二维坐标系中的横坐标，另一相电流作为二维坐标系中的纵坐标，得到两相电流的坐标点；
53.根据两相电流的坐标点，得到两相电流的坐标点在二维坐标系中随时间变化的轨迹；
54.对所述轨迹进行圆曲线拟合，得到拟合圆方程的表达式；
55.根据所述拟合圆方程的表达式，计算拟合圆的圆心偏移量；
56.根据所述拟合圆的圆心偏移量分析识别发电机励磁绕组故障状态。
57.具体的，该发电机励磁绕组故障识别方法包括：
58.对发电机定子绕组的一个分支或者分支组电流进行采样；
59.采集到的三相电流数据进行clark变换，将abc三相电流变换为两相电流i
α
与i
β
；
60.将得到的两相电流中i
α
设定为αβ二维坐标系中的横轴坐标，将i
β
设定为二维坐标系中的纵轴坐标；
61.根据两相电流的坐标点，得到两相电流的坐标点在二维坐标系中随时间变化的轨迹；
62.进行圆曲线的拟合，得到的拟合圆方程的表达式：
63.(i
α-i
α0
)2 (i
β-i
β0
)2＝r2；
64.其中：i
α0
为拟合圆圆心在αβ二维坐标系中的横坐标，i
β0
为拟合圆圆心在αβ二维坐标系中的纵坐标，r为拟合圆的半径；
65.根据所述拟合圆方程的表达式，计算出拟合圆的圆心偏移量ck：
66.ck＝i
α02
i
β02
；
67.根据拟合圆的圆心偏移量的大小分析识别发电机励磁绕组故障。
68.可选的，若发电机定子绕组为每相多分支并联结构，则对每相一个分支的电流进行采样。
69.可选的，对所述三相电流数据进行clark变换，将三相电流数据变换为两相电流数据，包括：
70.将定子三相电流等效地变换到二维坐标系下，得到三相电流的矢量之和等于两相电流的矢量之和的关系式；
71.获取发电机正常运行时各相定子绕组相电流的表达式；
72.将各相定子绕组相电流的表达式代入所述关系式，得到两相电流的表达式。
73.在实际应用过程中，将定子三相电流等效地变换到αβ二维坐标系下，三相电流的矢量之和等于两相电流的矢量之和，一定子三相电流为例，αβ二维坐标系的电流iα和iβ与abc三相电流所在的坐标系下的定子电流ia、 ib、ic之间的关系式为：
[0074][0075]
设发电机正常运行时无励磁绕组故障，定子绕组a相电流的表达式为：
[0076]
ia＝isinωrt；
[0077]
其中i为定子绕组电流幅值，ωr为同步转速。
[0078]
将定子电流ia、ib、ic的表达式代入上述关系式，得：
[0079][0080]
化简得：
[0081]
[0082]
可选的，发电机未发生励磁绕组故障运行情况下，所述三相电流数据经过clark变换后，得到的二维坐标系中的坐标点随时间变化的轨迹是一个圆心坐标位于原点、半径为定子绕组的电流幅值设定倍数大小的圆。
[0083]
由上式可得，发电机定子三相电流是对称的，将发电机定子三相电流变换到αβ坐标系中可得到：
[0084][0085]
因此，发电机正常运行未发生励磁绕组故障的情况下，发电机定子三相电流经过clark变换后，得到αβ坐标系下(i
α
,i
β
)随时间变化的轨迹是一个圆心位于原点、半径为3i/2的圆。
[0086]
可选的，根据所述拟合圆的圆心偏移量分析识别发电机励磁绕组故障状态，包括：
[0087]
判断所述拟合圆的圆心偏移量与整定值的比值是否大于或等于门槛值；若是则发电机励磁绕组发生故障，否则，发电机励磁绕组未发生故障。
[0088]
在实际应用过程中，当发电机存在励磁绕组故障时，空间中的励磁磁动势不再对称分布，由此感应产生的发电机定子三相电流也会发生畸变，此时定子电流ia、ib、ic经过clark变换后不再满足轨迹是一个圆心位于原点、半径为3i/2的圆，对clark变换后的表达式进行圆曲线拟合，由拟合圆的畸变特征实现励磁绕组故障识别。
[0089]
例如，当时，发电机发生励磁绕组故障；其中ck为最大圆心偏移值f
set
为预设的门槛值，门槛值根据发电机正常工况下abc三相电流clark 变换波形的最大圆心偏移进行选取。发电机理想正常工况下得到的clark 变换波形为标准圆，不存在圆心偏移；固有不平衡电流导致clark变换波形畸变为椭圆，拟合圆的圆心偏移几乎为0；而故障会导致clark变换拟合圆的圆心发生较大偏移，通过圆心偏移值与门槛值进行比较实现故障的灵敏识别。
[0090]
为了验证上述方法，在ansys平台中建立实验样机的场路耦合模型，考虑实际发电机存在的定子不圆、转子不圆以及转子偏心三种情况下产生的固有不平衡电流进行仿真计算，如附图4所示。
[0091]
如附图4-1所示，q401为正常工况下clark变换波形，q402为该波形拟合圆；由拟合圆得到的正常工况下，三相电流中a1、b1、c1分支电流经过clark变换得到的αβ坐标系下的拟合圆方程：
[0092]
(x-0.0026)2 (y-0.0720)2＝13.56352；
[0093]
如附图4-2所示，q403为故障工况下clark变换波形，q404为该波形拟合圆；由拟合圆得到的励磁绕组故障工况下，三相电流中a1、b1、c1分支电流经过clark变换得到的αβ坐标系的圆方程：
[0094]
(x-0.6525)2 (y-1.0408)2＝12.44392；
[0095]
如附图4-3所示，q405为定子不圆工况下clark变换波形，q406为该波形拟合圆；由拟合圆得到的定子不圆工况下，三相电流中a1、b1、c1分支电流经过clark变换得到的αβ坐标系的圆方程：
[0096]
(x-0.006)2 (y-0.0127)2＝13.52082；
[0097]
如附图4-4所示，q407为转子不圆工况下clark变换波形，q408为该波形拟合圆；由拟合圆得到的转子不圆工况下，三相电流中a1、b1、c1分支电流经过clark变换得到的αβ坐标系的圆方程：
[0098]
(x-0.0806)2 (y-0.0116)2＝13.38372；
[0099]
如附图4-5所示，q409为转子偏心工况下clark变换波形，q410为该波形拟合圆；由拟合圆得到的转子偏心工况下，三相电流中a1、b1、c1分支电流经过clark变换得到的αβ坐标系的圆方程：
[0100]
(x-0.0861)2 (y-0.0275)2＝12.96512；
[0101]
根据上述方程计算得到各个工况下拟合圆的圆心偏移如附图4-6所示，由图中的数据可知，故障情况下拟合圆的圆心坐标相对正常工况有明显变化，但是存在固有不平衡电流时得到的拟合圆的圆心坐标偏移较小，因此结合clark变换和拟合圆得到的圆心偏移，即可实现故障不平衡电流与固有不平衡电流的区分。
[0102]
发电机存在励磁绕组故障仿真是由理想电机模型得到的，在实际应用过程中，发电机存在励磁绕组故障与固有不平衡电流是同时存在的，为了进一步验证本发明方法的有有效性，考虑固有不平衡电流的故障工况进行仿真，由clark变换得到的波形如附图5所示，附图5-1、5-2、5-3得到存在固有不平衡电流的故障工况下定子绕组a1、b1、c1分支电流的clark变换得到的拟合圆的圆心偏移值如附图5-4所示，图5-1中q501为故障且定子不圆clark变换波形，q502为该波形拟合曲线；图5-2中q503为故障且转子不圆clark变换波形，q504为该波形拟合曲线；图5-3中q505为故障且转子偏心clark变换波形，q506为该波形拟合曲线；图中的结果说明了基于clark变换的故障识别方法的有效性不受固有不平衡电流的影响。
[0103]
本发明发电机励磁绕组故障识别方法的灵敏度分析：
[0104]
由拟合圆得到的转子偏心工况下，固有不平衡电流造成的圆心偏移最大可将，最大圆心偏移值为0.0082，若取可靠系数为1.2，则故障识别的整定值f
set
为0.0098，为了反映出故障识别方法的灵敏性，引入故障识别的灵敏系数k
sen
，灵敏系数的计算方法为：
[0105][0106]
短路的匝数不同，得到的灵敏度系数也不同，若某次故障得到的灵敏度系数k
sen
≥1.3，则本发明一种发电机励磁绕组故障识别方法具有较好的灵敏度。由于故障识别整定值是按照转子偏心得到的圆心偏移值进行整定的，因此对实验样机励磁绕组1匝、2匝及3匝短路故障且存在转子偏心的工况进行仿真计算，各个工况下仿真计算得到的拟合圆的圆心偏移值如附图6 所示，三种故障工况下的灵敏系数分别为1.54、2.03和2.59，由此可知对于实验样机来说，短路1匝时灵敏度系数已经满足要求(k
sen
≥1.3)，由此说明了基于clark变换的故障识别法具有较好灵敏度，不存在死区。
[0107]
实施例2
[0108]
基于与本发明的实施例1中所示的方法相同的原理，如附图7所示，本发明的实施例中还提供了一种发电机励磁绕组故障识别装置，包括：采样单元、变换单元、转换单元、轨迹生成单元、拟合单元、计算单元与分析识别单元；
[0109]
所述采样单元，用于对发电机定子绕组的分支组电流进行电流采样，得到三相电流数据；
[0110]
所述变换单元，用于对所述三相电流数据进行clark变换，将三相电流数据变换为两相电流数据；
[0111]
所述转换单元，用于将所述两相电流数据中的两相电流转换为在二维坐标系中的坐标点，一相电流作为二维坐标系中的横坐标，另一相电流作为二维坐标系中的纵坐标，得到两相电流的坐标点；
[0112]
所述轨迹生成单元，用于根据两相电流的坐标点，得到两相电流的坐标点在二维坐标系中随时间变化的轨迹；
[0113]
所述拟合单元，用于对所述轨迹进行圆曲线拟合，得到拟合圆方程的表达式；
[0114]
所述计算单元，用于根据所述拟合圆方程的表达式，计算拟合圆的圆心偏移量；
[0115]
所述分析识别单元，根据所述拟合圆的圆心偏移量分析识别发电机励磁绕组故障状态。
[0116]
可选的，若发电机定子绕组为每相多分支并联结构，则对每相一个分支的电流进行采样。
[0117]
可选的，对所述三相电流数据进行clark变换，将三相电流数据变换为两相电流数据，包括：
[0118]
将定子三相电流等效地变换到二维坐标系下，得到三相电流的矢量之和等于两相电流的矢量之和的关系式；
[0119]
获取发电机正常运行时各相定子绕组相电流的表达式；
[0120]
将各相定子绕组相电流的表达式代入所述关系式，得到两相电流的表达式。
[0121]
可选的，发电机未发生励磁绕组故障运行情况下，所述三相电流数据经过clark变换后，得到的二维坐标系中的坐标点随时间变化的轨迹是一个圆心坐标位于原点、半径为定子绕组的电流幅值设定倍数大小的圆。
[0122]
可选的，根据所述拟合圆的圆心偏移量分析识别发电机励磁绕组故障状态，包括：
[0123]
判断所述拟合圆的圆心偏移量与整定值的比值是否大于或等于门槛值；若是则发电机励磁绕组发生故障，否则，发电机励磁绕组未发生故障。
[0124]
在实际应用过程中，对发电机配置该一种发电机励磁绕组故障识别装置，该装置通过在定子绕组中分两组共安装6个电流互感器ct，其中一组在三相第一个分支中各安装一个电流互感器ct，另外一组在a、b、c三相总导体上各安装一个电流互感器ct，由此获取发电机定子绕组三相电流的数据。发电机正常运行工况下得到的定子绕组a1、b1、c1分支电流的录波波形(二次值)及其clark变换如附图8中9-1中i
a1
、i
b1
、i
c1
,附图8中9-2 中q801为clark变换波形，q802为该波形拟合曲线。
[0125]
发电机正常工况下，将定子绕组三相电流变换到αβ坐标系下得到的拟合圆的圆心坐标为(-0.0194,0.0194)，圆心偏移为0.0008。基于clark 变换，故障识别的整定值f
set
取为：f
set
＝λ
relcm
，式中，cm为最大圆心偏移值，λ
rel
为可靠系数，由现场录波数据的计算可将cm取值为0.0008；若取可靠系数λ
rel
为1.2，则故障识别的整定值f
set
为0.00096。
[0126]
由发电机的仿真模型得到励磁绕组不同匝数短路故障时，定子a1、b1、 c1分支电流的clark变换波形，如附图9中，附图9-1中q901为1匝短路故障时clark变换波形,q902为
该波形的拟合曲线；附图9-2中q903为2 匝短路故障时clark变换波形,q904为该波形的拟合曲线；附图9-3中q905 为3匝短路故障时clark变换波形,q906为该波形的拟合曲线；附图9-4中 q907为4匝短路故障时clark变换波形,q908为该波形的拟合曲线；附图 9-5中q909为5匝短路故障时clark变换波形,q910为该波形的拟合曲线；附图9-6中q911为6匝短路故障时clark变换波形,q912为该波形的拟合曲线。已知故障识别的整定值f
set
为0.00096，根据灵敏系数的定义可得发电机励磁绕组不同匝数故障时，使用clark变换法得到的灵敏度系数如附图10所示。由表中可知当短路匝数为1时，故障识别灵敏系数达到了1.35，此时的故障识别已经较为灵敏；而随着短路匝数的增加，灵敏系数的大小迅速增大，由此可知基于clark变换的故障识别方法应用于发电机时具有较好的灵敏度。
[0127]
实施例3
[0128]
基于与本发明的实施例中所示的方法相同的原理，本发明的实施例中还提供了一种电子设备，如附图11所示，该电子设备可以包括但不限于：处理器和存储器；存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于通过调用计算机程序执行本发明任一实施例所示的方法。
[0129]
在一个可选实施例中提供了一种电子设备，图11所示的电子设备50 包括：处理器510和存储器550。其中，处理器510和存储器550相连，如通过总线520相连。
[0130]
可选地，电子设备50还可以包括收发器540，收发器540可以用于该电子设备与其他电子设备之间的数据交互，如数据的发送和/或数据的接收等。需要说明的是，实际应用中收发器540不限于一个，该电子设备50的结构并不构成对本发明实施例的限定。
[0131]
处理器510可以是cpu中央处理器，通用处理器，dsp数据信号处理器， asic专用集成电路，fpga现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。处理器510也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，dsp和微处理器的组合等。
[0132]
总线520可包括一通路，在上述组件之间传送信息。总线520可以是 pci外设部件互连标准总线或eisa扩展工业标准结构总线等。总线520可以分为控制总线、数据总线、地址总线等。为便于表示，图11中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
[0133]
存储器550可以是rom只读存储器或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，ram随机存储器或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是eeprom电可擦可编程只读存储器、cd-rom只读光盘或其他光盘存储、光碟存储(包括光碟、激光碟、压缩光碟、数字通用光碟等)、磁盘存储介质，或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。
[0134]
存储器550用于存储执行本发明方案的应用程序代码(计算机程序)，并由处理器510来控制执行。处理器510用于执行存储器550中存储的应用程序代码，以实现前述方法实施例所示的内容。
[0135]
本发明不受固有不平衡电流的影响、不存在监测死区，能够实现小匝数短路故障的监测，无需对发电机进行改造，且能够实现小匝数短路故障的灵敏识别，可以在实际中广泛应用。
[0136]
以上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，所作的任何修改、
等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。