автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка устройств распознавания состояний генератора при асинхронном ходе и дефектах в цепях возбуждения

САНКТ-ПЕТЕРЕУРШСЙ ГОСУДДРС'ГВЗНШ?. ТЗУШЕСЙЙ

рГ6 од шмет__

Я <ор' Ка правах рукописи-

Т2Т2КПСР А'ГСУ АДОДО

Ш 621.316.925

РАЗРАБОТКА УСТРОлСТЗ ?АСПОЗКАВА5!Я СОСТСЯШ" ГЕНЕРАТОРА ПРИ АСКНХРО!Ша/. ХОДЕ И ДЕФЕКТА" • ЦЕПЯХ ВОЗЕГСДйШ

Специальность 05.14.02 - электрические станции

/злехятрэтеская часть/, сети электроэнергетические системы и управление кг,я

Автореферат диссертации на. соискание ученой степени кандидата технических наук

I

Санкт-Петербург 1394

Работа выполнена на кафедре "Электрические станции" Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Г.Ц.Павлов

Научный консультант - кандидат технических наук, до- ■ цент А.И.Гадгибаев.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профес сор,член корреспондент РАН Савельев В.А.

кандидат технических наук, доцент Соловьев К.С.

■Ведусая организация - АО Ленэнерго

Завита диссертации состоится на заседании специализированного совета К 0S3.38.i34 Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета /195251', Санкт-Петербур: у л.Политехкячес::ая, 29. главное здание, ауд. 325/ "_•»_'_1994 г. в "_

Отзш на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

С диссертацией ко::;но ознакомиться в фундаментальна библиотеке СПбГГУ.

'Автореферат разослан^_"__1994 г.

Ученый секретьрь специализированного совета X С63.33.24

АЛ.Тадгябаев

0Е1Ш ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Акуальность теш. Интенсивное развитие энергетики в западной Африке и в той числе в Того направлено на улучшение технико-зкономмческих показателей энергосистемы в целом. Однако ущерб от выхода из строя генераторов заметно увеличивается из-за неоправданного затягивания иногда и отказа в выявлении анормальных состояний генераторов. Это связано с тем, что анормальные режимы работы генератора недостаточно изучены и используются упрощенные алгоритмы для их выявления. Статистика повреждений конструктивных элементов генератора показывает, что в общем числе отказов из-за повреждений, более половины отказов обусловлено дефектами цепей возбуздешя. Поэтому проблема разработки устройств выявления состояний генератора при асинхронном ходе, связанным с потерей возбуждения при дефектах в цепях возбуждения в условиях эксплуатации имеют высокую актуальность.

Одним из наиболее ваотых путей повыпепия эффективности способов выявления асинхронного хода является использование новых признаков и алгоритмов распознавания. Существующие способы употребляемые один признак выявления асинхронного хода в отдельности не обеспечивают разлгаимость одного состояния генератора к остальным. Анализ всех анормальных режимов как состояний генератора показывает, что эти состояния являются пересекающимися в пространстве признаков, что существенно затрудняет классификацию состояний традиционными методами.

Другой на менее ваяной проблемой, решение которой обеспечит снижение аварийности является своевременное выявление дефектов в цепях возбуждения. как в условиях катастрофических отказов так и при развитии дефектов на ранних стадиях. Традиционные метода контроля состояния цепей возбуждения, обладая ограниченными•возможностями, существенно снижают эффективность использования генератора. Поэтому одной из задач является разработка технических решений обеспечивающих селективное распознавание состояний цепей возбуждения на ранних стадиях развития дефектов.

Необходимо ответить что Зольаого успеха вэтом направлении удается достигнуть в результате значительного прогресса достигнутого на кафедра "Электрические станции" СПбПУ в области использования аналоговых и цифровых интегральных схем, а также средств вычислительной техники в области релейной защиты, автоматики и диагностики электрооборудования.

С учетом изложенного, решение указанных задач, рассматриваемых в данной работе применительно к энергетическим предприятиям Того СЕНТ и западной Африки СЕВ является актуальным как с теоретической точки так и с практической точки зрения.

Цель работы. Совершенствование методов и средств выявления асинхронного хода при потере возбуждения и контроля изоляции в цепях возбуждения.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1/ Анализом дефектов конструктивных элементов генератора, составлением словаря признаков анормальных состояний генератора.

2/ Разработкой методики выбора признаков анормальных состояний генераторов.

3/ Анализом различных состояний генератора при асинхронном ходе.

А/ Выбором новых признаков выявления асинхронного хода при потере возбукдения.

5/ Разработкой новых алгоритмов распознавания состояний генератора при потере возбуждения.

6/ Анализом частотных свойств изоляции цепей возбуждения и разработкой более совершенных методов контроля.

Методы исследования, При решении поставленных задач применены методы теории распознавания образов, »тематического и физического моделирования, анализа процессов в реальном масштабе времени.

Научная новизна.

1/ Разработана методика выбора признаков распознавания анормальных состояний генератора.

2/ На основе математического и физического моделирования процессов 'при анормальном ходе обоснованы новые признаки потери возбуждения, обеспечивающие боле« точное распозна-2

иание состояний генератора.

3/ Разработана более совершенные алгоритма распознавания состояний генератора при потере возбукдения.

4/ Разработаны многочастотные методы контроля состояния изоляции обмотки возбуждения.

Практическая ценность. Алгоритмы выявления асинхронного хода при потере возбуждения и дефектов в цепях ротора на ранних стадиях развития повреждения способствуют повышению энсплутационной надежности турбогенераторов, уменьшении вероятности внезапных отказов и логуяих срабатываний, и снижению затрат на ремонтно-восстановигельные работы.

Реализация результатов паботц.Результаты разработок использованы при изготовлении устройств выявления асинхронного рестна при потере возбуждения и устройств контроля и защити роторных цепей по заказам АО Ленэнерго, АО Красноярск-экерго, ВНМЛ Элмал, НШТЛ.

Апробация работа. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и одобрены на заседаниях кафедрн:"Электрические станции" СПбГГ/, на постоянно действующем семинаре по методам и средствам снижения аварийности электрооборудования при Петербургском энергетическом институте повышения квалификации работников энергетики, на конференции "Методические вопросы надежности больших систем энергетики" /г,Санкт-Петербург/ 1993 г.

Публиуапта. По материалам диссертации получено решение ВГОМГПЭ о выдаче патента России и подготовлен отчет по ЕИР.

Структура к объем пзботк. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы / ico наименований/. Общий объем работы Z1C страниц, включает страниц машинописного текста, 66 рисунков и Щ таблиц на 20 страницах, список литературы на 12. стр.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОМ

Во введении проведен анализ рассматриваемых проблем и обоснована их актуальность для энергетики Того и западной Африки. Сформулированы цели и задачи исследования.

В главе 1 проведен анализ повреждаемости конструктивных элементов генератора при различных дефектах и анормальных режимах. Но результатам анализа составлен словарь признаков анормальных состояний синхронной машины. Состояние генератора может характеризоваться множеством 5 = $ (5(, , .,¿4, •, ¿м), где ь - текущее состояние генератора. В реальных условиях оценка состояния возможна в результате измерения некоторых величия называемых признаками. Поэтому в общей постановка задача распознавания сводится к решению уравнения

А Л £

где У = (¿1, У г < • • • / ^' • ■ • У - вектор реализаций первичных признаков; 2 - реализация конкретного состояния.

Как правило, из бесконечного множества состояний £>' выделяется подмножество Ъ^ , кавдое из которых принадлежит б-(5) . В этом случае проблема представляется в обозримой форме в следующем виде

Б€Ь£/ ни«. Р(У,У£) =аюл к С У,У*), к е 1,

где н! (V, У с ) - некоторая дара сходства.

Анализ характера развития дефектов в генераторе показывает, что в подавляющем большинстве практических случаев распознавание с точки зрения порядка измерений и преобразований первичных признаков, последовательности ранжирования операций является последовательной процедурой. Первичные признаки не всегда являются удобными для решения задачи распознавания, что требует дополнительного преобразования, когда от признакового пространства У осуществляется переход к признаковому пространству Е • Такой подход определил основные решаемые проблеш при распознавании: составление первичного словаря признаков, преобразование признаков с целью повышения различимости состояний, выбор признаков, обеспечивающих уменьшение признакового пространства, разработка алгоритмов распознавания и реализация, процедуры оценки распознавания.

Обоснованный словарь признаков анормальных состояний генератора и модели развития дефектов в цепях возбуждения позволила сформулировать общие и' специфические требования к устройствам выявления асинхронного хода при потере возбуж-4

дения и устройствам оценки состояния цепей ротора.

Глава 2 посвящена анатазу математических аспектов оценка признаков и практических способов преобразований признаков анориальннх состояний синхронной маиины.

Проведен анализ критериев оценки полезности признаков анормальных состояний генератора. Байесовские критерия определяют вероятность ошибочного выявления двух состояли Е1 , форгулой

где (£;/&)- плотность распределения условной вероятности класса Е^ | (^ ) - плотность распределения безусловной вероятности.

Но реализация этих критериев достаточно слокная, по сравнению с использованием евклидового расстояния, где не требуется интегрирование. Критерии определения расстояния признаков меяду классами я внутри класса могут быть определены показателями: ^

А = (I №/<1 Ь

где (1Ц - вектор средних классов ^ Е;

и М - { ^И, р-И, ••• / М 1р ) г

А расстояние медду плотностям! условных вероятностных распределений классов может быть определено используя ковариационные матрицы.

. Критериями позволяющий дать оценку качесгва каждого • признака в отдельности аля группы признаков являются следующие:

Оценка качества каздого признака в отдельности и последующая их ранжировка дает гарантированный позитивный результат только в том случае,' если признаки являются независимая.

5

При' зависимых признаках необходимо сравнение групп признаков. Цельд дискриминантного анализа является снижение размерности признакового пространства.

Решать можно ату задачу разрабатывая методику набора этих признаков, ¿та методика заключается в выборе минимального числа признаков, цель» которой является снижение затрат на выполнения процесса выявления и различимость состояния машин. Пусть Е = множества всех возможных состояний

генератора и п= - шохество контролируемых признаков.

В качестве признаков Используются значения измеряемых сигналов, значения сигналов получениях в результате преобразования измеряемых сигналов, интервал;.! времени в течение которых измеряемые величины находятся в определенном диапазоне, соотношение измеряемых сигналов и интервалов времени. Тогда множество Е и Г] представляет собой явную матештичесную модель устанавливающую связь медку различными состояниями генератора и признаками их возникновения.

Взвешиванием тем или иным способом признаков с целью оценки их полезности при выявлении является суть методики. Молено найти подмножество Л, С Л содержащее минимальное число признаков, обеспечивавших попарную различимость всех состояний. При этом использована матрица различимости В элементы которой определяются из таблицы 2 по следуадему правилу:

(I, е,,

= и шм, ' '

С - число столбцов, УУЬ - число строк исходного описания. Число строк матрицы 6 , № = /п. ( м - ^ )/2

Ь =

& 11 ... & гл $>гг....

УЫ1 &Ы1.... .

Алгоритм позволяющий определить мнонество минимального числа контролируема параметров для выявления состояний генератора основан на использовании аппарата функции Логики 6

= Л ( V ^ )

где Г^ множество столбцов матрицы В .имеющим

на пересечении с 5 -й строкой единицы.

При составлении функции р найдутся те множества которые могут быть исключены из рассмотрения и те которце определяют минимальное число признаков для-распознавания анормальных состояний генератора. Подсчитает/, суммарные затраты, связанные с реализацией каждого множества, т.е.

выбирают те из них для которих зги затраты меньше.

Глава 3. посвящена анализу проблем распознавания асинхронного реасяма генератора, характерным особенностям этого редама и в конечном итоге обоснованием новых признаков выявления асинхронного хода при потере возбуждения.

Существующие признает выявления асинхронного хода при потере возбуэдения имеют низкую информативность и даэт области состояний пересекающихся в пространстве признаков. Например, метод,выявления асинхронного хода при потере возбуждения реагирующий на снижение тока возбуждения не обеспечивает гарантированной различимости распознавания режима. Так, при коротком замыкания, сопровождающемся апериодической составляющей в токе статора, в контурах ротора наводятся токи с частотой вращения, причем ток в обмотке возбуждения может не только уменьшиться ниже уставка, но и изменить знак. Использование других традиционных признаков потери возбуэдения, также подтверждают ограниченные возможности по распознаванию состояний генератора. В этих условиях возможность неправильной работы предотвращается введением выдержки времени.

Сравнительный анализ первичных признаков показывает что наиболее информативным из них являются соотношения амплитуд и фаз тока и напряжения на выводах обмотки статора. Причем, эти соотношения удобно представлять в виде отношения 1/Г// 1г , имеющего размерность сопротивления.

Несмотря на. предпочтительность сопротивления в качестве первичного признака потери возбуждения, тем не менее он об-

7

ладает хотя и в ослабленной форме теми же. что другие измеряемые параметры недостатка!®.

Сопротивление на выводах обмотки статора при несимметричных коротких замыканиях определяется формулой:

7 и) ( Л г с, X [ ) ^ ♦ (- • с[Ч(, - ; С г х'г ) М „ ^ ^ С, К * 11ь) Сг.М

где Ъ - обозначение вида короткого замыкания; Д <~ - допол нительное сопротивление; - коэффициент, определяемый

видом к.з.; С! , С-г - коэффициенты токораспределения цепи, в которой осуществляется определение \ ^ 1 • г ~ С01Ф°~

тивление прямой и обратной последовательности, за которым произошло короткое замыкание; к. . М - комплексные коэффициенты определяющие сдвиг фаз при переходе через трансформатор.

При определенных значениях переходного сопротивления в месте короткого замыкания контролируемое сопротивление попадает в прадеда уставок, ояределяемых окружностью в нижней полуплоскости с центром на отрицательной полуоси и пересекающей ее в точках /<<£ иЛ^ + ^А • ® Ряде с-ЧУ4063 при пониженных напряжениях в нагрузочных релшмах сопротивление также попадает в пределы уставок, что вынуадает ограничивать режимы генератора. Указанные обстоятельства вынуздают искать пути улучшения отстройки от указанных рекимов. Это можно достигнуть сужением зоны охватываемой уставками, что ухудшает условия выявления асинхронного режима при потере возбуждения.

Моделирование режимов при потере возбуждения позволяют выявить следующие основные особенности процессов: однажды попав в область частотных характеристик генератора сопротивление не выходит за пределы уставок на все время потери возбуждения; на первом этапе процесса после попадания в область частотных характеристик сопротивление колеблясь относительно уставок через некоторое время втягивается в их пределы; колебания относительно.уставок сохраняются на псе время потери возбуждения. Одновременно с этим характерным является неравномерность изменения контролируемого параметра, которое зави-8

сиг от вида повреждения и доаварийного режима генератора. Проведенные исследования позволили обосновать ряд дополнительных признаков потери возбуждения: суммарное вреда нахождения в пределах уставок, соотношение времен в зоне и вне зоны, размах колебаний относительно частотных характеристик, изменение фазы относительно особых точек.

Глава 4 посвящена разработке алгоритмов выявления потери возбуждения в условиях колебательности и неравномерности изменения параметров при асинхронном ходе. Обоснован ряд алгоритмов с повышенным быстродействием, а именно алгоритм с интегральной, дифференциальной оценкой времени с адаптацией и многопозиционные алгоритмы.

Суммирование времени нахождения контролируемого параметра в пределах уставок происходит в соответствии с выражением:

= z +

где Ух - число попаданий контролируемого сопротивления в пределы основных уставок; ( S - интегралы времени, в течение которых контролируемая величина находится в пределах уставок; Sj - среднее скольжение на интервале; «¡¡. - весовой коэффициент, вводящий автоматическое изменение уставки;

предельное время формирования сигнала о потере возбуждения.

Это время наступит при выполнении условия

ел**) l&u-z¿¿мо]

Алгоритм поясняется на рис. 1. На рис. 1.а показан характер изменения сопротивления 1 при потере возбуждения относительно уставки представленной в виде окружности 2. Схема устройства включает в себя следующие элементы: датчик сопротивления ДС; генератор импульсов <? ; счетчик Di d . задающий переменный коэффициент о^ ; преобразователь кода в частоту DD5 ; цепи возврата, включающие счетчик Т>К 2. и первый логический элемент И Ш5 i второй логический элемент И f счетчик интегральной оценки DD^j ; триггер фиксации срабатывания Dbg

и

С егл

Иг

м

2>ЪЯ

С стз &1

&1

к 4

2>&з

с

61

ш

-о~о--о-о-

-о-о-

2Ф?

с СТЙ а,

вг

а

4

-о -о-о--о -о

Ы>6

Рис, 1 Схемы поясняющие работу алгоритма интегральной оценки времени.

Пуск алгоритма осуществляется в момент времени I ^ , когда логическая единица поступает на я -вход счетчика возврата 1)02 . на С -вход счетчика 3>1> 1 и на первый вход 1)0"? . С каядам очередным входом в пределы уставок на выходе СО 1 будет меняться комбинация двоичного числа, управляя частотой на выходе 3> 1>3 • Это обеспечивает ускорение счета относительно уставки задаваемой схемой подсоединения Х)Вб и Р1>4 мезду собой.

В условиях неравномерности движения ротора более совершенными являются алгоритмы шогопозиционного контроля размаха колебаний и фазы в соответствии с зависимостями.

л \г-*\ \ » 4 д А а*^, (2 -¿л) >/ л щ {I -1г) ^Ь 1 < < "Ьпр

где - априорно выбранные точки принадлежащие областям

потери возбуздения и возбужденного генератора; Ьл ~ момент пуска алгоритма.

Глава 5 посвящена разработке устройства выявления асинхронного режима при потере возбуждения и устройства контроля состояний изоляции роторных цепей.

Устройство выявления асинхронного режима при потере возбуздения реализует трехканальный алгоритм, который в-краткой форш кокет быть представлен в следующем виде/

м > N

Ч

где Ы ж Му- - текущее число попаданий в пределы уставок и уставки не срабатывания.

Разработаны структурная и принципиальная схемы устройства распознавания асинхронного хода при потере возбуждения. Устройство рис. 2 а содержит входной преобразователь тока¿Pi, входной преобразователь напряжения ф2.' . формирователь сигнала блокировки при холостом ходе ФЗ , формирователь сигнала блокировки при коротком замыкании Фч , формирователь зоны контроля в плоскости отношений напряжения и тока статора генератора Ф5 , канал измерения времени нахождения в зоне контроля фб , канал измерения и контроля отношения времени нахождения в зоне контроля ©ц к времени нахождения вне зоны контроля б^ф^ . канал подсчета числа попаданий в зону контроля Ф8 , логический элемент ИЛИ 99 , исполнительные цепи устройства ФЮ , цепи сигнализации Ф-М и блок питания Ф12. Работа устройства иллюстрируется временными диаграммами пред-ставленыш на рис. 2 б. в режима работы канала дифференциальной оценки.

Разработано устройство контроля состояния изоляции роторных цепей, принцип действия которого основан на наложении на изоляцию переданного напряжения от постороннего источника.

Разработаны структурная и принципиальная схемы устройства контроля изоляции, реализующего предложенный принцип контроля. Устройство /рис. 3/ содержит источник & переменного напрякения Т частоты £ , который через фильтр L^- . С су . настроенный на зту частоту, присоединен к обмотке возбуждения, а другим полюсом - к заземленному валу ротора, преобразова -тель напряжения в напряжение 1, 8, полосовой фильтр 2, 9, масштабный усилитель 3, 7, 10, 14, выпрямитель 4, 20, сгла-аиващий фильтр 5, 13, 21, квадрато 6, фазовращатель 11, блок деления 15, перемножитель 12, блок сигнализации нарушения контакта щетка-вал 19, компаратор 16, 22, элемент выдержки времени 17.

Устройства прошш испытания в лабораторных условиях кафедры "Электрические станции" СПбПУ, а такта на экспериментальных установках энергетических предприятий. 12

и

а)

и* -иг -

и8-

"ъ -

и7-щ

5&

и6.

и*

1_

лг

ТГ

Рис. 2 Структурная схема устройства выявления потери возбуждвиия«^его временные.диаграммы з режиме работы канала дифференциальной оценка /б/.

Ък

?Лтл\ И А/и

ШНЖИВтШ

г

+о

Г£0

н 1

— V 1

А/

о"

¿2

УЗ

О -1

-V*

X

ШШчГН

Г

/6

Г

~ 1

на ¿¿¡кереще

Г7

А*

I

I

сброс трш9е/хг

гв

&э

X

1

Рис. 3 Функциональная схема устройства выполненная на принципе контроля проводимости изоляции

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализа дефектов и анормальных режимов турбо и гидрогенераторов разработана методика выбора признаков классификации дефектов. Методика определяет ранжирование и состав первичных измеряемых параметров, которые обеспечивают' различимость состояний электрооборудования.

2. Исследования неравномерности движения ротора, размаха колебаний контролируемых величин по отношению к их значения« при установившемся скольжении позволяли обосновать новые признаки распознавания состояний синхронной машины при асинхронном ходе.

3. Обобщен и модернизирован алгоритм выявления асинхронного хода при потере возбуждения генератора, основанный на интегральной оценке времени нахождения контролируемых величин в пределах уставок. Алгоритм предусматривает адективное изменение уставок на временную оценку.

4. Разработан новый алгоритм распознавания состояния генератора при асинхронном ходе, основанный на контроле изменения фазы и амплитуды относительно нескольких точек отсчета в признаковом пространстве.

5. Разработано многоканальное устройство выявления асинхронного хода при потере возбуждения на аналоговых цифровых схемах, которое обеспечивает быстродействующее и своевременное формирование управляющего воздействия на разгрузку и отключение.

6. Разработано новое устройство распознавания состояния изоляции обмотки цепей возбуждения. Работа устройства основана на анализе частотных свойств изоляции в пространстве признаков, характеризующих ее диэлектрические свойства.

7. Результаты разработок использованы в уставках выполненных кафедрой "Электрические станции" СПбПУ, по заказам энергетических предприятий России. Разработанные устройства прошли экспериментальные исследования в лабораторных условиях СПбПУ и на электрических станциях.

По теме диссертации опубликована следующая работа: "Устройство для контроля изоляции и защиты обмотки статора блочного генератора от замыкания на землю". Решение о выдаче патента ВНИИШЭ от 25.0394 по заявке * 92-006201 от 20. 10.92 г.

Авт.: Тадашбаав А.И.. ТЕТЕКПОР Атсу Адодо, Калинина Е.В..И

Подписано к печати 22,ОЧ.$Ц. Тираж 100 экз.

Заказ ZOO. { Бесплатно

Отпечатано на ротапринте СПбПУ 195251, Санкт-Петербург. Политехническая ул., 29