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

САНКТ-П2ТЕРШТСЮЙ ГОС/ДАРСГЗЗНШ/. ТЗОШЗСКЙ УШВЗРС11ТЕТ

Ка правах рукописи

ТЕТ2ХПСР АТСУ АДОДО

УЖ 621.315.925

РАЗРАБОТКА УСТРОлСТЗ РАСПОЗНАВАНИЯ СОСТОЯНИЙ ГЕНЕРАТОРА ПРИ АИШХРОННОЫ! Х0Д2 И ДS^2KTAX 3 ЦЕПЯХ В03ЕУ2ДДШ -

Специальность 05.14.02 - электрические станции

/электрическая часть/, сети электроэнергетические системы и управление или

Автореферат диссертации на. соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1394

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

с »

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

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент А.Н.Тадтибаев.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профе(

сор,член корреспондент РАН Савельев В.А.

кандидат технических наук, доцент Соловьев Н.С.

Ведущая организация - АО Ленэнерго

Защита диссертации состоится на заседании специализированного совета К 063.38.24 Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета /195251. Санкт-Петербур: ул.Политехническая, 29, главное здание, ауд. 325/ _"_19Э4 г. в_

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

С диссертацией мошо ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГГУ.

Автореферат разослан " "__1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета X 063.33.24

А.И.Таджибаев

0И1АЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

Акуальность теш. Интенсивное развитие энергетики в западной Африке и в том числе в Того направлено на улучшение технико-экономических 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 ре.тимы 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 возбуздения. Поэтому проб-лет разработки устройств выяа1ения состояний генератора при асинхронном ходе, связанны;,! с потерей возбуждения при дефектах в цепях возбуждения в условиях эксплуатации имеют высокую актуальность.

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

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

Необходимо отметить что большого успеха вэтом направления удается достигнуть в результате значительного прогресса достигнутого на кафедре "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, рассматри ваемнх в данной работе, применительно к энергетическим предприятиям Того С23Т 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.

4/ Выбором новых признаков выявления асинхронного хода при потере возбуждения.

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 метода теории распознавания образов, математического 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 более) точное распозна-2

1ание состояний генератора.

3/ Разработаны более совершенные алгоритмы распознава-шя состояний генератора при потере возбуждения.

4/ Разработаны многочастотные методы контроля состояния [золяции обмотка возбуждения.

Практическая ценность. Алгоритмы выявления асинхронного :ода при потере возбуждения и дефектов в цепях ротора на »аннях стадиях развития повреждения способствуют повышению шсплутационной надежности турбогенераторов, уменьаению ве-юятности внезапных отказов а ложных срабатываний, и снигению атрат на ремонтно-восстановительные работы.

Реатксатгтя результатов работу.Результаты разработок :спользованн при изготовлении устройств выявления асинхрон-:ого реглма при потере возбуждения и устройств контроля и ащиты роторных цепей по заказам АО Ленэнерго, АО Красноярск-иерго, ВНИИ Элмага. НйИТМ.

Апробация работа. Основные положения диссертации докла-.ывались, обсуздались и одобрены на заседаниях кафедры:"Элек~ рические станции" СПбПУ, на постоянно действующем семинаре :о методам и средствам снижения аварийности электрооборудо-ания при Петербургском энергетическом институте повышения валлфикации работников энергетики, на конференции "Методи-еские вопросы надежности больаих систем энергетики" /г.Саннт-етербург/ 1993 г.

Публикатит. По материалам диссертации получено решение НИИП1Э о выдаче патента России и подготовлен отчет по ЕИР.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состо-т из введения, пяти глав, заключения, списка литературы ico наименований/. Общий объем работы 2?6 страниц, ключает страниц машинописного текста, £5 рисунков и 1Ц таблиц на 20 страницах, список литературы на /2 стр.

КРАТКОЕ СОЛЕРШЙЕ РАБОТЫ

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

В главе 1 проведен анализ повреждаемости конструктивных элементов генератора при различных дефектах и анормальных режимах. По результатам анализа составлен словарь признаков анормальных состояний синхронной машины. Состояние генератора может характеризоваться множеством S = S (5,, V/, ,¿'м)

где S t - текущее состояние генератора. В реальных условиях оценка состояния возможна в результате измерения некоторых величин yi называемых признаками. Поэтому в общей постановке задача распознавания сводится к решению уравнения л g С^Л=У,А

где Y = Уч / У г , ■ У /» ~ вектор реализаций

первичных признаков; - реализация конкретного состояния.

Как правило, из бесконечного множества состояний £> выделяется подшюяеетво hj , каждое из которых принадлежит G(S). В этом случае проблема представляется в обозримой форме в следующем виде

S€ Ье У ьсии. Я (Y, У£) = тал R ( Y),

где R (Y,Уi) - некоторая мера 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 Y осуществляется переход к признаковому пространству £ • Такой подход определил основные реиа-емые проблемы 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 позволили сформулировать общие и' специфические требования к устройствам выявления асинхронного хода при потере возбуж-4

дения и устройствам оценки состояния цепей ротора.

Глава 2 посвящена анализу математических аспектов оценки признаков и практических способов преобразований признаков анормальных состояний синхронной машины.

Проведен анализ критериев оценки полезности признаков анормальных состояний генератора. Байесовские критерия определяют вероятность ошибочного выявления двух состояли Е^ , Е^ форг/улой

где ^ (Е ¿/в)- плотность распределения условной вероятности класса Е^ : - плотность распределения безусловной

вероятности.

Но реализация этих критериев достаточно сложная, по сравнению с использованием евклидового расстояния, где не требуется интегрирование. Критерии определения расстояния признаков мезду классам! и внутри класса могут быть определены показателями:

д = (IЬ) {| Ь (е> Xе ^Г"1'

где Пц - вектор средних классов Е;

и рс? = { ¡чи, у-и, •■■ , )г

А расстояние медцу шготностяш условных вероятностных распределений классов монет быть определено используя ковариационные матрицы.

. Критериями позволящимя дать оценку качества каждого • признака в отдельности или 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. Целы* дискриминантного анализа является снижение размерности признакового пространства.

Решать могло зту задачу разрабатывая методику выбора этих признаков, ¿та методика заключается в выборе минимального числа признаков, целью которой является снижение затрат на выполнения процесса выявления и различимость состояния машин. Пусть Е = {£<.)"1'- множества всех возможных состояний генератора и ~ множество контролируемых признаков.

В качестве признаков Используются значения измеряемых сигналов, значения сигналов получению: в результате преобразования измеряемых сигналов, интервала времени в течение которых измеряемые величины находятся в определенном диапазоне, соотношение измеряемых сигналов и интервалов времени. Тогда мнояес-тво Е и П представляет собой явную математическую модель устанавливающую связь медду различными состояниями генератора и признаками их возникновения.

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

ГЦ ^ с*; . л ^

Ч " 1 с, и^ г^ < '

I - число столбцов, Пь - число строк исходного описания. Число строк матрицы Ь 1 N = м, ( т - и. )/¿

& =

^•м & а ...

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

= Л ( V я-)

где П5мюлзство столбцов 1атрицы В .имеющим на пересечении с -й строкой единицы.

При составлении функции Я найдутся те мнскества которые могут быть исключены из рассмотрения и те которые определяют минимальное число признаков для' распознавания анормальных состояний генератора. Подсчитаем суммарные затраты, связанные с реализацией ка:':дого_кножества, т.е.

выбирают те из них для которкх эти затраты кенысс.

Глава 3. посвящена анатазу проблем распознавания асинхронного реяима генератора, характерным особенностям этого ренима а в конечном итоге обоснованием новых признаков выявления асинхронного хода при потере возбуждения.

Существующие признаки выявления асинхронного хода при потере возбуждения имеют низкую информативность и дают 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 замыкании, сопровождающемся апериодической составляющей в токе статора, в контурах ротора наводятся токи с частотой вращения, причем ток з обмотке возбуждения может не только уменьшиться нате уставки, но и изменить знак. Использование других традиционных признаков потери возбуждения, также подтверждают ограниченные возможности по распознаванию состояний генератора. 3 этих условиях возможность неправильной работы прздотвращается 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 Т/Г// Гг , 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 недостаткам!.

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

(х) (лг'^м'^х.^к ут'г;с2л;^ ^ ' . С( К + е1г)Сг м

л7(г>

где "Ь - обозначение вида короткого замыкания; а<- - допо, нительное сопротивление; т.1^ - коэффициент, определяемый видом к.з.; С^ , Сг - коэффициенты токораспределения цепи, в которой осуществляется определение х 1 • ^ 2 ~ сопро-

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 залшкания контролируемое сопротивление попадает в пределы уставок, определяемых окружностью в нижней полуплоскости с центром на отрицательной полуоси и пересекающей ее в точках ^ и • ® Ряде олу^е® Щ?11 пониженных напряжениях в нагрузочных режимах сопротивление также попадает в пределы уставок, что вынуядает ограничивать режимы генератора. Указанные обстоятельства вынуждают искать пути улучшения отстройки от указанных режимов. 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 и их пределы; колебания относительно.уставок сохраняются на псе время потери возбуждения. Одновременно с этим характерным является неравномерность изменения контролируемого параметра, которое зави-8

сит от вида повреждения и доаварийного режима генератора. Проведенные исследования позволили обосновать ряд дополнительных признаков потери возбуждения: суммарное время 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:

П-1

+ S*;,

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

5д.)- предельное время формирования сигнала о потере возбуждения.

Это время наступит при выполнении условия

MsJ > а'л - Z ¿¡MOj « t^i

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 ДО; генератор импульсов G ; счетчик Ш> 1 , задающий переменный коэффициент о^ ; преобразователь кода в частоту J)D3 ; цепи возврата, включающие счетчик PD2 и первый логический элемент И 1)1)5" ; второй логический элемент И J>± i счетчик интегральной оценки DD^j ; триггер фиксации срабатывания Х> 3>6

л 0.6.

-0,1

-0,6

и

Г ^до ж

П2

-0,9

■0,5

о, г

0,6

о,9 ^с.е.

<£)С

С стя

Ог в*

к Яу

Х>2)£

С СГЗ &1

Кг

Я м7

Ы>6

£

а, ¿?

Ш

-о-о--о-о-

-о-сн

с С72 4 0

я 6.\

-о Ы>6

-о

'-О

Рис. 1 Схемы поясняющие работу алгоритма интегральной оценки Бремени.

Пуск алгоритма осуществляется в момент времени t ^ , когда логическая единица поступает на Я -вход счетчика возврата DD2 . на С -вход счетчика 1ф 1 и на первый вход Dp"} . С каждым очередным входом в пределы уставок на выходе DPI будет меняться комбинация двоичного числа, управляя частотой на выходе DE>3 • Это обеспечивает ускорение счета относительно уставки задаваемой схемой подсоединения 3>"D6 и ££>•4 меяду собой.

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

Л 1 Z - Zi \ > £ д Iz-z^l

Д аг^ (2 -Za) У/ Л <Щ (z -z2)

11 < t < t0p

где Z!, Z 2. ~ априорно выбранные точки принадлежащие областям потери возбуждения и возбужденного генератора; , - 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 возбуждения реализует трехканальный алгоритм, который в-краткой форме может быть представлен в следующем виде/

ZeZf,t

N > Nu

Gijsi) (Si+l)

у

где N и Л/^ - текущее число попаданий в пределы уставок и рставки не срабатывания.

Разработаны структурная и принципиальная схемы устройства распознавания асинхронного хода при потере возбуздения. Устройство рис. 2 а содержит входной преобразователь тока 4M, входной преобразователь напряжения ф£ , 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 95 . канал измерения времени нахождения в зоне контроля Ф6 . канал измерения и контроля отношения времени нйхоадения в зоне контроля б;, к времени нахождения вне зоны контроля Oi i ф , канал подсчета числа попаданий в зону контроля Ф8 . логический элемент ИЛИ 99 , исполнительные цепи устройства ФЮ , цепи сигнализацииФ-И и блок питания ФМ 2. Работа устройства иллюстрируется временными диаграммами пред-ставленыш на рис. 2 б, в ре:химо работы канала дайеренциаль-ной оценки.

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

Разработаны структурная и принципиальная схемы устройства контроля изоляции, реализующего предложенный принцип контроля. Устройство /рис. 3/ содержит источник & переменного напряжения ЯГ частоты £ , который через фильтр i.^. , С су . настроенный на эту 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, V, 10, 14, выпрямитель 4, 20, сглаживающий фильтр 5, 13, 21, квадрато 6, фазовращатель 11, блок деления 15, перемно;а1тель 12, блок сигнализации нарушения контакта щетка-вал 19, компаратор 16, 22, элемент выдаржки времени 17.

Устройства прошли испытания, в лабораторных условиях кафедры "Электрические станции" СПбИУ, а такке на экспериментальных установках энергетических предприятий. 12

а)

иг и8

и-,-

аЛ

и6

_I : Г"

V.

Ряс. 2 Структурная схема устройства выявления потери возбуждения/я^его временные.диаграммы в режима работы канала дифференциальной оценки /б/.

1_ ■мм

ПГ

* 2 3

и/ /и ос го о

8 9

и/ /и лС/ >

с

-V3

X

и

Ь

¿2 /3 М РТ^

—- на ¿¿дерете /6 г7

А*

ГЖ - --- -2з~ 1 I

•I

и*._____^._J ?

сброс тршеера

/в

вэ

1

§

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 обеспечивают1 различимость состояний электрооборудования.

2. Исследования неравномерности движения ротора, размаха колебаний контролируемых величин по отношению к их значениям 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 проищи 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.: Тадошбаев А.И.. ТЕТШОР Атсу Адодо, Калинина Е.Б.Цо

Подписано к печати 2 2, 04. Тирах 100 экз.

Заказ ZOO, ' Бесплатно

Отпечатано на ротапринте СПбПУ

195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29