发电机转子温度监测算法的研究与实现

发电机转子温度监测算法的研究与实现张霞　发电机转子温度监测算法的研究与实现　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｒｏｔｏｒ　霞　（中广核工程有限公司，广东深圳５１８１２４）　摘要：大型发电机组中转子的温度是发电机运行的重要监视参数。研究了基于励磁电流的发电机转子温度间接测量算法。分析了　相关因素及其物理方程。结合工厂试验数据，给出了发电机转子温度间接测量算法流程。利用ＤＣＳ系统二层处理单元（ＰＵ）进行二　次程序开发，实现循环迭代的复杂算法，通过人机界面监测显示转子的温度。实践证明，该算法在某核电新建工程中实现了基于ＤＥＳ　的发电机转子温度在线连续监测功能，应用效果良好。　关键词：转子温度励磁电流ＤＣＳ发电机核电站算法　中图分类号：ＴＭ６２３．３　文献标志码：Ａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｒｏｔｏｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｆｏｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｉｎｄｉｒｅｃｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｘｃｉＯｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｆｏｒ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｒｏｔｏｒ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ，ａｎｄ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｎａａｌｙｚｅｄ．　Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　ｉｎ　ｆａｃｔｏｒｙ，ｔｈｅ　ｆｌｏｗｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｉｎｄｉｒｅｃｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．Ｂｙ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｗｏ—ｌａｙｅｒ　ＰＵ（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｕｎｉｔ）ｉｎ　ＤＣＳ　Ｉ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　ｃｙｃｌｉｎｇ　ｉｔｅｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｂｙ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｉｓ　ｄｉｓｐｌａｙｅｄ　ａｎｄ　ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ　ｖｉａ　ｍａｌｌ—ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｎｕｃｌｅａｒ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ｌ　ｆｏｒ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ　ｏｎｌｉｎｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＣＳ　ａｎｄ　ｏｂｔａｉｎｓ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｏｔｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｅｘｃｉｔｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ＤＣＳ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　Ｎｕｃｌｅａｒ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　０　引言　方法三在某核电新建工程上基于全厂ＤＣＳ的实现　方案。　大型发电机转子的温度是发电机安全运行的重要　监视参数。其测量方法分为直接测量法和间接测量法。　１转子温度算法模型　由于发电机为高速旋转部件，采用转子线圈内埋人电阻　１．１发电机励磁机组简介　的直接测温法在工艺实现上很困难，且给发电机的安全　发电机励磁系统是根据发电机电压和负荷，按给　稳定运行带来隐患　。国内有学者提出基于红外热敏　定规律调整励磁电流，维持发电机端电压为给定水平，　器件的非接触式测温和基于ＧａＡｓ晶体温敏元件的光测　合理分配并列运行机组的无功；在发电机及电力系统　量技术等方法　，但此类技术受限于传感器自身特性　发生故障时，通过强行增磁减磁防止事态扩大，维持电　以及工作环境的电磁干扰等因素，因此，大多还处在试　力系统稳定。随着发电装机容量不断增大，发电机励　验研究阶段，并未在发电机转子测温领域成熟应用。　磁越来越重要。６００　ＭＷ及以上大型发电机组励磁方　大多大型发电机组采用通过获取转子阻值进而　式主要分有刷励磁和无刷励磁两种。发电机转子滑环　通过计算得到转子温度的间接监测方法。按监测原　还火问题制约了有刷励磁在大型发电机组的应用，百　理，间接测温法包括三种典型间接测量技术：测磁传　万千瓦以上的大机组一般采用无刷励磁系统。某核电　感器一电压测量法，工况分析推算法以及转子温度／　新建工程采用了东方电气＆阿尔斯通ＴＡ１１００－７８型　励磁电流间接计算法　］。方法一须安装测磁传感器　的发电机组，其额定功率为１　３００　ＭＷ，额定电压为　测量转子电压和转子电流；方法二一般利用励磁系　２４　ｋＶ，配以ＴＫＪ１６７４５的无刷励磁系统。　统的精确计算软件进行推算　；方法三以工厂试验　１．２转子温度的计算　数据为依据，通过计算获得转子温度。本文将介绍　发电机转子温度计算与发电机励磁系统的励磁电　流、发电机氢气温度和氢气压力有关。励磁电流越大，　转子线圈的电压越高，进而产生的热量越多，转子温升　修改稿收到日期：２０１１—０６—１５。　张霞，女，１９７６年生，２００９年毕业于东北电力大学控制理论与控制工　越高；发电机转子采用氢气冷却方式，转子温度会随着　程专业，获硕士学位，工程师；主要从事核电站仪控调试方面的研究。　氢气温度升高而升高；氢压越高，氢循环冷却效果越　７８　ＰＲＯＣＥＳＳ　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ　ＶｏＬ　３２　Ｎｏ．８　Ａｕｇｕｓｔ　２０１１　发电机转子温度监测算法的研究与实现好，转子发热产生的热量被及时带走，故氢压越高，转　子温升越小。　张霞　１．３计算算法流程　计算发电机转子温度首先假定转子温度与氢气温　度相同，并输入发电机氢气平均温度　，发电机氢压Ｐ　转子温度计算需引入的三个输入数据，分别为励　磁电流ｉ一发电机氢气平均温度　和发电机氢气相对　以及励磁电流ｉ　根据式（４）算出此时对应的转子线　压力Ｐ。根据上述相关影响因素分析及发电机厂家工　厂试验，得出如下发电机转子温度的相关计算公式：　Ｔ＝Ｔｏ＋△　（１）　圈电阻，根据已知的典型拟合曲线计算出不同励磁电　流下的转子线圈电压值，进而导出　＝　ｉ　）的对应　拟合曲线。由已知输人数据励磁电流得出对应的转子　线圈电压ｕ　根据式（２）和式（３）计算出转子温升　ＡＴｌ，由式（１）得到此时的转子温度；再根据得出的转　式中：　为转子线圈温度，ｃＣ；△　为转子线圈温升，。Ｃ。　△　＝△　＋［ａ／（１＋Ｐ）］×Ｐ　（２）　式中：Ｐ　为为励磁功率，ＶＡ；ＡＴｏ与　是为常数，由制　造厂给出，分别为１和０．０６５　０４。　Ｐ　＝（Ｕ　）２／Ｒ　（３）　式中：　为转子线圈电压，Ｖ；　为转子线圈电阻，Ｑ。　Ｒ＝Ｒ。　（２３５＋Ｔ）／（２３５＋９５）　（４）　式中：Ｒ。　为９５℃时的转子线圈电阻值（Ｏ．０８０　６　ｆｔ）。　根据以上这些公式，即可通过循环迭代计算出发　电机转子温度。　在励磁电流不变时，转子线圈电压与转子电阻有同　向变化趋势，但在不同的励磁电流下，对应曲线是不同　的。厂家经过试验得出在励磁电流分别为５０　Ａ、１００　Ａ、　１４０　Ａ、１７０　Ａ、２３０Ａ等五组典型值时转子电压与电阻的　数据拟合方程为：　５０＝一３　９０８．１Ｒ　＋１　８０２．７Ｒ＋２１．４９３　Ｕ１００＝２　４０３．９４Ｒ＋７２．１２３　Ｕ１４０＝一１２　０９０．４４９Ｒ：＋５　０９２．８４３８Ｒ＋６７．４６１　１　Ｕｌ７０：一１５　４３９．２２Ｒ　＋６　３３５．７５３　４Ｒ＋７４．６３２　５　２３０＝一２１　１２９．７９７　７Ｒ　＋８　５０４．４１５　４Ｒ＋１０３．３８５　３６　（５）　在发电机转子温度不变，即转子阻值固定的情况　下，发电机转子线圈电压与励磁电流也有着同向变化　的趋势。转子在不同温度下即对应不同转子线圈电　阻，其对应励磁电流与转子线圈电压关系曲线　＝　ｉ　）如图１所示。　善　要　图１　线圈电压一励磁电流曲线　Ｆｉｇ．１　Ｃｕｒｖｅ　ｏｆ珊础ｎｇ　ｖｏｌｔａｇｅ　ＶＳ．ｅｘｃｉｔｉｎｇ　ｃｕｎ￣ｎｔ　《自动化仪表》第３２卷第８期２０１１年ｓ月　子温度　，如上循环计算出对应的转子温升△　，直至　两次计算的温升ＡＴ的差值小于允许的迭代误差　０．０１。此时计算结果满足误差要求，转子温度计算值　被作为最终结果输出。因发电机励磁系统随着电网波　动进行励磁调节，励磁电流是一个变化值，故要实时采　集，进行下一轮的循环计算，将满足误差要求的结果作　为发电机转子温度实时的输出。转子温度算法流程图　如图２所示，子程序ｌ与子程序２分别实现上述△　与△　的计算。　图２转子温度算法流程图　Ｆｉｇ．２　Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｒｏｔｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　２转子温度算法的实现　２．１机组ＤＣＳ系统简介　某核电站新建工程ＤＣＳ系统采用的是西门子　ＴＸＰ／ＴＸＳ系统。ＴＸＰ分散控制系统提供了处理和控　制生产过程所必需的自动处理、操作、监视和记录功　能　，它主要由ＡＳ６２０过程自动控制系统、ＥＳ６８０工　程管理系统和ＯＭ６９０操作和监视系统组成。核电站　ＤＣＳ网络结构简图如图３所示。　７９　发电机转子温度监测算法的研究与实现　张　霞　操作监视层　０Ｍ６９０　数值。以ＧＲＨ１０１　ＭＹ作为二层０Ｍ６９０操作和监视系　统的引用信号，在Ｋ—Ｒ功能块中设置其参数。Ｍ—ＡＮＦ　和Ｍ＿ＥＮＤ分别为转子温度信号ＧＲＨ１０１ＭＹ的量程上　通信处理层　下限，设为０～４５０，参数Ｙ．ＵＮＩＴ设为温度单位℃，参　数Ｙ．ＤＥＳＴ设为ＹＰ９９，它是指在ＰＵ中形成的信号。　Ｋ—Ｒ功能块及其与ＯＭ６９０信号接口参数设置如图５　所示。　控制处理层　ＧＳＣ２　Ｒ０ＴＡＴｏＲ　温度　０＂－４５０℃　图３核电站ＤＣＳ网络结构简图　Ｆｉｇ．３　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆＤＣＳ　ｉｎ　ＮＰＰ　２．２转子温度监测方案　图５　Ｋ＿Ｒ功能块及参数设置　ｏｎａｌ　ｂｌｏｃｋ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｓｅｔｔｉｎｇｓ　Ｆｉｇ．５　ＫＲ　ｆｕｎｃｔｉ—发电机转子温度信号属于非安全级信号，故从输　入信号的采集到算法程序的实现，以及到最终画面的　显示都需在ＴＸＰ系统中完成。监测方案如图４所示。　ｌＧＲＨ４１１ＭＴ卜．　ｌＧＲＩｔ４１２ＭＴＩ－，　ＲＴ热阻　ＩＧＲＨ４１３ＭＴ卜　采集模块　ＩＧＲＨ４１４ＭＴ｝＿．　ＦＵＭ２３０　３结束语　本文设计的基于励磁机励磁电流／发电机转子温　—’　二层画面显示　度关系及相关工厂试验数据的发电机转子温度间接测　量方法简便直观，适用于机组正常运行时的一般性监　测。该方法无需额外安装一次测量元件　，尤其是在　ＡＰ　ＰＵ　ＧＲＨ０ｆ在画面　０１ＹＣＤ　处　＋　（理　实现转子　●　中引用　器　温度算法）　ＧＲＨｌ０１ＭＹ　ＫｌＩ　ｌ　ＧＲＶ００ＩＭＰ　Ｈ　ＡＩ标准　ｌ　４￣２ＯｍＡ　＿＿’　Ｍ　Ｍ　Ｋ　一　一　转子温度信号）　该核电项目上，通过对ＤＣＳ系统二层Ｐｕ的二次开发，　实现了基于主控室ＤＣＳ操作站的发电机转子温度在　线连续监测功能。　『ＧＥＸ４１３ＭＩ　Ｈ信号采集模块　图４监测方案简图　Ｆｉｇ．４　Ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｌ霎　该实现方案简化了测量及监控装置，统一了人机　监控界面，提高了设备运行的可靠性，减少了维护检修　工作量；对大型发电机组的发电机转子温度监测具有　由ＴＸＰ系统热电阻采集模块ＦＵＭ２３２采集四路发　电机氢气温度信号ＧＲＨ４１１ＭＴ、ＧＲＨ４１２ＭＴ、　ＧＲＨ４１３ＭＴ、ＧＲＨ４１４ＭＴ，ＡＩ采集模块ＦＵＭ２３０分别采集　励磁电流ＧＥＸ４１３ＭＩ和氢气相对压力ＧＲＶ００１ＭＰ这两　路信号，送到ＡＰ处理器进行处理。ＡＰ中的数据通过　Ｐｌａｎｔ　ｂｕｓ总线环网与ＰＵ相连，作为ＰＵ的输人信号并　在Ｐｕ中完成算法程序。在二层Ｐｕ中引入第三方程序　示范意义和推广价值。　参考文献　［１］佟林晖，王福海，孙广卓．发电机转子测温间接测量法［Ｊ］．黑龙　江电力，２０１０（１）：１３—１５．　［２］柳君玉．大型无刷励磁发电机转子温度测量［Ｊ］．价值工程，　２ＯＬＯ（１）：１７一ｌ８．　［３］关荣锋．汽轮发电机转子温度光纤测量系统性能研究［Ｊ］．仪器　仪表学报，１９９９（３）：２６４—２６７．　实现转子温度计算的编程，最终将转子温度计算结果　ＧＲＨ１０１ＭＹ信号送到二层画面ＧＲＨ００１ＹＣＤ中显示。　西门子一层离线组态软件ＴＥＣ４及ＥＳ６８０中很难　［４］郑龙泰，杨洪发，马贤好．无刷励磁型汽轮发电机转子绕组温度　监视方法探讨［Ｊ］．大电机技术，２０００（１）：１－４．　［５］李国东，杨莉．两种励磁系统的转子线圈温度计算模式分析比　较［Ｊ］．上海大中型电机，２０１０（１）：１８—２０．　［６］胡劲松，陈涛．西门子工业网络在核电仪控系统中的应用［Ｊ］．　自动化博览，２００８（Ｚ２）：７４－７６．　实现复杂的拟合迭代循环等算法，故通过Ｐｕ功能块　Ｋ—Ｒ解决此难题。Ｋ－Ｒ功能块是专门用于与来自第三　方编程程序或应用程序的模拟量过程信号的接口模　块。使用其他第三方编程语言，在Ｐｕ中通过与Ｋ－Ｒ功　能块接口，最终实现复杂算法的运算。该核电机组发　电机转子温度的在线监测，也就是通过此Ｋ—Ｒ功能块　［７］郝美．ＴＥＬＥＰＥＲＭ—ＸＰ控制系统特点及应用分析［Ｊ］．电力学　报，２００３（４）：２６９～２７２．　［８］任鹏辉．核电站大型无刷励磁发电机转子温度测量方法综述［Ｊ］．　电力建设，２００７（１）：５５—５６．　在Ｐｕ中实现算法编程。按照转子温度算法的流程步　骤。通过中间计算转换的间接方式获得发电机温度的　８０　［９］王志新，张华强．风ｌ力发电技术与功率控制策略研究［Ｊ］．自动化仪　表．２０Ｏ８，２９（ｎ）：１—６．　ＰＲＯＣＥＳＳ　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ　Ｖ０Ｌ　３２　Ｎ　８　ＡｕｇＩｌｓｔ　２Ｏ１１