一种基于键相的水轮发电机组振摆波形等相位处理方法
技术领域
本发明涉及一种基于键相的水轮发电机组振摆波形等相位处理方法，尤其是基于键相点及键相偏移时间的振摆波形复合运算时，各振摆波形相位同步的处理方法，属于水轮发电机数据处理
技术领域
。背景技术
水轮发电机组在运行时，因制造、安装工艺以及运行中的机械、水力、电磁等原因，会使水轮发电机组各主要部件在轴向和径向上产生不同程度的振动和摆动。按行业规范要求需要安装相应数量的振动、摆动幅度传感器，以对振动和摆动幅度进行测量，同时需要安装键相传感器，以对水轮发电机旋转周期进行测量。振动和摆动幅度传感器是以水轮发电机旋转一周的时间作为周期来采集连续周期信号，键相传感器是以水轮发电机旋转一周作为周期来采集脉冲信号。
相位是分析水轮发电机空间轴线、振摆幅值、摆度振动影响量、振摆波形频谱、动平衡试验、配重试验等的重要参数。目前用水轮发电机组的在线监测系统，对振摆波形数据进行实际采样时，通常是这样的：以发电机旋转一周的时间作为周期来连续采集振摆波形信号，以等周期的方式标记波形键相点，并以取8周、16周或32周的方式生成数据包上传至服务器进行数据分析。基于此方法的波形数据采集用于水轮发电机分析，存在如下问题：
(1)采集的数据包，每旋转一周的起始点波形初始相位不确定，虽然对计算振动和摆度的平均值、峰值结果没有影响，但在对水轮发电机的偏心角、离心力、配重角、盘车量、影响量等与相位有关的数据进行分析时，每旋转一周的数据计算结果将会产生10-20％的误差，随着旋转周数的增加，累积误差也将逐渐增大。
(2)由于机组在实际运行中是一个动态过程，转速并非是一个恒定值，而是一个动态值，加上每旋转一周的实际时间也会存在差异，因此若按固定转速、时间标记键相信号做为一周时间，会造成上传的键相信号偏移时间与实际时间存在误差，给波形计算分析结果造成影响，而且变转速时采样，会导致每周采集的波形实际点数也不一致，给后续分析带来干扰，导致运行人员误判机组设备状态指标是否良好，计算数据误差大会加大检修时的调式工作量，延长检修时间，影响检修计划的顺利进行。因此，有必要对现有技术加以改进。
发明内容
为有效解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种基于键相传感器采集波形数据，并依据键相的偏移时间及键相个数对波形数据进行处理的方法，使采集的每个振动和摆度波形数据包均具有同样的初始相位，并使每个数据包有相同的数据序列及相等的相位间隔。处理后的数据用于分析水轮发电机运行状态指标时，能大幅提高准确度，从而为指导水轮发电机组实际运行及检修安排提供技术支持。
本发明通过下列技术方案实现：一种基于键相的水轮发电机组振摆波形等相位处理方法，其特征在于包括下列步骤：
1)将键相传感器安装于发电机主轴的+X方位，并使键相传感器与现有水轮发电机组各种波形数据采集系统相连，同时在与键相传感器相对的发电机主轴上设置一个凹或凸点，并以发电机旋转一周时该凹或凸点扫过键相传感器的时间点，作为各种波形数据同步采集的相位起始点，记为0°，各种波形数据起始时间记为0ms，并标记第一个键相点，之后每旋转一周，在波形数据上标记一个键相点，则：
该键相点偏移时间＝当前波形数据时间—波形数据起始时间；
2)摆度、振动波形数据采集为连续的周期性余弦电压或电流信号，设发电机每旋转一周的时间为T、每周采样点数为N、周期为T的脉冲抽样函数对波形信号进行离散采样，生成摆度或振动波形数据序列用于计算，其中每个摆度或振动波形数据点的采集时间间隔为：T/(N-1)，使采集的每个摆度或振动波形数据点具有相同的相位间隔：360°/N，之后将采集到的1-8周的摆度或振动波形数据生成数据包上传至数据服务器；
3)服务器解压步骤2)的数据包，并按下列步骤进行修正：
31)键相点数修正：发电机每旋转一周所采集到的键相偏移时间与初始0点的时间偏差为：T[n]，n为1，2，3，……8，键相点数为：n+1，不足的修正为n+1；
32)计算发电机每旋转一周的实际波形数据点数：采集八周波形数据所用时间为Ts、实际波形数据点数为M＝N×n个，n为1，2，3，……8，N为每周采样点数，则发电机每旋转一周的实际波形数据点数N[i]为：
取整数；
33)波形数据修正：对实际波形数据点数N[i]进行等相位处理：
当N[i]＞N，则舍去后面多余的(N[i]-N)个数据；
当N[i]＜N，则利用线性插值方法对N[i]按N点波形数据进行插值，使发电机每旋转一周的固定采样点数为步骤2)的波形数据采样点数N。
通过本发明处理的数据与实际测量的数据相比较后，误差应在规定的1％以内。
本发明具有下列优点和效果：基于水轮发电机振动和摆度波形数据，来分析水轮发电机运行状态、指导水轮发电机检修工作安排具有重要的作用。传统的数据采集和处理方法对计算结果造成较大偏差，容易误导实际运行和检修安排。本发明在原有的方法基础上，通过对数据采集、数据处理进行改进，实现了每个采集波形数据的初始相位一致、波形数据序列长度相等，每个数据点对应相位相同，同时基于本发明采集的数据，经计算后误差与实际测量比较在1％以内，可指导维护人员准确判断机组运行指标是否良好，计算数据用于指导检修安排，提前制定检修方案，有效缩短检修工期，节约检修成本，对水轮发电机分析以及指导水轮发电机检修工作具有重要的意义以及具有很好的推广价值。
附图说明
图1为改造前数据采集方式示意图；
图2为改造后数据采集方式示意图；
图3为键相传感器安装示意图；
图4为基于本发明方法的波形数据采集图；
图5为实施例改造前数据采集波形；
图6为实施例改造后数据采集波形。
图3中，1为发电机主轴，2为设置在发电机主轴1上的凹点，3为安装于发电机主轴1的+X方位的键相传感器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
本实施例对某电厂6号机组上导轴承在+X方位的摆度波形数据进行下列采集、处理：
1)如图3，将键相传感器3安装于发电机主轴1的+X方位，并使键相传感器3与现有水轮发电机组摆度波形数据采集系统相连，同时在与键相传感器3相对的发电机主轴1上设置一个凹点2，并以发电机旋转一周时该凹点2扫过键相传感器3的时间点作为摆度波形数据同步采集的相位起始点，记为0°，摆度波形数据起始时间记为0ms，并标记第一个键相点，之后每旋转一周，在摆度波形数据上标记一个键相点，则：
该键相点偏移时间＝当前摆度波形数据时间—摆度波形数据起始时间；
2)摆度波形数据采集为连续的周期性近似余弦电压或电流信号，设发电机每旋转一周的时间为T＝480ms、每周采样点数为N＝256个点，周期为T＝480ms的脉冲抽样函数对波形信号进行离散采样，生成摆度波形数据序列(如图4)，其中每个摆度波形数据点的采集时间间隔为：480/(256-1)≈1.882ms，使采集的每个摆度波形数据点具有相同的相位间隔：360°/256≈1.406°，之后将采集到的1-8周的摆度波形数据生成数据包上传至数据服务器；
3)服务器解压步骤2)的数据包，并按下列步骤进行修正：
31)键相点数修正：发电机每旋转一周所采集到的键相偏移时间与初始0点的时间偏差为：T[n]，n为1，2，3，……8，本次实际采集到的第一至第八周的键相偏移时间与初始0点的时间偏差依次为：T[1]＝480ms、T[2]＝960ms、T[3]＝1440ms、T[4]＝1921ms、T[5]＝2401ms、T[6]＝2882ms、T[7]＝3362ms、T[8]＝3842ms，键相点数为：n+1＝9；
32)计算发电机每旋转一周的实际摆度波形数据点数：本次实际采集到八周的摆度波形数据所用时间为Ts＝3842ms、实际波形数据点数为M＝256×8＝2048个，则发电机每旋转一周的实际波形数据点数N[i]为：
取整数；
根据上述公式计算每周数据点数分别为：N[1]＝255，N[2]＝255，N[3]＝255，N[4]＝256，N[5]＝255，N[6]＝256，N[7]＝255，N[8]＝255
33)波形数据修正：对实际摆度波形数据点数N[i]进行等相位处理：
当N[i]＞256，则舍去后面多余的(N[i]-256)个数据；
当N[i]＜256，则利用常规的线性插值方法对N[i]按256个点的摆度波形数据进行插值，使发电机每旋转一周的固定采样点数为步骤2)的波形数据采样点数N＝256个点。
通过本发明，使采集到的波形数据起始相位相同，都为0，发电机组每旋转一周的时间与实际一致，均为480ms，并且摆度波形数据点数相等，均为256个，每个对应点的数据相位相同；
通过步骤1)—3)得到完整、正确的发电机每旋转一周的摆度波形数据，用于对水轮发电机运行指标进行计算分析，可大幅提升计算结果精度，降低计算误差。
以下以实施例1采集的第一周摆度波形数据(见表1)为例，按常规计算对应的上导轴承摆度偏心角误差值，用来说明本发明方法的真实有效性，具体如下列步骤：
1)因实施例1第一周采集解压的摆度波形数据为255个点，根据实施例1步骤33)，因数据点小于256，需要用常规的线性插值算法对255个点按照256个点进行插值，插值后在第256个点位上得到摆度波形数据为153.8，见表1；
表1
2)按常规计算上导轴承摆度平均值
上导轴承摆度波形平均值为0，满足余弦函数的特性，一周内进行等间隔采样的平均值为0；
3)按常规计算上导轴承摆度波形峰峰值(最大值-平均值)：
其摆度波形数据平均值、峰值与原来相等，与本发明背景技术描述的处理前后的摆度波形平均值、峰值没有影响是相符的；
4)按常规的下列公式计算每个点位摆度波形值在X、Y方向的分量值：
5)按常规计算上导轴承在X、Y方向的摆度影响量：
6)按常规得到上导轴承摆度偏心角：
7)在机组检修时进行实际测量，得到该上导轴承摆度偏心角为：32.1°，根据下列偏差计算公式进行计算后，误差为：
其中表示计算结果值，X表示实际测量值，Y表示测量范围；对采集的第一周摆度波形数据进行计算，该上导轴承摆度偏心角与实际测量的误差为0.86％，在1％以内，属于可控范围，因此，可指导维护人员准确判断机组运行指标良好，用于指导检修安排，提前制定检修方案，有效缩短检修工期，节约检修成本。
对比例
基于现有技术直接采集发电机旋转一周的上导轴承在+X方向的摆度波形数据如图5，波形数据点为256个点(见表2)：
表2：
按常规方法计算的上导轴承摆度偏心角为67.76°，在机组检修时实际测得该上导轴承偏心角为32.1°，根据下列偏差计算公式计算：
误差为10.41％，远远超过1％的规定。
通过上述实施例1及对比例证明：本发明方法处理后的水轮发电机波形采样数据用于计算分析，其计算结果误差为0.86％，在规定的1％误差范围内，而对比例的误差为10.41％，远远超过1％的规定。由此说明本发明方法是有效、准确、可靠的。
