一种水轮发电机温度场可视化监控系统及其构建方法

摘要

本发明涉及一种水轮发电机温度场可视化监控系统及其构建方法，属于测量技术领域。该水轮发电机温度场可视化监控系统，包括温度传感器、数据采集存储器和电厂计算机监控系统；温度传感器安装在水轮发电机定子、转子、轴承及其空冷机上，温度传感器上的数据通过数据采集存储器连接电厂计算机监控系统；电厂计算机监控系统由离散数据清洗模块、故障点分析模块、离散数据可视化处理模块和可视化终端界面组成。本系统利用实测数据重构水轮发电机实时温度场，可实现对机组任意视觉的温度监控，在实现发电机状态监测的同时，可进一步用于故障诊断和预警系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水轮发电机温度场可视化监控系统及其构建方法，属于测量技术领域。

背景技术

水轮发电机是水电站的核心设备，承担着我国发电约18%的发电量，其发电机温度是衡量机组运行状况的重要指标。现有的水轮发电机具有的温度监测系统仅提供简单的数字显示界面和报警功能，无法实现对发电机内整个温度场任意视觉的温度监控，现场操作人员很难直观地判断发电机的运行状况，且很少对运行过程中的产生的故障数据进行存储和事后分析。

水轮发电机是一种旋转设备，其中主轴带着转子旋转，因此，转子的温度传感器引线难以引出。公告号为CN207528368U，名为“水轮发电机转子无线测温系统”的实用新型专利，公开了一种水轮发电机转子智能无线测温系统，其目的在于对转子的温度变化进行有效的全天候实时监测、调控，保障机组的运行安全。申请号CN 110081993 B,名为“一种空间温度可视化监测系统及其构建方法”的发明专利，公开了一种空间温度可视化监测系统，在实现高精度实时远程监测的同时，还将实现离散数据的可视化，三维动态监测被测环境温度变化的功能。然而，目前还没有完整有效的水轮发电机温度场可视化监控系统。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种水轮发电机温度场可视化监控系统及其构建方法。本发明通过以下技术方案实现。

一种水轮发电机温度场可视化监控系统，包括温度传感器、数据采集存储器和电厂计算机监控系统；

所述温度传感器安装在水轮发电机定子、转子、轴承及其空冷机上，温度传感器上的数据通过数据采集存储器连接电厂计算机监控系统；

电厂计算机监控系统由离散数据清洗模块、故障点分析模块、离散数据可视化处理模块和可视化终端界面组成；

所述离散数据清洗模块用于去除超过仪表本身限制或故障引起的脏数据，并用算法填补缺失数据；

所述故障点分析模块用于存入机组运行中发生的各种故障数据，可作为今后检修的依据，分析其故障原因，进一步提高发电机运行效率；

所述离散数据可视化处理模块根据离散数据清洗模块清理出来的已知的温度数据对未知区域的温度数据进行合理推求；

所述可视化终端界面用于对水轮发电机上进行合理推求的温度场任意视觉的温度监控。

一种水轮发电机温度场可视化监控系统的构建方法，其步骤包括：

步骤1、根据实际发电机数据进行三维建模，通过温度仿真软件、工程实际运行状况及文献总结获取水轮发电机温度场热源分布特征；

步骤2、根据步骤1得到的水轮发电机温度场热源分布特征，合理布置温度传感器，每一个温度传感器作为一个温度采集终端节点，并在三维模型中将节点编号与三维坐标对应；

步骤3、将步骤2的每一个温度传感器上的温度数据传输到数据采集存储器，并传递给电厂计算机监控系统；

步骤4、电厂计算机监控系统对步骤3中的温度数据进行清洗、故障点分析和可视化处理，最终可看到实时变化的全方位立体的发电机温度场。

所述步骤4中电厂计算机监控系统对步骤3中的温度数据进行清洗、故障点分析和可视化处理，具体过程为：

（4-1）缺失值的判定：通过离散数据清洗模块将温度数据识别出有三维坐标而没有温度数据的节点，存入故障点分析模块；

（4-2）缺失值的填充：离散数据清洗模块通过周围测点温度，利用不同的算法来拟合出缺失值；

（4-3）异常值的检测：每种类型的温度传感器都有其测量的范围，超出范围的温度数据都为异常数据，异常数据在插值前需识别出来，删除该点异常数据，并存入故障点分析模块；离散数据清洗模块对于超过机组运行的限制温度但在传感器限制范围内的温度，也需将其识别并存入故障点分析模块；

（4-4）异常值的处理：标记出该节点位置，并通过周围测点温度拟合出该节点温度数据；

（4-5）将步骤（4-1）至（4-4）处理后的温度数据输入离散数据可视化处理模块，通过利用空间组合插值算法对三维模型内进行插值计算，得到模型中所有坐标位置的温度值，设置对应的颜色表，不同的温度对应不同的颜色，并通过可视化终端界面看到实时变化的全方位立体的发电机温度场。

所述可视化终端界面的温度场能进行平移、缩放、旋转显示多角度查看。

本发明的有益效果是：

（1）可视化程度高，通过该界面，现场操作人员可对水轮发电机定转子、轴承及其空冷机的温度分布进行全方位、多角度地监控，直观地判断发电机内的运行状况。

（2）可视化时效高。采用的插值算法计算效率较高，可满足水电站实时动态显示三维温度分布图的要求。

（3）界面数据可信度高。采用的数据清洗程序能有效降低脏数据对可视化界面的负面影响。

（4）故障数据存底。本系统将机组运行中发生的各种故障数据均存入故障点分析模块，可作为检修的依据，分析故障原因，进一步提高发电机运行效率。

附图说明

图1是本发明水轮发电机温度场可视化监控系统结构框图；

图2是本发明水轮发电机温度场可视化监控系统构建方法流程图；

图3是本发明可视化终端界面图；

图4是本发明温度场仿真结果图；

图5是本发明插值计算彩色云图；

图6是本发明故障点显示图。

图中：1-温度传感器，2-数据采集存储器，3-电厂计算机监控系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，该水轮发电机温度场可视化监控系统，包括温度传感器、数据采集存储器和电厂计算机监控系统；

所述温度传感器安装在水轮发电机定转子、轴承及其空冷机上，温度传感器上的数据通过数据采集存储器连接电厂计算机监控系统；

电厂计算机监控系统由离散数据清洗模块、故障点分析模块、离散数据可视化处理模块和可视化终端界面组成；

所述离散数据清洗模块用于去除超过仪表本身限制或故障引起的脏数据，并用算法填补缺失数据；

所述故障点分析模块用于存入机组运行中发生的各种故障数据，可作为今后检修的依据，分析其故障原因，进一步提高发电机运行效率；

所述离散数据可视化处理模块根据离散数据清洗模块清理出来的已知的温度数据对未知区域的温度数据进行合理推求；

所述可视化终端界面用于对水轮发电机上进行合理推求的温度场任意视觉的温度监控。

如图2所示，该水轮发电机温度场可视化监控系统的构建方法，其步骤包括：

步骤1、根据实际发电机数据利用三维建模软件soildworks进行三维建模（型号为SF55-10/740混流式水轮发电机实际数据如下表1），通过温度仿真软件（温度场仿真结果如图4所示）、工程实际运行状况及文献总结获取水轮发电机温度场热源分布特征；

表1 发电机的基本参数

步骤2、根据步骤1得到的水轮发电机温度场热源分布特征，合理布置温度传感器，每一个温度传感器作为一个温度采集终端节点，并在三维模型中将节点编号与三维坐标对应；

步骤3、将步骤2的每一个温度传感器上的温度数据通过A/D转换器将输入的模拟量转为数字量，传输到数据采集存储器，并传递给电厂计算机监控系统；

步骤4、电厂计算机监控系统对步骤3中的温度数据进行清洗、故障点分析和可视化处理，最终将可看到实时变化的全方位立体的发电机温度场；

所述步骤4中电厂计算机监控系统对步骤3中的温度数据进行清洗、故障点分析和可视化处理，具体过程为：

（4-1）缺失值的判定：通过离散数据清洗模块将温度数据识别出有三维坐标而没有温度数据的节点，存入故障点分析模块；

（4-2）缺失值的填充：离散数据清洗模块通过周围测点温度，利用算法来拟合出缺失值；此处采用K均值填充实现；

（4-3）异常值的检测：每种类型的温度传感器都有其测量的范围，超出范围的温度数据都为异常数据，异常数据在插值前需识别出来，删除该点异常数据，并存入故障点分析模块；对于超过机组运行的限制温度但在传感器限制范围内的温度，也需将其识别并存入故障点分析模块；

（4-4）异常值的处理：标记出该节点位置，并通过周围测点温度拟合出该节点温度数据；

（4-5）将步骤（4-1）至（4-4）处理后的温度数据输入离散数据可视化处理模块，通过利用空间组合插值算法对三维模型内进行插值计算（IDW反距离加权插值和三次样条插值），得到空间中所有坐标位置的温度值，并通过可视化终端界面看到合理推求的温度场，设置对应颜色表，不同的温度对应不同的颜色，从而用颜色代表空间中温度变化情况，实现离散数据的可视化，插值计算彩色云图如图5所示，图6为故障点显示图。

从图6中可以看出（1）出现灰斑（图6标号为1处）；若图中显示为灰色，测温系统发生故障，需在下次检修时依次排查温度传感器、传输线路以及显示系统。

（2）出现个别红斑（图6标号为2处）：应分析温度与有功、无功负荷的变化关系，并检查该测点是否正常。若在铁芯温度、进出风温差明显上升的情况下又出现“定子接地”信号，则应立即减负荷解列停机，以免铁芯烧坏。

（3）红斑增多，并有连片趋势（图6中标号为3处）：应检查定子三相电流是否平衡、进风温度和出风温度的温差、空冷器的冷却水是否正常，并采取相应的措施进行处理。在以上处理过程中，应控制定子铁芯温度不超过允许值，否则应减负荷停机。

上述可视化终端界面的温度场能进行平移、缩放、旋转显示多角度查看。

本发明是基于Microsoft Visual Studio 2016软件平台中的OpenGL开发终端操作界面，如图3所示。利用RS485串口通讯协议实现与下位机的实时通讯，温度传感器将实时采集到的温度发送至上位机。离散数据清洗模块、故障点分析模块主要通过Python语言编程，离散数据可视化处理模块和可视化终端界面则运用了计算速度更快，发展历史更久的C++语言编程，利用C++编写上述提到的多重空间插值算法，并进行温度数据的颜色渲染从而实现离散数据的可视化。在可视化终端界面还设置了数据存储功能，可以将采集到的任意数据保存为.txt文档，传感器位置显示功能可以显示温度传感器分布情况。

本发明跟以往的水电站发电机温度监测界面相比，本发明能够实现对温度分布进行实时全方位、多角度地监控，直观地判断发电机的运行状况，在实现发电机状态监测的同时，可进一步用于故障诊断和预警系统。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。