發(fā)電機勵磁系統(tǒng)智能溫度監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)實現(xiàn)

國能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠 花振國 李天晨

發(fā)電機集電環(huán)長期高轉(zhuǎn)速、大電流運轉(zhuǎn)，發(fā)生故障的概率相對較高。根據(jù)《水輪發(fā)電機運行規(guī)程》，運行中要檢查滑環(huán)上電刷是否有冒火現(xiàn)象，檢查電刷有無搖動、跳動、卡澀或接觸不良的現(xiàn)象，檢查滑環(huán)表面有無變色、過熱現(xiàn)象，其溫度應(yīng)不大于120℃。導(dǎo)致碳刷與集電環(huán)異常發(fā)熱的主要因素：運行中碳刷電阻值增大；碳刷通過電流后發(fā)熱，刷體膨脹，碳刷卡阻；非恒壓碳刷，壓緊彈簧在碳刷磨短后彈簧壓力減少，接觸壓降加大；碳刷接觸面形成氣膜、碳刷在運動中振動；滑環(huán)氧化膜的形成，接觸電阻增加；各碳刷間的電流平衡的破壞；制造質(zhì)量差。

目前水電站大多靠人工定期檢查集電環(huán)運行情況，一方面對人力、物力造成較大浪費，另一方面無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，不能確保及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，可能導(dǎo)致事故，且部分碳刷的位置局限，人工難以進(jìn)行檢查，導(dǎo)致部分設(shè)備漏檢[1]。為保障發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，需安裝勵磁系統(tǒng)運行溫度智能監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，開展發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)運行溫度智能監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)研究應(yīng)用[2]。

1 發(fā)電機組基本情況

瀑布溝水電站裝設(shè)6臺額定容量為600MW的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量3600MW。瀑布溝電站發(fā)電機組由東方電氣集團(tuán)東方電機有限公司生產(chǎn)：型號SF600－48/14200、額定電壓20kV、額定容量666.7MVA、額定勵磁電壓465V、額定勵磁電流3105A。發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)用于發(fā)電機電壓和無功功率調(diào)節(jié)，采用進(jìn)口瑞士ABB UNITROL 5000型靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，設(shè)備型號為A5S-0/U241-S4500，該系統(tǒng)包含4個功率柜。瀑布溝電站發(fā)電機組勵磁變壓器為三個單相環(huán)氧澆注干式整流變壓器：型號DCB9－額定電壓20/額定容量3×1650kVA。

發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)運行溫度智能監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)的采用主要技術(shù)內(nèi)容如下：

多種溫度分析：實時溫度分析、溫度歷史曲線分析、趨勢性隱患分析、同類比較隱患分析、多維度（包括但不限于環(huán)境溫濕度、電流等）參數(shù)溫度缺陷分析、紅外熱像特征分析，有效地發(fā)現(xiàn)和診斷運行中電氣設(shè)備事故隱患和故障先兆；紅外圖像智能識別：利用紅外圖像和可見光圖像匹配識別，局部特征提取，充分反應(yīng)特征點附近圖像的形狀和紋理結(jié)構(gòu)特性。精確定位局部位置，展示其溫度分布情況；專用的紅外成像測溫前置處理器：對紅外測溫數(shù)據(jù)壓縮和解壓處理，高級圖像處理與識別算法，異常溫度查詢、回放異常時刻前/后30分鐘可見光和紅外測溫對比圖像/視頻。

紅外圖像處理算法：發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)的紅外圖像，通過獨有圖像濾波和偽彩色處理算法處理后預(yù)制多種偽彩色碼表。分析圖像特性，選取適合的偽彩色碼表進(jìn)行偽彩色圖像轉(zhuǎn)換；3D場景顯示：建立被測設(shè)備3D模型，將紅外成像測溫前置處理器收集的溫度數(shù)據(jù)、紅外圖像、可見光圖像轉(zhuǎn)換為3D渲染圖形，利用正則化方法構(gòu)建溫度場的算法，建立發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)溫度場實時可視化監(jiān)測；傳輸網(wǎng)絡(luò)：新一代主流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供更高的性能，按照模塊化、結(jié)構(gòu)化原則設(shè)計，便于擴容和升級；系統(tǒng)可擴展性設(shè)計：要求硬件性能具有足夠冗余及具有可擴展性，今后增加監(jiān)測發(fā)電機組數(shù)量或發(fā)電機組其他位置的紅外測溫監(jiān)測，服務(wù)器能方便進(jìn)行擴容，只需修改軟件配置及配置更大硬盤存儲空間即可。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

以3號機組為例安裝紅外成像測溫傳感器（簡稱傳感器）、其他機組類同，機組風(fēng)罩位置安裝6只傳感器，勵磁變位置安裝3只傳感器，勵磁功率柜位置安裝4只傳感器，若后續(xù)增加安裝位置則擴展百兆交換機連接傳感器即可。地下廠房采集到各種數(shù)據(jù)通過萬兆交換機經(jīng)光纖線傳輸?shù)降孛鏅C房萬兆交換，服務(wù)器及紅外測溫前置處理器通過機房萬兆交換機獲取數(shù)據(jù)。每臺機組的傳感器對應(yīng)一臺畫面處理器（紅外測溫前置處理器），記錄傳感器紅外測溫視頻和可見光視頻、視頻壓縮與解壓處理、圖像識別算法和告警預(yù)處理等功能。系統(tǒng)中配置1套分析服務(wù)器、1套數(shù)據(jù)服務(wù)器、1臺短信報警裝置、1套服務(wù)器（一體化工作站；支持多臺）。

發(fā)電機發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)硬件配置及主要功能如下：分析服務(wù)器。含鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器、工控機及系統(tǒng)軟件（具備數(shù)據(jù)展示、評估、數(shù)據(jù)上傳等功能）；歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器。存儲溫度數(shù)據(jù)、圖片、報警視頻文件等；紅外測溫前置處理器。支持紅外測溫數(shù)據(jù)壓縮和解壓處理，高級圖像處理算法、提供高清圖像，高級的圖像識別算法、多維度溫度異常識別算法，實時溫度異常預(yù)警，可見光和紅外測溫圖像及視頻存儲，支持溫度異常查詢，回放異常時刻前30分鐘、后30分鐘的可見光和紅外測溫對比圖像及視頻；工作站。顯示終端；短信報警器。發(fā)短信報警。

勵磁監(jiān)控系統(tǒng)工作原理如圖1所示，紅外測溫傳感器實時測量被測物溫度以及拍攝被測物可視圖像、溫度數(shù)據(jù)、紅外圖像和可見光圖像傳輸給分析服務(wù)器，紅外視頻流和可見光視頻流傳輸給紅外測溫前置處理器。同時現(xiàn)場環(huán)境溫濕度傳感器等實時采集數(shù)據(jù)也傳輸給分析服務(wù)器。

圖1 發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)工作原理示意圖

紅外測溫前置處理器，循環(huán)記錄多臺紅外傳感器的可見光視頻流和紅外視頻流，同時提供任意組合的多畫面實時視頻流、回放視頻流等給一體化顯示終端，提供視頻文件給分析服務(wù)器。

分析服務(wù)器實時獲取紅外測溫傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器等的實時數(shù)據(jù)、抓拍紅外圖像和可見光圖像并存儲于歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器；取得環(huán)境數(shù)據(jù)（溫度、濕度、空氣流速/流向）、臺賬數(shù)據(jù)（碳刷參數(shù)、刷架參數(shù)、維護(hù)記錄）、運行數(shù)據(jù)（碳刷電流、勵磁電流、發(fā)電功率）、集電環(huán)與碳刷溫度等多維度信息，基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和智能決策算法給出告警狀態(tài)，避免誤報、減少漏報。

實時預(yù)警分析、趨勢預(yù)警分析、橫向?qū)Ρ阮A(yù)警分析、多維度綜合預(yù)警分析、告警信息管理等。分析溫度數(shù)據(jù)，產(chǎn)生溫度越限及趨勢劣化報警，發(fā)送短信通知命令。當(dāng)產(chǎn)生報警時從紅外測溫前置處理器中獲取前30分鐘后30分鐘的可見光和紅外視頻文件存儲于歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器中。

歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器安裝mysql數(shù)據(jù)庫，存儲溫度數(shù)據(jù)、圖片、報警視頻文件等。一體化顯示終端與分析服務(wù)器采用HTTP協(xié)議交互，溫度實時展示，溫度歷史曲線展示、溫度報警事件查詢，報警裝置參數(shù)設(shè)置、報警視頻查看等。一體化顯示終端與紅外測溫前置處理器連接，實時展示紅外測溫視頻與可見光視頻。被監(jiān)測設(shè)備的3D模型、溫度場渲染、3D人機交互界面管理。

筆者研究成果樣機已于2021年06月在國能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠3號機組投入使用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，軟件使用方便直觀?，F(xiàn)場應(yīng)用效果表明，本文提出的技術(shù)方案可行并具有較高的性價比。