發電機勵磁系統智能溫度監測與預警技術實現

國能大渡河瀑布溝水力發電總廠 花振國 李天晨

發電機集電環長期高轉速、大電流運轉，發生故障的概率相對較高。根據《水輪發電機運行規程》，運行中要檢查滑環上電刷是否有冒火現象，檢查電刷有無搖動、跳動、卡澀或接觸不良的現象，檢查滑環表面有無變色、過熱現象，其溫度應不大于120℃。導致碳刷與集電環異常發熱的主要因素：運行中碳刷電阻值增大；碳刷通過電流后發熱，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；制造質量差。

目前水電站大多靠人工定期檢查集電環運行情況，一方面對人力、物力造成較大浪費，另一方面無法實現實時監測，不能確保及時發現設備隱患，可能導致事故，且部分碳刷的位置局限，人工難以進行檢查，導致部分設備漏檢[1]。為保障發電機勵磁系統的安全穩定運行，需安裝勵磁系統運行溫度智能監測與預警系統，開展發電機組勵磁系統運行溫度智能監測與預警技術研究應用[2]。

1 發電機組基本情況

瀑布溝水電站裝設6臺額定容量為600MW的混流式水輪發電機組，總裝機容量3600MW。瀑布溝電站發電機組由東方電氣集團東方電機有限公司生產：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。發電機組勵磁系統用于發電機電壓和無功功率調節，采用進口瑞士ABB UNITROL 5000型靜態勵磁系統，設備型號為A5S-0/U241-S4500，該系統包含4個功率柜。瀑布溝電站發電機組勵磁變壓器為三個單相環氧澆注干式整流變壓器：型號DCB9－額定電壓20/額定容量3×1650kVA。

發電機組勵磁系統運行溫度智能監測與預警系統，系統的采用主要技術內容如下：

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（包括但不限于環境溫濕度、電流等）參數溫度缺陷分析、紅外熱像特征分析，有效地發現和診斷運行中電氣設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，充分反應特征點附近圖像的形狀和紋理結構特性。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：對紅外測溫數據壓縮和解壓處理，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：發電機組勵磁系統的紅外圖像，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行偽彩色圖像轉換；3D場景顯示：建立被測設備3D模型，將紅外成像測溫前置處理器收集的溫度數據、紅外圖像、可見光圖像轉換為3D渲染圖形，利用正則化方法構建溫度場的算法，建立發電機組勵磁系統溫度場實時可視化監測；傳輸網絡：新一代主流網絡技術提供更高的性能，按照模塊化、結構化原則設計，便于擴容和升級；系統可擴展性設計：要求硬件性能具有足夠冗余及具有可擴展性，今后增加監測發電機組數量或發電機組其他位置的紅外測溫監測，服務器能方便進行擴容，只需修改軟件配置及配置更大硬盤存儲空間即可。

2 系統結構及工作原理

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據通過萬兆交換機經光纖線傳輸到地面機房萬兆交換，服務器及紅外測溫前置處理器通過機房萬兆交換機獲取數據。每臺機組的傳感器對應一臺畫面處理器（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處理等功能。系統中配置1套分析服務器、1套數據服務器、1臺短信報警裝置、1套服務器（一體化工作站；支持多臺）。

發電機發電機組勵磁系統硬件配置及主要功能如下：分析服務器。含鼠標、鍵盤、顯示器、工控機及系統軟件（具備數據展示、評估、數據上傳等功能）；歷史數據服務器。存儲溫度數據、圖片、報警視頻文件等；紅外測溫前置處理器。支持紅外測溫數據壓縮和解壓處理，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。發短信報警。

勵磁監控系統工作原理如圖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、溫度數據、紅外圖像和可見光圖像傳輸給分析服務器，紅外視頻流和可見光視頻流傳輸給紅外測溫前置處理器。同時現場環境溫濕度傳感器等實時采集數據也傳輸給分析服務器。

圖1 發電機組勵磁系統工作原理示意圖

紅外測溫前置處理器，循環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器。

分析服務器實時獲取紅外測溫傳感器、環境溫濕度傳感器等的實時數據、抓拍紅外圖像和可見光圖像并存儲于歷史數據服務器；取得環境數據（溫度、濕度、空氣流速/流向）、臺賬數據（碳刷參數、刷架參數、維護記錄）、運行數據（碳刷電流、勵磁電流、發電功率）、集電環與碳刷溫度等多維度信息，基于神經元網絡學習和智能決策算法給出告警狀態，避免誤報、減少漏報。

實時預警分析、趨勢預警分析、橫向對比預警分析、多維度綜合預警分析、告警信息管理等。分析溫度數據，產生溫度越限及趨勢劣化報警，發送短信通知命令。當產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據服務器中。

歷史數據服務器安裝mysql數據庫，存儲溫度數據、圖片、報警視頻文件等。一體化顯示終端與分析服務器采用HTTP協議交互，溫度實時展示，溫度歷史曲線展示、溫度報警事件查詢，報警裝置參數設置、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。被監測設備的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電總廠3號機組投入使用，系統運行穩定可靠，軟件使用方便直觀。現場應用效果表明，本文提出的技術方案可行并具有較高的性價比。