CN114689288B - 一种利用图像监控测量水轮发电机蠕动的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种利用图像监控测量水轮发电机蠕动的系统及方法，围绕水轮机大轴外壁上设有一圈“锯齿波形”的色带，色带的“锯齿波形”由等腰直角三角形排列组成，等腰直角三角形的斜边组成一条直线段，等腰直角三角形涂有色标，正对水轮机大轴设有摄像头，摄像头对色带进行图像摄取并在后端的成像平面上成像。利用固定安装于水轮机大轴外围墙面上图像监控设备，对水轮机大轴进行连续拍摄，进行图像采样，将数据反馈给图像处理终端，图像处理终端自动提取参考图像和当前图像上的特征量，再利用特定算法计算出机组蠕动角度，当蠕动角度达到报警值后便发出报警信号。

Description

一种利用图像监控测量水轮发电机蠕动的系统及方法

技术领域

本发明涉及水轮机监测技术领域，具体涉及一种利用图像监控测量水轮发电机蠕动的系统及方法。

背景技术

水轮发电机组在停机状态下，通过导叶的关闭来承受上游高水位带来的压力，在实际运行过程中由于导叶数量众多，在长期的水流冲刷下，不可避免的会造成导叶锈蚀或者损伤，导致金属接合面间隙增大，水流可以通过导叶的这些间隙进入转轮，当导叶的漏水量增大到一定的程度，水流冲击水轮机转轮，使机组转动部件产生缓慢的旋转运动，即机组出现蠕动。由于水轮发电机组蠕动运动具有非常缓慢的特点，在短时间内人的肉眼难以分辨，但其对机组轴承的危害巨大。在机组停机后，轴瓦间隙间的油膜逐渐消失，这个时候机组发生蠕动，轴瓦处于干摩擦状态，如果蠕动时间过长，容易导致接触面异常磨损，使得摩擦系数增大，这将导致机组运行时，轴瓦温度过高而烧损，从而导致机组甩负荷事故停机，这对运行中的设备和电网都有造成巨大的损害。

目前水轮发电机组大轴蠕动探测方式主要有两种：第一种是机械摩擦方式探测。机械摩擦方式利用机械摩擦力传递位移的原理，在机组停机后，监控发出蠕动装置投入命令，电磁阀动作，低压气进入投入气缸，摩擦轮被从探测装置内顶出，紧贴机组大轴表面。当机组蠕动时，摩擦轮随之运动偏转，偏转量达到一定角度时，触动装置内的微动开关，发出报警信号。这种检测方式的优点灵敏度高，缺点是机械机构复杂，需要摩擦靠轮既要与机组大轴表面可靠接触并传递蠕动转动量又要保证在机组转动前让检测装置能够可靠退出，在使用中容易发生动作卡涩、转轮磨损、弹簧失效等故障。

第二种是非接触式。其原理是在机组大轴上安装一个齿盘，由于蠕动实际为转动量，所以当机组发生蠕动时，将会带动齿轮发生相应的位移，与此同时布置在齿盘对应位置的光电传感探头将会接收到信号，齿盘运动位移量超过一个齿距时，测速传感器的输出电平信号发生跃变，产生一个上升沿或下降沿信号，监测仪表进行识别和处理后，给监控系统发出一个蠕动报警信号。此类蠕动装置的缺点是。当探头正对着齿带的凸槽与凹槽交接的位置时，极易发生电平信号跳变，误发机组蠕动信号，其次由于齿带安装在机组转动部件上，在离心力的作用下，齿带松脱的风险较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用图像监控测量水轮发电机蠕动的系统及方法，利用固定安装于水轮机大轴外围墙面上图像监控设备，对水轮机大轴进行连续拍摄，进行图像采样，将数据反馈给图像处理终端，图像处理终端自动提取参考图像和当前图像上的特征量，再利用特定算法计算出机组蠕动角度，当蠕动角度达到报警值后便发出报警信号。

本发明所采用的技术方案是：

一种利用图像监控测量水轮发电机蠕动的系统，围绕水轮机大轴外壁上设有一圈“锯齿波形”的色带，色带的“锯齿波形”由等腰直角三角形排列组成，等腰直角三角形的斜边组成一条直线段，相邻等腰直角三角形的直角分列斜边上下两侧，等腰直角三角形涂有色标，正对水轮机大轴设有摄像头，摄像头水平中心与等腰直角三角形斜边组成直线段平齐，摄像头对色带进行图像摄取并在后端的成像平面3上成像，根据在水轮机大轴停止时和后续所摄取的色带图像在特定的图像拾取位置的垂直高度变化判断水轮发电机是否发生蠕动。

上述的相邻的两个等腰直角三角形组成一个周期，色带由n个周期组成且首尾相接。

在成像平面尺寸有限的情况下，色带上锯齿波个数的划分主要受图像分辨率、测量精度和锯齿波垂直高度不能超出摄像头广度三方面因素的影响。锯齿波划分个数过少，在成像尺寸有限的情况下，必然会造成图形实际尺寸与成像尺寸比例增加，测量精度降低，不能准确反映机组的微小转动量；锯齿波划分个数过多，就要求图像处理设备在单位时间内采集和处理的图像数目增加，对图像采集和处理能力要求高，其次锯齿波个数越多，现场安装难度越大。因此我们根据目前图像监控设备采集图像帧率很高和水轮发电机组在刚开始蠕动期间，转速是非常小的特点，默认图像监控设备采集到的机组蠕动前后图像的周期不会超过1/4，并据此计算色带锯齿波个数和设计机组蠕动报警逻辑；

国标GB 11805-2008《水轮发电机组自动化元件(装置)及其系统裁技术条件》要求：蠕动检测装置在机组停机状态下，由于导叶漏水使大轴转动,当转动角度在1.5°～2°时，应有一对故障触点输出，为使机组在1/4周期内发生1.5°～2°转动时，蠕动检测装置能可靠的检测到，并发出报警信号，故1/4周期对应的圆心角θ必须大于等于2°，则有：：

上述的水轮机大轴半径定义为R，摄像头上成像透镜到水轮机大轴圆弧切面的垂直距离即物距为F，成像透镜到成像平面的距离即像距为f，成像平面垂直最大长度的1/2为h，摄像头广度为Z，根据成像原理有：

水轮机大轴的周长L可以表示为：L＝2πR

水轮机大轴圆心角一度对应圆弧长度L₀可以表示为：

水轮机大轴上色带由n个周期的相邻等腰直角三角形构成，则1/4周期对应的圆弧长度L₁为：

根据几何关系可以得到的等腰直角三角形的垂直高度H为：

1/4周期所对应的圆心角度θ为：

根据等腰直角三角形的垂直高度H不能超出摄像头广度Z要求，得出：

/>

有

而/>

由所选择的摄像头特性决定，因此当选定摄像头后，成像透镜到水轮机大轴圆弧切面的垂直距离应不小于/>

以满足成像能够完整显示色标。

上述的色带上的等腰直角三角形以直角顶点向下的垂直线作为对称线，对称线两边的等腰三角形分别涂有两种不同的色标。

使用上述的一种利用图像监控测量水轮发电机蠕动系统的测量方法，测量的步骤为：

步骤一、机组停机后，摄像头对色带进行图像摄取并在后端的成像平面上成像，根据摄像头所连接图像监控设备的帧率后续继续对色带成像，先进行基础计算：

水轮机大轴的周长L可以表示为：L＝2πR

水轮机大轴圆心角一度对应圆弧长度L₀可以表示为：

水轮机大轴上色带由色带由n个周期的相邻等腰直角三角形构成，则1/4周期对应的圆弧长度L1为：

根据几何关系可以得到的等腰直角三角形的垂直高度H为：

1/4周期所对应的圆心角度θ为：

步骤二、定义机组停机时的成像为T0时刻，后续成像的时刻为T1时刻，T0时刻成像在图像拾取位置处对应的y轴方向高度为H0，T0时刻图像拾取位置所对应的水轮机大轴上的y轴方向高度为H0’，T1时刻成像在图像拾取位置处对应的y轴方向高度为H1，T1时刻图像拾取位置所对应的水轮机大轴上的y轴方向高度为H1’，由成像原理可知：

得到

T0至T1时刻水轮机大轴转过的圆心角对应的弧长为

则：

当T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标相同时，进入步骤三；

当T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标不同时，方向不同时，进入步骤四；

当T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标不同时，方向相同时，进入步骤五；

步骤三、T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标相同时，

根据水轮机大轴圆心角一度对应圆弧长度L₀可以计算出水轮机转动的角度

进入步骤六；

步骤四、T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标不同时，方向不同时，

根据水轮机大轴圆心角一度对应圆弧长度L₀可以计算出水轮机转动的角度

步骤五、T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标不同时，方向相同时，

根据水轮机大轴圆心角一度对应圆弧长度L₀可以计算出水轮机转动的角度

进入步骤六；

步骤六、将

与设定的蠕动允许阈值进行比较，若超过阈值，则输出机组蠕动报警。

本发明提供的一种利用图像监控测量水轮发电机蠕动的系统及方法，具有如下有益效果：

1、通过在水轮机大轴上安装一圈锯齿形的色带，利用透镜的成像原理和图形算法创新地实现了水轮发电机蠕动角度的测量和报警；

2、本发明所提供的算法可以检测到机组在色带1/4周期内的转动角度，且满足国标(GB 11805-2008)规定的机组蠕动报警角度要求；

3、利用了目前绝大多数水电站已安装有的图像监控设备，不需要增加额外的设备和电气回路，仅需在目前的图像监控设备中增加一套机组蠕动检测算法即可，易于实现和维护；

4、本发明对机组的蠕动检测和报警均通过软件实现，不存在投退失败的问题；；

5、本发明实现了机组蠕动报警和图像监控摄像头联动功能，当机组发出蠕动报警信号后，便立即在值班人员监视画面上推出该机组水轮机大轴实时图像，有利于值班人员及时、准确判断机组是否蠕动并处理。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明蠕动检测系统的结构原理图；

图2为本发明水轮机大轴上色带的展开示意图；

图3为本发明水轮机蠕动前后特征图像在同一色标的示意图；

图4为本发明水轮机蠕动前后特征图像不在同一色标且方向不同的示意图；

图5为本发明水轮机蠕动前后特征图像不在同一色标且方向相同的示意图。

图中：水轮机大轴1、摄像头2、成像平面3。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

如图1中所示，一种利用图像监控测量水轮发电机蠕动的系统，围绕水轮机大轴1外壁上设有一圈“锯齿波形”的色带，色带的“锯齿波形”由等腰直角三角形排列组成，等腰直角三角形的斜边组成一条直线段，相邻等腰直角三角形的直角分列斜边上下两侧，等腰直角三角形涂有色标，正对水轮机大轴1设有摄像头2，摄像头2水平中心与等腰直角三角形斜边组成直线段平齐，摄像头2对色带进行图像摄取并在后端的成像平面3上成像，根据在水轮机大轴1停止时和后续所摄取的色带图像在特定的图像拾取位置的垂直高度变化判断水轮发电机是否发生蠕动。

摄像头的安装应牢固可靠，即使在振动恶劣的环境中也不应发生位置偏移，其次摄像头的安装位置还应能完整的拍摄到水轮机大轴色带并能将拍摄到的图像在成像平面上完整的展示出来，如图1所示，色带的水平中心线与摄像头透镜的水平中心线在同一平面。

由于水轮机大轴表面涂刷的都是统一色号防腐油漆，不利于图像的识别和处理，为便于图像处理和测量机组转动角度，我们在水轮机大轴上设置了一圈锯齿波形的色带，图像监控设备通过对水轮机大轴转动前后色带在成像平面图像拾取位置变化情况，经过简单的几何运算后，便可得出特征量的变化尺寸，根据特征量变化尺寸便可换算出机组的转动角度，机组停机后，图像处理程序将采集到的图像原始图像，此后图像监控设备每隔一定时间自动采集一次水轮机大轴图像，并自动与原始图像进行比较，当原始图像与当前图像的特征量变化超过设定的报警阀值后自动发出报警信号。

色带的图形首先应能满足图像分辨率的要求，其次色带的高度应能完整的在成像平面上展示出来，如图2所示，图中①、②分别表示两种不同色标的图形。

水轮机大轴1的周长L可以表示为：L＝2不R

水轮机大轴1圆心角一度对应圆弧长度L₀可以表示为：

水轮机大轴1上色带由n个周期的相邻等腰直角三角形构成，则1/4周期对应的圆弧长度L₁为：

根据几何关系可以得到的等腰直角三角形的垂直高度H为：

1/4周期所对应的圆心角度θ为：

为了能通过图像快速识别水轮机大轴转动前后，成像平面中图像拾取位置采集到的锯齿波垂直高度的长度，我们需要标定锯齿波垂直高度由0到最大值变化在成像平面图像拾取位置y轴方向的数值，数值标定完成后我们便可根据标定值与实际高度的关系自动算出图像拾取位置在水轮机大轴上锯齿波的实际高度，根据相对运动的关系，图像监控设备通过对水轮机停机后色带在成像平面标定位置高度值和蠕动后色带在成像平面标定位置高度值进行比较，便可判断机组是否发生蠕动。

如图2中所示，上述的相邻的两个等腰直角三角形组成一个周期，色带由n个周期组成且首尾相接。

在成像平面尺寸有限的情况下，色带上锯齿波个数的划分主要受图像分辨率、测量精度和锯齿波垂直高度不能超出摄像头广度三方面因素的影响。锯齿波划分个数过少，在成像尺寸有限的情况下，必然会造成图形实际尺寸与成像尺寸比例增加，测量精度降低，不能准确反映机组的微小转动量；锯齿波划分个数过多，就要求图像处理设备在单位时间内采集和处理的图像数目增加，对图像采集和处理能力要求高，其次锯齿波个数越多，现场安装难度越大。因此我们根据目前图像监控设备采集图像帧率很高和水轮发电机组在刚开始蠕动期间，转速是非常小的特点，默认图像监控设备采集到的机组蠕动前后图像的周期不会超过1/4，并据此计算色带锯齿波个数和设计机组蠕动报警逻辑；

国标GB 11805-2008《水轮发电机组自动化元件(装置)及其系统裁技术条件》要求：蠕动检测装置在机组停机状态下，由于导叶漏水使大轴转动，当转动角度在1.5°～2°时，应有一对故障触点输出，为使机组在1/4周期内发生1.5°～2°转动时，蠕动检测装置能可靠的检测到，并发出报警信号，故1/4周期对应的圆心角θ必须大于等于2°，则有：：

上述的水轮机大轴1半径定义为R，摄像头2上成像透镜到水轮机大轴1圆弧切面的垂直距离即物距为F，成像透镜到成像平面3的距离即像距为f，成像平面3垂直最大长度的1/2为h，摄像头广度为Z，根据成像原理有：

根据等腰直角三角形的垂直高度H不能超出摄像头广度Z要求，得出：

有

而/>

由所选择的摄像头特性决定，因此当选定摄像头后，成像透镜到水轮机大轴1圆弧切面的垂直距离应不小于/>

以满足成像能够完整显示色标。

如图2中所示，上述的色带上的等腰直角三角形以直角顶点向下的垂直线作为对称线，对称线两边的等腰三角形分别涂有两种不同的色标。

使用上述的一种利用图像监控测量水轮发电机蠕动系统的测量方法，测量的步骤为：

步骤一、机组停机后，摄像头2对色带进行图像摄取并在后端的成像平面3上成像，根据摄像头2所连接图像监控设备的帧率后续继续对色带成像，先进行基础计算：

水轮机大轴1的周长L可以表示为：L＝2πR

水轮机大轴1圆心角一度对应圆弧长度L₀可以表示为：

水轮机大轴1上色带由n个周期的相邻等腰直角三角形构成，则1/4周期对应的圆弧长度L₁为：

根据几何关系可以得到的等腰直角三角形的垂直高度H为：

1/4周期所对应的圆心角度θ为：

步骤二、定义机组停机时的成像为T0时刻，后续成像的时刻为T1时刻，T0时刻成像在图像拾取位置处对应的y轴方向高度为H0，T0时刻图像拾取位置所对应的水轮机大轴1上的y轴方向高度为H0’，T1时刻成像在图像拾取位置处对应的y轴方向高度为H1，T1时刻图像拾取位置所对应的水轮机大轴1上的y轴方向高度为H1’，由成像原理可知；

得到

T0至T1时刻水轮机大轴转过的圆心角对应的弧长为

则：

当T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标相同时，进入步骤三；

当T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标不同时，方向不同时，进入步骤四；

当T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标不同时，方向相同时，进入步骤五；

步骤三、如图3中所示，T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标相同时，机组停机后即T0时刻图像监控设备采集到的图像色标为②，T1时刻图像监控设备采集到的图像色标仍然为②，有

根据水轮机大轴1圆心角一度对应圆弧长度L₀可以计算出水轮机转动的角度

进入步骤六；

步骤四、如图4中所示，T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标不同时，方向不同时，机组停机后即T0时刻图像监控设备采集到的图像色标为②，T1时刻图像监控设备采集到的图像色标仍然为①，且②和①分列水平中心线上下两侧，有：

根据水轮机大轴1圆心角一度对应圆弧长度L₀可以计算出水轮机转动的角度

进入步骤六；

步骤五、T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标不同时，方向相同时，机组停机后即T0时刻图像监控设备采集到的图像色标为①，T1时刻图像监控设备采集到的图像色标仍然为②，且②和①都在水平中心线的上侧或者下侧，有：

根据水轮机大轴1圆心角一度对应圆弧长度L₀可以计算出水轮机转动的角度

进入步骤六；

步骤六、如图5中所示，将

与设定的蠕动允许阈值进行比较，若超过阈值，则输出机组蠕动报警。

根据水轮发电机组的惯性特征，机组在刚开始蠕动期间，其转速是非常小的，目前图像监控设备的帧率，完全能捕捉到机组发生蠕动后水轮机大轴上的图形，又根据锯齿波垂直高度由0到最大值与该图像在成像平面y轴上像素值的对应关系，经过特定的算法，完全能计算出1/4周期内机组蠕动角度，报警精度也能满足国标GB 11805-2008要求。

Claims (1)

1.一种利用图像监控测量水轮发电机蠕动的方法，其特征在于，围绕水轮机大轴(1)外壁上设有一圈“锯齿波形”的色带，色带的“锯齿波形”由等腰直角三角形排列组成，等腰直角三角形的斜边组成一条直线段，相邻等腰直角三角形的直角分列斜边上下两侧，等腰直角三角形涂有色标，正对水轮机大轴(1)设有摄像头(2)，摄像头(2)水平中心与等腰直角三角形斜边组成直线段平齐，摄像头(2)对色带进行图像摄取并在后端的成像平面(3)上成像，根据在水轮机大轴(1)停止时和后续所摄取的色带图像在特定的图像拾取位置的垂直高度变化判断水轮发电机是否发生蠕动；

所述的相邻的两个等腰直角三角形组成一个周期，色带由n个周期组成且首尾相接；

所述的n≤45；

所述的水轮机大轴(1)半径定义为R，摄像头(2)上成像透镜到水轮机大轴(1)圆弧切面的垂直距离即物距为F,成像透镜到成像平面(3)的距离即像距为f，成像平面(3)垂直最大长度的1/2为h，有

所述的色带上的等腰直角三角形以直角顶点向下的垂直线作为对称线，对称线两边的等腰三角形分别涂有两种不同的色标；

测量的步骤为:

步骤一、机组停机后，摄像头(2)对色带进行图像摄取并在后端的成像平面(3)上成像，根据摄像头(2)所连接图像监控设备的帧率后续继续对色带成像，先进行基础计算：

水轮机大轴(1)的周长L可以表示为：L＝2πR

水轮机大轴(1)圆心角一度对应圆弧长度L₀可以表示为：

水轮机大轴(1)上色带由n个周期的相邻等腰直角三角形构成，则1/4周期对应的圆弧长度L₁为:

根据几何关系可以得到的等腰直角三角形的垂直高度H为：/>

1/4周期所对应的圆心角度θ为：

步骤二、定义机组停机时的成像为T0时刻，后续成像的时刻为T1时刻，T0时刻成像在图像拾取位置处对应的y轴方向高度为H0，T0时刻图像拾取位置所对应的水轮机大轴(1)上的y轴方向高度为H0’，T1时刻成像在图像拾取位置处对应的y轴方向高度为H1，T1时刻图像拾取位置所对应的水轮机大轴(1)上的y轴方向高度为H1’，由成像原理可知：

得到

T0至T1时刻水轮机大轴转过的圆心角对应的弧长为

则：

当T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标相同时，进入步骤三；

当T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标不同时，方向不同时，进入步骤四；

当T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标不同时，方向相同时，进入步骤五；

步骤三、T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标相同时，

根据水轮机大轴(1)圆心角一度对应圆弧长度L₀可以计算出水轮机转动的角度

进入步骤六；

步骤四、T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标不同时，方向不同时，

根据水轮机大轴(1)圆心角一度对应圆弧长度L₀可以计算出水轮机转动的角度

进入步骤六；

步骤五、T0和T1时刻成像平面图像拾取位置拾取到的图像色标不同时，方向相同时，

根据水轮机大轴(1)圆心角一度对应圆弧长度L₀可以计算出水轮机转动的角度

进入步骤六；

步骤六、将

与设定的蠕动允许阈值进行比较，若超过阈值，则输出机组蠕动报警。/>

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