(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112459956 A(43)申请公布日 2021.03.09
(21)申请号 202011225742.6(22)申请日 2020.11.05
(71)申请人 国网东北分部绿源水力发电公司
地址 110117 辽宁省沈阳市浑南区营盘北
街1-1号(72)发明人 赵欣然 张宝源 孟威 常峰德
姜殿威 陈琦 黄荣亮 (74)专利代理机构 西安合创非凡知识产权代理
事务所(普通合伙) 61248
代理人 马英(51)Int.Cl.
F03B 15/00(2006.01)F03B 11/00(2006.01)G01H 17/00(2006.01)G01K 13/00(2021.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图2页
G01R 19/00(2006.01)G01R 21/00(2006.01)G01R 31/34(2006.01)
(54)发明名称
一种水轮机组状态实时监测和故障诊断系统及方法(57)摘要
本发明公开了一种水轮机组状态实时监测和故障诊断系统及方法，涉及水力发电技术，其中的一种水轮机组状态实时监测和故障诊断系统，包括就地数据分析处理单元、上位机管理系统、便携式数据采集终端和移动通讯终端。本发明以设备运行状态为基础，主要实现对水轮机组各运行参数进行数据采集分析、故障报警以及虚拟现实展示。不仅可以对水轮机组状态进行实时在线监测，而且可以实现对水轮机组的故障诊断。
CN 112459956 ACN 112459956 A
权 利 要 求 书
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1.一种水轮机组状态实时监测和故障诊断系统，其特征在于，包括就地数据分析处理单元、上位机管理系统、便携式数据采集终端和移动通讯终端；所述就地数据分析处理单元包括数据分析处理单元和传感器组，用于实现对水轮机组运行参数的就地采集与处理并进行故障报警；
所述上位机管理系统包括数据接收存储模块和数据分析处理模块，用于实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警；
所述便携式数据采集终端，用于进行水轮机组数据采集，包括电流电压、振动频率和强度、温度、有功功率及无功功率；
所述移动通讯终端，用于将传感器组传递的数据上传至上位机管理系统，实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警。
2.根据权利要求1所述的水轮机组状态实时监测和故障诊断系统，其特征在于，所述传感器组包括：电流电压传感器，机械振动传感器，机组温度传感器，功率传感器；
其中，
所述电流电压传感器用于测量水轮机组的运行电流与电压；
所述机械振动传感器用于测量水轮机组内部零件的振动频率与强度；所述机组温度传感器用于测量水轮机组的工作温度；
所述功率传感器用于测量水轮机组的有功功率与无功功率。
3.根据权利要求1所述的水轮机组状态实时监测和故障诊断系统，其特征在于，所述就地数据分析处理单元，用于在CPU中央处理器整合作用下对传感器组传递的数据进行存储，就地显示，并且当运行参数超过预先设定阈值时可以进行现场报警。
4.根据权利要求1所述的水轮机组状态实时监测和故障诊断系统，其特征在于，所述移动通讯终端包括RS485通讯模块，用于通过RS485总线将传感器组传递的数据上传至上位机管理系统，实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警。
5.根据权利要求1所述的水轮机组状态实时监测和故障诊断系统，其特征在于，所述移动通讯终端还包括RF射频通讯模块，用于通过RF射频通讯将传感器组传递的数据上传至便携式数据采集终端。
6.根据权利要求1所述的水轮机组状态实时监测和故障诊断系统，其特征在于，所述移动通讯终端还包括TD-LTE通讯模块，用于通过移动4G通讯方式将传感器组传递的数据上传给移动通讯终端，通讯终端对水轮机组各运行参数均预先设定阈值，当所采集参数值高于所设阈值时，通讯终端自动故障报警。
7.根据权利要求1所述的水轮机组状态实时监测和故障诊断系统，其特征在于，所述数据接收存储模块包括数据接收单元、数据存储单元、数据打印模块和历史数据展示单元；
所述数据接收单元用于对各水轮机组的运行参数进行接收汇总；所述数据存储单元用于对各水轮机组的运行参数进行存储保存；所述数据打印单元用于对采集的数据进行打印并生成报表；所述历史数据展示单元用于提供水轮机组的历史运行数据，使用户将采集到的运行参数数据与历史数据做比较，确保水轮机组的正常运行。
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权 利 要 求 书
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8.根据权利要求1所述的水轮机组状态实时监测和故障诊断系统，其特征在于，所述数据分析处理模块，包括可视化表达单元、3D虚拟现实渲染单元、阈值设定模块和故障报警单元；
所述可视化表达单元，用于将每类参数的数字化信息对应转化为可视化的图像，生成二维表达图；
所述3D虚拟现实渲染单元，用于将水轮机运行信息生成三维数字化效果图并用不同颜色对不同范围的参数值进行渲染，使水轮机运行信息在三维空间中清晰的展示出来；
所述阈值设定单元，用于对各水轮机组的各项运行参数进行阈值设定，为机组安全运行建立标准；
所述故障报警单元，用于当机组运行参数高于设定阈值时，自动进行故障报警。9.一种水轮机组状态实时监测和故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
就地数据分析处理单元包括数据分析处理单元和传感器组，实现对水轮机组运行参数的就地采集与处理并进行故障报警；
上位机管理系统包括数据接收存储模块和数据分析处理模块，实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警；
便携式数据采集终端，进行水轮机组数据采集，包括电流电压、振动频率和强度、温度、有功功率及无功功率；
移动通讯终端，将传感器组传递的数据上传至上位机管理系统，实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警。
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说 明 书
一种水轮机组状态实时监测和故障诊断系统及方法
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技术领域
[0001]本发明涉及水力发电技术，具体涉及一种基于物联网与虚拟现实的水轮机组状态实时监测和故障诊断系统及方法。
背景技术
[0002]目前，水力发电是新兴的发电方式，这种发电方式不仅清洁环保，而且在运行中不消耗燃料，运行管理费和发电成本远比燃煤电站低。随着经济社会的发展，加之我国众多的人口，人类对于电力能源的依赖与日俱增。在国家大力主张发展低碳经济，实现可持续发展的背景下，为充分解决我国电力供应紧缺的问题，水力发电就显得尤为关键。由于水力发电机组单机容量的不断增大，确保其安全性能和经济性能就显得格外重要。水轮机组作为水电站最核心的设备，一旦发生安全事故，不仅会影响整个水轮机的安全运行，而且还可能对整个电网的安全和稳定造成影响。[0003]因此，对水轮机组进行实时全面状态监测和故障诊断，对保证水轮机安全平稳运行，确保水轮机正常发电具有重要意义。发明内容
[0004]本发明的主要目的在于提供一种科学合理，成本较低，易于推广，实用价值高，能够有效地对水轮机组进行全面状态监测及故障诊断的水轮机组状态实时监测和故障诊断系统及方法。
[0005]根据本发明的一个方面，提供了一种水轮机组状态实时监测和故障诊断系统，包括就地数据分析处理单元、上位机管理系统、便携式数据采集终端和移动通讯终端；
所述就地数据分析处理单元包括数据分析处理单元和传感器组，用于实现对水轮机组运行参数的就地采集与处理并进行故障报警；
所述上位机管理系统包括数据接收存储模块和数据分析处理模块，用于实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警；
所述便携式数据采集终端，用于进行水轮机组数据采集，包括电流电压、振动频率和强度、温度、有功功率及无功功率；
所述移动通讯终端，用于将传感器组传递的数据上传至上位机管理系统，实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警。[0006]进一步地，所述传感器组包括：电流电压传感器，机械振动传感器，机组温度传感器，功率传感器；
其中，
所述电流电压传感器用于测量水轮机组的运行电流与电压；
所述机械振动传感器用于测量水轮机组内部零件的振动频率与强度；所述机组温度传感器用于测量水轮机组的工作温度；
所述功率传感器用于测量水轮机组的有功功率与无功功率。
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更进一步地，所述就地数据分析处理单元，用于在CPU中央处理器整合作用下对传
感器组传递的数据进行存储，就地显示，并且当运行参数超过预先设定阈值时可以进行现场报警。
[0008]更进一步地，所述移动通讯终端包括RS485通讯模块，用于通过RS485总线将传感器组传递的数据上传至上位机管理系统，实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警。
[0009]更进一步地，所述移动通讯终端还包括RF射频通讯模块，用于通过RF射频通讯将传感器组传递的数据上传至便携式数据采集终端。[0010]更进一步地，所述移动通讯终端还包括TD-LTE通讯模块，用于通过移动4G通讯方式将传感器组传递的数据上传给移动通讯终端，通讯终端对水轮机组各运行参数均预先设定阈值，当所采集参数值高于所设阈值时，通讯终端自动故障报警。[0011]更进一步地，所述数据接收存储模块包括数据接收单元、数据存储单元、数据打印模块和历史数据展示单元；
所述数据接收单元用于对各水轮机组的运行参数进行接收汇总；所述数据存储单元用于对各水轮机组的运行参数进行存储保存；所述数据打印单元用于对采集的数据进行打印并生成报表；所述历史数据展示单元用于提供水轮机组的历史运行数据，使用户将采集到的运行参数数据与历史数据做比较，确保水轮机组的正常运行。[0012]更进一步地，所述数据分析处理模块，包括可视化表达单元、3D虚拟现实渲染单元、阈值设定模块和故障报警单元；
所述可视化表达单元，用于将每类参数的数字化信息对应转化为可视化的图像，生成二维表达图；
所述3D虚拟现实渲染单元，用于将水轮机运行信息生成三维数字化效果图并用不同颜色对不同范围的参数值进行渲染，使水轮机运行信息在三维空间中清晰的展示出来；
所述阈值设定单元，用于对各水轮机组的各项运行参数进行阈值设定，为机组安全运行建立标准；
所述故障报警单元，用于当机组运行参数高于设定阈值时，自动进行故障报警。[0013]根据本发明的又一个方面，提供了一种水轮机组状态实时监测和故障
诊断方法，包括以下步骤：
就地数据分析处理单元包括数据分析处理单元和传感器组，实现对水轮机组运行参数的就地采集与处理并进行故障报警；
上位机管理系统包括数据接收存储模块和数据分析处理模块，实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警；
便携式数据采集终端，进行水轮机组数据采集，包括电流电压、振动频率和强度、温度、有功功率及无功功率；
移动通讯终端，将传感器组传递的数据上传至上位机管理系统，实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警。[0014]本发明的优点：
本发明不仅可以对水轮机组的状态进行实时在线监测，而且还可以对水轮机组进行故
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说 明 书
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障诊断。这对于水轮机组的安全平稳运行具有重要意义，同时为水轮机的正常运行提供有力保证，对提高社会经济效益具有重要作用。[0015]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。附图说明
[0016]构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0017]图1是本发明的水轮机组状态实时监测和故障诊断系统框图；
图2是本发明的水轮机组状态实时监测和故障诊断系统的就地数据分析处理单元结构框图；
图3是本发明的水轮机组状态实时监测和故障诊断系统的上位机管理系统结构框图。具体实施方式
[0018]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0019]实施例1
参考图1，一种水轮机组状态实时监测和故障诊断系统，包括就地数据分析处理单元、上位机管理系统、便携式数据采集终端和移动通讯终端；
就地数据分析处理单元包括数据分析处理单元和传感器组，用于实现对水轮机组运行参数的就地采集与处理并进行故障报警；
上位机管理系统包括数据接收存储模块和数据分析处理模块，用于实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警；
便携式数据采集终端，用于进行水轮机组数据采集，包括电流电压、振动频率和强度、温度、有功功率及无功功率；
移动通讯终端，用于将传感器组传递的数据上传至上位机管理系统，实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警。
[0020]本发明不仅可以对水轮机组的状态进行实时在线监测，而且还可以对水轮机组进行故障诊断。这对于水轮机组的安全平稳运行具有重要意义，同时为水轮机的正常运行提供有力保证，对提高社会经济效益具有重要作用。[0021]本实施例中，传感器组包括：电流电压传感器，机械振动传感器，机组温度传感器，功率传感器；
其中，
电流电压传感器用于测量水轮机组的运行电流与电压；
机械振动传感器用于测量水轮机组内部零件的振动频率与强度；机组温度传感器用于测量水轮机组的工作温度；
功率传感器用于测量水轮机组的有功功率与无功功率。[0022]本实施例中，就地数据分析处理单元，用于在CPU中央处理器整合作用下对传感器
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组传递的数据进行存储，就地显示，并且当运行参数超过预先设定阈值时可以进行现场报警。
[0023]本实施例中，移动通讯终端包括RS485通讯模块，用于通过RS485总线将传感器组传递的数据上传至上位机管理系统，实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警。[0024]本实施例中，移动通讯终端还包括RF射频通讯模块，用于通过RF射频通讯将传感器组传递的数据上传至便携式数据采集终端。[0025]本实施例中，便携式数据采集终端主要包括触摸显示屏，显示屏由组态软件驱动，显示采集到的各种参数，包括：电流电压，振动频率和强度，温度，有功功率，无功功率。这样就能够实现对水轮机组的定期非接触式巡检，不仅可以大大减小工作人员的劳动强度，而且还可以提高工作人员巡检的安全性。[0026]本实施例中，移动通讯终端还包括TD-LTE通讯模块，用于通过移动4G通讯方式将传感器组传递的数据上传给移动通讯终端，通讯终端对水轮机组各运行参数均预先设定阈值，当所采集参数值高于所设阈值时，通讯终端自动故障报警。进而实现专人对水轮机组运行状态的专门实时监测。[0027]本实施例中，数据接收存储模块包括数据接收单元、数据存储单元、数据打印模块和历史数据展示单元；
数据接收单元用于对各水轮机组的运行参数进行接收汇总；数据存储单元用于对各水轮机组的运行参数进行存储保存；数据打印单元用于对采集的数据进行打印并生成报表；历史数据展示单元用于提供水轮机组的历史运行数据，使用户将采集到的运行参数数据与历史数据做比较，确保水轮机组的正常运行。[0028]本实施例中，数据分析处理模块，包括可视化表达单元、3D虚拟现实渲染单元、阈值设定模块和故障报警单元；
可视化表达单元采用可视化交互感知技术，用于将每类参数的数字化信息对应转化为可视化的图像，生成二维表达图；
3D虚拟现实渲染单元，在信息可视化基础上，用于将水轮机运行信息生成三维数字化效果图并用不同颜色对不同范围的参数值进行渲染，使水轮机运行信息在三维空间中清晰的展示出来；
阈值设定单元，用于对各水轮机组的各项运行参数进行阈值设定，为机组安全运行建立标准；
故障报警单元，用于当机组运行参数高于设定阈值时，自动进行故障报警。[0029]参考图2，就地数据分析处理单元，包括数据分析处理单元与传感器组。[0030]传感器组将电流电压传感器，机械振动传感器，机组温度传感器，功率传感器的测量数据上传至数据分析处理单元。[0031]数据分析处理单元，在CPU中央处理器整合作用下可对传感器组传递的数据进行存储，就地显示，并且当运行参数超过预先设定阈值时可以进行现场报警。
[0032]移动通讯终端的有线通讯模块通过RS485总线将传感器组传递的数据上传至上位机管理系统，进而实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警。
[0033]移动通讯终端的RF射频通讯模块通过RF射频通讯技术将传感器组传递的数据上
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传至便携式数据采集终端。数据采集终端主要是指触摸显示屏，显示屏由组态软件驱动，显示采集到的各种参数，包括：电流电压，振动频率和强度，温度，有功功率，无功功率。这样就能够实现对水轮机组的定期非接触式巡检，不仅可以大大减小工作人员的劳动强度，而且还可以提高工作人员巡检的安全性。
[0034]移动通讯终端的TD-LTE通讯模块通过移动4G通讯方式将传感器组传递的数据上传给移动通讯终端，通讯终端对水轮机组各运行参数均预先设定阈值，当所采集参数值高于所设阈值时，通讯终端自动故障报警，进而实现专人对水轮机组运行状态的专门实时监测。
[0035]参考图3，基于虚拟现实技术的上位机管理系统，包括数据接收存储模块和数据分析处理模块。[0036]实施例2
一种水轮机组状态实时监测和故障诊断方法，包括以下步骤：就地数据分析处理单元包括数据分析处理单元和传感器组，实现对水轮机组运行参数的就地采集与处理并进行故障报警；
上位机管理系统包括数据接收存储模块和数据分析处理模块，实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警；
便携式数据采集终端，进行水轮机组数据采集，包括电流电压、振动频率和强度、温度、有功功率及无功功率；
移动通讯终端，将传感器组传递的数据上传至上位机管理系统，实现对多组水轮机的整体状态实时监测与故障报警。
[0037]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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