一种基于图像灰度叠加的水电机组综合振动区获取方法

摘要

本发明公开了一种基于图像灰度叠加的水电机组综合振动区获取方法，包括：步骤1：采集水电机组上各个测点的测值；步骤2：依据步骤1中的测值绘制步骤1中各个测点的等值线云图；等值线云图划分为非振动区和振动区；步骤3：获取步骤2中各个等值线云图的灰度矩阵Ei；步骤4：依据综合振动区划分目标设置各个灰度矩阵Ei的权重系数wi以及阈值b；步骤5：对灰度矩阵进行加权求和得到综合矩阵，并对综合矩阵中的元素进行色阶调整形成综合灰度矩阵E；步骤6：将步骤5中的综合灰度矩阵输出成图像得到目标综合振动区的云图。本发明采用上述方法，可以自动生成综合振动区的云图，直观地反应综合振动区，且可以满足不同目标的综合振动区的获取需求。

权利要求

1.一种基于图像灰度叠加的水电机组综合振动区获取方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：采集水电机组上各个测点的测值；

其中，水电机组的测点至少包括上导X向摆度、上导Y向摆度、下导X向摆度、下导Y向摆度、水导X向摆度、水导Y向摆度、上机架径向振动、下机架径向振动、下机架垂直振动、定子机座径向振动、顶盖径向振动、顶盖垂直振动、导叶后压力脉动中的任意两个，每个测点的测值是对应测点在已知水电机组负荷和水头下的测点数据计算得出；

步骤2：依据步骤1中的测值绘制步骤1中各个测点的等值线云图；

其中，依据各个测点的测值的振动区划分得到以负荷、水头为二维坐标，测值为目标的等值线云图；

测点的测值超过对应测点的预设限制值时，所述测点的测值属于振动区，未超过对应测点的预设限制值时，所述测点的测值属于非振动区；

所述等值线云图划分为与测值的振动区类别对应的非振动区和振动区；

步骤3：获取步骤2中各个等值线云图的灰度矩阵Ei；

其中，将步骤2中的各个等值线云图中的非振动区的灰度色阶设置为0，将振动区的灰度色阶设置为1；

Ei表示第i个测点对应的灰度矩阵；

步骤4：依据综合振动区划分目标设置步骤3中各个灰度矩阵Ei的权重系数wi以及阈值b；

其中，预设综合振动区划分目标与各个灰度矩阵的权重系数wi以及阈值b的对应关系，所述对应关系是依据专家经验得到的；

0＜b＜Σwi，0≤i≤n；

其中，wi表示第i个灰度矩阵的权重系数，n为灰度矩阵的数量；

步骤5：依据步骤4设置的各个灰度矩阵的权重系数对灰度矩阵进行加权求和得到综合矩阵，并对综合矩阵中的元素进行色阶调整形成综合灰度矩阵E；

其中，将加权求和得到的综合矩阵中大于阈值b的元素设置为同一灰度色阶，剩余元素设置为另一灰度色阶得到综合灰度矩阵E；

步骤6：将步骤5中的综合灰度矩阵输出成图像得到目标综合振动区的云图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中绘制各个测点的等值线云图包括如下步骤：步骤21：构建负荷、水头、测值的三维坐标系；

步骤22：依据步骤1中各个测点的测值构建与步骤21中负荷、水头坐标对应的网格矩阵；

步骤23：依据步骤1中各个测点的测值对网格矩阵对应的测值采用快速凸包生成算法、三角剖分算法进行插值；

步骤24：利用步骤23插值中超过对应测点的预设限制值的测值生成以负荷、水头为坐标，测值为目标的各个测点的等值线云图；

其中，步骤22具体包括如下步骤：

首先，依据步骤1中各个测点的测值获取到所述水电机组的负荷和水头的最大值和最小值，并依据负荷和水头的最大值和最小值分别获取到负荷区间和水头区间；

然后，将所述负荷区间划分为N个等距区间以及将所述水头区间划分M个等距区间以形成M×N网格矩阵；

其中，N、M均为正整数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：获取测点的测值的过程如下：获取在连续若干个采样周期中每个周期内测点数据的幅值，所述幅值为每个周期内测点数据的最大值和最小值之差；

计算测点在所述连续若干个采样周期内幅值的平均值，所述平均值为测点的一个测值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述综合振动区划分目标为得到预设目标功能的综合振动区，影响所述预设目标功能的测点对应的灰度矩阵的权重系数大于剩余测点对应的灰度矩阵的权重系数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：影响所述预设目标功能的所有测点对应的灰度权重系数均相同，剩余测点对应的灰度矩阵的权重系数均相同。

6.根据权利要求1-5任意所述的方法，其特征在于：所述水电机组的测点包括上导X向摆度、上导Y向摆度、下导X向摆度、下导Y向摆度、水导X向摆度、水导Y向摆度、上机架径向振动、下机架径向振动、下机架垂直振动、定子机座径向振动、顶盖径向振动、顶盖垂直振动、导叶后压力脉动。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述综合振动区划分目标为综合摆度振动区时，上导X向摆度、上导Y向摆度、下导X向摆度、下导Y向摆度、水导X向摆度、水导Y向摆度测点对应的灰度矩阵的权重系数均为1，剩余测点对应的灰度矩阵的权重系数均为0。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述综合振动区划分目标为综合固定部件振动区时，上机架径向振动、下机架径向振动、下机架垂直振动、定子机座径向振动、顶盖径向振动、顶盖垂直振动测点对应的灰度矩阵的权重系数均为1，剩余测点对应的灰度矩阵的权重系数均为0。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述综合振动区划分目标为所有测点的振动区时，水电机组上所有测点对应的灰度矩阵的权重系数均为1。

说明书

一种基于图像灰度叠加的水电机组综合振动区获取方法

技术领域

[0001] 本发明属于水轮发电机质检，具体涉及一种基于图像灰度叠加的水电机组综合振动区获取方法。

背景技术

[0002] 各水电厂进入改造、扩建高峰期，随着新机逐步投运、老机组逐年老化，各电厂水电机组逐渐暴露出各种问题，非计划停运时有发生，其中机组振动是影响机组安全稳定运行的重要因素，长期处于有害振动下的机组，容易产生疲劳破坏和缩短机组正常运行时间，因此，划分机组振动区，对于指导机组避振运行、保障机组安全稳定运行具有重要意义。目前振动区获取的方式存在以下不足：1)综合振动区获取缺乏反映测点特性的定量分析，避振运行决策往往依赖于综合振动区，当以单个测点的振动区作为主要分析依据时，对各测点数据超过振动区的就进行避振措施往往不切实际，需对各测点运行特性具备深刻认识才能对振动区进行综合判定；2)由于时间和水头等客观原因，往往只能获取若干水头、负荷下的振动数据，已知数据下的振动区获取难以为其它未知数据下的振动区获取提供足够有效的依据，当进一步对各个测点的振动区进行综合振动区获取时，未知数据下的综合振动区获取将更加困难。3)缺乏综合振动区图形自动生成手段，以往综合振动区的图形大多基于各测点振动区，然后利用专家经验，进行最终的振动区综合人工绘图，对目标不同的综合振动区获取(如综合摆度振动区、综合固定部件振动区、综合水轮机振动区、综合发电机振动区等)、机组改造或长期运行导致振动区随之改变的情况，需反复依赖专家经验，费时费力、效率较低。

[0003] 针对缺乏综合振动区图形自动生成手段而导致对目标不同的综合振动区获取时费时费力，效率低的问题，有必要提供一种基于图像灰度叠加的水电机组综合振动获取方法来解决此问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种基于图像灰度叠加的水电机组综合振动区获取方法，实现快速有效自动获取机组综合振动区图形，满足不同目标的综合振动区的快速生成的需求，同时，生成的综合振动区图形能够有效反映电厂机组有害振动情况。

[0005] 本发明提供一种基于图像灰度叠加的水电机组综合振动区获取方法，包括如下步骤：

[0006] 步骤1：采集水电机组上各个测点的测值；

[0007] 其中，水电机组的测点至少包括上导X向摆度、上导Y向摆度、下导X向摆度、下导Y向摆度、水导X向摆度、水导Y向摆度、上机架径向振动、下机架径向振动、下机架垂直振动、定子机座径向振动、顶盖径向振动、顶盖垂直振动、导叶后压力脉动中的任意两个，每个测点的测值是对应测点在已知水电机组负荷和水头下的测点数据计算得出；

[0008] 步骤2：依据步骤1中的测值绘制步骤1中各个测点的等值线云图；

[0009] 其中，依据各个测点的测值的振动区划分得到以负荷、水头为二维坐标，测值为目标的等值线云图；

[0010] 测点的测值超过对应测点的预设限制值时，所述测点的测值属于振动区，未超过对应测点的预设限制值时，所述测点的测值属于非振动区；

[0011] 所述等值线云图划分为与测值的振动区类别对应的非振动区和振动区；

[0012] 步骤3：获取步骤2中各个等值线云图的灰度矩阵Ei；

[0013] 其中，将步骤2中的各个等值线云图中的非振动区的灰度色阶设置为0，将振动区的灰度色阶设置为1；

[0014] Ei表示第i个测点对应的灰度矩阵；

[0015] 步骤4：依据综合振动区划分目标设置步骤3中各个灰度矩阵Ei的权重系数wi以及阈值b；

[0016] 其中，预设综合振动区划分目标与各个灰度矩阵的权重系数wi以及阈值b的对应关系，所述对应关系是依据专家经验得到的；

[0017] 0＜b＜Σwi，0≤i≤n；

[0018] 其中，wi表示第i个灰度矩阵的权重系数，n为灰度矩阵的数量；

[0019] 步骤5：依据步骤4设置的各个灰度矩阵的权重系数对灰度矩阵进行加权求和得到综合矩阵，并对综合矩阵中的元素进行色阶调整形成综合灰度矩阵E；

[0020] 其中，将加权求和得到的综合矩阵中大于阈值b的元素设置为同一灰度色阶，剩余元素设置为另一灰度色阶得到综合灰度矩阵E；

[0021] 步骤6：将步骤5中的综合灰度矩阵输出成图像得到目标综合振动区的云图。

[0022] 所述综合振动区划分目标为得到预设目标功能的综合振动区，其中预设目标功能可以是了解所有测点对振动的综合影响、部分测点对振动的综合影响、固定部件对振动的综合影响、摆度对振动的综合影响、水轮机振动区的综合影响、发电机振动区的综合影响，但是不限制于此。因此，综合振动区划分目标可以是如下任意一个综合振动区，但是也不限于此，例如：综合摆度振动区、综合固定部件振动区、包含特定测点的振动区、权重系数较大的测点振动区、包含了所有测点的振动区、综合水轮机振动区、综合发电机振动区。为了实现预设目标功能，依据专家经验设定了各个测点对应的灰度矩阵的权重系数，再进行组合得到综合灰度矩阵进而得到表示预设目标功能的目标综合振动区的云图，从云图中可获知到综合振动区的范围，进而依据云图进行避振运行。

[0023] 优选地，所述步骤2中绘制各个测点的等值线云图包括如下步骤：

[0024] 步骤21：构建负荷、水头、测值的三维坐标系；

[0025] 步骤22：依据步骤1中各个测点的测值构建与步骤21中负荷、水头坐标对应的网格矩阵；

[0026] 步骤23：依据步骤1中各个测点的测值对网格矩阵对应的测值采用快速凸包生成算法、三角剖分算法进行插值；

[0027] 步骤24：利用步骤23插值中超过限制值的测值生成以负荷、水头为坐标，测值为目标的各个测点的等值线云图；

[0028] 其中，步骤22具体包括如下步骤：

[0029] 首先，依据步骤1中各个测点的测值获取到所述水电机组的负荷和水头的最大值和最小值，并依据负荷和水头的最大值和最小值分别获取到负荷区间和水头区间；

[0030] 然后，将所述负荷区间划分为N个等距区间以及将所述水头区间划分M个等距区间以形成M×N网格矩阵；

[0031] 其中，N、M均为正整数。

[0032] 利用步骤1采集的测点的测值对网格矩阵对应的测值进行插值，再对插值后得到的测值进行划分，选出超过对应测点限制值的测值生成等值线云图，由于测值超过限制值，则视其属于振动区，否则属于非振动区，因此得到的等值线云图中云图区域为相匹配的振动区。构建的负荷、水头、测值的三维坐标系实际是负荷、水头为二维坐标，测值为目标参数。由于不同负荷、水头下机组的振动、摆度、水压等数据大小不同，给定以负荷、水头下机组的振动、摆度、水压等数据基本相近，变化较小，因此，以负荷、水头为坐标，测值为目标的等值线云图可以直观获取到机组振动区和非振动区。绘制等值线云图的过程利用已知负荷、水头下的测值对未知测值的网格矩阵的数据节点进行插值可以提高等值线云图的可靠性。

[0033] 优选地，获取测点的测值的过程如下：

[0034] 获取在连续若干个采样周期中每个周期内测点数据的幅值，所述幅值为每个周期内测点数据的最大值和最小值之差；

[0035] 计算测点在所述连续若干个采样周期内幅值的平均值，所述平均值为测点的一个测值。

[0036] 优选地，所述综合振动区划分目标为得到预设目标功能的综合振动区，影响所述预设目标功能的测点对应的灰度矩阵的权重系数大于剩余测点对应的灰度矩阵的权重系数。

[0037] 例如预设目标功能为摆度对振动的综合影响，则代表摆度的各个测点的灰度矩阵的权重系数就大于剩余测点的灰度矩阵的权重系数。

[0038] 优选地，影响所述预设目标功能的所有测点对应的灰度权重系数均相同，剩余测点对应的灰度矩阵的权重系数均相同。

[0039] 优选地，所述水电机组的测点包括上导X向摆度、上导Y向摆度、下导X向摆度、下导Y向摆度、水导X向摆度、水导Y向摆度、上机架径向振动、下机架径向振动、下机架垂直振动、定子机座径向振动、顶盖径向振动、顶盖垂直振动、导叶后压力脉动。

[0040] 优选地，所述综合振动区划分目标为综合摆度振动区时，上导X向摆度、上导Y向摆度、下导X向摆度、下导Y向摆度、水导X向摆度、水导Y向摆度测点对应的灰度矩阵的权重系数均为1，剩余测点对应的灰度矩阵的权重系数均为0。

[0041] 优选地，所述综合振动区划分目标为综合固定部件振动区时，上机架径向振动、下机架径向振动、下机架垂直振动、定子机座径向振动、顶盖径向振动、顶盖垂直振动测点对应的灰度矩阵的权重系数均为1，剩余测点对应的灰度矩阵的权重系数均为0。

[0042] 优选地，所述综合振动区划分目标为所有测点的振动区时，水电机组上所有测点对应的灰度矩阵的权重系数均为1。

[0043] 有益效果

[0044] 与现有综合振动区获取方法相比，本发明的优点有：依据采集到水电机组上的各个测点的测值并进行处理后可以自动获取到水电机组的综合振动区云图，综合振动区云图直观地反应水电机组有害振动情况；其次，本发明针对不同目标的综合振动区，只需设定对应各个灰度矩阵Ei的权重系数wi以及阈值b，进行图像灰度叠加即可得到目标的综合振动区云图，满足不同目标的综合振动区的快速生成需要；此外，本发明所得到的综合振动区时综合了多个测点的数据，得到的综合振动区的可靠性越高，更加贴近机组的实际情况。

附图说明

[0045] 图1是本发明实施例提供的一种基于图像灰度叠加的水电机组综合振动区获取示意图；

[0046] 图2是本发明实施例提供的单个测点的等值线云图。

具体实施方式

[0047] 下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

[0048] 如图1所示，本发明提供一种基于图像灰度叠加的水电机组综合振动区获取方法，包括如下步骤：

[0049] 步骤1：采集水电机组上各个测点的测值；

[0050] 其中，本实施例中水电机组的测点包括上导X向摆度(微米)、上导Y向摆度(微米)、下导X向摆度(微米)、下导Y向摆度(微米)、水导X向摆度(微米)、水导Y向摆度(微米)、上机架径向振动(微米)、下机架径向振动(微米)、下机架垂直振动(微米)、定子机座径向振动(微米)、顶盖径向振动(微米)、顶盖垂直振动(微米)、导叶后压力脉动(KPa)。其他可行的实施例中，测点至少包括上述两个，还可以包括其他类型的。获取测点的测值为在水电机组对应位置设置传感器以采集测值，传感器常常设置于机组水轮机、发电机、流道关键部位，例如立式水轮机的蜗壳、尾水管及顶盖处，以位移、速度、电涡流、压力等型式的传感器进行测量并获取数据。

[0051] 其中，获取测点的测值的过程如下：

[0052] 获取在连续若干个采样周期中每个周期内测点数据的幅值，所述幅值为每个周期内测点数据的最大值和最小值之差；以及计算测点在所述连续若干个采样周期内幅值的平均值，所述平均值为测点的一个测值。

[0053] 步骤2：依据步骤1中的测值绘制步骤1中各个测点的等值线云图；

[0054] 其中，依据各个测点的测值的振动区划分得到以负荷、水头为二维坐标，测值为目标的等值线云图。

[0055] 其中，测点的测值超过对应测点的预设限制值时，所述测点的测值属于振动区，未超过对应测点的预设限制值时，所述测点的测值属于非振动区。测点的限制值是依据国家标准《水轮机基础技术条件》和《水轮机发电基本技术条件》以及机组的安全稳定运行要求所设定的。所述等值线云图划分为与测值的振动区类别对应的非振动区和振动区，如图2所示，为单个测点的等值线云图，其直观地反应了测点的振动区和非振动区，图示中灰色区域为振动区，空白区为非振动区。

[0056] 如图1所示，Xi表示第i个测点的测值，其中一共n个测点，则对应得到n幅等值线云图，本实施例中水电机组包括13组测点，则对应得到13副等值线云图。

[0057] 步骤3：获取步骤2中各个等值线云图的灰度矩阵Ei；

[0058] 其中，将步骤2中的各个等值线云图中的非振动区的灰度色阶设置为0，将振动区的灰度色阶设置为1，进而形成图像的灰度矩阵Ei。

[0059] 步骤4：依据综合振动区划分目标设置步骤3中各个灰度矩阵Ei的权重系数wi以及阈值b；

[0060] 其中，0＜b＜Σwi，0≤i≤n；

[0061] 其中，预设综合振动区划分目标与各个灰度矩阵的权重系数wi以及阈值b的对应关系，所述对应关系是依据专家经验得到的。综合振动区划分目标为得到预设目标功能的综合振动区，其中预设目标功能可以是了解所有测点对振动的综合影响、部分测点对振动的综合影响、固定部件对振动的综合影响、摆度对振动的综合影响、水轮机振动区的综合影响、发电机振动区的综合影响，但是不限制于此。因此，综合振动区划分目标可以是如下任意一个综合振动区，但是也不限于此，例如：综合摆度振动区、综合固定部件振动区、包含特定测点的振动区、权重系数较大的测点振动区、包含了所有测点的振动区、综合水轮机振动区、综合发电机振动区。具体的，要得到不同的综合振动区，则改变各个灰度矩阵的权重系数以及阈值。

[0062] 由于对应关系是依据专家经验得到的，故依据设置的权重系数以及阈值得到的最终结果的可靠性更强，本实施例中优选，综合振动区划分目标为得到预设目标功能的综合振动区，影响所述预设目标功能的测点的灰度矩阵的权重系数大于剩余测点的灰度矩阵的权重系数，影响所述预设目标功能的所有测点的灰度权重系数均相同，剩余测点的灰度矩阵的权重系数均相同。

[0063] 步骤5：依据步骤4设置的各个灰度矩阵的权重系数对灰度矩阵进行加权求和得到综合矩阵，并对综合矩阵中的元素进行色阶调整形成综合灰度矩阵E；

[0064] 其中，按照如下公式对灰度矩阵进行加权求和得到综合矩阵E`，E`＝Σwi·Ei，再将加权求和得到的综合矩阵E`中大于阈值b的元素设置为同一灰度色阶，例如50，剩余元素设置为另一灰度色阶得到综合灰度矩阵E。灰度色阶的取值范围为0到255，剩余元素设置的另一灰度色阶优选为对比性强的色阶，例如255。

[0065] 步骤6：将步骤5中的综合灰度矩阵输出成图像得到目标综合振动区的云图。

[0066] 如图1所示，组合1或组合2或组合3或组合4得到的云图为目标综合振动区的云图，组合1、组合2、组合3以及组合4分别对应了不同目标的综合振动区的云图。

[0067] 本实施例中，组合1是综合振动区划分目标为得到综合摆度振动区，对应各个测点对应的灰度矩阵的权重系数以及阈值的设定为：上导X向摆度、上导Y向摆度、下导X向摆度、下导Y向摆度、水导X向摆度、水导Y向摆度测点对应的灰度矩阵的权重系数均为1，剩余测点对应的灰度矩阵的权重系数均为0，阈值b为4。

[0068] 组合2是综合振动区划分目标为综合固定部件振动区，对应各个测点对应的灰度矩阵的权重系数以及阈值的设定为：上机架径向振动、下机架径向振动、下机架垂直振动、定子机座径向振动、顶盖径向振动、顶盖垂直振动测点对应的灰度矩阵的权重系数均为1，该部分测点为固定部件测点，剩余测点对应的灰度矩阵的权重系数均为0，阈值b为2。

[0069] 组合3是综合振动区划分目标为权重系数较大的测点振动区，对应各个测点对应的灰度矩阵的权重系数以及阈值的设定为：上导X向摆度、上导Y向摆度、下导X向摆度、下导Y向摆度、水导X向摆度、水导Y向摆度、定子机座径向振动的权重系数为0.5，属于水力激振区域的上机架径向振动、下机架径向振动、下机架垂直振动、顶盖径向振动、顶盖垂直振动、导叶后压力脉动对应的灰度矩阵的权重系数均为1，阈值b为3。

[0070] 组合4是综合振动区划分目标为所有测点的振动区，对应各个测点对应的灰度矩阵的权重系数以及阈值的设定为：上导X向摆度、上导Y向摆度、下导X向摆度、下导Y向摆度、水导X向摆度、水导Y向摆度、上机架径向振动、下机架径向振动、下机架垂直振动、定子机座径向振动、顶盖径向振动、顶盖垂直振动、导叶后压力脉动对应的灰度矩阵的权重系数均为1，阈值b为0.5。

[0071] 应当理解，上述组合1-组合4是以具体实施例对本发明进行说明，本发明的组合方式不限于此，例如若想侧重了解某一或某两个测点处对振动的综合影响，可以将一个或两个测点对应的灰度矩阵的权重设置为1，剩余测点对应的权重系数设置为0.5。

[0072] 此外，上述步骤2中绘制各个测点的等值线云图包括如下步骤：

[0073] 步骤21：构建负荷、水头、测值的三维坐标系；

[0074] 步骤22：依据步骤1中各个测点的测值构建与步骤21中负荷、水头坐标对应的网格矩阵；

[0075] 步骤23：依据步骤1中各个测点的测值对网格矩阵对应的测值采用快速凸包生成算法、三角剖分算法进行插值；

[0076] 步骤24：利用步骤23插值中超过限制值的测值生成以负荷、水头为坐标，测值为目标的各个测点的等值线云图；

[0077] 其中，步骤22具体包括如下步骤：

[0078] 首先，依据步骤1中各个测点的测值获取到所述水电机组的负荷和水头的最大值和最小值，并依据负荷和水头的最大值和最小值分别获取到负荷区间和水头区间；

[0079] 然后，将所述负荷区间划分为N个等距区间以及将所述水头区间划分M个等距区间以形成M×N网格矩阵；

[0080] 其中，N、M均为正整数。例如M＝100，N＝100。

[0081] 本发明提供的一种基于图像灰度叠加的水电机组综合振动区获取方法，可以自动生成综合振动区云图，直观地反应综合振动区，此外，还可以根据实际需求，针对目标不同的综合振动区设置测点的灰度矩阵对应的权重系数以及阈值，进而得到目标综合振动区的云图，满足各种需求，应用范围广。

[0082] 需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。