基于虚拟现实的水电机组状态监测分析方法研究

【摘要】：水电机组作为水电站的重要资产，其安全稳定运行关系到电力系统稳定和电站及人民生命财产安全。而机组设备的状态监测与分析工作直接关系着水电站的安全和经济运行，涉及到机组运行状态监测、监测分析、设备异常检测及故障诊断分析决策等方面。状态监测与分析技术性强，需要在维护工作中不断引进先进的技术方法和手段。虚拟现实技术作为一种高级的人机交互接口技术，在信息化虚拟环境展示、状态可视化仿真表达、分析操作辅助引导方面有广阔的应用前景。针对水电机组状态监测和故障检测问题，研究了基于虚拟现实的水电机组状态监测及分析方法，在虚拟现实环境下提供“如临现场”的状态监测展示、分析辅助与故障检测引导，帮助用户进行故障分析与诊断，并结合中国长江电力股份有限公司葛洲坝电站水轮发电机组的状态监测及故障分析维护进行了工业实践，成果成功应用于22台机组上。 首先分析了水电机组状态监测与故障诊断技术发展概况和机组设备状态监测及故障检测分析的发展方向。接着，对水电设备状态监测与故障检测方法、机组状态监测与故障检测分析中使用的人工智能技术及虚拟现实技术等进行了探讨，明确了水电机组对状态监测及故障检测的要求，阐明了虚拟现实技术在水电机组状态监测与故障检测的应用前景。最后，确定了本文的主要研究工作及其意义。 综合分析了机组设备虚拟现实化方法对机组设备状态检修的影响，针对当前机组设备在状态监测、故障检测分析与诊断维护领域的表达和分析辅助所面临的问题和不足，从系统表现手段、系统人机交互、信息组织与知识挖掘以及分析手段等方面探讨了虚拟现实化对设备状态监测与故障分析系统的重要性；构建了机组状态监测与故障检测虚拟现实系统框架，详细研究了机组状态监测与故障检测虚拟现实系统实现的建模基础、可视化仿真及设备信息表达方法；从机组状态监测与分析、设备健康状况表达和设备故障检测三方面提出机组虚拟现实化表达的研究方法；最后，在机组设备3D工程可视化基础上，经过数据变换实现数字化描述，利用映射与感知模拟技术，完成设备可视化展现，在虚拟环境下借助环境渲染实现设备信息与知识的虚拟现实表达。 机组状态监测是机组设备实现状态检修的基础。对水电机组状态监测系统的现状进行了探讨，详细研究了机组设备监测分析虚拟现实化的监测手段和监测分析方法；在葛洲坝电站最优维护系统(HOMIS)集成监测平台下，结合机组设备工程3D模型和监测展示、设备分析手段，研究、解决了基于虚拟现实的状态监测与分析的关键技术，包括实时和历史状态的监测及分析，实现了机组设备的状态“直观”显示、监测分析和状态报警；在明确机组设备虚拟远程巡检意义的基础上，对其进行了功能框架设计，在虚拟环境中开展机组设备运行巡检、专家检查和辅助分析。 论述了当前机组设备故障检测技术的基本方法，研究了利用设备性能指标进行故障检测与专家经验知识发掘、开展故障检测的方法及实施的流程；利用性能指标图表表达、设备工程3D可视化模型及虚拟现实感知表达技术，实现了设备性能指标的虚拟表达，提供虚拟检测环境，在机组故障检测、诊断过程中给予直观、适当的信息和知识帮助；在虚拟现实环境下，开展了设备故障征兆显示与图形、图像、音频等多种人体感知方式(如视觉、听觉和触觉等)相结合的故障检测知识表达研究，帮助维护人员进行故障检测。 针对水电机组维护系统信息表达抽象及难以提供直观的分析与故障检测辅助的现状及运行特点，以葛洲坝电站水电机组为具体的研究对象，在HOMIS平台基础上，构建了基于虚拟现实技术的水电机组状态监测与故障检测分析系统，并对系统框架和功能进行了设计，研究了基于虚拟现实的状态监测在葛洲坝水电机组状态监测显示、异常状况报警、设备远程巡检，以及专家检查和辅助分析方法，并展现了应用效果；对基于虚拟现实的故障检测分析进行了研究，将虚拟故障检测应用于设备性能指标表达及故障性能检测表达、故障检测流程辅助和专家故障检测知识表达。 【关键词】：水电机组 虚拟现实 状态监测 分析 故障检测 性能指标 人机交互 人工智能
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TV736;TP391.9
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1.绪论11-23
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.2 水电设备状态监测与故障检测方法概述13-15
• 1.3 人工智能技术综述15-18
• 1.4 虚拟现实技术发展概况18-21
• 1.5 研究框架21-23
• 2.水电机组虚拟现实化方法23-45
• 2.1 引言23-24
• 2.2 机组虚拟现实化24-27
• 2.3 机组虚拟现实化基础27-33
• 2.4 机组虚拟现实化主要内容33-37
• 2.5 机组虚拟现实化关键技术37-44
• 2.6 本章小结44-45
• 3.基于虚拟现实的状态监测与分析45-63
• 3.1 引言45-46
• 3.2 监测与分析手段46-52
• 3.3 实时状态监测与报警52-54
• 3.4 历史状态监测分析54-57
• 3.5 远程巡检57-62
• 3.6 本章小结62-63
• 4.基于虚拟现实的故障检测63-83
• 4.1 引言63
• 4.2 故障检测方法63-69
• 4.3 性能检测虚拟现实化69-73
• 4.4 专家故障检测流程虚拟现实化73-76
• 4.5 专家故障检测知识虚拟现实化76-82
• 4.6 本章小结82-83
• 5.水电机组虚拟现实维护系统实践83-100
• 5.1 水电机组维护系统现状83-84
• 5.2 水电机组虚拟系统结构84-87
• 5.3 基于虚拟现实的状态监测分析87-92
• 5.4 基于虚拟现实的故障检测92-98
• 5.5 本章小结98-100
• 6.总结与展望100-102
• 6.1 总结100-101
• 6.2 研究展望101-102
• 致谢102-103
• 参考文献103-110
• 附录 1 攻读博士学位期间发表的主要论文110

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