视觉跟踪技术在风电机组故障缺陷检查过程中的应用

(整期优先)网络出版时间:2022-07-21
/ 2

视觉跟踪技术在风电机组故障缺陷检查过程中的应用

杨彦冬

(大唐东北电力试验研究院有限公司,长春 130000)

摘要:本文主要论述如何将视觉跟踪技术应用到风电机组设备故障缺陷检测分析领域中。通过在风机上安装图像采集设备,对并网开关、刹车制动盘、齿轮箱温控阀等设备的温度特征数据进行图像收集,利用先进的MDNET视觉跟踪算法,对图像进行分析处理,捕捉设备运行过程中的异常温度信息,分析问题成因,找出缺陷隐患,提出解决方案。

关键词:图像识别;视觉跟踪;红外热成像 

1  引言

图像识别技术是人工智能研究的一个重要分支,其是以图像为基础,利用计算机对图像进行处理、分析和理解,以识别不同模式对象的技术。该项技术在多个领域得到广泛应用。但是在风机发电机组的日常运维管理方面,利用图像识别视觉跟踪技术进行风机故障预警和缺陷诊断还处于起步阶段。目前风电行业对机组设备的运行健康状态检查多采用人工定期巡检和专项技术检查的方式,在时效性方面存在很大不做,并且需要专业的技术人员来参与执行,并且对人员责任心和技术能力都有较高的要求。

2  系统功能设计

2.1  理论原理介绍

建立并完善一套基于图像识别视觉跟踪技术来进行机组故障预警的监控系统。将图像识别技术应用到风电机组日常运维工作中,收集整理机组设备故障缺陷图像信息,充实并完善图像数据库,提高图像识别的准确率。同时通过逐步增加对机组设备的监测点的数据采集,拓展图像识别技术在风电机组上的应用范围,最终实现风机机组设备日常运维的无人化管理。

目标跟踪是计算机视觉领域的一个重要问题,在运动分析、行为识别、视频监控、等很多研究方向上都有着广泛的应用。目标跟踪是基于判别模型进行数据计算分析处理,其深度学习算法的出发点是训练分类器用来区分前景和背景。

将MDNET视觉跟踪算法应用到风机设备故障缺陷的识别分析。利用采集到的故障信息图像,建立图像数据库。通过大量数据图像训练,提高图像分析的准确率,充实完善数据库信息。为了提高图像识别的准确率,需要进行大量的数据训练。MDNET算法采用VGG-M作为网络初始化模型,后接多个全连接层用作分类器。训练时,每一个跟踪视频对应一个全连接层,学习普遍的特征表示用来跟踪。跟踪时,去掉训练时的全连接层。使用第一帧样本初始化一个全连接层,新的全连接层在跟踪的过程中继续微调,来适应新的目标变化。这种方法使得特征更适合于目标跟踪,效果大大提升。

2.2  系统功能应用

选取齿轮箱温控阀、并网开关、主轴刹车制动盘作为风机故障监测点,以设备正常运行状态下的温度特征图片作为标准图片,将设备运行过程中采集的的温度状态图片与标准图片进行比对,利用云计算、边缘计算、MDNET视觉跟踪算法等算法,分析图片间的差异性,推测该差异可能导致的后果,针对性给予解决建议。

2.2.1  齿轮箱温控阀状态实时监控    

设备应用现状:

带有齿轮箱的双馈型风力发电机组,齿轮箱油冷散热系统由高温散热回路和低温旁路组成,通过温控阀实现齿轮箱润滑油在两个回路间的切换。当前双馈型风力发电机组的控制策略中均未对温控阀的状态进行监测,当温控阀损坏时,齿轮箱润滑油不能及时的从低温旁路切换到高温散热回路,导致齿轮箱油温持续升高,机组出现高温限功率、高温故障等情况。

通过热成像设备对高温散热回路的输油管和低温旁路的输油管进行温度图像数据采集,两个回路中的输油管均为温控阀输出接口处的油管。分析当齿轮箱油温高出温控阀动作门限值55℃或低于35℃时,两个回路中输油管的温度,判断温控阀是否损坏,提出故障缺陷预警。

研究应用思路:

在齿轮箱上寻找安装固定点,安装红外高清热成像摄像头。该摄像头能够清晰完整的拍摄到高温散热回路和低温旁路的输油管。图像中能够呈现输油管的实时温度数值。

在温控阀正常状态下,分别选取齿轮箱油温35℃和55℃时,两个回路输油管的温度图像为标准图像,利用图像识别技术将风机日常运行过程中采集到的输油管的温度图像与标准图像进行比对。理论上当齿轮箱油温高于55℃时,高温散热回路油管温度应高于低温旁路油管温度,当齿轮箱油温低于35℃时,高温散热回路油管的温度应低于低温旁路油管的温度。若系统分析图像温度数据与正常状态下的温度数据不符,则可判定温控阀损坏。

图1  温控阀及冷却油管路

2.2.2  并网开关主触点热成像检查

设备应用现状:

风力发电机组并网开关主触点粘连问题,是目前引起风机设备着火事故发生的一个重要因素。尤其是运行使用超过10年以上的老机组,普遍存在并网开关灭弧能力下降,主触点电腐蚀严重的问题。该问题体现在热成像图片中,会呈现出并网开关三相主触点导电铜排温度不一致,某相导电铜排发热严重的现象。

使用红外热成像摄像头采集并网开关主触点导电铜排温度图像并对其进行分析对比,当某相温度超限或三相间温度严重不平衡时,判定并网开关损坏。

研究应用思路:

在并网开关柜内,靠近并网开关主触点导电铜排处安装红外热成像摄像头,实时监测铜排发热情况,形成带有温度数值显示的图像数据。以并网开关正常运行时导电铜排温度图像为标准图像,将实时采集到的温度图像与标准图像进行比对。利用图像分析技术对温度数据进行分析处理,当并网开关某相导电铜排温度超限或三相导通铜排间的温度严重不平衡时,提出并网开关异常预警。

图2  并网开关导电铜排温度监测

2.2.3  主轴刹车制动器热成像检测

设备应用现状:

风机主轴刹车制动器高速刹车,导致制动器高温,进而出现机组失火事故的发生,也是当前风机设备失火的一个重要原因,并且各个主机厂家在进行机组设计时均没有对主轴刹车制动器的温度状态进行监测。

使用红外热成像摄像头采集刹车制动盘温度图像,当温度超出极限温度时进行高温报警。

研究应用思路:

在风机主轴制动器附近安装热成像设备,采集刹车制动盘温度图像。设定刹车制动盘预警温度为100℃,当采集到的温度图像中显示的实时温度高出预警温度值时,触发高温告警。

图3  主轴刹车制动器

3  通讯网络设计及安全防护

3.1  通讯网络结构搭建

在变电站中控室和风机上新加光纤通讯交换机设备,利用原有的风机远程通讯光纤传输图像数据处理信号。

图4  通讯网络结构示意图

3.2  网络安全防护

为保障通讯网络安全运行,不受外界攻击,对风电场生产经营工作造成影响,本项目计划采用局域网的型式构建整个系统通讯网络。该通讯网络便于系统的扩展和演变,各设备的位置可灵活调整和改变,提高了系统的可靠性、可用性和生存性,与生产网隔离开,不会对生产网络产生影响。同时还具备传输速率高、低时延、传输协议种类较少等特点。具体实施思路如下:

(1)在服务器端安全防病毒软件,防止病毒对系统的破坏;

(2)在服务器与互联网之间的网络链路安装防火墙,保证数据安全及内网主机和摄像头的安全;

(3)使用带有日志审计功能的防火墙或单独安全日志审计设备,保证网络内设备日志能够及时备份;

(4)使用带有入侵检测功能的防火墙或单独安装入侵检测设备,保证局域网安全及局域网内设备安全性。

图5  通讯局域网络结构示意图

5  结论

将视觉跟踪技术应用到风力发电机组的运行状态监测过程中,是新能源行业对先进科学技术的高端引进,是对风机控制监测技术的有效支撑,丰富完善了风机运作状态的监测手段,不再单一的依靠人力,节省了人力资源。利用仪器设备的先进性弥补了人为作业的空间局限性,利用先进的仪器设备可在高温环境、高危环境下持续不间断工作,能够实现对机组设备运行状态的不间断监测,第一时间发现缺陷隐患,避免安全事故的发生。实现风电机组日常运维管理的高端智能化、人力资源节约化。符合今后风电行业发展趋势。

参考文献

[1]武煜博  图像识别技术发展与应用.电子技术与软件工程,2017-04.

[2]谭河益  基于机器视觉图像目标识别方法研究.民营科技,2018-04.

[3]邵彦宁  基于深度学习的图像识别.计算机应用与发展,2009

[4]黄少兵  红外热像故障诊断技术在高压电气设备中的应用.工程技术,2016-02