一种基于小波理论的水轮机运转状态判定方法技术

本发明专利技术提出了一种基于小波理论的水轮机运转状态判定方法，包括以下步骤：步骤1、利用小波变换对压力脉动信号进行去噪，获得压力脉动重构信号，所述压力脉动重构信号分为8层得到9个不同频段的波形；步骤2、采用各频段压力脉动信号的标准差来表示相应频段信号能量的大小，利用小波的能量量纲即內积定理对压力脉动重构信号进行计算，得到各频段从低频到高频各个频段所对应的能量；步骤3、计算各个频段所对应的能量占总能量的百分比；步骤4、根据各个频段所对应的能量和各个频段所对应的能量占总能量的百分比来判定水轮机所处的运转状态。本发明专利技术对于分析水轮机的运转的故障状态具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于小波理论的水轮机运转状态判定方法
本专利技术涉及水轮机运转稳定性，特别涉及一种基于小波理论的水轮机运转状态判定方法。
技术介绍
自上个世纪70年代以来，国内外的许多大型水力发电装置出现过许多因机组振动而导致的大型事故，水力专家在水轮机运转稳定性的研究领域上做了大量的数值模拟与试验研究工作。理论研究主要包括直接数值模拟法、大涡模拟法、无粘流数值模拟法、雷诺平均方法。近些年来，随着计算流体力学迅速发展，以时间平均的纳维尔－斯托克斯方程做为理论基础，采用k-ε紊流模型，并考虑到不可压缩的单相流动，分为无粘性、考虑粘性效应以及三维粘性的数值模拟三个阶段对流体特性进行研究，但因实际工程问题的复杂性使得数值计算结果仅在理论上对稳态流动的判定较为准确。试验研究通常采取涡带参数法、水声脉动测量法及空腔涡带法描述混流式水轮机模型机组，利用涡带形成的局部空腔容积的图形，发现一些可能会破坏管路的频率特性；而现场真机试验是指通过在真机上进行振动等方式的减振效果测试，发现真机的振动特性。实际上，水轮机组运转时的振动特性是非常复杂的，而且还包含了一些环境等因素，很难实现对机组完全模拟，不管是要进行理论上的计算，还是利用机组模型进行试验，几乎不可能都考虑到所有因素，只能根据研究方向，考虑主要的影响因素。许多学者尽管提出了尽量避免或减振方法，但是依然主要对水轮机运转时压力脉动信号产生的原因、条件、特征以及尾水管空化、涡带的产生原因、条件等进行了分析。马震岳、董毓新一直致力于建立一个基于机组和厂房振动的系统分析模型，利用振源机理进行振动的理论与数值分析，并且利用对水轮机振动的实际案例进行分析，对振动问题的应用以及为在工程中进行实际问题的解决奠定基础。上述研究水轮机运转稳定性的方法各有优缺点，如果要想更加真实可靠的进行水轮机运行的稳定性研究，最好的方法是进行实地的测量，得到一个更全面、准确的数据。随着现在的测试条件以及试验设备的不断改进，目前在水轮机的尾水管壁等处放置压力传感器，得到水轮机运转时尾水管、肘管等位置的压力脉动信号，对该信号进行特征分析，可以实时的测量水轮机运转时的特性，对水轮机运转状态稳定性进行远程监测研究。水轮机组的稳定性问题对于国民经济以及在工程实践中均具有重要意义。在目前阶段还没有做到在将水力发电的效率近最大可能提升的同时百分百的保证运行的稳定性，因此为了尽可能的降低生产中的安全隐患，可通过研究水轮机在运行过程中各种工况的压力脉动信号特性，做到对水轮机运转情况的远程实时监测。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的技术问题，而提出一种基于小波理论的水轮机运转状态判定方法。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种基于小波理论的水轮机运转状态判定方法，包括以下步骤：步骤1、利用小波变换对压力脉动信号进行去噪，获得压力脉动重构信号，所述压力脉动重构信号分为8层得到9个不同频段的波形；步骤2、采用各频段压力脉动信号的标准差来表示相应频段信号能量的大小，利用小波的能量量纲即內积定理对压力脉动重构信号进行计算，得到各频段从低频到高频各个频段所对应的能量；步骤3、计算各个频段所对应的能量占总能量的百分比；步骤4、根据各个频段所对应的能量和各个频段所对应的能量占总能量的百分比来判定水轮机所处的运转状态。进一步地，所述利用小波的能量量纲即內积定理对压力脉动重构信号进行计算具体为：利用內积定理对4种工况下的压力脉动重构信号进行计算，得到各个频段所对应的能量；所述4种工况为工况1、工况2、工况3和工况4；所述工况1为a＝16mm,n11＝74.5r/min,σ＝0.52；所述工况2为a＝16mm,n11＝74.5r/min,σ＝0.18；所述工况3为a＝16mm,n11＝83.2r/min,σ＝0.5；所述工况4为a＝16mm,n11＝83.2r/min,σ＝0.18；其中，a(mm)为导叶开度、n11(r/min)为单位转速、σ为装置空化数。进一步地，所述利用小波变换对压力脉动信号进行去噪具体为：采用软阈值去噪方法对压力脉动信号进行去噪，软阈值函数表达式为：η(ω)＝ωI,|ω|＞t(3)其中，ω为含噪信号小波变化后的小波系数，I表示阈值。附图说明图1为压力脉动测点布置位置图；图2为工况1(a＝16mm,n11＝74.5r/min,σ＝0.52)下水轮机尾水管处空化图；图3为工况2(a＝16mm,n11＝74.5r/min,σ＝0.18)下水轮机尾水管处空化图；图4为工况3(a＝16mm,n11＝83.2r/min,σ＝0.52)下水轮机尾水管处空化图；图5为工况4(a＝16mm,n11＝83.2r/min,σ＝0.18)下水轮机尾水管处空化图；图6为4种工况下压力脉动重构信号时域图；图7为各工况下水轮机压力脉动重构信号各频段能量柱状图；图8为各工况下能量占比图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提出一种基于小波理论的水轮机运转状态判定方法，包括以下步骤：步骤1、利用小波变换对压力脉动信号进行去噪，获得压力脉动重构信号，所述压力脉动重构信号分为8层得到9个不同频段的波形；步骤2、采用各频段压力脉动信号的标准差来表示相应频段信号能量的大小，利用小波的能量量纲即內积定理对压力脉动重构信号进行计算，得到各频段从低频到高频各个频段所对应的能量；步骤3、计算各个频段所对应的能量占总能量的百分比；步骤4、根据各个频段所对应的能量和各个频段所对应的能量占总能量的百分比来判定水轮机所处的运转状态。参考IEC60193测试标准，水力研究试验均采用统一标准试验程序即进行水流压力脉动试验。将7个压力测点安装在尾水管壁面上：即尾水锥管上游有两个测点(转轮下方0.32D处)draft1和draft2，肘管处内外侧各一个测点(转轮下方1.02D处)draft3和draft4，根据水流对肘管外侧壁面冲击力较大，导致低频压力脉动幅值较大及空化特征现象明显这一现象，采用置于尾水管肘管外侧测点的压力脉动数据作为本专利技术分析的测点工况点，压力脉动测点布置位置如图1所示。水轮机尾水管部安装有高速成像拍摄系统，可以对不同工况下水轮机运转状态的转轮叶片背面脱流、叶道涡和尾水管涡带等的水流状况进行观察并拍照，如图2-5所示。图2-5中，a(mm)为导叶开度、n11(r/min)为单位转速、σ为装置空化数，其中，σ值越大，说明系统抗空化的性能越好。图2-5表征水轮机从轻微空化到严重空化的过渡过程及状态，其中图5表示已经发生较严重空化，水管涡带内水流形成了空泡型涡带。小波变换能够在时域、频域处理中对信号进行局部分析，并且窗口形状可以根据信号频率的自身特点自动改变，使处理高频信号时具有较低的时间分辨率、处理低频信号时具有较高的频率分辨率，因此被广泛使用在信号处理、语音信号处理、图形处理等各个方面。设ψ(t)∈l2(R)，l2(R)代表平方可积的实数空间域，该函数经过傅里叶变换后频域函数为ψ(ω)，若该函数满足：则称ψ(t)为母小波或基小波，根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于小波理论的水轮机运转状态判定方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、利用小波变换对压力脉动信号进行去噪，获得压力脉动重构信号，所述压力脉动重构信号分为8层得到9个不同频段的波形；步骤2、采用各频段压力脉动信号的标准差来表示相应频段信号能量的大小，利用小波的能量量纲即內积定理对压力脉动重构信号进行计算，得到各频段从低频到高频各个频段所对应的能量；步骤3、计算各个频段所对应的能量占总能量的百分比；步骤4、根据各个频段所对应的能量和各个频段所对应的能量占总能量的百分比来判定水轮机所处的运转状态。

【技术特征摘要】
1.一种基于小波理论的水轮机运转状态判定方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、利用小波变换对压力脉动信号进行去噪，获得压力脉动重构信号，所述压力脉动重构信号分为8层得到9个不同频段的波形；步骤2、采用各频段压力脉动信号的标准差来表示相应频段信号能量的大小，利用小波的能量量纲即內积定理对压力脉动重构信号进行计算，得到各频段从低频到高频各个频段所对应的能量；步骤3、计算各个频段所对应的能量占总能量的百分比；步骤4、根据各个频段所对应的能量和各个频段所对应的能量占总能量的百分比来判定水轮机所处的运转状态。2.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于：所述利用小波的能量量纲即內积定理对压力脉动重构信号进行计算具体为：利用內积定理对4种工况下的压力脉动重构信号进...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏文涛，徐有宁，李小斌，赵越，王焕茂，李凤臣，崔洁，
申请(专利权)人：沈阳工程学院，
类型：发明
国别省市：辽宁,21