基于数据挖掘及SIS的工况划分方法研究.pdf

1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/收 稿 日 期 :2009 - 09 - 10基 金 项 目 :江 西 省 教 育 厅 科 学 技 术 研 究 项 目 ( GJJ09368) ;南 昌 工 程 学 院 青 年 基 金 项 目 (2008KJ019)作 者 简 介 :刘 宝 玲 (1979 - ) ,女 ,硕 士 ,讲 师 .文 章 编 号 :1674 - 0076 (2009) 06 - 0036 - 04基 于 数 据 挖 掘 及 SIS 的 工

2、 况 划 分 方 法 研 究刘 宝 玲 1 ,何 钧 2(1. 南 昌 工 程 学 院 电 气 与 电 子 工 程 系 ,江 西 南 昌 330099 ;2. 江 西 省 电 力 科 学 研 究 院 ,江 西 南 昌 330006)摘 要 :数 据 挖 掘 技 术 是 目 前 人 工 智 能 领 域 的 研 究 热 点 ,基 于 SIS系 统 中 存 储 的 海 量 数 据 探 讨 了 一 种 基 于 数 据 挖 掘的 工 况 划 分 方 法 ,经 现 场 检 验 ,此 方 法 可 以 高 效 准 确 地 获 取 电 厂 正 常 运 行 时 的 各 个 典 型 工 况 ,通 过 机 组 “ 实

3、 际 可 达的 最 优 工 况 ” 从 而 设 置 目 标 值 ,达 到 电 厂 各 种 运 行 工 况 进 行 有 效 划 分 的 目 的 .关 键 词 :数 据 挖 掘 ;厂 级 信 息 监 控 系 统 ;聚 类 分 析 ;工 况 划 分中 图 分 类 号 :TP273 文 献 标 识 码 :AResearch on condition identification based on data mining and SISLIU Bao2ling1 ,HE Jun2(1. Department of Electrical and Electronic Engineering ,Nancha

4、ng Institute of Technology ,Nanchang 330099 ,China ;2.Jiangxi Electric Power ResearchInstitute ,Nanchang 330006 ,China)Abstract :Data mining technology has become a very active research focus in the field of artificial intelligence.In this paper ,a method of working condition analysis based on data

5、mining and the massive data from SIS is ex2plored. The typical working conditions in the normal operation can be obtained efficiently and accurately by thisway. The result illustrates that setting the target value through the actual optimal working conditions can providethe good guidance to the oper

6、ation and valuable promotion.Key words :data mining ;supervisory information system ;cluster analysis ;condition identification0 引 言随 着 火 电 厂 的 信 息 化 建 设 的 深 入 ,SIS 系 统 (supervisory information system ,厂 级 信 息 监 控 系 统 )在 装 机 容 量300 MW 及 以 上 机 组 得 到 了 广 泛 的 普 及 . 实 践 证 明 ,SIS 是 连 接 DCS 系 统 和 MIS 系 统

7、的 纽 带 ,对 电 厂 的 经 济性 、 安 全 性 、 环 保 性 提 高 已 起 到 了 一 定 的 作 用 1 . 但 作 为 一 个 新 生 事 物 ,SIS 系 统 强 大 的 数 据 存 储 、 分 析 应 用 功能 还 有 待 于 进 一 步 的 挖 掘 和 完 善 . 数 据 挖 掘 技 术 正 是 应 对 “ 数 据 丰 富 而 信 息 贫 乏 ” 的 一 种 新 兴 技 术 ,是 人 工 智能 新 兴 的 研 究 热 点 ,它 以 数 据 分 析 为 基 础 ,从 海 量 数 据 中 提 取 可 信 、 有 效 和 易 于 理 解 的 信 息 和 模 式 . 按 照 被

8、挖掘 知 识 的 类 型 ,分 为 关 联 规 则 、 时 序 模 式 、 聚 类 、 回 归 、 泛 化 等 算 法 .工 况 划 分 是 SIS 系 统 耗 差 分 析 、 优 化 运 行 及 故 障 诊 断 等 高 端 应 用 的 基 础 . 以 往 典 型 运 行 工 况 划 分 主 要 来源 于 统 计 分 析 方 法 ,本 文 将 要 探 讨 一 种 基 于 SIS 系 统 的 历 史 数 据 库 的 海 量 数 据 ,运 用 高 效 的 聚 类 算 法 对 工 况进 行 识 别 的 方 法 .第 28 卷 第 6 期2009 年 12 月南 昌 工 程 学 院 学 报Journa

9、l of Nanchang Institute of TechnologyVol. 28 No. 6Dec. 2009 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/1 k2均 值 算 法 描 述k2means 是 经 典 聚 类 算 法 ,以 k 为 参 数 ,把 n 个 对 象 分 为 k 个 簇 ,以 使 簇 内 具 有 较 高 的 相 似 度 ,而 簇 间 的相 似 度 较 低 . 相 似 度 的 计 算 根 据 一 个 簇 中 对 象 的 平 均 值 来

10、 进 行 . 设 在 模 式 空 间 S ,构 造 k 个 划 分 (类 ) ( k n) , C1、 C2、 、 Ck 满 足 Ci “, Ci Cj = “, i j2 .定 义 类 中 心 xi 为xi = 1ni x Cix , (1)式 中 x 是 聚 类 Ci 的 所 有 数 据 点 , ni 是 Ci 的 点 数 .k2means 算 法 的 处 理 步 骤 为 首 先 在 样 本 中 随 机 选 择 k 个 对 象 ,每 个 对 象 初 始 的 代 表 了 一 个 簇 的 初 始 平 均 值 或 中 心 . 对 剩 余 的 每个 对 象 ,根 据 其 与 各 个 簇 中 心 的

11、 距 离 ,将 它 赋 给 最 近 的 簇 . 按 式 (1) 重 新 计 算 每 个 簇 的 样 本 的 平 均 值 ,作 为 新 的 簇 的 中 心 . 根 据 此 中 心 将 样 本 中 的 对 象 重 新 归 簇 . 不 断 重 复 步 骤 ,直 至 k 个 簇 的 中 心 不 再 发 生 变 化 或 者 准 则 函 数 收 敛 . k2means 的 收 敛 准 则 函 数 定 义为E = ki = 1 x Cix - xi 2 ,式 中 E 是 数 据 库 中 所 有 对 象 的 平 方 误 差 的 总 和 ; x 是 空 间 中 的 点 ,表 示 给 定 的 数 据 对 象 ;

12、xi 是 簇 Ci 的 平 均 值( x 和 xi 可 以 是 一 维 或 多 维 ) . 该 准 则 可 以 保 证 最 终 的 聚 类 结 果 尽 可 能 独 立 和 紧 凑 .k2均 值 算 法 是 聚 类 的 经 典 算 法 ,对 大 数 据 集 的 处 理 而 言 ,能 快 速 、 高 效 地 完 成 聚 类 的 划 分 . 但 也 存 在 一 定的 缺 点 ,对 电 厂 整 体 工 况 划 分 可 能 出 现 的 问 题 及 解 决 方 案 如 下 说 明 .(1) k 值 的 确 定 . k2均 值 法 对 初 值 敏 感 ,对 于 不 同 的 初 始 值 ,可 能 会 导 致

13、不 同 的 聚 类 结 果 ,所 以 需 要 对 所研 究 的 样 本 空 间 及 最 终 要 求 的 结 论 有 深 入 的 分 析 ,才 能 获 得 理 想 的 结 果 .(2) k2均 值 法 对 孤 立 点 和 噪 声 敏 感 . 目 前 DCS 系 统 及 SIS 系 统 对 数 据 的 前 端 处 理 ,已 经 能 消 除 绝 大 部 分 的强 噪 声 干 扰 ,而 且 所 研 究 对 象 即 电 厂 整 体 工 况 这 一 样 本 空 间 是 连 续 的 ,为 正 确 应 用 k2均 值 算 法 提 供 了 保 证 .2 工 况 划 分 实 例 分 析图 1 工 况 挖 掘 流

14、程 图目 前 电 站 机 组 运 行 上 设 定 的 目 标 值 多 是 以 额 定 工 况 的 设 计 值 ,或 是 通 过 试验 或 经 验 确 定 的 与 负 荷 相 关 的 函 数 曲 线 ,这 种 目 标 值 由 于 其 确 定 过 程 和 实 际 运行 的 环 境 、 工 况 等 因 素 都 存 在 差 别 ,所 以 并 不 一 定 是 最 适 合 机 组 实 际 运 行 的 理 想的 目 标 值 3 . 通 过 工 况 划 分 ,可 以 利 用 SIS 系 统 中 的 海 量 历 史 数 据 挖 掘 出 最 优 工况 ,从 而 确 定 合 理 可 行 的 目 标 值 . 通 过

15、机 组 “ 实 际 可 达 的 最 优 工 况 ” ,从 而 设 置 目标 值 ,则 对 操 作 人 员 更 具 有 指 导 意 义 ,更 有 助 于 发 挥 SIS 系 统 对 电 站 机 组 的 经 济性 价 值 .1)实 现 方 案基 于 SIS 系 统 的 工 况 挖 掘 流 如 图 1 所 示 .2)工 况 划 分聚 类 分 析 法 中 数 据 样 本 空 间 和 划 分 簇 的 个 数 非 常 重 要 ,直 接 决 定 这 分 析 的结 果 是 否 有 效 . 本 文 所 研 究 的 工 况 是 指 机 组 整 体 运 行 工 况 ,涵 盖 的 意 义 广 ,涉 及的 参 数 多

16、的 特 点 ,但 若 直 接 应 用 聚 类 分 析 ,会 产 生 “ 数 据 维 数 灾 难 ” . 所 以 要 对 数据 加 以 分 析 ,从 中 找 出 一 小 部 分 有 代 表 性 的 数 据 构 成 样 本 空 间 .以 华 北 某 电 厂 600 MW 机 组 为 例 ,从 合 理 简 化 的 角 度 ,说 明 样 本 空 间 的 选 取办 法 . 分 析 常 用 的 几 个 外 部 约 束 条 件 的 确 定 方 法 :73第 6 期 刘 宝 玲 ,等 :基 于 数 据 挖 掘 及 SIS的 工 况 划 分 方 法 研 究 1994-2010 China Academic Jo

17、urnal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/(1)煤 质 参 数 . 北 方 煤 质 资 源 丰 富 ,电 厂 一 般 都 具 有 固 定 的 燃 煤 来 源 ,可 以 将 煤 质 参 数 认 为 一 个 定 值 .(2)环 境 温 度 . 环 境 温 度 时 锅 炉 效 率 的 影 响 因 素 之 一 . 北 方 的 电 站 大 多 采 用 封 闭 式 设 计 ,内 部 有 较 好 的 采暖 设 施 ;现 有 的 火 电 厂 中 多 采 用 双 曲 线 形 冷 却 塔 进 行 冷 却 ,所 以 通 常 采 用 循

18、 环 冷 却 水 作 为 环 境 温 度 的 替 代值 ,考 虑 到 不 同 季 节 ,可 将 环 境 温 度 划 分 为 0 、 10 、 20 、 30 .(3)负 荷 参 数 . 电 能 是 不 能 储 存 的 能 量 ,只 能 根 据 用 户 的 需 求 即 产 即 用 ,所 以 电 站 的 负 荷 参 数 具 有 如 下 的周 期 性 :日 间 (一 般 厂 矿 的 工 作 时 间 )高 负 荷 运 行 (80 %额 定 负 荷 以 上 ) ,夜 间 (一 般 厂 矿 停 工 时 间 )处 于 低 负 荷运 行 ,但 考 虑 到 机 组 的 稳 定 运 行 ,低 负 荷 至 少 保

19、证 50 %额 定 负 荷 . 所 以 可 将 负 荷 划 分 为 300、 350、 400、 450、500、 550、 600 MW.(4)磨 煤 机 运 行 台 数 . 额 定 负 荷 为 600 MW 机 组 在 正 常 负 荷 运 行 范 围 是 300 600MW ,这 一 范 围 内 磨 煤 机运 行 台 数 可 划 分 为 3、 4、 5、 6 台 .综 合 以 上 分 析 ,可 将 此 机 组 划 分 出 40 个 典 型 工 况 ,选 取 如 下 40 组 数 据 作 为 初 始 类 中 心 (见 表 1) .以 表 1 数 据 位 初 始 类 中 心 ,在 SIS 平

20、台 上 选 取 此 电 厂 2007 年 1 月 、 4 月 、 7 月 、 11 月 各 10 d 的 稳 定 工 况 历史 数 据 进 行 聚 类 划 分 运 算 ,分 类 结 果 如 表 2 所 示 .表 1 初 始 工 况 类 中 心序号负 荷 /MW环 境 温 度 /磨 煤 机 /台序号负 荷 /MW环 境 温 度 /磨 煤 机 /台序号负 荷 /MW环 境 温 度 /磨 煤 机 /台序号负 荷 /MW环 境 温 度 /磨 煤 机 /台1 600 30 5 11 500 10 5 21 400 30 4 31 350 10 32 600 20 5 12 500 0 5 22 400

21、20 4 32 350 0 33 600 10 5 13 450 30 5 23 400 10 4 33 300 30 44 600 0 5 14 450 20 5 24 400 0 4 34 300 20 45 550 30 5 15 450 10 5 25 350 30 4 35 300 10 46 550 20 5 16 450 0 5 26 350 20 4 36 300 0 47 550 10 5 17 450 30 4 27 350 10 4 37 300 30 38 550 0 5 18 450 20 4 28 350 0 4 38 300 20 39 500 30 5 19 4

22、50 10 4 29 350 30 3 39 300 10 310 500 20 5 20 450 0 4 30 350 20 3 40 300 0 3表 2 分 类 运 算 后 得 到 的 典 型 工 况序号负 荷 /MW环 境 温 度 /磨 煤 机 /台锅 炉 效 率 /%供 电 煤 耗 /g (kW h) - 1序号负 荷 /MW环 境 温 度 /磨 煤 机 /台锅 炉 效 率 /%供 电 煤 耗 /g (kW h) - 1序号负 荷 /MW环 境 温 度 /磨 煤 机 /台锅 炉 效 率 /%供 电 煤 耗 /g (kW h) - 11 600 30 5 92. 4 323 15 48

23、0 12 5 91. 9 333 29 354 26 3 90. 8 3412 600 18 5 92. 1 324 16 475 7 5 91. 8 335 30 347 17 3 90. 7 3413 600 13 5 92. 5 325 17 457 29 4 91. 9 336 31 347 12 3 90. 7 3414 600 8 5 92. 5 326 18 446 18 4 91. 6 334 32 346 6 3 90. 5 3445 561 30 5 92. 7 324 19 450 12 4 91. 7 335 33 318 26 3 90. 5 3446 565 18

24、5 92. 9 326 20 441 7 4 91. 5 338 34 327 17 3 90. 6 3437 566 13 5 93. 2 326 21 411 27 4 91. 6 337 35 320 12 3 90. 5 3448 550 8 5 93. 1 328 22 402 17 4 91. 4 335 36 322 6 3 90. 3 3469 529 29 5 92. 7 329 23 407 12 4 91. 4 338 37 303 26 3 90. 3 34510 529 18 5 92. 8 328 24 409 7 4 91. 3 341 38 307 17 3 9

25、0. 5 34611 529 13 5 92. 6 329 25 372 26 4 91. 2 339 39 304 12 3 90. 4 34712 527 8 5 92. 6 331 26 367 17 4 91. 1 338 40 300 6 3 90. 1 34913 478 29 5 92. 1 334 27 356 12 4 90. 9 34014 478 18 5 92. 0 332 28 364 6 4 90. 8 343由 表 2 可 以 看 出 ,由 于 电 站 机 组 日 间 处 于 高 负 荷 运 行 ,夜 间 处 于 低 负 荷 运 行 ,所 以 同 一 季 节 中

26、高 负 荷 所对 应 的 环 境 温 度 要 高 于 低 负 荷 运 行 所 对 应 的 环 境 温 度 ,如 第 一 组 数 据 600 MW 负 荷 对 应 的 环 境 温 度 为 30 ,其 对 应 的 夜 间 运 行 负 荷 为 303 MW 时 ,温 度 为 26 ;另 外 从 反 应 运 行 条 件 的 磨 煤 机 运 行 的 台 数 可 以 看 出 ,低于 350 MW 负 荷 后 ,运 行 人 员 都 能 选 择 只 运 行 3 台 磨 煤 机 ,这 与 经 济 运 行 相 符 合 . 分 类 结 果 和 初 始 选 定 的 类中 心 很 相 近 ,说 明 事 先 选 定 的

27、40 个 典 型 工 况 和 电 厂 实 际 运 行 工 况 是 吻 合 的 .根 据 得 到 的 40 个 典 型 工 况 ,选 取 2008 年 4 月 里 的 稳 定 工 况 下 的 历 史 数 据 进 行 工 况 识 别 ,识 别 结 果 如 表83 南 昌 工 程 学 院 学 报 2009 年 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/3 所 示 . 从 中 可 以 看 出 ,一 共 25 921 个 稳 定 工 况 全 部 都 可 以 准 确 地

28、划 分 到 表 2 所 示 的 10 个 典 型 工 况 下 ,通 过聚 类 算 法 可 以 全 部 实 现 有 效 划 分 ,具 体 结 果 如 表 3 所 示 .表 3 工 况 分 类 结 果序 号 类 别 工 况 个 数 序 号 类 别 工 况 个 数 序 号 类 别 工 况 个 数1 2 6 859 5 26 2 587 9 30 2 2132 10 1 218 6 38 1 307 10 14 1 8943 18 3 856 7 6 7204 22 4 604 8 34 663从 表 2 中 还 可 以 看 出 ,机 组 锅 炉 效 率 最 高 的 工 况 并 不 是 额 定 负 荷

29、 600 MW 附 近 的 工 况 ,而 是 出 现 在 负 荷区 间 550 MW ,570 MW内 的 工 况 . 为 此 ,对 典 型 工 况 3、 7、 11、 15 下 锅 炉 效 率 相 关 数 据 进 行 聚 类 分 析 ,结 果 见表 4.从 表 4 中 可 以 看 出 ,影 响 额 定 负 荷 工 况 (600 MW)锅 炉 热 效 率 偏 低 的 主 要 因 素 为 排 烟 热 损 失 及 固 体 未 完全 燃 烧 损 失 偏 大 . 从 排 烟 温 度 来 看 ,额 定 负 荷 工 况 下 排 烟 温 度 为 134 ,与 设 计 值 相 比 偏 高 近 5 ;同 时 各

30、 工况 下 炉 渣 可 燃 物 含 量 都 明 显 偏 高 ,导 致 固 体 为 完 全 燃 烧 损 失 增 大 . 依 此 ,建 议 对 排 烟 温 度 及 炉 渣 可 燃 物 含 量加 强 监 视 ,找 出 降 低 排 烟 温 度 及 炉 渣 可 燃 物 含 量 的 有 效 调 节 手 段 ,提 高 锅 炉 热 效 率 .表 4 各 工 况 下 锅 炉 效 率 相 关 数 据 聚 类 分 析 结 果 %工 况 电 负 荷 /MW 排 烟 温 度 / 炉 渣可 燃 物 飞 灰可 燃 物 排 烟热 损 失可 燃 气 体未 完 全 燃烧 损 失固 体 未 完全 燃 烧 热损 失锅 炉 散 热热

31、损 失灰 渣 物 理热 损 失锅 炉热 效 率工 况 3 600 134 18. 47 1. 85 5. 69 0. 0 1. 24 0. 35 0. 23 92. 5工 况 7 566 129 7. 85 1. 65 5. 64 0. 0 0. 52 0. 39 0. 21 93. 2工 况 11 529 125. 5 17. 92 1. 83 5. 44 0. 0 1. 30 0. 48 0. 17 92. 6工 况 15 480 125 23. 91 1. 36 6. 31 0. 0 0. 97 0. 64 0. 19 91. 9注 :排 烟 温 度 设 计 值 为 129. 4 .4

32、结 束 语本 文 主 要 是 运 用 一 种 高 效 的 聚 类 算 法 对 SIS 系 统 数 据 库 中 存 储 的 海 量 数 据 进 行 数 据 挖 掘 ,获 取 电 厂 正常 运 行 时 的 各 个 典 型 工 况 ,从 而 达 到 电 厂 各 种 运 行 工 况 进 行 有 效 划 分 的 目 的 . 这 将 为 SIS 系 统 高 级 应 用 中 的工 况 分 析 和 运 行 人 员 操 作 指 导 提 供 有 利 的 分 析 依 据 .参 考 文 献 :1 何 钧 ,刘 宝 玲 . SIS系 统 在 电 厂 中 的 具 体 实 施 应 用 J . 江 西 电 力 ,2008 ,

33、32 (1) :12 - 14.2 毛 国 君 ,段 立 娟 ,王 实 ,等 . 数 据 挖 掘 原 理 与 算 法 M. 北 京 :清 华 大 学 出 版 社 ,2007.3 洪 军 ,崔 彦 锋 ,毕 小 龙 ,等 . 机 组 在 线 运 行 优 化 系 统 及 实 时 目 标 工 况 的 确 定 J . 电 力 系 统 自 动 化 ,2007 ,31 (6) :86 - 90.4 钱 瑾 ,王 培 红 ,李 琳 . 聚 类 算 法 在 锅 炉 运 行 参 数 基 准 值 分 析 中 的 应 用 J . 中 国 电 机 工 程 学 报 ,2007 ,27 (23) :71 - 74.93第 6 期 刘 宝 玲 ,等 :基 于 数 据 挖 掘 及 SIS的 工 况 划 分 方 法 研 究