电厂辅机设备预警系统的研究与应用.pdf

1、应用实例 仪器仪表用户64 EIC Vol.21 2014 No.3 电厂辅机设备预警系统的研究与应用孙小林，金秀章，谢泽坤，曹丁元（ 华 北 电 力 大 学 控 制 与 计 算 机 工 程 学 院 ， 河 北 保 定 071003）摘 要 ：针对电厂辅机设备状态监测存在的问题，进行了辅机设备预警系统的研究。采用多变量状态估计技术和相似性测度的方法，通过计算估计值和实测值的相似度，判断辅机设备工作状态。结果表明，该预警系统可全面监测电厂辅机设备，在故障形成的早期发现征兆进行预警。关键词：辅机设备；预警系统；多变量状态估计；相似性测度中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1671-1

2、041(2014)04-0064-04The Research and Application of Prognostic System in Auxiliary Equipment of Power PlantSun Xiaolin,Jin Xiuzhang,Xie Zekun,Cao Dingyuan(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,China)Abstract:Based on the current problem of c

3、ondition monitoring in auxiliary equipment of power plant, the prognostic system of the auxiliary equipment is researched. The system uses the modeling method of multivariate state estimation technique and similarity measure, the similarity of predicted value and actual value is calculated, then the

4、 auxiliary equipment working condition is determined. The result shows that the failure prognostic system can monitor the auxiliary equipment of power plant comprehensively and issues warning signs in the early failure.Key words:auxiliary equipment; prognostic system; multivariate state estimation;

5、similarity measure0 引言在 目 前 的 火 电 企 业 ， 由 于 重 大 设 备 异 常 故 障 而 导 致 机组 计 划 外 停 机 已 经 达 到 平 均 每 两 年 一 次 的 频 率 。 作 为 电 厂的 辅 机 设 备 ， 往 往 是 状 态 监 测 的 薄 弱 环 节 。 同 时 引 起 电 厂内 非 计 划 停 机 以 及 影 响 机 组 的 可 用 率 ， 并 不 仅 仅 是 锅 炉 、汽 轮 机 和 发 电 机 3大 主 机 ， 而 是 风 机 、 给 水 泵 、 磨 煤 机 等 主要 辅 机 设 备 。 因 此 ， 要 保 证 火 电 机 组 主 要

6、辅 机 设 备 良 好 的运 行 状 态 ， 就 必 须 加 强 辅 机 设 备 的 状 态 监 测 工 作1。 由 于 火电 厂 系 统 复 杂 ， 所 以 传 统 的 参 数 和 机 理 建 模 无 法 获 得 精 确的 设 备 实 时 动 态 模 型2。 此 外 ， 传 统 的 状 态 监 测 与 故 障 诊 断技 术 只 能 单 参 数 查 看 、 单 点 报 警 、 故 障 事 中 或 事 后 分 析 处理 ， 这 种 模 式 也 极 大 地 制 约 了 状 态 监 测 与 诊 断 技 术 在 厂 级范 围 的 设 备 中 应 用 。针 对 辅 机 设 备 状 态 监 测 的 这 些

7、 问 题 ， 研 发 了 一 套 辅 机设 备 预 警 系 统 。 本 系 统 可 同 时 监 控 电 厂 所 有 辅 机 设 备 ， 采用 了 多 变 量 状 态 估 计 技 术 和 相 似 性 测 度 的 方 法 ， 利 用 现 场设 备 的 实 时 数 据 ， 建 立 精 确 的 动 态 模 型 ， 在 辅 机 设 备 故 障发 生 的 早 期 ， 给 出 明 确 的 预 警 提 示 ， 变 被 动 检 修 为 主 动 预防 ， 将 各 关 键 辅 机 设 备 的 潜 在 故 障 ， 消 灭 在 萌 芽 状 态 。1 预警方法辅 机 设 备 预 警 分 为 状 态 估 计 和 故 障 检

8、 测 两 个 部 分 。在 状 态 估 计 部 分 ， 根 据 辅 机 设 备 正 常 工 况 下 的 历 史 运 行 数据 ， 建 立 过 程 记 忆 矩 阵 ， 然 后 根 据 当 前 观 测 向 量 与 过 程 记忆 矩 阵 的 相 似 性 ， 对 当 前 观 测 向 量 进 行 估 计 。 在 故 障 检 测部 分 ， 利 用 聚 类 分 析 方 法 提 取 所 监 测 设 备 正 常 历 史 数 据 的聚 类 中 心 ， 计 算 估 计 值 和 聚 类 中 心 的 相 似 性 测 度 值 ， 来 判断 设 备 的 运 行 状 况 ， 实 现 设 备 故 障 预 警 。1.1 状态估计

9、技术状 态 估 计 是 通 过 比 较 系 统 存 储 的 正 常 运 行 状 态 与 当 前的 观 测 状 态 ， 从 而 计 算 出 对 当 前 设 备 工 作 状 态 的 估 计3。本 系 统 采 用 的 是 多 变 量 状 态 估 计 技 术 (multivariate state estimation technique， MSET)4。 作 为 一 门 高 级 模 式 识 别 技术 ， 多 变 量 状 态 估 计 技 术 通 过 系 统 监 测 的 相 关 参 数 来 分 析过 去 一 段 时 间 内 的 数 据 ， 实 现 对 设 备 运 行 过 程 的 相 似 性 建模 ， 从

10、 而 达 到 估 计 设 备 的 运 行 状 态 的 目 的 。 与 其 它 模 式 识别 算 法 不 同 的 是 ， MSET建 模 过 程 快 速 且 简 单 ， 无 需 参 数 限制 ， 从 而 满 足 工 业 现 场 复 杂 性 的 要 求5。 多 变 量 状 态 估 计 技术 实 现 方 法 如 下 ：利 用 正 常 工 况 下 的 历 史 数 据 构 造 出 过 程 记 忆 矩 阵D，过 程 记 忆 矩 阵 的 表 达 式 为11 12 121 22 212() () ( )() () ( )() () ( )mmn n nmxt xt xtxt xt xtxt xt xt=LLM

11、M MLD(1)应用实例仪器仪表用户EIC Vol.21 2014 No.3 65欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息其 中 ， 矩 阵 D 的 每 一 个 列 向 量 均 代 表 一 种 运 行 状 态 ，列 数 m表 示 数 据 总 体 有 m个 状 态 ， 行 数 n表 示 有 n个 观 测 点 ，)(jitx表 示 观 测 点 i在 时 刻 jt的 测 量 值 。 MSET的 训 练 过 程包 括 挑 选 充 足 的 系 统 正 常 运 行 状 况 下 的 历 史 运 行 数 据 ， 以保 证 过 程 记 忆 矩 阵 可 以 涵 盖 系 统 正 常 运 行 的 范 围 。过 程 记

12、 忆 矩 阵 构 建 完 成 后 ， 开 始 对 系 统 的 实 时 运 行 过程 进 行 建 模 。 obsX代 表 系 统 在 每 一 个 时 刻 形 成 的 观 测 向量 ， MSET将 当 前 的 观 测 向 量 与 过 程 记 忆 矩 阵 D 中 存 储 的状 态 进 行 比 较 ， 然 后 计 算 出 对 当 前 系 统 状 态 的 估 计 向 量estX。1.2 聚类分析聚 类 分 析 指 将 物 理 或 抽 象 对 象 的 集 合 分 组 成 由 类 似 对象 组 成 的 多 个 类 型 的 分 析 过 程 ， 在 在 相 似 的 基 础 上 收 集 数据 进 行 分 类6。

13、其 中 ， 改 进 “ 峰 ” 方 法 是 把 每 个 样 本 中 的 数据 均 作 为 潜 在 的 聚 类 中 心 ， 再 通 过 对 “ 峰 ” 函 数 的 计 算 ，确 定 数 据 集 合 的 聚 类 中 心7。 这 种 改 进 的 方 法 避 免 了 传 统方 法 在 求 解 每 个 网 格 时 需 要 权 衡 准 确 性 和 计 算 复 杂 性 的 问题 。 具 体 如 下 ：假 设 选 取 的 数 据 点 已 经 标 准 化 ， 且 这 些 数 据 点 存 在 于一 个 正 立 方 体 内 ， 并 认 为 每 个 数 据 点 都 是 模 型 潜 在 的 聚 类中 心 ， 此 时 定

14、 义 数 据 样 本ix的 密 度 为式 中24ar=， ar代 表 与 其 它 数 据 点 之 间 的 半 径 。 数 据样 本 的 密 度 为 该 数 据 点 到 其 它 样 本 之 间 距 离 的 函 数 ， 若 这个 数 据 点 周 围 的 其 它 样 本 数 据 越 多 ， 则 它 的 密 度 值 就 越大 。 由 公 式 (3)计 算 出 每 个 数 据 样 本 的 密 度 值 ， 选 择 其 中 最大 的 密 度 值*1P， 然 后 把 它 所 对 应 的 样 本*1x看 作 第 一 个 聚 类中 心 ， 利 用 公 式 (4)更 新 每 个 数 据 点 的 密 度 值 ， 式

15、中24br=，abrr 5.1=。由 公 式 (4)可 知 ， 与 第 一 个 聚 类 中 心*1x 距 离 较 近 的 数 据样 本 的 密 度 值 都 变 小 了 ， 从 而 避 免 了 将 这 些 数 据 选 为 下 一个 聚 类 中 心 。 更 新 后 ， 选 择 其 中 最 大 的 密 度 值 所 对 应 的 样本 作 为 第 二 个 聚 类 中 心 。 以 此 类 推 ， 在 获 得 第 k个 聚 类 中 心后 ， 利 用 公 式 (5)对 每 个 数 据 样 本 的 密 度 值 进 行 更 新 ， 然 后确 定 下 一 个 聚 类 中 心 ,一 直 到*kP *kP*1P*1P*

16、kP*min*11kaPdrP+接 受 为聚 类 中 心kxYN拒 绝 为聚 类 中 心kx结 束YNY拒 绝 为 聚 类 中 心 , 且 使 =0， 选 择 下一 较 高 密 度 值 得 数据 点 作 为 新 的kxkxkx循 环N应用实例 仪器仪表用户66 EIC Vol.21 2014 No.3 模 所 需 数 据 是 从 2013年 4月 到 2014年 3月 一 整 年 的 数 据 中 进行 挑 选 的 ， 这 些 历 史 数 据 所 包 含 的 各 辅 机 设 备 运 行 工 况 ，相 对 来 说 就 比 较 完 整 ， 满 足 了 系 统 建 模 的 需 求 。以 2#锅 炉 给

17、 水 泵 为 例 进 行 简 要 说 明 。 模 型 建 立 时 采 集了 汽 动 给 水 泵 汽 机 轴 向 位 移 、 轴 承 振 动 、 排 气 压 力 、 汽 动给 水 泵 汽 机 蒸 汽 流 量 等 37个 测 点 。 图 3是 2#汽 动 给 水 泵 汽 机蒸 汽 流 量 的 估 计 值 和 实 测 值 的 曲 线 图 ， 其 中 ， 红 色 标 线 为估 计 值 ， 蓝 色 标 线 为 实 测 值 。 图 4是 该 蒸 汽 流 量 估 计 值 和 实际 值 的 残 差 曲 线 。 从 图 3和 图 4所 示 ， 可 以 看 出 ， 在 正 常 工况 下 ， 蒸 汽 流 量 的 估

18、 计 值 和 实 测 值 的 拟 合 程 度 很 好 ， 残 差值 很 小 ， 该 系 统 具 有 很 高 的 建 模 精 度 。预 警 系 统 为 每 一 个 辅 机 设 备 提 供 了 相 似 度 曲 线 ， 通 过相 似 性 曲 线 可 以 直 观 地 监 测 每 个 设 备 的 工 作 状 态 以 及 引 起设 备 异 常 的 测 点 。 如 图 5所 示 的 2#锅 炉 给 水 泵 的 相 似 度 曲线 。 图 中 的 绿 色 虚 线 代 表 设 备 的 相 似 度 监 测 线 。 相 似 度 监测 线 代 表 设 备 模 型 的 相 似 度 安 全 线 。 它 是 根 据 正 常

19、数 据 下的 模 型 对 设 备 正 常 状 态 进 行 计 算 ， 得 到 正 常 情 况 下 的 相 似度 值 ， 取 相 似 度 值 的 最 小 值 即 为 相 似 度 监 测 线 。相 似 度 曲 线 代 表 着 设 备 的 运 行 状 况 ， 图 中 2#锅 炉 给 水泵 的 预 测 状 态 和 实 际 运 行 状 态 的 相 似 度 值 在 98%以 上 。 当相 似 度 曲 线 在 相 似 度 监 测 线 上 方 时 ， 曲 线 显 示 为 蓝 色 ， 说明 当 前 设 备 状 态 是 良 好 的 ， 不 存 在 故 障 ； 当 相 似 度 曲 线 越过 相 似 度 监 测 线

20、后 ， 相 似 度 监 测 线 下 面 的 部 分 颜 色 变 为 黄色 ， 表 明 此 时 设 备 有 预 警 信 息 提 示 。 此 时 将 鼠 标 至 于 相 似图2 系统结构图Fig.2 System structure图3 估计值和实测值曲线Fig.3 Estimates with the measured curve应用实例仪器仪表用户EIC Vol.21 2014 No.3 67欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息度 曲 线 上 ， 通 过 点 击 某 一 时 刻 的 相 似 度 点 ， 会 提 示 出 引 起这 个 时 刻 相 似 度 变 化 的 主 要 测 点 ， 从 而

21、 为 用 户 分 析 故 障 原因 和 故 障 位 置 提 供 了 参 考 。3 结束语通 过 对 火 电 机 组 目 前 状 况 的 分 析 和 研 究 ， 充 分 利 用 电厂 的 实 时 运 行 数 据 ， 在 不 增 加 硬 件 成 本 的 情 况 下 对 辅 机 设备 的 运 行 状 态 进 行 监 测 ， 提 前 发 现 设 备 的 潜 在 故 障 ， 对 于电 厂 具 有 重 大 的 应 用 价 值 。本 系 统 采 用 的 建 模 方 法 简 单 ， 模 型 构 建 速 度 快 ， 精度 高 ， 可 满 足 现 场 实 时 监 测 设 备 运 行 状 态 的 要 求 。 系 统

22、 监测 测 点 详 细 ， 可 全 面 分 析 所 监 控 的 辅 机 设 备 、 提 前 辨 识 设备 异 常 状 况 ， 使 发 电 企 业 能 够 在 设 备 故 障 形 成 早 期 发 现 征兆 ， 从 而 提 前 采 取 措 施 避 免 设 备 故 障 的 发 生 ， 变 被 动 检 修为 主 动 维 修 ， 变 非 计 划 停 机 为 计 划 停 机 。 因 此 ， 本 预 警 系统 在 发 电 企 业 中 的 实 施 ， 可 有 效 提 高 机 组 的 运 行 可 靠 性 ，具 有 很 好 的 应 用 前 景 。参考文献 ：王俊新.火电厂辅机智能维修决策系统研究D.武汉:武汉大学

23、,2005.蓝会立,张认成,郑育军.改进的BP神经网络在故障诊断中的应用J.仪器仪表用户,2007,01:51-53.常澍平,郭江龙,吕玉坤,等.非线性状态估计(NSET)建模方法在故障预警系统中的应用J.软件,2011,07:57-60. Bockhors F K, Gross K C, Herzog J P. MSET modeling of crystal river flow metersC. Proceedings of International Conference on Nuclear Engineering, San Diego, CA, 1998.孙建平,高明.改进“峰”方

24、法的多元状态估计技术用于电站风机状态监测J.华北电力大学学报:自然科学版,2013,03:91-94+112.Yager R and Filev D. Approximate clustering via the mountain method, Iona College Tech. Report #MII-1305, 1992. Also to appear in IEEE Trans. On Systems, Man & Cybernetics.Stephen L, Chiu A. Cluster estimation method with extension to fuzzy mode

25、l identification J. Journal of Intelligent Fuzzy Systems, 1994, 2: 1240-1242.张荣明.时序数据挖掘中的相似性和趋势预测研究D. 广州:广东工业大学,2009.投稿日期：2014-06-17作者简介： 孙小林（1986-），男，在读硕士研究生，从事火电机组故障检测和故障预警研究。图4 残差曲线Fig.4 Residual curve图5 相似度曲线Fig.5 Similarity curve23456781电厂辅机设备预警系统的研究与应用作者： 孙小林， 金秀章， 谢泽坤， 曹丁元， Sun Xiaolin， Jin Xiuzhang， Xie Zekun， Cao Dingyuan作者单位： 华北电力大学 控制与计算机工程学院,河北 保定,071003刊名： 仪器仪表用户英文刊名： Instrumentation Customer年，卷(期)： 2014(4)引用本文格式：孙小林.金秀章.谢泽坤.曹丁元.Sun Xiaolin.Jin Xiuzhang.Xie Zekun.Cao Dingyuan 电厂辅机设备预警系统的研究与应用期刊论文-仪器仪表用户 2014(4)