一種基于統(tǒng)計(jì)控制技術(shù)的火電機(jī)組部件性能變化判定方法，屬于火電機(jī)組故障診斷技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前我國火電機(jī)組仍在我國的電力生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位，火電機(jī)組的在線性能監(jiān)測(cè)技術(shù)作為一種能夠有效提高機(jī)組運(yùn)行效率、保證機(jī)組安全運(yùn)行的手段被廣泛研究與應(yīng)用。目前國內(nèi)對(duì)火電機(jī)組系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行在線的性能監(jiān)測(cè)手段主要運(yùn)用兩種方法：第一種方法為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，利用大量過程數(shù)據(jù)，建立設(shè)備、系統(tǒng)的模型進(jìn)行性能監(jiān)測(cè)及診斷；第二種方法是依據(jù)物理機(jī)理建立模型，從而計(jì)算監(jiān)測(cè)變量的應(yīng)達(dá)值，并將其與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)部件和系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)。

一方面，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)熱力系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行性能監(jiān)測(cè)的思路是通過測(cè)量變量直接構(gòu)造統(tǒng)計(jì)監(jiān)控指標(biāo)，并給定對(duì)應(yīng)監(jiān)控指標(biāo)的正常變化范圍，實(shí)現(xiàn)性能變化的監(jiān)控，但該方法存在的不足之處在于由于不考慮設(shè)備的運(yùn)行機(jī)理，單從海量的測(cè)量變量著手，因此所構(gòu)造的統(tǒng)計(jì)監(jiān)控指標(biāo)往往并不能夠很好地表征設(shè)備的性能變化情況，更進(jìn)一步建立起的監(jiān)控指標(biāo)正常波動(dòng)范圍也存在著較大的不確定度，由此將帶來目前該領(lǐng)域普遍存在著的較高的故障誤、虛報(bào)警率。另一方面，通過建立物理模型來計(jì)算監(jiān)測(cè)變量應(yīng)達(dá)值并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比的性能監(jiān)測(cè)方法，缺少有效的故障識(shí)別手段。

因此，能夠有效識(shí)別火電機(jī)組部件在實(shí)際運(yùn)行中的突變性故障及漸變性性能劣變且降低誤、虛報(bào)警率的方法顯得尤為重要。統(tǒng)計(jì)過程控制利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)控制，通過運(yùn)用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)理論分析給定樣本的統(tǒng)計(jì)數(shù)字特征，得到反映過程特性的樣本信息，從而判斷過程所處的狀態(tài)，常用于制造過程質(zhì)量控制。將統(tǒng)計(jì)控制的方法用于電廠領(lǐng)域，由于電站系統(tǒng)中需要監(jiān)控的變量很多，變量之間存在著很高的相關(guān)性，因此需要針對(duì)火電機(jī)組特點(diǎn)，結(jié)合火電機(jī)組關(guān)鍵部件物理模型，進(jìn)一步研究提高故障判別準(zhǔn)確性的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于統(tǒng)計(jì)控制技術(shù)的火電機(jī)組部件性能變化判定方法，將之運(yùn)用于火電機(jī)組關(guān)鍵部件的在線性能監(jiān)測(cè)中，解決火電機(jī)組關(guān)鍵部件性能變化判別不準(zhǔn)確的問題，提高關(guān)鍵部件在線性能監(jiān)測(cè)的效果。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于統(tǒng)計(jì)控制技術(shù)的火電機(jī)組部件性能變化判定方法，其特征是該方法包括如下步驟：

1)建立火電機(jī)組關(guān)鍵部件的全工況模型，計(jì)算監(jiān)測(cè)變量偏差：

a.利用主導(dǎo)因素方法得到火電機(jī)組各個(gè)關(guān)鍵部件的特性參數(shù)及其主導(dǎo)因素，利用數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)后的電廠數(shù)據(jù)計(jì)算擬合得到各個(gè)關(guān)鍵部件特性參數(shù)的特性曲線，建立關(guān)鍵部件主導(dǎo)因素模型如下式所示；

k＝f(D₁，D₂，…D_i，…D_m)

其中，k為關(guān)鍵部件的特性參數(shù)，D_i為該特性參數(shù)的主導(dǎo)因素，m為主導(dǎo)因素的個(gè)數(shù)；

b.從火電機(jī)組實(shí)時(shí)信息監(jiān)控與管理系統(tǒng)中獲取關(guān)鍵部件的監(jiān)測(cè)變量實(shí)際測(cè)量值；

c.在相同邊界條件下，由關(guān)鍵部件的全工況模型計(jì)算得到監(jiān)測(cè)變量健康應(yīng)達(dá)值，監(jiān)測(cè)變量健康應(yīng)達(dá)值與監(jiān)測(cè)變量實(shí)際測(cè)量值之間的差值為監(jiān)測(cè)變量偏差；

2)突變性故障和漸變性性能劣化統(tǒng)計(jì)控制圖設(shè)計(jì)及故障判別：

采用一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)變量偏差組成的偏差序列，利用時(shí)間序列分解的方法將偏差序列分解為各個(gè)組成部分，挑選適合用于制作統(tǒng)計(jì)控制圖的偏差序列；

計(jì)算得到用于制作統(tǒng)計(jì)控制圖的偏差序列均值，即并根據(jù)公式計(jì)算偏差序列的標(biāo)準(zhǔn)差；其中為偏差序列的均值，x_i為偏差序列中各個(gè)監(jiān)測(cè)變量偏差，N為偏差序列的監(jiān)測(cè)變量偏差的總個(gè)數(shù)，σ為偏差序列的標(biāo)準(zhǔn)差；

火電機(jī)組發(fā)生突變性故障和漸變性性能劣化分別設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)控制圖，實(shí)施方法如下：

i.當(dāng)火電機(jī)組性能變化為突變性故障時(shí)，統(tǒng)計(jì)控制圖設(shè)計(jì)的實(shí)施辦法為：

利用下式計(jì)算統(tǒng)計(jì)控制圖的初始控制線：

${\mathrm{UCL}}_0={\stackrel{\‾}{x}}_0+3\mathrm{\σ},{\mathrm{CL}}_0={\stackrel{\‾}{x}}_0,{\mathrm{LCL}}_0={\stackrel{\‾}{x}}_0-3\mathrm{\σ}$

其中，為0時(shí)刻的監(jiān)測(cè)變量偏差序列的均值，UCL₀為初始上控制線，CL₀為初始中心線，LCL₀為初始下控制線；

將實(shí)時(shí)測(cè)量變量偏差在統(tǒng)計(jì)控制圖上進(jìn)行打點(diǎn)，一段時(shí)間之后，按下式實(shí)時(shí)更新統(tǒng)計(jì)控制圖的上下控制線：

其中，下標(biāo)t表示時(shí)刻；xt為t時(shí)刻的監(jiān)測(cè)變量實(shí)際測(cè)量值；為t時(shí)刻的監(jiān)測(cè)變量偏差序列的均值；為權(quán)重因子，取值范圍是0-1；CL_t為t時(shí)刻的中心線，UCL_t為t時(shí)刻的上控制線，LCL_t為t時(shí)刻的下控制線；

若實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量偏差超出了統(tǒng)計(jì)控制圖的上、下控制線，則發(fā)出故障報(bào)警，認(rèn)為該關(guān)鍵部件可能發(fā)生了突變性故障；若實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量偏差未超出統(tǒng)計(jì)控制圖的上、下控制線，則認(rèn)為該關(guān)鍵部件運(yùn)行正常；

ii.當(dāng)火電機(jī)組性能變化為漸變性性能劣化時(shí)，統(tǒng)計(jì)控制圖設(shè)計(jì)的實(shí)施辦法為：

計(jì)算統(tǒng)計(jì)控制圖的控制線，

其中UCL為上控制線，CL中心線，LCL為下控制線；

計(jì)算歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)變量偏差的加權(quán)平均值

其中，z_t為t時(shí)刻計(jì)算得到的歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)偏差變量的加權(quán)平均值；

將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量偏差的加權(quán)平均值在統(tǒng)計(jì)控制圖上進(jìn)行打點(diǎn)，并實(shí)時(shí)更新該加權(quán)平均值；若實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量偏差的加權(quán)平均值超出了統(tǒng)計(jì)控制圖的上、下控制線，則發(fā)出故障報(bào)警，認(rèn)為該關(guān)鍵部件可能發(fā)生了漸變性性能劣化故障；若實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量偏差的加權(quán)平均值未超出統(tǒng)計(jì)控制圖的上、下控制線，則認(rèn)為該關(guān)鍵部件運(yùn)行正常。

統(tǒng)計(jì)控制圖的上、下控制線，則認(rèn)為該關(guān)鍵部件運(yùn)行正常。

上述技術(shù)方案中，其特征在于：所述的火電機(jī)組包含汽輪機(jī)子系統(tǒng)和鍋爐子系統(tǒng)；汽輪機(jī)子系統(tǒng)包括汽輪機(jī)本體系統(tǒng)、加熱器回?zé)嵯到y(tǒng)、給水泵組和凝結(jié)水泵組；鍋爐子系統(tǒng)包括汽水系統(tǒng)、空氣預(yù)熱器、風(fēng)煙系統(tǒng)和爐膛燃燒系統(tǒng)。

本發(fā)明所述的火電機(jī)組關(guān)鍵部件包含汽輪機(jī)級(jí)組、給水泵、回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)備、空冷島、抽汽管道、過熱器、再熱器、空氣預(yù)熱器、省煤器、旋風(fēng)分離器、一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果：

本發(fā)明將統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)與建立火電機(jī)組關(guān)鍵部件全工況模型計(jì)算監(jiān)測(cè)變量健康應(yīng)達(dá)值的方法結(jié)合起來，能夠有效的解決基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法由于脫離實(shí)際物理過程無法準(zhǔn)確反映部件實(shí)際性能變化情況的問題，并且給出了定量的判據(jù)能夠準(zhǔn)確地判別突變性故障和漸變性性能劣化，能夠有效降低誤、虛報(bào)警率。本方法簡(jiǎn)單便捷，成本低，效果好。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的基于統(tǒng)計(jì)控制技術(shù)的火電機(jī)組部件性能變化判定方法的流程圖。

圖2是實(shí)施例中火電機(jī)組關(guān)鍵部件高壓加熱器特性曲線。

圖3是實(shí)施例中驗(yàn)證加熱器給水出口溫度偏差中存在長期趨勢(shì)項(xiàng)的分析結(jié)果。

圖4是實(shí)施例中驗(yàn)證加熱器給水出口溫度偏差中存在周期項(xiàng)所采取的給水流量。

圖5是實(shí)施例中驗(yàn)證加熱器給水出口溫度偏差中存在周期項(xiàng)的分析結(jié)果。

圖6是實(shí)施例中用魯棒局部加權(quán)回歸方法對(duì)給水出口溫度偏差進(jìn)行時(shí)序分解所得結(jié)果。

圖7是實(shí)施例中基于統(tǒng)計(jì)控制技術(shù)繪制的突變性故障控制圖。

圖8是實(shí)施例中基于統(tǒng)計(jì)控制技術(shù)繪制的漸變性性能劣化控制圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

一種基于統(tǒng)計(jì)控制技術(shù)的火電機(jī)組部件性能變化判定方法，該方法包括如下步驟：

1)建立火電機(jī)組關(guān)鍵部件的全工況模型，利用主導(dǎo)因素建模方法得到2#高溫加熱器部件全工況模型，加熱器特性參數(shù)的特性曲線如圖2所示；從火電機(jī)組實(shí)時(shí)信息監(jiān)控與管理系統(tǒng)中獲取關(guān)鍵部件的監(jiān)測(cè)變量加熱器出口給水溫度實(shí)際測(cè)量值，在相同邊界條件下，由模型計(jì)算得到加熱器出口給水溫度健康應(yīng)達(dá)值，加熱器出口給水溫度健康應(yīng)達(dá)值與加熱器出口給水溫度實(shí)際測(cè)量值之間的差值為加熱器出口給水溫度偏差；

2)分析加熱器出口給水溫度的偏差結(jié)構(gòu)組成特征，對(duì)其組成特征進(jìn)行驗(yàn)證，圖3所示為驗(yàn)證加熱器出口給水溫度偏差中長期趨勢(shì)項(xiàng)，圖5為驗(yàn)證加熱器出口給水溫度偏差中周期項(xiàng)；采用一段時(shí)間的加熱器出口給水溫度偏差組成的偏差序列，利用適當(dāng)?shù)臅r(shí)間序列分解的方法將偏差序列分解為各個(gè)組成部分，分析各組成部分所表征的物理含義，如圖6所示為用魯棒局部加權(quán)回歸法方法(STL)對(duì)加熱器出口給水溫度偏差進(jìn)行時(shí)序分解的結(jié)果；

a)當(dāng)火電機(jī)組性能變化為突變性故障時(shí)，統(tǒng)計(jì)控制圖設(shè)計(jì)的實(shí)施辦法為：

i.計(jì)算統(tǒng)計(jì)控制圖的初始控制線；

${\mathrm{UCL}}_0={\stackrel{\‾}{x}}_0+3\mathrm{\σ},{\mathrm{CL}}_0={\stackrel{\‾}{x}}_0,{\mathrm{LCL}}_0={\stackrel{\‾}{x}}_0-3\mathrm{\σ};$

其中，為0時(shí)刻的監(jiān)測(cè)變量偏差序列的均值，UCL₀為初始上控制線，CL₀為初始中心線，LCL₀為初始下控制線；

ii.將實(shí)時(shí)測(cè)量變量偏差在統(tǒng)計(jì)控制圖上進(jìn)行打點(diǎn)，一段時(shí)間之后，按下式實(shí)時(shí)更新統(tǒng)計(jì)控制圖的上下控制線：

其中，下標(biāo)t表示時(shí)刻；x_t為t時(shí)刻的監(jiān)測(cè)變量實(shí)際測(cè)量值；為t時(shí)刻的監(jiān)測(cè)變量偏差序列的均值；為權(quán)重因子，取值范圍是0-1，具體取多少應(yīng)經(jīng)過多次測(cè)試來確定，使得最終能夠達(dá)到較好的監(jiān)測(cè)效果；CL_t為t時(shí)刻的中心線，UCL_t為t時(shí)刻的上控制線，LCL_t為t時(shí)刻的下控制線；

若實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量偏差超出了統(tǒng)計(jì)控制圖的上、下控制線，則發(fā)出故障報(bào)警，認(rèn)為該關(guān)鍵部件可能發(fā)生了突變性故障；若實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量偏差未超出統(tǒng)計(jì)控制圖的上、下控制線，則認(rèn)為該關(guān)鍵部件運(yùn)行正常；

b)當(dāng)火電機(jī)組性能變化為漸變性性能劣化時(shí)，統(tǒng)計(jì)控制圖設(shè)計(jì)的實(shí)施辦法為：

i.計(jì)算統(tǒng)計(jì)控制圖的控制線，

其中UCL為上控制線，CL中心線，LCL為下控制線；

ii.計(jì)算歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)變量偏差的加權(quán)平均值

其中z_t為t時(shí)刻計(jì)算得到的歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)偏差變量的加權(quán)平均值；

將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量偏差的加權(quán)平均值在統(tǒng)計(jì)控制圖上進(jìn)行打點(diǎn)，并實(shí)時(shí)更新該加權(quán)平均值；若實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量偏差的加權(quán)平均值超出了統(tǒng)計(jì)控制圖的上、下控制線，則發(fā)出故障報(bào)警，認(rèn)為該關(guān)鍵部件可能發(fā)生了漸變性性能劣化故障；若實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量偏差的加權(quán)平均值未超出統(tǒng)計(jì)控制圖的上、下控制線，則認(rèn)為該關(guān)鍵部件運(yùn)行正常。

實(shí)施例：對(duì)電廠回?zé)峒訜釗Q熱器進(jìn)行故障仿真分析。

1)以330MW火電機(jī)組關(guān)鍵部件#1高壓加熱器為例，建立的遵循質(zhì)量、能量守恒，能夠反映換熱器的傳熱特性的主導(dǎo)因素模型，得到加熱器的特性曲線如圖2所示。其輸入變量包括給水流量D_w1(t)、給水入口壓力P_w1、給水入口溫度T_w1、抽汽進(jìn)口壓力P_s、抽汽進(jìn)口溫度T_s。輸出變量包括給水出口溫度T_w2、疏水出口溫度T_ss。結(jié)合物理模型，利用主導(dǎo)因素建模方法建立1#高壓加熱器全工況模型，計(jì)算得到1#高壓加熱器給水出口溫度健康應(yīng)達(dá)值，與給水出口溫度實(shí)際測(cè)量值做差得到給水出口溫度偏差。

2)由于設(shè)備老化、熱力系統(tǒng)中不凝性氣體堆積等原因?qū)е略O(shè)備性能發(fā)生漸變，并以長期趨勢(shì)項(xiàng)的形式存在于偏差信號(hào)中；電廠長期變負(fù)荷運(yùn)行，給水流量隨負(fù)荷發(fā)生相應(yīng)的變化，而不同給水流量導(dǎo)致的換熱量也不同，因此給水流量的周期性變化將帶來監(jiān)測(cè)偏差存在周期項(xiàng)；而隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)是隨時(shí)存在的。

利用加熱器仿真模型對(duì)給水出口溫度偏差的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行驗(yàn)證：首先驗(yàn)證偏差存在長期增長項(xiàng)，假定換熱器主導(dǎo)因素模型為kA＝2.67D_w1+90，性能漸變的形式表現(xiàn)為kA與D_w1線性表達(dá)式發(fā)生變化，這里假定其變化形式如下：

$kA=2.67-\frac{0.02}{2016}t*D\_w1+90-\frac{36.28}{2016}t$

其中，k為換熱器的換熱系數(shù)，kW/(m2·℃)，A為換熱面積，m²，t為時(shí)間，5min，D_w1為給水流量，kg/s，這里取恒定值280kg/s。按照這樣的性能變化，在給水流量D_w1＝280kg/s時(shí)，經(jīng)過一周時(shí)間(t＝2016)發(fā)生漸變的kA為正常狀態(tài)下kA的95％，由此結(jié)合換熱器的傳熱方程kA*Δt_m＝D_w1*Cp*(T_w2-T_w1)，其中，Δt_m為換熱器對(duì)數(shù)平均溫差。

得到給水出口溫度偏差如圖3所示，偏差存在明顯的增長趨勢(shì)項(xiàng)；接著驗(yàn)證監(jiān)測(cè)偏差存在周期項(xiàng)，在如上實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)之上，改變給水流量，按正弦波的形式給出，如圖4所示，得到偏差如圖5所示，可以看到偏差在趨勢(shì)項(xiàng)的基礎(chǔ)之上呈現(xiàn)很明顯的周期性變動(dòng)。加熱器給水出口溫度偏差的組成特征為：偏差＝長期趨勢(shì)項(xiàng)+周期項(xiàng)+隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)。其中，各部分組成的物理含義為：長期趨勢(shì)項(xiàng)，由于設(shè)備老化、熱力系統(tǒng)中不凝性氣體堆積等原因?qū)е略O(shè)備性能發(fā)生漸變，并以長期趨勢(shì)項(xiàng)的形式存在于偏差信號(hào)中；周期項(xiàng)，電廠長期變負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致偏差序列存在周期項(xiàng)；隨機(jī)項(xiàng)，隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)是臨時(shí)性、偶然性因素引起的。

從物理機(jī)理、仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)給水出口溫度偏差的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行驗(yàn)證之后，分別針對(duì)突變性故障以及漸變性性能劣化，建立基于統(tǒng)計(jì)控制技術(shù)的火電機(jī)組性能變化定量判定方法，用于在線監(jiān)控火電機(jī)組運(yùn)行過程中的性能變化情況。本例采用Matlab程序?qū)嵤┯?jì)算的全過程，對(duì)換熱器從性能正常、發(fā)生性能漸變、發(fā)生突變以及突變、漸變相繼消失的全過程進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，測(cè)試本發(fā)明提出的基于統(tǒng)計(jì)控制技術(shù)的火電機(jī)組性能變化定量判定方法能否準(zhǔn)確地捕捉到換熱器全過程性能的變化情況。換熱器性能變化情況如圖5所示。利用魯棒局部加權(quán)回歸法方法(STL)將監(jiān)測(cè)偏差進(jìn)行時(shí)間序列的分解，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看到，趨勢(shì)項(xiàng)能夠很好地跟隨加熱器性能的變化情況。從趨勢(shì)項(xiàng)中挑選變化比較平緩的偏差數(shù)據(jù)，建立圖7所示的突變性故障控制圖進(jìn)行突變故障監(jiān)測(cè)，圖中AEWMA為自適應(yīng)指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均，建立圖8所示的漸變性故障控制圖進(jìn)行漸變性性能劣化監(jiān)測(cè)，圖中EWMA為指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均。