基于數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)的火電機組負(fù)荷(準(zhǔn))穩(wěn)態(tài)工況聚類算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于火力發(fā)電廠汽輪機組安全經(jīng)濟性遠程診斷與服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及 一種基于數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)的機組負(fù)荷（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)工況聚類算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)階段，依靠現(xiàn)代信息技術(shù)，特別是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，節(jié)能技 術(shù)實驗室實現(xiàn)了對發(fā)電企業(yè)和發(fā)電集團信息基礎(chǔ)設(shè)施的整合和利用，通過機組現(xiàn)場實時一 次運行數(shù)據(jù)的集中報送，逐步建成了集火電機組實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和計算為一體的 能耗大數(shù)據(jù)支撐平臺。通過機組能耗大數(shù)據(jù)支撐平臺，為異地電廠或發(fā)電集團的設(shè)備運行 原始參數(shù)等各種資源與節(jié)能技術(shù)的有效溝通，提供了非常方便的聯(lián)系交流途徑，實現(xiàn)了異 地數(shù)據(jù)共享的功能。
[0003] 然而火電機組是一個復(fù)雜的耦合系統(tǒng)，尤其是具有多級回?zé)岷驮贌嵯到y(tǒng)的大容 量、高參數(shù)機組，由于工況的暫態(tài)變化，以及機組在蓄熱、放熱、壓縮、膨脹等熱力過程中的 熱慣性，導(dǎo)致其實時運行參數(shù)的傳輸具有滯后性和動態(tài)性的特點。并且各個設(shè)備運行狀態(tài) 存在不確定變化，在（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)之間不斷交替運行，過渡狀態(tài)中數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性變 動尤其劇烈，其中機組負(fù)荷是一個表征機組運行工況的重要參數(shù)，所有的機組二次性能指 標(biāo)數(shù)據(jù)計算都是在特定機組負(fù)荷或者說特定工況下進行的。
[0004] 進行設(shè)備狀態(tài)診斷分析時首先要獲得歷史數(shù)據(jù)集的穩(wěn)定工況，只有（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)工 況下各參數(shù)才具有較強狀態(tài)的一致性，在非穩(wěn)態(tài)工況下，數(shù)據(jù)不能真實地反映系統(tǒng)輸入輸 出的關(guān)系，會帶來辨識和建模誤差。如果直接從機組歷史數(shù)據(jù)庫中將非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)提取并用 于計算分析，其結(jié)果會有較大的波動和偏差，不能反映機組設(shè)備的實際運行狀態(tài)和性能，非 穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)在機組的診斷和分析方面不具有實際的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種有效的基于數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)的機組負(fù)荷 (準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)工況判定方法，以實現(xiàn)對火電廠能耗大數(shù)據(jù)平臺中海量機組數(shù)據(jù)的（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)工 況判定，其可以更加高效準(zhǔn)確的獲取機組海量數(shù)據(jù)的（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)工況，并在系統(tǒng)平臺中保存 為典型工況數(shù)據(jù)集，為機組后續(xù)的性能指標(biāo)計算和診斷分析提供重要的數(shù)據(jù)支撐。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：一種基于數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)的 機組負(fù)荷（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)工況聚類算法，其具體包括以下步驟：
[0007] (1)系統(tǒng)平臺機組負(fù)荷數(shù)據(jù)預(yù)處理
[0008] 數(shù)據(jù)預(yù)處理是獲取機組負(fù)荷典型工況數(shù)據(jù)集的第一步，通過綜合應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法 對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)校正，以消除粗大誤差和壞值點，提高所研宄數(shù)據(jù)對象的準(zhǔn)確性和一 致性，使其能夠真實反映機組的運行狀況；
[0009] 以系統(tǒng)平臺歷史數(shù)據(jù)庫中2n+l個機組負(fù)荷數(shù)據(jù)為研宄對象，標(biāo)記數(shù)據(jù)采樣間 隔節(jié)點分別為X_n,x_n+1,…，x_i,Xd,Xi,…，Xm,xn。機組負(fù)荷數(shù)據(jù)分別記為W_n,W_n+1，… ，W+WyWi，…，Wm，Wn，表示在對應(yīng)間隔節(jié)點上系統(tǒng)采集到的機組負(fù)荷數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)平臺按 照時間每5分鐘對實際運行的機組進行一次數(shù)據(jù)采集，同時將采集到的數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)數(shù) 據(jù)庫中，即系統(tǒng)平臺是以時間序列為等距節(jié)點的數(shù)據(jù)采集模式。做變換t= (x-X(l)/5則上 述 2n+l個等間隔節(jié)點變?yōu)椋簍_n= -n,t_n+1= -n+1,…，t_!= -1，t〇= 0,ti= 1，…，t= n_l，tn=n
[0010] 用m次多項式擬合機組負(fù)荷數(shù)據(jù)，如下式（1):
[0011]
【主權(quán)項】
1. 一種基于數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)的機組負(fù)荷（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)工況聚類算法，包括以下步驟： (1) 機組負(fù)荷數(shù)據(jù)預(yù)處理 數(shù)據(jù)預(yù)處理是獲取機組負(fù)荷典型工況數(shù)據(jù)集的第一步，通過綜合應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法對采 集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)校正，以消除粗大誤差和壞值點，使其能夠真實反映機組的運行狀況； (2) 定義數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)F 對經(jīng)過預(yù)處理的機組負(fù)荷數(shù)據(jù)集進行（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)判定，以機組負(fù)荷數(shù)據(jù)單調(diào)變化的程 度大小為判定準(zhǔn)則，定義機組負(fù)荷數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)F ; (3) 通過聚類算法獲得機組負(fù)荷（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)工況 按照設(shè)定的數(shù)據(jù)平滑度要求，以數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)為準(zhǔn)則對數(shù)據(jù)進行區(qū)分和分類，通過 聚類獲得機組典型工況數(shù)據(jù)集。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)的機組負(fù)荷（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)工況聚類 算法，其特征在于：所述步驟（1)中所述的機組負(fù)荷數(shù)據(jù)預(yù)處理，以系統(tǒng)平臺歷史數(shù)據(jù)庫中 2n+l個機組負(fù)荷數(shù)據(jù)為研宄對象，標(biāo)記數(shù)據(jù)采樣間隔節(jié)點分別為x_ n，x_n+1，…，x-i，X(l，X1，… ，χ η+ xn，機組負(fù)荷數(shù)據(jù)分別記為W_n，W_n+1，…，W+ Wtl, W1，…，Wlri, Wn，表示在對應(yīng)間隔節(jié)點上 系統(tǒng)采集到的機組負(fù)荷數(shù)據(jù)；由于系統(tǒng)平臺按照時間每5分鐘對實際運行的機組進行一次 數(shù)據(jù)采集，同時將采集到的數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，即系統(tǒng)平臺是以時間序列為等距節(jié) 點的數(shù)據(jù)采集模式；做變換t = (x-x^/5,則上述2n+l個等間隔節(jié)點變?yōu)椋簍_n= -n, t _η+ι =-n+1, ···, t_!= -I, t 〇= 0, t != I, ···, t n_!= n-1, t n= n 用m次多項式擬合機組負(fù)荷數(shù)據(jù)，如下式（I):
其中，Ci一待定參數(shù)（i = 0, 1，; m-階次因子。 為了消除粗差和壞值點，需要確定待定參數(shù)Ci,構(gòu)造以下等式：
應(yīng)用最小二乘原理，使誤差值& (_n < j < η)的平方和最小，以獲得最優(yōu)的系數(shù)Ci,
公式（3)分別對Ci求偏導(dǎo)，并令其為0,可得以下方程組：
求解方程組（4)，獲得最優(yōu)參數(shù)Ci,將其代入公式（1)中從而得到機組負(fù)荷數(shù)據(jù)的回歸 值％，以代替原始機組負(fù)荷數(shù)據(jù)Wj。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)的機組負(fù)荷（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)工況聚類算 法，其特征在于：所述步驟（2)中定義數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)，對經(jīng)過預(yù)處理的機組負(fù)荷數(shù)據(jù)集進 行（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)判定，以機組負(fù)荷數(shù)據(jù)單調(diào)變化的程度大小為判定準(zhǔn)則，定義機組負(fù)荷數(shù)據(jù)平 滑度的相關(guān)概念如下： 待判定的機組負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)為Wi,其中，i = 1，2, ···]!; 定義機組負(fù)荷數(shù)據(jù)變化量為Cli= (Wi-WiJ ; η個機組負(fù)荷數(shù)據(jù)變化量為Wd，其中 Wd= d2+d3+...+dn 為了考核機組負(fù)荷數(shù)據(jù)的波動程度，引入機組負(fù)荷數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)的概念； 計算待判定的η個機組負(fù)荷數(shù)據(jù)平均值，其中
因此機組負(fù)荷數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)F為：
機組負(fù)荷數(shù)據(jù)平滑度F的具體意義是：當(dāng)指定時間段數(shù)據(jù)平滑度比較大時，則表示負(fù) 荷數(shù)據(jù)呈現(xiàn)單調(diào)增加或單調(diào)減小的趨勢；反之，當(dāng)數(shù)據(jù)平滑度較小時，說明負(fù)荷數(shù)據(jù)變化比 較平緩；數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)是一個介于〇和1之間的數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)的機組負(fù)荷（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)工況聚類算 法，其特征在于：所述步驟（3)中通過聚類算法獲得機組負(fù)荷（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)工況，具體步驟如 下： 輸入：某臺機組負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)集； 輸出：機組負(fù)荷數(shù)據(jù)聚類結(jié)果，機組典型工況數(shù)據(jù)； Stepl:將指定的機組負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)按照時間序列放入數(shù)組中； Step2:機組負(fù)荷數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除粗差和壞值； Step3:定義變量i，并置為零； Step4:定義指針W(t)，并將其指向機組負(fù)荷數(shù)據(jù)集的初始位置； Step5: (1) 指針指向的位置標(biāo)記為tl = *W(tI); (2) 由指針位置向后，掃描機組負(fù)荷數(shù)組； (3) 計算該時間段內(nèi)的機組負(fù)荷數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)，并做判斷； 如果不滿足數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)要求，那么： {指針W(t)指向掃描數(shù)據(jù)終止點，重復(fù)過程⑴一（3) ;} 否則： {(4)繼續(xù)掃描相同數(shù)量的機組負(fù)荷數(shù)據(jù)； (5)計算所掃描的全部機組負(fù)荷數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)，并判斷； 如果滿足數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)要求，那么： {重復(fù)過程⑷一（5) ;} 否則： {指針w(t)指向掃描（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據(jù)終止點，并標(biāo)記為to = *w(to) ;}} Ste6:計算t〇-tI，并做判斷； 如果（t〇-tI)> = 1小時，那么： {確定為一個機組負(fù)荷（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)工況聚類，并標(biāo)記為一個典型工況數(shù)據(jù)集； 計數(shù)變量：i = i+Ι ; 指針W(t)指向掃描數(shù)據(jù)結(jié)束點的下一個數(shù)據(jù)點處； 轉(zhuǎn)向過程（1)，重復(fù)以上過程直到機組負(fù)荷數(shù)據(jù)集中不存在沒有被掃描的數(shù)據(jù)為止；} 否則： {指針W(t)指向掃描數(shù)據(jù)結(jié)束點的下一個數(shù)據(jù)點處； 轉(zhuǎn)向過程（1)，重復(fù)以上過程直到機組負(fù)荷數(shù)據(jù)集中不存在沒有被掃描的數(shù)據(jù)為 止；}。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)的機組負(fù)荷(準(zhǔn))穩(wěn)態(tài)工況聚類算法，其步驟為：(1)通過綜合應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法對采集到的機組負(fù)荷數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，提高所研究數(shù)據(jù)對象的準(zhǔn)確性和一致性，使其能夠真實反映機組的運行狀況；(2)以數(shù)據(jù)平滑度函數(shù)為準(zhǔn)則，截斷大于設(shè)定臨界閾值的單調(diào)數(shù)據(jù)區(qū)域，對機組負(fù)荷數(shù)據(jù)進行(準(zhǔn))穩(wěn)態(tài)工況判定；(3)選擇符合數(shù)據(jù)平滑度要求，且滿足最短(準(zhǔn))穩(wěn)態(tài)工況時間的機組負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過有效的聚類算法獲得機組典型工況數(shù)據(jù)集并存儲。本方法靈活適用，適于火電機組負(fù)荷數(shù)據(jù)(準(zhǔn))穩(wěn)態(tài)工況的判定，可以獲取機組運行典型工況數(shù)據(jù)，為后續(xù)的機組診斷服務(wù)以及機組運行狀態(tài)分析優(yōu)化等工作提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104750973
【申請?zhí)枴緾N201510090659
【發(fā)明人】李曉光, 盧盛陽, 郭江龍, 米翠麗, 陳二松
【申請人】河北省電力建設(shè)調(diào)整試驗所
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年2月28日