浅析主元分析方法在火电厂生产过程故障检测中的运用

　　摘要:随着科学技术的不断发展，火电厂也得到了相继发展，生产规模也得到不断扩大，复杂程度也随之增加，而目前所运用的集散控制系统在监控检测过程中出现了诸多问题。在火电厂发电过程的控制系统中运用主元分析方法来分析相关数据，从大量数据中提取有用信息, 得出了影响系统的主要过程变量, 为实现系统的有效监控和检测提供了依据。　　关键词:主元分析法；火电厂；故障检测　　1. 前言　　火电厂的单元机组由多个部分组成，主要部分有：锅炉、发电机与汽轮机，还有变电设备等，是一个复杂多变的受控对象。火电厂的内在机理复杂多变，在线测量并不能够解决所有的过程参量，所以，只依靠目前的控制策略，来完成精确的过程检测监控是相当困难的，难以达到很好的安全和经济性。大量反映生产状态的数据，都保存在火电厂的数据库中，但是这些有效的数据信息得不到很好的利用。原因就在于数据的非线性结构和强耦合性的特征，束缚了有效信息的运用。变数过多会造成问题的复杂性，所以，人们需要找到数目少但又蕴含大量重要信息的变量。主元分析(PCA)就这样一种能够把多个变量转变成较少变量的多元性的统计方法，它可以统计分析出生产过程中绝大多数参数之间的变化关系，把最初的变量综合成互不相关的变量，但这些变量又大量地包含原有的信息，从而简化问题，这可以将数据的资源优势变成效益优势。　　2.基于主元分析方法的故障检测方法　　假设在火电厂的某生产过程中有m个变量:X1,X2,...Xm,采用一组正常工作状况下的稳定数据Xn×p ，来建立一个主元分析过程的统计模型。要进行建模数据的标准化处理，就要将每个变量数据换成均值为0，方差为1的数据，这样也是为了方便运算和避免变量的改变而对结果造成的影响，标准化以后的数据阵记为X。奇异值分解过程变量中的正常数据阵X，把X分解为主元向量Ti和负载向量Pi的外积，再加上E，主元的个数为k，那么则有：　　X = Q×PT= TPT+ E　　主元分解后，k维代替原来的n维主元空间数据，过程变量原有的相关性也随之消除或减弱。研究残差的变化和主元得分，就可以实现在较低维的主元空间进行多元统计的故障检测。关键是建立残差和主元得分的两个统计量——Q和T2。利用T2和Q来对新的测量样本进行假设检验，如果Q和T2超过了原来设定的统计量的控制限，那么就可以断定某个过程方生了故障。　　3.火电厂生产过程的特点分析　　主元分析的故障检测适用于在稳定的状态过程，就比如主要的化工过程适合在比较稳定的条件下进行的，所以，很多变量的方差和均值都是比较固定的，也可以说过程是基本上处在稳定的状态中。其他化工过程的状态总是大体上是趋于稳定的，而火电厂的生产过程最大的特征是火电厂的机组负荷会随着外界的负荷需求而大范围的产生变动。如果负荷指令产生变化时，其中的燃料量和给水量等参数都会随之产生比较大幅度的变动，但最后又会达到一个比较稳定的状态。火电厂的典型运行方式是，大部分的时间处在稳定的状态，而稳定的状态又可以分为几类，它们之间又有变化和过渡。火电厂的大部分控制回路是定值调节，设定值不变，闭环控制将使被控参数的波动幅度在设定值范围，此时的生产过程受到了内外部的扰动影响而处在波动中。受控制作用的影响, 许多过程变量也会发生变化和波动, 但是方差及变量均值等还是趋于稳定的。以上这几种情况，主元分析方法用来检测故障都是适用的。　　4. 主元分析方法在故障检测中的运用　　燃煤机组在中国的电力中仍然占据着主导的地位，发电量占总体的75%，可是每年要消耗很多煤炭资源，煤炭的成本非常高，在70%以上，所带来的污染也很严重。相对来说，电厂更具经济效益，监控电厂的过程参数，可使燃煤火电厂的工作状况得到及时的改善和掌握，但火电生产过程的内在机理却是非常复杂，要实现精确的参数测量想相当困难。　　采用主元分析方法提取主要的特征信号，然后利用主元分析方法得到的信息进行火电厂生产过程的故障检测。以影响锅炉出氧量的有关数据进行主元分析做为例子，对某个火电厂的300MW电机组的数据做分析。主要参数有：主汽机的压力和温度、总风量的一号和二号一次风机的出口风温和风量、炉膛的出口烟温度和再热汽的温度。根据各主元系数的不同，可以从中了解到各主元所代表的物理含义。从各组的分累计的贡献率中可以看出，其中的五个主要成分占据大约百分之九十八的总变化量，所以，可以依据五个主要成分的数值来对原有的数据压缩，删减某些次要的数据信息，以减少在数据处理这方面的工作量。　　5. 结束语　　主元分析方法主要通过分析控制系统中的参数，就可以将与线性相关的变量简化成为独立的主元变量，这样可以有效地实现监控生产的全过程，发现和检测故障。本文以炉膛的排放烟气氧量分析做为范例，说明了主元分析方法运用于火电厂生产故障检测的可行性，可作为日后推广的依据。　　【参考文献】　　[1]郑玲红,潘玉松.主元分析方法在火电厂生产过程故障检测中的应用[J].广西电力.2005 ,(05):4-8.　　[2]朱红路,常太华,田亮.主元分析理论在火电厂过程监测中的应用[J].东北电力技术.2007,(04):15-17.　　[3]黄孝彬,刘吉臻,牛玉广.主元分析方法在火电厂锅炉过程故障检测中的应用[J].动力工程.2004,24(08):543-547.　　[4]王京茹,李平康,郑宏伟.主元分析法在火电厂过程控制中的应用[J].仪器仪表学报.2004,25(08):1017.