一、研究背景及意義
(一)研究背景
隨著現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的高速進(jìn)步,為了能夠最大限度的提高生產(chǎn)效率,更有效的利用現(xiàn)有的資源,人們不斷提升著工業(yè)生產(chǎn)水平的極限,生產(chǎn)設(shè)備也逐漸向著大型化,精密化,自動(dòng)化,復(fù)雜化的方向發(fā)展。各設(shè)備部件之間的聯(lián)系越來(lái)越緊密,相應(yīng)的影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的因素也越來(lái)越多。
2018年,全社會(huì)用電量69002億千瓦時(shí),相比2017年增長(zhǎng)了8.4%;全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量190012萬(wàn)千瓦,相比2017年增長(zhǎng)了6.5%;其中燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量比上一年增長(zhǎng)了10.49%,為8375萬(wàn)千瓦。
要保障如此規(guī)模的電力供應(yīng),一方面需要提升發(fā)電機(jī)組的發(fā)電能力,另一方面需要完善發(fā)電設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)手段,減少因故障引起的非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間。電廠設(shè)備幾乎都處在高溫、高壓環(huán)境中,長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的工作特性,決定了電廠設(shè)備不可避免的高故障率和極大的危害性,一旦電廠的重要設(shè)備出現(xiàn)了故障,極易導(dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)損失或安全生產(chǎn)事故。
燃?xì)廨啓C(jī)較燃煤發(fā)電機(jī)組效率得到了極大的提升,通用電氣9HA.02重型燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)效率已超過(guò)64%。由于其效率高,啟停迅速,對(duì)環(huán)境友好,進(jìn)而成為目前發(fā)展較快的機(jī)組類(lèi)型。
現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)發(fā)電企業(yè)在設(shè)備管理方面仍普遍采用故障事后處理模式,通過(guò)DCS系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視,根據(jù)固定限值觸發(fā)報(bào)警,由工作人員對(duì)報(bào)警進(jìn)行分析判斷,通知維護(hù)人員進(jìn)行處理。而這樣的工作方式只能在設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)故障后,依照經(jīng)驗(yàn)對(duì)故障的現(xiàn)象進(jìn)行分析,推斷故障的原因,定位故障的位置,無(wú)法提前預(yù)測(cè)機(jī)組有可能出現(xiàn)的故障。
因此,在設(shè)備出現(xiàn)輕微劣化趨勢(shì)時(shí)便對(duì)其進(jìn)行事前預(yù)警已經(jīng)逐步成為了電力設(shè)備監(jiān)測(cè)的研究重點(diǎn)。
數(shù)據(jù)中心現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)對(duì)集團(tuán)公司內(nèi)6家電廠13臺(tái)機(jī)組的監(jiān)視與診斷、實(shí)時(shí)機(jī)組性能計(jì)算。針對(duì)GE機(jī)組,監(jiān)視與診斷系統(tǒng)可以提供關(guān)于燃機(jī)本體,發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)的故障監(jiān)測(cè);對(duì)于非GE機(jī)組,智慧信號(hào)系統(tǒng)可提供旋轉(zhuǎn)設(shè)備或過(guò)程設(shè)備及機(jī)組整體性能的故障預(yù)警與診斷;結(jié)合熱效率計(jì)算系統(tǒng),提供季度的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能報(bào)告,包括每季度機(jī)組的修正功率和熱耗的變化情況,以及系統(tǒng)級(jí)部件引起的變化。
數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析工程師8人,集團(tuán)公司內(nèi)部人員共6人,其中學(xué)士學(xué)位1人,碩士學(xué)位5人;GE常駐工程師2人。數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)為接入電廠5*8小時(shí)的實(shí)時(shí)故障預(yù)警服務(wù),提供周報(bào)、月報(bào),以及季度性能報(bào)告。
(二)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1989年,第十一屆國(guó)際聯(lián)合人工智能學(xué)術(shù)會(huì)議上,首次提出了知識(shí)發(fā)現(xiàn)(KnowledgeDiscoveryinDatabase)用以命名一種新的知識(shí)提取技術(shù)。第一個(gè)KDD實(shí)驗(yàn)室在美國(guó)底特律成立。1996年,UsamaFayyad給出了其定義:一個(gè)在數(shù)據(jù)中識(shí)別有效的、新穎的、潛在的、最終可理解的模型的非平凡過(guò)程。自此,數(shù)據(jù)挖掘?yàn)楣收显\斷及預(yù)警、生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化提供了一種新的途徑。
近年來(lái),機(jī)器學(xué)習(xí)、云計(jì)算等方法得到了飛速發(fā)展,電力行業(yè)監(jiān)測(cè)手段與理論模型不斷創(chuàng)新,兩者的結(jié)合已經(jīng)成為今后電力行業(yè)數(shù)字化智能化發(fā)展的方向。
浙江能源集團(tuán)于2009年開(kāi)始引進(jìn)并開(kāi)發(fā)設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng),建設(shè)了發(fā)電機(jī)組在線診斷預(yù)警系統(tǒng),在分析設(shè)備參數(shù)異常原因、設(shè)備異常發(fā)生的范圍、各個(gè)設(shè)備異常之間的關(guān)聯(lián)方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn),已成為發(fā)電廠設(shè)備管理專(zhuān)業(yè)人員、運(yùn)行監(jiān)控人員的一個(gè)掌握設(shè)備狀況的重要工具。
美國(guó)最大的發(fā)電集團(tuán)杜克電力(DukeEnergy)在北卡羅萊州夏洛特的SmartM&D中心實(shí)現(xiàn)了對(duì)該集團(tuán)擁有的100多個(gè)燃?xì)猓济?,水力發(fā)電廠設(shè)備實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及基于狀態(tài)檢修。該中心每年為杜克電力節(jié)省數(shù)千萬(wàn)美元的運(yùn)行成本。
英國(guó)一個(gè)燃煤機(jī)組上根據(jù)性能計(jì)算結(jié)果,運(yùn)行人調(diào)整了晚間負(fù)荷曲線實(shí)現(xiàn)最佳效率,熱耗降低了500Btu/kWh,在美國(guó)RiverRun燃機(jī)上則優(yōu)化了溫度控制曲線,電廠的利潤(rùn)為此每天增加了1500美元。
(三)數(shù)據(jù)中心國(guó)產(chǎn)化建設(shè)的意義
將先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析手段與傳統(tǒng)電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)相結(jié)合,勢(shì)必能有效解決傳統(tǒng)電力行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備無(wú)法實(shí)時(shí)掌握運(yùn)行狀態(tài)的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和事故隱患的早期預(yù)警,快速、自動(dòng)、準(zhǔn)確的對(duì)故障進(jìn)行定位,最大限度降低維護(hù)成本,避免重大事故的發(fā)生。
結(jié)合大數(shù)據(jù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)算法指導(dǎo)電力生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化調(diào)整,逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整,在安全裕度內(nèi)最大限度提升機(jī)組運(yùn)行效率,降低運(yùn)行成本。
同時(shí)國(guó)產(chǎn)化數(shù)據(jù)中心平臺(tái)的建設(shè),將打破國(guó)外制造商的技術(shù)壁壘,在降低自身成本的基礎(chǔ)上,可介入國(guó)內(nèi)燃機(jī)市場(chǎng),帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
二、研究及探索
目前電力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)沒(méi)有明確的發(fā)展方向?;诋?dāng)前的研究熱點(diǎn)以及數(shù)據(jù)中心實(shí)際情況,可進(jìn)行如下的研究探索工作:故障預(yù)警與診斷、機(jī)組性能分析、生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行優(yōu)化、振動(dòng)數(shù)據(jù)分析預(yù)警。
1.故障預(yù)警與診斷
故障預(yù)警由設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷兩部分相結(jié)合、發(fā)展而來(lái)。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè),故障診斷和故障預(yù)警是機(jī)械設(shè)備狀態(tài)識(shí)別技術(shù)的重要組成部分,這三部分存在著遞進(jìn)的關(guān)系。
目前狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷工作主要集中在算法理論研究上,實(shí)際推廣應(yīng)用的案例較少。研究主要集中在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、支持向量機(jī)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法等,各種故障診斷都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足。因此故障診斷方法應(yīng)該注重解決各種算法的不足,并研究各種故障診斷算法的優(yōu)點(diǎn)的融合方法,提高故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性,并最終在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)中應(yīng)用。
多元狀態(tài)估計(jì)技術(shù)是一種非參數(shù)、非線性建模方法,最早由美國(guó)阿爾貢國(guó)立實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā),并應(yīng)用于核電站,監(jiān)測(cè)其傳感器和設(shè)備等的運(yùn)行參數(shù)的異常,是一種測(cè)量實(shí)時(shí)工況與歷史正常工況相似程度以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)估計(jì)的模式識(shí)別技術(shù)。
多元狀態(tài)估計(jì)技術(shù)屬于非參數(shù)建模方式,建模方法通用性強(qiáng),只要求建模變量間具有相關(guān)性;預(yù)估值的產(chǎn)生基于矩陣相似性的計(jì)算,計(jì)算復(fù)雜度低,計(jì)算量小,可滿足工業(yè)項(xiàng)目實(shí)時(shí)性的要求;可同時(shí)對(duì)多變量同時(shí)進(jìn)行預(yù)估,適用于多傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
此方法需要人工提取特征向量,人工提取歷史狀態(tài)向量,人工對(duì)殘差閾值進(jìn)行設(shè)定,此三個(gè)方面可以使用聚類(lèi)、主成分分析等算法進(jìn)行改進(jìn);同時(shí)故障的診斷可以采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法進(jìn)行自動(dòng)診斷。
決策樹(shù)算法簡(jiǎn)單直觀,不同于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等黑箱模型,決策樹(shù)可以給出邏輯判斷規(guī)則,但單棵決策樹(shù)存在容易過(guò)擬合的問(wèn)題,結(jié)果受樣本變動(dòng)的影響較大,且容易陷入局部最優(yōu)。隨機(jī)森林本質(zhì)上是對(duì)決策樹(shù)算法的一種改進(jìn),通過(guò)將多個(gè)決策樹(shù)合并在一起,每棵決策樹(shù)的建立依賴(lài)于獨(dú)立抽取的樣本集。單棵樹(shù)的分類(lèi)和回歸存在過(guò)擬合的可能,但在隨機(jī)生成大量的決策樹(shù)后,一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)集可以通過(guò)多棵樹(shù)的分類(lèi)或回歸結(jié)果經(jīng)統(tǒng)計(jì)后得出,模型結(jié)果更為可靠。因泛化能力強(qiáng)、準(zhǔn)確度高,隨機(jī)森林在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域展現(xiàn)出超越傳統(tǒng)算法的優(yōu)勢(shì)。
2.機(jī)組性能分析
機(jī)組性能分析提供從部件到設(shè)備到系統(tǒng)級(jí)的性能實(shí)時(shí)計(jì)算,使用機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)建模方式,使用隨機(jī)森林、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法,從機(jī)組歷史數(shù)據(jù)中挖掘數(shù)據(jù)間的隱含聯(lián)系,找出影響設(shè)備性能的關(guān)鍵特征;結(jié)合機(jī)組運(yùn)行參數(shù)及熱平衡模型,通過(guò)改進(jìn)運(yùn)行方式或技術(shù)改造提高機(jī)組運(yùn)行效率。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種非線性的建模方法,它由若干神經(jīng)元通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的連接構(gòu)成,每一個(gè)連接都被賦予一個(gè)可變的權(quán)重參數(shù),以解決多輸入、多輸出的系統(tǒng)辨識(shí),且其模型是非參數(shù)化的,不需要建立以實(shí)際系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的辨識(shí)格式,對(duì)于電力生產(chǎn)過(guò)程這樣的復(fù)雜系統(tǒng)建模有著較為有效的應(yīng)用。
3.生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行優(yōu)化
電力的生產(chǎn)過(guò)程及其復(fù)雜,各系統(tǒng)高度耦合,需要協(xié)同優(yōu)化?,F(xiàn)階段的運(yùn)行優(yōu)化一般都為子系統(tǒng)集的優(yōu)化,例如,凝汽器最佳真空、過(guò)冷度,給水流量調(diào)節(jié),SCR噴氨量調(diào)節(jié),鍋爐加藥調(diào)節(jié),化學(xué)水加藥調(diào)節(jié)等,子系統(tǒng)內(nèi)部的最優(yōu)不能保證整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu),而廠耗電量、耗水量等需要綜合各子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào),因此僅靠運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)難以對(duì)如此龐雜的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
同時(shí),現(xiàn)有的調(diào)節(jié)基本都基于運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn),根據(jù)人員水平不同,調(diào)節(jié)品質(zhì)也不盡相同,最優(yōu)調(diào)節(jié)參數(shù)較為隨機(jī)。對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以有效解決。
4.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析
旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析一般電廠人員掌握不深,一般只關(guān)注軸振、瓦振的振動(dòng)幅值,對(duì)于啟停機(jī)階段的軸心軌跡等圖形、數(shù)據(jù)關(guān)注度不夠。近年來(lái),振動(dòng)信號(hào)的分解、頻域分解、小波分析等方法的研究為機(jī)器學(xué)習(xí)提供了更多的數(shù)據(jù)特征,將兩者結(jié)合勢(shì)必能夠在此領(lǐng)域內(nèi)有所突破。
三、研究?jī)?nèi)容與探索
(一)完全自主創(chuàng)新建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)
建立數(shù)據(jù)中心自主的互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集、壓縮、存儲(chǔ)、傳輸標(biāo)準(zhǔn),依托集團(tuán)公司數(shù)據(jù)中心建立數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)湖,以自主開(kāi)發(fā)和合作開(kāi)發(fā)的方式完成模塊化的應(yīng)用,以期實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理,業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)優(yōu)化,新模式新業(yè)務(wù)幾大板塊的數(shù)字化解決方案,實(shí)現(xiàn)軟件授權(quán)盈利。
1.結(jié)合現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行功能模塊開(kāi)發(fā)
在現(xiàn)有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā),結(jié)合現(xiàn)有成熟軟件應(yīng)用和平臺(tái)提供的算法與工具,完成模塊化的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理,業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)優(yōu)化,新模式新業(yè)務(wù)幾大板塊的數(shù)字化解決方案,同時(shí)實(shí)現(xiàn)軟件授權(quán)盈利。
2.實(shí)現(xiàn)功能
數(shù)據(jù)采集,傳輸,壓縮、存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化?,F(xiàn)有數(shù)據(jù)存在著數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一,數(shù)據(jù)之間無(wú)法連接使用,分散存儲(chǔ)等問(wèn)題,不利于數(shù)據(jù)的進(jìn)一步挖掘。財(cái)務(wù)數(shù)據(jù),庫(kù)存數(shù)據(jù),設(shè)備維護(hù)記錄,缺陷等數(shù)據(jù)各自存放,沒(méi)有開(kāi)放的接口。首先應(yīng)將各種數(shù)據(jù)統(tǒng)一收集,建立數(shù)據(jù)湖,解決數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題,之后才能完成數(shù)據(jù)的充分挖掘利用。
完全自主建立平臺(tái),需要解決數(shù)據(jù)的采集、壓縮、存儲(chǔ)、傳輸?shù)葐?wèn)題,需購(gòu)買(mǎi)大量實(shí)體服務(wù)器及存儲(chǔ)設(shè)備,安全防護(hù)設(shè)備,引進(jìn)維護(hù)人員,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的容災(zāi)機(jī)制,設(shè)立異地備份方案等,造成大量的支出。
設(shè)計(jì)平臺(tái)需大量專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員參與,前期設(shè)計(jì)與建設(shè)投入較高,風(fēng)險(xiǎn)較大。
如使用現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),以上問(wèn)題都已有完備的解決方案,且費(fèi)用低廉。
現(xiàn)阿里云,華為云等都提供了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一平臺(tái)的功能快速開(kāi)發(fā)和復(fù)用,通過(guò)數(shù)據(jù)工廠實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上云,再基于AI創(chuàng)作間訓(xùn)練出工廠的專(zhuān)屬智能。此外,該平臺(tái)使用拖拽式開(kāi)發(fā),極大地降低了使用門(mén)檻,普通工程師也能輕松進(jìn)行操作,項(xiàng)目實(shí)施周期大大減少。
以阿里云ET工業(yè)大腦開(kāi)放平臺(tái)為例,部署原理可以分為以下四個(gè)步驟:
數(shù)據(jù)采集:對(duì)企業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、工廠設(shè)備數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、人員管理數(shù)據(jù)等多方工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
數(shù)據(jù)預(yù)處理:包括過(guò)濾臟數(shù)據(jù)與噪音、解決數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)、找回丟失的數(shù)據(jù)以及修正錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)等。同時(shí),還要根據(jù)用途,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割、分解、分類(lèi),為下一步的算法建模做好準(zhǔn)備。
算法建模:通過(guò)ET工業(yè)大腦AI創(chuàng)作間內(nèi)置的算法引擎或算法市場(chǎng)提供的算法,對(duì)所收集并預(yù)處理完成的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行快速建模,該模型可以是描述模型、預(yù)測(cè)模型或優(yōu)化模型。
模型應(yīng)用:將已經(jīng)建立的算法模型,發(fā)布成服務(wù)并集成到生產(chǎn)系統(tǒng)中,作用到業(yè)務(wù),完成數(shù)據(jù)智能應(yīng)用的閉環(huán)。
數(shù)據(jù)中心可以在該平臺(tái)上建立兩種角色:行業(yè)顧問(wèn)和AI交付工程師,以完成自主功能模塊的開(kāi)發(fā)和發(fā)布。
行業(yè)顧問(wèn):可創(chuàng)建行業(yè)知識(shí)圖譜,配置通用算法引擎,將算法用業(yè)務(wù)化的語(yǔ)言進(jìn)行表達(dá),形成行業(yè)算法引擎模板。
AI交付工程師:根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景來(lái)選擇和使用行業(yè)算法模板引擎模板,并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出企業(yè)專(zhuān)屬的人工智能算法服務(wù),最終發(fā)布成API供上層應(yīng)用調(diào)用。
在現(xiàn)有的較為成熟的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上開(kāi)發(fā)功能模塊,能夠極大的縮短開(kāi)發(fā)周期,節(jié)省大量軟硬件購(gòu)買(mǎi)開(kāi)支,同時(shí)可根據(jù)需求定制化的開(kāi)發(fā)功能,滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。
【作者簡(jiǎn)介】
王爽,男,大唐國(guó)際發(fā)電股份有限公司北京高井熱電廠設(shè)備管理部(網(wǎng)絡(luò)安全與信息化部)數(shù)據(jù)分析工程師。具有5年熱控專(zhuān)業(yè)工作經(jīng)驗(yàn),2016年底與通用電氣聯(lián)合建設(shè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與診斷中心,后主要從事數(shù)據(jù)分析工作,研究機(jī)器學(xué)習(xí)算法、云計(jì)算在電力工業(yè)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用效果,多次參加電力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方向研討會(huì)、論壇,致力于推動(dòng)傳統(tǒng)電力行業(yè)向電力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)升級(jí)轉(zhuǎn)型和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)方式的轉(zhuǎn)變,以數(shù)字化手段優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行模式,提高生產(chǎn)效率。曾獲得2019年度電力科技創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、電力企業(yè)設(shè)備管理創(chuàng)新優(yōu)秀成果三星等榮譽(yù)。
評(píng)論