关联数据挖掘的燃机通用异常检测算法研究

1、 汇报人：李飞 先进动力技术研究所 2014年9月3日 关联数据挖掘的燃机通用异常检测算法研究 Associated data mining technic for general anomaly detection of gas turbine 一、算法应用背景 二、通用异常检测算法原理 三、燃机异常检测算法的应用分析 四、报警策略 提纲 一、算法应用背景 动力设备远程健康管理系统 核心：建设企业级远程数据中心、提供动力设备全面的知识服务和完善 的健康监测系统。 数据支撑平台数据支撑平台：搭建高效 可靠的数据采集平台。在 平台端通过接收传感器上 的变送数据，监测机组的 运行情况，并将数据传送

2、 到数据采集服务器上。 健康管理系统健康管理系统：实施全面 的设备健康监测和分析， 通过嵌入专业分析模块实 现专业分析的相关功能， 引入专家系统协助进行决 策并通过评价系统进行自 适应改善。 数据展示平台数据展示平台：将设备远 程数据、高级应用层分析 数据进行多元化展示。 设备通用异常检测是健康管理系统中最重要的应用之一 一、算法应用背景 多源模块的无缝嵌入 专业分析模块如设备通用异常检 测、燃机排温异常检测、振动故 障检测等模块均可以通过通用数 据接口进行无缝嵌入，这些系统 的开发可以在多元化的环境中进 行，极大的方便了系统的二次开 发。 专业分析模块 设备通用异常检测 排温异常检测 振动系

3、统专家系统 动态经济性分析 由于设计、安装的缺陷以及长期运行引起的老化，设 备的某些部件或者子系统在运行过程中难免会出现性能下 降、甚至产生故障，从而导致整个系统性能下降、可靠性 得不到保障。通用异常检测的目的就是通过远程监设备的 状态参数、识别系统的状态和变化趋势，在设备自身发生 故障报警前进行状态预警，以维护设备性能，大大减少重 大事故发生的概率。 设备的大多数潜在故障对设备 的正常运行有持续的影响，但 设备自身的监测系统是无法发 现设备性能的缓变现象！ 通过数据挖掘和理论分析将正常模通过数据挖掘和理论分析将正常模 式和异常模式进行有效区分式和异常模式进行有效区分 设备运行异常状况数据设备

4、运行异常状况数据 二、通用异常检测原理 异常的分类： 点异常点异常：测量值本应该在某一常值附近 波动，但此时差生了较大偏离 线异常线异常：测量值应该保持不变或者缓慢 变化，但此时变化过快或者朝恶化的发 现发展 面异常面异常：一组测点的一段时间的输出构 成了一个曲面，当系统发生异常时，各 个参数之间的关联关系发生变化，从而 导致曲面的形状发生了变化，由此检测 异常。 构造最小超球划分点异常构造最小超球划分点异常 滑动窗方法构造线异常识别模型滑动窗方法构造线异常识别模型 无论是点异常、线异常还是其他异常形式，异常检测的实质是寻找系统运行的常 模式，并且采用相应的技术有效划分常模式和非常模式，将这种

5、划分结果建议给 领域专家，辅助进行决策。 二、通用异常检测原理 寻找正常模式以燃机为例 定义：正常模式的定义为设备实际运行 中频繁发生的模式 模式：对于实际运行的燃气轮机，燃机 的各设备和组成部分是一个有机联系的 整体，各部分之间存在很强的相互关系 ，这种相互之间的依赖关系即为模式。 0200400600800100012001400 1370 1380 1390 1400 1410 1420 1430 1440 1450 1460 1470 时 间 压 气 机 出 口 压 力 31 0200400600800100012001400 5000 5500 6000 6500 7000 7500

6、 8000 时 间 总 功 84 压气机出口压力和功率压气机出口压力和功率 系统参数和单一工况变量间的相关性 13701380139014001410142014301440145014601470 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 压 气 机 出 口 压 力 燃气阀控制压差 5000550060006500700075008000 480 490 500 510 520 530 540 550 560 总 功 平均排温 二、通用异常检测原理 并非所有的变量都随工况有明显的变化趋势 50005500600065007000750

7、08000 37 38 39 40 41 42 43 44 总 功 主燃气阀位置 5000550060006500700075008000 -8.44 -8.43 -8.42 -8.41 -8.4 -8.39 -8.38 -8.37 -8.36 -8.35 总 功 间隙电压 5000550060006500700075008000 89.5 90 90.5 91 91.5 92 92.5 93 93.5 94 总 功 径向轴承温度 5000550060006500700075008000 24.5 25 25.5 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 总 功 径向轴承振动 对于

8、不随工况变化的设备参数，异常检测选取其给定的报警阈值（固定阈值对于不随工况变化的设备参数，异常检测选取其给定的报警阈值（固定阈值 报警策略）报警策略） 对于随工况变化的参数，在固定阈值报警的基础上采用动态偏差阈值的报警对于随工况变化的参数，在固定阈值报警的基础上采用动态偏差阈值的报警 二、通用异常检测原理 工况发生改变时，设备参数有一个合理的变化范围 当设备处于常模式的运行状况下，设备 各个参数均存在一个固定的范围内波动 ，这个范围不随工况的改变而改变。 范围的获取方法： u 基于统计理论的范围划分 u 数据结构分析等 u 专业资料，设备出厂参数 u 燃机参数在全工况运行内的变化范围燃机参数在

9、全工况运行内的变化范围 3070308030903100311031203130 0 50 100 150 200 250 参 考 上 限 ： 3123.7008， 参 考 下 限 ： 3086.2034 统计分布 燃 气 控 制 压 力 34 99.8599.999.95100100.05 100.1 100.15 100.2 100.25 100.3 0 50 100 150 参 考 上 限 ： 100.1815， 参 考 下 限 ： 99.8268 统计分布 转 速 设 定 值 50 二、通用异常检测原理 工况发生改变时，设备参数有一个合理的变化范围 307030803090310031

10、1031203130 0 50 100 150 200 250 参 考 上 限 ： 3125.5527， 参 考 下 限 ： 3088.1558 统计分布 燃 气 阀 压 力 38 0.120.140.160.180.20.220.240.260.280.30.32 0 50 100 150 200 250 参 考 上 限 ： 0.31374， 参 考 下 限 ： 0.14807 统计分布 主 燃 油 阀 位 置 46 99.499.599.699.799.899.9100100.1100.2 0 50 100 150 200 250 300 参 考 上 限 ： 100.1952， 参 考 下

11、 限 ： 99.8095 统计分布 转 速 48 -202468101214 0 20 40 60 80 100 120 140 参 考 上 限 ： 12.5003， 参 考 下 限 ： -0.82684 统计分布 燃 机 进 口 温 度 52 440460480500520540560580 0 50 100 150 200 250 参 考 上 限 ： 563.0888， 参 考 下 限 ： 445.8045 统计分布 平 均 排 温 54 49.8549.949.955050.0550.1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 参 考 上 限 ： 50.0971， 参

12、 考 下 限 ： 49.9184 统计分布 有 效 总 线 频 率 71 二、通用异常检测原理 设备参数还存在一个随工况变化的取值范围 为了更准确的进行异常检测，及时发现设备性能的 微小变化，而这些变化受工况影响较大，因此需提 取设备参数随着工况变化时的动态范围。 突出难点突出难点：找到各物理量的关联关系，进行多参数 的关系表达。 各个参数之间一般存在强烈的非线性耦合， 为了保证关联关系的鲁棒性，各个参数之 间的线性关系也是重要考虑的规则之一。 异常和非异异常和非异 常的划分常的划分 发生异常就是由于样本点超出了偏差限，超限的原因是通过模型得到的修正值发 生了很大偏差，可以说明此时运行异常。

13、二、通用异常检测原理 基于线性模型的方 法：正交分解最小 二乘、线性回归 优点：模型结构 简单，推广能力 强 缺点：模型精度 没有基于人工智 能的方法理想 基于人工智能的方 法：神经网络、支 持向量回归、贝叶 斯网 优点：模型精度 较高 缺点：模型结构 复杂，推广能力 较差 异常检测模型的获取方法回归 三、燃机异常检测算法的应用分析 燃气系统（压气机后参数包括在内） 压气机后参数对燃气系统参数有重要的影响压气机后参数对燃气系统参数有重要的影响 13601370138013901400141014201430144014501460 1340 1360 1380 1400 1420 1440 1

14、460 1480 压 气 机 出 口 压 力 31 监测值 拟 合 参 数 : 发 电 机 平 均 功 率 因 素 1380139014001410142014301440145014601470 1360 1380 1400 1420 1440 1460 1480 压 气 机 出 口 压 力 31 监测值 拟 合 参 数 : 发 电 机 平 均 功 率 因 素 燃 机 进 口 温 度 径 向 轴 承 1X VIB 励 磁 端 电 流 1380139014001410142014301440145014601470 1360 1380 1400 1420 1440 1460 1480 压 气

15、机 出 口 压 力 31 监测值 拟 合 参 数 : 空 气 进 口 压 力 燃 气 阀 控 制 压 差 燃 气 阀 压 力 主 燃 气 阀 位 置 1380139014001410142014301440145014601470 1360 1380 1400 1420 1440 1460 1480 压 气 机 出 口 压 力 31 监测值 拟 合 参 数 : 空 气 进 口 压 力 燃 气 阀 控 制 压 差 燃 气 阀 压 力 主 燃 气 阀 位 置 平 均 排 温 三、燃机异常检测算法的应用分析 燃气系统 1460148015001520154015601580160016201640

16、1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 燃 气 阀 控 制 压 差 36 监测值 拟 合 参 数 : 燃 气 供 给 压 力 压 气 机 出 口 压 力 平 均 排 温 30803085309030953100310531103115312031253130 3070 3080 3090 3100 3110 3120 3130 3140 燃 气 供 给 压 力 37 监测值 拟 合 参 数 : 压 气 机 出 口 压 力 燃 气 阀 压 力 主 燃 气 阀 位 置 30753080308530903095310031053110311

17、531203125 3070 3080 3090 3100 3110 3120 3130 燃 气 阀 压 力 38 监测值 拟 合 参 数 : 压 气 机 出 口 压 力 燃 气 控 制 压 力 燃 气 供 给 压 力 主 燃 气 阀 位 置 原则：以最少的参数找到最佳的关联模型 12345678910 45 50 55 60 测 点 训练效果 燃 气 阀 压 力 38 12345678910 45 50 55 60 65 测 点 测试效果 三、燃机异常检测算法的应用分析 滑油系统 燃气轮机滑油系统简图燃气轮机滑油系统简图 235240245250255260265 235 240 245 2

18、50 255 260 265 270 滑 油 总 管 压 力 108 监测值 拟 合 参 数 : 液 体 过 滤 器 压 差 燃 气 阀 控 制 压 差 53.55454.55555.55656.55757.5 53 53.5 54 54.5 55 55.5 56 56.5 57 滑 油 总 管 温 度 109 监测值 拟 合 参 数 : 滑 油 加 热 棒 温 度 平 均 排 温 67.56868.56969.57070.571 67 67.5 68 68.5 69 69.5 70 70.5 71 滑 油 加 热 棒 温 度 110 监测值 拟 合 参 数 : 滑 油 箱 温 度 平 均 排

19、 温 三、燃机异常检测算法的应用分析 排气系统 480490500510520530540550560570 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 排 气 温 度 TC1 57 监测值 拟 合 参 数 : 平 均 排 温 压 气 机 出 口 压 力 空 气 进 口 压 力 460470480490500510520530540550 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 排 气 温 度 TC10 58 监测值 拟 合 参 数 : 平 均 排 温 压 气 机 出 口 压 力 空 气 进 口 压 力 4704804

20、90500510520530540550 470 480 490 500 510 520 530 540 550 排 气 温 度 TC11 59 监测值 拟 合 参 数 : 平 均 排 温 压 气 机 出 口 压 力 空 气 进 口 压 力 470480490500510520530540550560 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 排 气 温 度 TC12 60 监测值 拟 合 参 数 : 平 均 排 温 压 气 机 出 口 压 力 空 气 进 口 压 力 500510520530540550560570580 490 500 510 520

21、530 540 550 560 570 580 排 气 温 度 TC2 61 监测值 拟 合 参 数 : 平 均 排 温 压 气 机 出 口 压 力 空 气 进 口 压 力 480490500510520530540550560 480 490 500 510 520 530 540 550 560 排 气 温 度 TC3 62 监测值 拟 合 参 数 : 平 均 排 温 压 气 机 出 口 压 力 空 气 进 口 压 力 三、燃机异常检测算法的应用分析 关联参数表 压气机后空气压力空气进口压力，燃气控制阀压差、燃气阀压力、主燃气阀位置 低压涡轮后燃气温度平均排温、压气机进口压力、压气机出口压力 燃气供给压力压气机出口压力、燃气阀压力 燃气温度不随工况发生变化 燃气喷嘴压力压气机出口压力、燃气供给压力 主燃油阀位置机匣压力、机匣温度 最小燃料量机匣压力、机匣温度 燃气阀控制压差燃气供给压力、压气机出口压力、平均排温 滑油箱温度滑油加热棒温度、平均排温 滑油总管压力液体过滤器压差、燃气阀控制压差（功率量） 滑油总管温度滑油加热棒温度、燃机进口温度 径向轴承滑油温度滑油总管温