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，并将数据传送到数据采集服务器上。 健康管理系

2、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。 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

3、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

4、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

5、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。020040060080010001200140013701380139014001410142014301440145014601470时 间压 气 机 出 口 压 力3102004006008001000120014005000550060006500700075008000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1370138013901400141014201430144014501460147014601480150015201540156015801600162016

6、40压 气 机 出 口 压 力燃气阀控制压差5000550060006500700075008000480490500510520530540550560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50005500600065007000750080003738394041424344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500055006000650070007500800089.59090.59191.59292.5

7、9393.594总 功径向轴承温度500055006000650070007500800024.52525.52626.52727.52828.529总 功径向轴承振动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

8、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全工况运行内的变化范围3070308030903100311031203130050100150200250参 考 上 限 ： 3123.7008， 参 考 下 限 ： 3086.2034统计分布燃 气 控 制 压 力3499.8599.999.95100100.05 100.1 100.15 100.2 100.25 100.3050100150参 考 上 限 ： 100.1815， 参 考 下 限 ： 99.8268统计分布转 速 设 定

9、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3070308030903100311031203130050100150200250参 考 上 限 ： 3125.5527， 参 考 下 限 ： 3088.1558统计分布燃 气 阀 压 力380.120.140.160.180.20.220.240.260.280.30.32050100150200250参 考 上 限 ： 0.31374， 参 考 下 限 ： 0.14807统计分布主 燃 油 阀 位 置4699.499.599.699.799.899.9100100.1100.2050100150200250300参

10、考 上 限 ： 100.1952， 参 考 下 限 ： 99.8095统计分布转 速48-202468101214020406080100120140参 考 上 限 ： 12.5003， 参 考 下 限 ： -0.82684统计分布燃 机 进 口 温 度52440460480500520540560580050100150200250参 考 上 限 ： 563.0888， 参 考 下 限 ： 445.8045统计分布平 均 排 温5449.8549.949.955050.0550.1020406080100120140160参 考 上 限 ： 50.0971， 参 考 下 限 ： 49.918

11、4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。二、通用异常检测原理 异常检测模型的获取方法回归三、燃机异常检

12、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1360137013801390140014101420143014401450146013401360138014001420144014601480压 气 机 出 口 压 力31监测值拟 合 参 数 :发 电 机 平 均 功 率 因 素13801390140014101420143014401450146014701360138014001420144014601480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

13、口 温 度径 向 轴 承 1X VIB励 磁 端 电 流13801390140014101420143014401450146014701360138014001420144014601480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13801390140014101420143014401450146014701360138014001420144014601480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

14、 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14601480150015201540156015801600162016401460148015001520154015601580160016201640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3080308530903095310031053110311531203125313030703080309031003110312031303140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

15、 位 置307530803085309030953100310531103115312031253070308030903100311031203130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1234567891045505560测 点训练效果燃 气 阀 压 力38123456789104550556065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235240245250255260265235240245250

16、255260265270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53.55454.55555.55656.55757.55353.55454.55555.55656.557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67.56868.56969.57070.5716767.56868.56969.57070.571滑 油 加 热 棒 温 度110监测值拟 合 参 数 :滑 油 箱 温 度平 均 排 温三、燃机异常检测算法的应用分析排气系统48049050051052053054055

17、0560570480490500510520530540550560570排 气 温 度 TC157监测值拟 合 参 数 :平 均 排 温压 气 机 出 口 压 力空 气 进 口 压 力460470480490500510520530540550460470480490500510520530540550排 气 温 度 TC1058监测值拟 合 参 数 :平 均 排 温压 气 机 出 口 压 力空 气 进 口 压 力470480490500510520530540550470480490500510520530540550排 气 温 度 TC1159监测值拟 合 参 数 :平 均 排 温压 气

18、 机 出 口 压 力空 气 进 口 压 力470480490500510520530540550560470480490500510520530540550560排 气 温 度 TC1260监测值拟 合 参 数 :平 均 排 温压 气 机 出 口 压 力空 气 进 口 压 力500510520530540550560570580490500510520530540550560570580排 气 温 度 TC261监测值拟 合 参 数 :平 均 排 温压 气 机 出 口 压 力空 气 进 口 压 力4804905005105205305405505604804905005105205305405

19、50560排 气 温 度 TC362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度、压气机出口压力、