（热能工程专业论文）基于关联规则汽轮机组运行优化参数最优值的确定.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着机组容量逐渐增大，在大型火电机组实际运行中，如何提高运行经济性是电厂 运行人员十分关心的一个问题，而要保证经济运行如何确定运行参数的最优值，使机组 在最佳工况下运行是关键。并且随着机组的运行，电厂d c s 积累了大量的历史数据，如 何从这些海量数据中发现知识，对于机组优化运行也有很重要的意义，本文在传统确定 参数基准值的方法的基础上应用关联规则分析方法来确定参数的基准值，并引入属性模 糊聚类方法选择分析参数，提高分析效率。并开发了确定机组运行参数基准值的系统软 件。 关键词：最优值，优化运行，关联规则分析 a b s t r a c t a l o n gw i t hc a p a b i l i t ya g g r a n d i z e m e n to fu n i t ，i nt h ea c t u a lo p e r a t i o no fl a r g e s c a l e t h e r m a lp o w e ru n i t ，h o wt oi m p r o v ee c o n o m yp e r f o r m a n c ea n dk e e pe c o n o m i c a lo p e r a t i o ni s ap r o b l e mw h i c hi sq u i t ec o n c e r n e db yo p e r a t i o nw o r k e r s ，f u r t h e rm o r e ，t h ek e yt ok e e p e c o n o m yi st oc o l 俺l l t l lo p e r a t i o np a r a m e t e rb e n c h m a r kv a l u e s e c o n d l y , p o w e rp l a n td c s s y s t e ma c c u m u l a t eam a s so fh i s t o r i c a ld a t a ，h o wt of i n du s e f u lk n o w l e d g ei si m p o r t a n t t ou n i t o p t i m i z a t i o no p e r a t i o n t h ep a p e ra p p l ya s s o c i a t i o nr u l ea n a l y s i s t oc o n f i r m o p e r a t i o np a r a m e t e rb e n c h m a r kv a l u eb a s e do nt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d s ，a n di n d u c t a t t r i b u t i v ef u z z yc l u s t e r i n gt oi m p r o v ea n a l y s i se f f i c i e n c y t h i sp a p e rd e s i g n e das y s t e m o fc o n f i r m i n go p e r a t i o np a r a m e t e rb e n c h m a r kv a l u e k a n gx i n x i a ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gg u a n g k e y w o r d s ：o p t i m i z a t i o nv a l u e , o p t i m i z a t i o no p e r a t i o n ，a s s o c i a t i o nr u l ea n a l y s e 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于关联规则汽轮机组运行优化参数 最优值的确定，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：肛韵裳 日期：婴：! ：垡 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 c 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：磁 日期：塑! ! ：型 导师签名： 日期：兰! 显：! ：多 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第一章引言 2 0 世纪9 0 年代以来，我国火电机组装机容量不断增大同时电力市场竞争日益 激烈，现代化电厂运行所承受的市场竞争的压力较之以往更加沉重。到2 0 0 4 年底， 我国发电设备总装机容量约为4 4 亿k w ，其中火电装机容量约为3 4 亿k w ，火 电容量占到总容量的7 7 0 8 ，并且火电机组基本上都是燃煤机组。虽然我国发电 总装机容量和总发电量均为世界第二位，但其能耗水平却不容乐观。有资料表明， 到2 0 0 1 年底，我国火电厂平均供电标准煤耗为3 8 5 9 k w h ，而国际同期先进水平 仅为3 1 7g k w h 。按照我国电力工业发展的总目标；预计到2 0 5 0 年我国装机容 量将达到1 6 亿k w ，其中火电机组仍将占总装机容量的6 0 以上。 因此，我国以煤为主的能源消费格局在比较长的一段时间内不会改变。提高火 电厂的热经济性( 减少能耗) ，不仅是降低发电成本本身的需要，而且减少一次能 源的消耗，有利于对资源和环境的保护，实现可持续发展。同时，随着我国电力体 制改革的不断深入，“厂网分开，竞价上网”政策的实施，独立电力生产厂家终将 出现，这些必然给整个能源市场带来巨大冲击，使竞争更加激烈。如何在安全的基 础上最大限度地发挥机组性能，节约生产运行费用，降低成本，提高企业生产管 理水平和市场竞争力逐渐成为关系到电力企业生存和发展的重要因素。为了提高电 厂竞争能力，先进的科学技术不断地被应用到电厂机组上，如：d c s 和电站厂级监 控信息系统等。 电站厂级监控信息系统。1 ( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t c mi np l a n tl e v e l ，简写 ( s i s ) 属于厂级生产自动化范畴，火电厂s i s 系统是联系电网自动发电控制( a g c ) 与机组d e h 过程控制之间的桥梁；是发电厂生产过程自动化与电网调度自动化和 电力市场交易中心之间信息交换的重要节点；是提高电厂运行经济性和管理水平的 必要技术装备；是实现电厂管理信息系统与各种分散控制系统之间数据交换的桥 梁。 厂级实时监控信息以分散控制系统( d c s ) 为基础，采集和处理全厂必要的生 产实时数据，以经济运行和提高发电企业整体效益为目的，采用先进、适用、有效 的专业计算方法，实现整个电厂范围内信息共享，厂级生产过程的实时信息监控和 调度，同时又提高了机组运行的可靠性。它为电厂管理层的决策提供真实、可靠的 实时运行数据，为市场运作下的企业提供科学、准确的经济性指标。它是电厂生产 的成本信息和报价信息的基础。从管理角度来看，它为控制企业成本、为提高生产 华北电力大学硕士学位论文 力提供重要而真实的运行数据。同时，通过数据的分析和比较，能提出科学的、合 理的决策方案，使企业管理层的经营决策更具科学性。厂级实时监控信息系统实现 了全厂范围内的管控一体化，为实现全厂整体效益的提高、信息技术的提升和稳定、 经济运行的根本目的打下坚实基础。 然而，作为s i s 系统的核心专家系统却存在着以下问题”： ( 1 ) 知识获取的瓶颈问题。专家系统的解题能力主要取决于它所拥有的知识的 数量和质量，而现有的专家系统中的知识的获取主要是通过知识工程师与领域专家 对话，将领域专家的知识总结为计算机可以识别的规则加入知识库中。这一过程实 质上是归纳过程，是非常复杂的个人到个人的交互过程，有很强的个性和随机性。 这种知识获取是间接的，不但费时费力，而且效率低下。因此，知识获取难已成为 研制基于知识的专家系统的公认的瓶颈。 ( 2 ) 这种知识库是静态的，即没有自学习能力。 鉴于目前正在蓬勃发展的数据挖掘技术，可以从大量数据中提取或“挖掘”知 识，它正在被越来越多的领域所采用，取得了较好的效果，为人们的正确决策提供 了很大的帮助。在电力行业中已经有人做了应用数据挖掘技术的尝试，前期探索表 明应用该技术可以突破专家系统知识获取的瓶颈，并可使专家系统具有自学习能 力。 同时，我国的电力工业经过几十年的快速发展，机组的自动化程度有了很大提 高，“九五”期间新建电厂基本上都装备了d c s 系统，许多老机组也在进行d c s 改 造。随着d c s 系统在电力行业的普遍推广，电厂大都存储了大量运营生产数据。 我们知道发电厂是一个过程生产企业，发电厂的各个方面和它的过去、现在以及未 来密切相关。知道了发电厂的历史数据，就有可能推断出发电厂的未来发展趋势， 为发电厂的运行、检修和事故处理提供决策依据。同时这些数据记录了电厂设备和 操作运行人员的操作过程，它们的背后隐含了许多对提高电厂的生产效率、经济安 全性有积极指导意义的信息，但由于传统的数据分析手段只是对这些数据进行简单 的分类、统计，无力深刻分析数据背后隐含的规律、给出人们能够理解的显式知识， 这样不可避免的造成了数据资源的巨大浪费。但是面对积累的如此大量的数据，没 有强有力的分析工具，理解它们已经远远超出了人的能力。因此造成了以往这些数 据背后隐藏的信息和规律并没有被深刻理解和有效利用。所以需要一种强大的数据 分析工具来分析电厂的d c s 数据。 鉴于上述原因将数据挖掘技术应用于电力行业是十分必要且有意义的，可以带 来巨大的经济效益和社会效益。 火电厂运行管理的目标之一就是全面监测电厂机组的运行经济性，及时准确地 分析机组运行中造成能量贬值产生的地点、原因及大小，指导运行人员操作和维护， 减少运行中的能量贬值，提高机组运行经济性。性能监测的最终目的是指导运行人 2 华北电力大学硕士学位论文 员选用合适的运行或调整方式，使机组处于最佳或接近最佳运行状态。这意味着性 能监测应能为运行人员提供两类重要性能数据，一类是能用来定量地评价机组实际 运行状态的优劣，即性能指标；另一类是能定量地确定各种运行条件变化对实际运 行性能的影响，即耗差分析“”。而耗差分析应用的关键之一在于产生耗差的那些参 数的基准值的确定，基准值的确定对于指导优化运行起着至关重要的作用。 基准值是指在某一边界条件，如负荷、环境温度下，与设备性能最佳的运行工 况相对应的最佳运行参数，也称最优值或应达值。 由于火电机组的煤耗量成本占其消耗性材料及燃料的成本的绝大部分，从而机 组煤耗是影响一个机组经济性关键的因素之一，造成煤耗高于设计值的大部分是在 运行中产生的，主要原因有：为适应电网需要机组参与调峰运行，但运行时缺乏经 济的运行方式；运行操作没有严格的规范，缺乏动态的运行分析和操作指导；运行 考核未能客观反映机组运行经济性，缺乏有效的考核手段。故机组运行经济指标管 理将以整台机组运行时的供电煤耗达到最小为目标。深入分析各运行参数对机组性 能的影响，采用耗差分析的方法找出影响机组供电煤耗的有关参数产生的耗差，确 定产生耗差的运行参数的基准值，即当前运行工况下的最优值，通过运行人员对这 些参数的调整，使运行参数尽量靠近所确定的基准值，从而达到系统的耗差总和最 小的目标。 1 2 国内外研究现状 美国电力科学研究院( e p r d 在改善机组运行经济性能，提高热效率方面负 责组织开发研制了一个降低热耗率的专家系统，用它来分析和诊断燃煤电站热效率 和可控参数的偏差和趋势，从而提供合理的性能偏差原因。此外，西屋电力公司发 电部等其他一些电站研究机构在此方面也作了不少工作。他们分别开发研制了许多 电站性能监测软件。这些软件的实用性很强，能与d c s 系统相兼容及满足电厂的 实际需要。 在我国耗差分析作为研究火电厂经济性的一种方法，也在火电厂经济性分析中 已经得到广泛应用。目前，耗差分析中，确定参数基准值( 最优值) 作为耗差分析 的一个重要方面对机组的优化运行起到了关键性作用，目前，常用的参数基准值确 定方法有以下几种：制造厂提供的设计数据；理论分析和变工况计算所得的数据： 新装机组或大小修后机组热力试验所提供的数据；从有经验的运行人员处所得到的 数据。以上所述的确定参数基准值的方法在国内外已经得到深入研究，并广泛用于 指导电厂的经济运行，取得了显著的经济性效果，但均不能实现在机组实时运行过 程中动态确定机组运行参数的基准值。 同时，大型火电机组逐渐参与电网调峰，致使机组不能总是在额定负荷下运行， 3 华北电力大学硕士学位论文 机组的经济性分析变的越来越复杂，从而运行参数目标值的确定也越来越复杂，从 而促使有效分析数据工具的出现。而关联规则作为有效分析大量数据的工具已经应 用于热力系统中，英国b e l f a s t 女皇大学已经对关联规则数据分析技术应用与电厂 d c s 数据库挖掘方面进行研究”。 机组运行参数的最优值问题和偏差分析或能损分析联系在一起，美国、加拿大 等西方国家早在七十年代初就进行这方面的研究，当时的研究重点是用热偏差分析 对机组热耗变化进行在线监视，通过对一些可控参数的调整，使机组运行的能耗减 至最小。英国的b a b c o c kc o n t r o l s ，德国的d v g 与v g b ，日本的c r i e p i ，m i t s u b i s i ， h i t a c h i ，以及瑞士的b b c 等公司和科研机构也进行了能损和偏差分析方面的研究 和试验，其目的就是要使机组在最佳目标运行工况下运行，机组运行性能和经济性 达到最优。而且，国外的监测和优化系统有许多都已经能够动态地给运行人员提供 实时降低能损的控制值。在国内，通常采用供电煤耗率作为评价机组性能的综合指 标。八十年代，提出了“热偏差法”与“能损分析诊断方法”，其基本思想是对运 行经济性指标偏差进行逐级分解，从而得到各项偏差所造成的能量损失。初期的能 损监测系统是基于d o s 操作平台的，如在清河电厂及天津杨柳青电厂的能损分析 诊断装置。后来武汉大学在1 9 9 8 及2 0 0 0 年曾先后开发了两套w i n d o w s 平台下 的火电厂能损监测系统。这些系统的开发的最终目的都是为了使机组能在最佳目标 运行工况下工作，从而确定运行可控参数的基准值是使机组在最佳目标工况下工作 的当务之急。 1 3 目前运行参数最优值确定存在的问题 国内在确定关键参数的运行优化目标值时，大致有以下几种方法“： ( 1 ) 采用制造厂提供的设计值。如主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽温度等。 采用设计值的方法比较简单易行，其缺陷是忽略了设备在安装过程和运行中所造成 的热力特性的变化，尤其是由于系统各设备的匹配所造成的热力特性的变化。即未 考虑随环境等参数影响的变化。 ( 2 ) 采用最佳运行试验的方法。在进行设备消缺后，进行若干工况的试验，确 定应达值，如排烟温度、烟气含氧量、汽水损失等。采用该方法，在系统运行初期 效果较好，但是随着运行时间的延长，机组的状态发生改变，应达值也应有所变化。 但是，在发电厂不可能经常做上述大量的试验，使得应达值和机组实际运行状态不 符合。 ( 3 ) 采用变工况热力计算结果。如汽机真空、给水温度等。采用该方法，从理 论上讲是正确的。但是，计算结果受到变工况热力计算模型的影响。而且，计算得 到的基准值是理论值，在运行中较难达到，这样就影响了对运行的指导作用。 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 采用历史数据的统计值。对一段时间内机组运行指标数据进行分析、统计， 得到某些指标的应达值。采用该方法，由于统计是一个复杂费时的过程，且原始数 据是没有进行过验证的，因此，统计一次要经过数据验证，选择典型数据，再考虑 边界条件的影响，给出应达值。由于这一过程繁琐，采用这种方法的系统一般也不 对应达值进行经常性的更新，使得应达值和机组状态不符合。 确定运行参数的最优值应考虑它的准确性、实时性及可行性。如果得出的最优 值在运行中不符合设备的实际状态或在实际运行中不能达到，就不能对运行起到很 好的指导作用。应达值在优化系统中起着重要的作用，很多系统之所以不能在现场 长期有效的使用，应达值确定不合理是一个主要原因。现在优化系统常用的应达值 是静态的，即在较长时间内是不变的。而事实上，随着机组运行时间的延续，机组 运行环境和设备状态的变化，应达值是变化的。应达值确定不合理使得参数指标的 比较标准不是最优值，失去优化指导作用，而且运行指标考核也失去标准，影响运 行人员的操作热情，因此，厂方也指出合理确定应达值的重要性，他们希望应达值 应该能随机组状态的迁移而自动适应和变化，即具有自学习能力。这样，才能对机 组运行更有指导性对运行考核也更合理、更有说服力 因此，需要寻找一种新的方法，充分利用现有的历史数据库资源，探讨目标值 的多种影响因素，得出在各种影响因素变化之下的，符合当前机组运行状况的参数 优化目标值。这是运行优化中的核心问题。 1 4 本文的研究内容 数据挖掘是近一、二十年才兴起的数据处理工具，它的应用面很广泛，能应用 在各个领域，其很多方面仍然处于理论性的研究阶段，我们只是尝试性的把已经发 展完善的数据挖掘方法引入到电厂机组的运行优化中来，希望能借此引发对机组运 行优化的进一步研究，不断把新的研究方法应用于电厂机组运行优化工作中来。 具体研究内容如下： 运用d e l p h i 高级编程语言，在w i n d o w sx p 操作系统下开发研制了确定大型火电 机组运行优化目标值系统；利用华能营口电厂1 # 机组的d c s 运行数据，对开发的系 统进行分析；利用华能营口电厂l # 机组的大修后的热力性能实验报告来对结果进行 校核、评估。 具体研究了以下几个方面的问题： ( 1 ) 阐述了传统确定运行参数基准值方法和这些方法存在的不足，提出了用关 联规则分析确定运行参数最优值。 ( 2 ) 分析参数的选择方法 影响机组运行经济性的因素是非常多的，且它们之问的耦合性非常强，而数据 5 华北电力大学硕士学位论文 挖掘技术大多有维数上的限制，因而尝试着将属性模糊聚类方法引入到系统分析过 程中，进行分析参数的选择，减少运算量，提高运算速度。 ( 3 ) 关联规则分析方法算法的选择 着眼点是选择合适的算法，建立合适的挖掘模型，提高数据挖掘的效果。本文 选用关联规则分析方法。 ( 4 ) 针对目前在确定运行参数基准值方面存在的不足，以及数据挖掘在电厂中 应用的基本思想，开发了用关联规则分析确定机组运行参数基准值系统。 ( 5 ) 利用热力实验数据对关联规则分析结果进行工程校核，即以热力实验数据 和由关联规则分析所得到的目标值进行比较，比较其变化趋势及其数值偏差，即可 得出关联规则分析方法确定目标值的准确程度。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章基于属性的模糊聚类分析方法 机组的优化运行是由许多过程属性共同决定的，任何一个属性的变化将影晌其 他属性乃至过程状态的变化，即在空间上，过程属性具有高维数、强关联性和非线 性的特点。 一 在系统分析或评估过程中，如针对机组的运行优化问题，为避免遗漏某些重要 因素，人们往往在一开始选取指标时，尽可能多地考虑所有相关因素。而这样做的 结果，则是变量过多，交量间的相关度高，系统分拆与建模带来很大的不便。同时， 大多数挖掘算法都有维数上的限制，并且数据的强关联性和非线性也增加了知识表 示的难度，影响知识的可视化和可理解性。因此，在这里引入属性模糊聚类分析方 法对分析时全面选择的过多的参数进行优化选择，即通过模糊聚类选择有效的、有 代表性的参数用于分析。 2 1 属性模糊聚类分析方法的理论基础 聚类分析是数理统计中研究“物以类聚”的一种多元分析方法，即用数学定量 地确定样品的亲疏关系，从而客观地分型划类。由于事物本身在很多情况下都带有 模糊性，因此把模糊数学方法引入聚类分析，形成模糊聚类分析方法来分析问题， 就能使分类更切合实际。传统的聚类分析是一种硬划分，它把每个待辨识的对象严 格地划分到某个类中，具有非此即彼的性质，因此这种分类的类别界限是分明的。 而实际上大多数对象并没有严格的属性，它们在性态和类属方面存在着中介性，适 合进行软划分。z a d e h 1 提出的模糊集理论为这种软划分提供了有力的分析工具， 人们开始用模糊的方法来处理聚类问题，并称之为模糊聚类分析。由于模糊聚类得 到了样本属于各个类别的不确定性程度，表达了样本类属的中介性，即建立起了样 本对于类别的不确定性的描述，能更客观地反映现实世界，从而成为聚类分析研究 的主流。 模糊聚类分析1 是非监督模式识别的重要分支，在模式识别、数据挖掘、计算 机视觉以及模糊控制等领域具有广泛的应用，也是近年来得到迅速发展的一个研究 热点。模颧聚类主要内容有：模糊数学与可能性理论基础，谱系聚类、基于等价关 系的聚类和图论聚类方法，c 均值类型的基于目标函数的模糊聚类方法及存在的问 题，模糊聚类神经网络，模糊聚类遗传算法和进化策略，模糊聚类的原型初始化方 法，模糊聚类的有效性分析，模糊聚类的聚类趋势分析，区间值数据的模糊聚类分 析及其推广，以及模糊聚类在图像分割和模式识别中的应用等。 7 华北电力大学硕士学位论文 模糊划分的概念最早由r u s p i n i l 5 j 提出，利用这一概念人们提出了多种聚类方 法，比较典型的有：基于相似性关系和模糊关系的方法( 包括聚合法和分裂法) 、基 于模糊等价关系的传递闭包方法、基于模糊图论最大树方法，以及基于数据集的凸 分解、动态规划和难以辨识关系等方法。然而由于上述方法不适用于大数据量情况， 难以满足实时性要求高的场合，因此其实际的应用不够广泛，故在该方面的研究也 就逐步减少了。实际中受到普遍欢迎的是基于目标函数的方法，该方法设计简单、 解决问题的范围广，最终还可以转化为优化问题而借助经典数学的非线性规划理论 求解，并易于计算机实现。因此，随着计算机的应用和发展，该类方法成为聚类研 究的热点。 模糊聚类分析的实质就是根据研究对象本身的属性来构造模糊矩阵，在此基础 上根据一定的隶属度来确定其分类关系。 属性模糊聚类分析的优点是在无任何专家经验的基础上，就能找到各个属性之 间的关系，同时也可以实现知识简约，因此，我们考虑将属性模糊聚类引入确定大 型汽轮机组运行参数基准值的分析过程中来。 在聚类分析中【6 l ，通常我们将根据分类对象的不同分为样本聚类和属性( 有的 文章称为变量) 聚类分析两大类：前者称为q 型聚类；后者称为r 型聚类。假定 要对m 个对象的n 个指标值进行聚类，称这m 个对象为样品( 即数据结构中的数 据元素) ，n 个指标为属性。即论域u = x l ，x 2 ，x n 为被分类的对象。于是 得到原始数据矩阵如下： x 时x 憎x 蜉，x h x 时x 心x 钟，x h x 坩x 蚶x 罐，x h i ，i ，；，i ，i 以。，以：，戤3 ，疋。 样本聚类分析是对样本进行分类处理，属性聚类分析是对属性进行分类处理。 属性聚类分析的主要作用是： ( 1 ) 不但可以了解个别属性之间的关系的亲疏程度，而且可以了解各个属性组合 之间的亲疏程度。 ( 2 ) 根据属性的分类结果以及它们之间的关系，可以选择主要属性进行进一步的 分析，从而实现知识约简。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 2 基于属性的模糊聚类分析方法的步骤 基于属性的聚类分析的目的应该是：使通过聚类得到的结果有明确的实际意 义，有较强的分辨力和代表性。下面讨论采用模糊聚类分析法对属性进行聚类的分 析步骤。在选定了样品及其属性之后，进行模糊聚类分析的方法大致有三步【朔。 2 2 1 数据规格化 在实际数据中，由于n 个指标的量纲和数量级大多是不相同的，直接利用原始 数据进行计算，就可能突出某些数量级特别大的特性指标对分类的作用，而降低甚 至排斥某些数量级较小的特性的作用，导致一个指标只要改变一下单位，也会改变 分类结果。因此，必须对原始数据进行无量纲化处理，使每一指标值统一于某种共 同的数据特性范围内，通常将数据压缩到区间【o ，1 】上。实现数据规格化的方法有： ( 1 ) 标准差变换 吱；x a - x k ( i ：1 ，2 ，m ；七= 1 ，2 ，弗) ( 2 1 ) 5 其中互一砉霪，； ( 2 ) 极差变换 2 2 2 标定 ，驴m 。i n 【x m ) 矿面硼前 ( 2 2 ) 标定，即计算出衡量被分类对象间相似程度的统一计量，从而确定论域u 上 的相似关系r ，建立模糊相似矩阵。 r = y 1 1 y t 2 r h y 2 1 y ，y h “rn 2 ， 确定各个指标之间相似程度的y # ，常用的方法有相似系数法、距离法以及其它 方法。具体用什么方法，可以根据实际的问题从中选择。 ( 1 ) 相似系数法 9 华北电力大学硕士学位论文 。 其中三一丢薹黾，i 一丢薹。 ( 2 ) 海明距离法 ( 3 ) 欧式距离法 均小c 薹陬一 一1 一c 式中，c 为适当选取的参数，它使得0 s s 1 2 2 3 构造模糊等价矩阵并进行聚类 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 定义： 设给定u 上的一个模糊关系月= l h ，如果它满足：自反性- 1 ； 对称性均一；传递性r 。r c _ ra 则称尺= ( ) 。是一个模糊等价矩阵。 在2 2 2 中求得衡量被分类对象问相似程度的统一计量，并构造用作为 元素的模糊相似矩阵，但是相似矩阵r 只满足自反性和对称性，因此我们需要将其 改造成等价矩阵。即要使模糊相似矩阵具备传递性的属性，要实现这一点关键是要 找到模糊相似矩阵的传递闭包。 一个n 阶模糊矩阵r ，当r 满足r 。r r 时，则称它为模糊传递矩阵。包含r 的最小的模糊传递矩阵称为r 的传递闭包，记作t ( r ) ，获取r 的传递闭包t ( r ) 可采 用下面的简捷方法一平方法，从模糊矩阵r 出发，依次求平方： r r 2 - r 4 - r 一_ 华北电力大学硕士学位论文 当第一次出现彤。彤= 科时，就是所求的传递闭包t ( r ) ，此时传递闭包t ( r ) 是模糊等价矩阵，该矩阵的元素用a i j 表示，例如图2 - 1 就是利用上述方法求出的模 糊等价矩阵，并可利用矩阵t ( 鼬中的元素a 的大小做出图2 - 2 ，称之为动态聚类图，然 后根据实际情况选择合适得阈值a ，对属性全体进行分类。由于模糊等价关系r 和t ( r ) 都是等价关系，因此可以按照t ( r ) 进行分类，根据所取的t ( r ) 中的元素a 大小得到 不同的分类。以模糊聚类动态图图2 - 2 为例： 若取a = o 9 6 1 7 ，则参数被分为l o 类，分别是： x s , x 1 3 ，x l l ，x 1 2 ，x 1 4 ，x 9 ，x 1 0 ，x 8 ，x 2 0 ，x 7 1 ， x l ，x 2 i ， x 6 ， x 4 l ，i x l 9 ，【x 3 】， x t 7 】， 【x 1 5 ， x 1 6 ， x 1 8 ； 若取a = o 9 1 9 6 ，则参数被分为7 类，分别是： x 5 ，) 【1 3 ，x l l ，x 1 2 ，x 1 4 ，x 9 ，x 1 0 , x 8 ，x 2 0 ，x 7 , x l ，x 2 , x 6 ， x 4 ，x 1 9 ， x 3 i x 1 7 1 ， x 1 5 1 ， 【x 1 6 ， x 1 8 2 3 应用实例 本文以华能营口电厂1 # 机组实际运行积累的d c s 数据作为数据源。该电厂 1 样机组系原苏联哈尔柯夫汽轮机制造厂生产的超l 临界、单轴三缸、双排汽、再热、 凝汽式汽轮发电机组，额定功率3 2 0 m w 。回热系统有八级非调整抽汽，分别供给 三台高压加热器、除氧器和四台低压加热器。机组投产运行十多年来，由于通流部 分积垢或其他设备因磨损等发生的一些结构变化，以及周围大气环境温度的变化， 使机组运行参数总是偏离原设计值，机组运行的经济性降低。 机组热耗率的高低直接反映机组运行状态的好坏，是考察机组运行经济性的重 要指标，因此，选择机组热耗率为本研究课题的决策量。 机组热耗率计算公式为： h r 一( l + 3 心一1 l 啊1 一鼋脚2 ，1 2 一q m j t 一色m ，0 ) v ( 2 6 ) 上式中： q m l 主汽流量( k g h ) ， h l1 主汽焓( k j k g ) q m 3 热再热蒸汽流量( k g h ) h 3 热再热蒸汽焓( k j k g ) q m n 锅炉给水流量( k g h ) h l l 锅炉给水焓( k j k g ) 1 1 华北电力大学硕士学位论文 q = 2 再热冷段蒸汽流量( k g h ) h 2 再热冷段蒸汽焓( k j k g ) q m i s 过热器减温水流量( k g h ) k 过热器减温水焓( k j k g ) q m i r 再热器汽减温水流量( k g h ) b 再热器汽减温水焓( k j k g ) p 发电机输出功率( k w ) 注：计算时发电机输出功率为发电机端实测出力 我们首先要选出跟机组热耗率相关的参数为下一步的分析做准备。 2 3 1 参数的选择 根据计算机组热耗率的计算公式和有关专业知识，我们从电厂所提供的测点参 数中选出了6 0 个与确定机组热耗率相关的参数，他们分别是：主蒸汽温度、主蒸 汽压力、给水温度、给水压力、再热蒸汽压力、再热后温度、主汽流量、热再热蒸 汽流量、过热器减温水流量，再热器减温水流量、凝汽器真空、八段抽汽口压力、八 段抽汽口温度、七段抽汽口压力、七段抽汽口温度、六段抽汽口压力、六段抽汽口 温度、五段抽汽口压力、五段抽汽口温度、四段抽汽口压力、四段抽汽口温度、三 段抽汽口压力、三段抽汽口温度、二段抽汽口压力、二段抽汽口温度、一段抽汽口 压力、一段抽汽口温度、1 聋低加疏水温度、2 撑低加疏水温度、错低加疏水温度、错 低加疏水温度、除氧器温度、甜高加疏水温度、错高加疏水温度、蹦高加疏水温度、 1 静低加入口水温、2 撑低加入口水温、3 静低加入口水温、鲥低加出口水温、钳低加出 口水温、给水泵联箱出口水温、甜高加出口水温、7 带高加出口水温、8 静高加出口水 温、1 群低加上端差、2 # j f t t 加上端差、3 舞低加上端差、错低加上端差、甜高加上端差、 错高加上端差、跚高加上端差、1 撑低加下端差、错低加下端差、3 撑低加下端差、错 低加下端差、6 群高加下端差、7 撑高加下端差、黜高加下端差、给水泵联箱出口压力、 机组负荷。 而机组的运行参数可以分为两类：一类是运行可控的，一类是检修可控的。对 于机组的主蒸汽参数( 主蒸汽温度、压力) 、再热参数( 再热蒸汽温度) 和终参数 ( 排汽参数) ，以及锅炉侧的过热、再热减温水量等参数主要由运行人员完成控制、 调整，力求达到最优状态，可归为运行可控的参数。而某些与设备本身特性直接相 关的参数，在运行可控参数确定后由设备本身按其自身特性自行分配的参数，如汽 机轴封漏汽、各级加热器端差等，主要由检修质量来保证。 因为本文要实现的目标是确定运行参数的最优值，依此，指导运行人员操作， 华北电力大学硕士学位论文 使机组在最优的模式下运行，因此，从实际应用的角度出发，我们在这里只研究可 控的参数。上文选出的6 0 个参数中： ( 1 ) 八段抽汽口压力、八段抽汽1 1 1 温度、七段抽汽口压力、七段抽汽口温度、六段 抽汽口压力、六段抽汽口温度、五段抽汽口压力、五段抽汽口温度、四段抽汽口压 力、四段抽汽口温度、三段抽汽口压力、三段抽汽口温度、二段抽汽口压力、二段 抽汽口温度、一段抽汽口压力、一段抽汽口温度，上述1 6 个参数属于抽汽参数， 根据热力系统的特点，这些参数不可控。 ( 2 ) 1 群低加疏水温度、猫低加疏水温度、3 # 低d h 疏水温度、钳低加疏水温度、除氧 器温度、甜高加疏水温度、7 群高加疏水温度、8 静高加疏水温度，上述8 个参数主要 由对应的各级抽汽参数和给水或凝结水的参数决定，所以也被归为不可控参数的范 围。 ( 3 ) 1 孝低加上端差、2 别| 氐加上端差、错低加上端差、错低加上端差、酣高加上 端差、错高加上端差、甜高加上端差、1 静低加下端差、2 别氐加下端差、3 样低加下端 差、甜低加下端差、甜高加下端差、钳高加下端差、错高加下端差，这1 4 个参数 属于检修可控的参数，不属于运行可控，因此也不在本课题的研究范围。 因此，排除三类运行不可控参数，我们对余下的2 2 个参数和机组热耗率一起 作进一步分析。 2 3 2 基于属性模糊聚类的参数分析 鉴于本文选择的分析方法是选用关联规则分析，该分析方法在维数上是有限制 的，同时为提高计算效率和计算的准确性，下面我们利用属性模糊聚类对余下的2 2 个可控参数和机组热耗共2 3 个数据进行聚类、分析和选择。 为了便于分析我们对这2 3 个参数进行编号： 机组负荷x 1 、再热蒸汽压力x 2 、再热蒸汽温度x 3 、给水压力x 4 、给水温度 x 5 、1 # 低压加热器入口水温x 6 、2 # 低压加热器入口水温x 7 、3 # 低压加热器入口水 温x 8 、3 # 低压加热器出口水温x 9 、4 # 低压加热器出口水温x i o 、6 # 高压加热器出 口水温x l l 、7 # 高压加热器出口水温x 1 2 、8 # 高压加热器出口水温x 1 3 、除氧器温 度x 1 4 、机组热耗率x 1 5 、主蒸汽流量x 1 6 、过热减温水流量x 1 7 、再热减温水流量 x 1 8 、给水泵联箱出口压力x 1 9 、给水泵联箱出口水温x 2 0 、主蒸汽温度x 2 1 、主 蒸汽压力x 2 2 、凝汽器真空x 2 3 。 根据热力系统的特点和分析的需要，我们首先选出对热耗率影响最大的主蒸汽 压力x 2 1 、凝汽器真空x 2 2 、主蒸汽流量x 2 3 这三个参数作为必选参数，不参加聚 类，把余下的2 0 个参数进行属性模糊聚类。 接下来按照上述实现模糊聚类分析的三个步骤用d e l p h i 7 0 编制实现模糊等价 华北电力大学硕士学位论文 矩阵的程序。程序所用算法即上文2 2 节所述，各个步骤的具体算法选择如下： a 数据规格化 在这一步骤中我们选择的方法是2 2 2 节中的公式2 - 2 ，即极差变换法。 b 标定 本文选择上述标定实现方法中的海明距离法，即2 2 2 节中的公式2 4 ，运用 该方法对规格化以后的数据进行标定，并以标定结果为元素构造相似矩阵，即模 糊相似矩阵。 c 构造模糊等价矩阵，进行聚类 对上一步中得到的模糊形似矩阵，利用平方法，即2 2 2 节中的公式2 - 6 获取 模糊矩阵的最小传递闭包，该最小传递闭包就是模糊等价矩阵。 利用上述算法步骤求得模糊等价矩阵r ，如下图2 - 1 是计算结果的界面。 图2 - l 模糊等价矩阵 将模糊等价矩阵中的元素a 由大到小取值进行聚类，建立动态聚类图，如图2 2 模糊聚类动态图所示。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 x 5x 1 3x 1 1x 1 2x 1 4 船x 1 0x 81 , 2 0 耵x lx 2x 6hx 1 9x 3x l x 1 5x 1 6x 1 8 图2 - 2 模糊聚类动态图 模糊聚类动态图根据阈值的大小将参数进行分门别类，我们通过模糊聚类动态 图2 2 ，可比较全面直观的了解指标的聚类情况，这种方法实现了在无专家指导和 现场经验的情况下对参数进行分类，达到参数分析的目的。然后结合专业知识选择 合适的阈值a ，将指标分为不同的类，阈值相同的归为一类，然后根据具体问题分 析的需要，选择同一类或者不同的类进行下一步的分析。 取 = 0 9 1 9 6 ，从上图2 2 可以看到，上述所选的2 0 个参数指标被分成7 类， 它们分别是 x 5 ，x 1 3 ，x l l ，x 1 2 ，x 1 4 ，x 9 ，x i o ，x 8 ，x 2 0 ，x 7 ，x 1 ，x 2 ，x 6 ， x 4 ，x 1 9 1 ，【x 3 】， 【x 1 7 1 ， x 1 5 1 ， x 1 6 1 ，i x l 8 。 ( 1 ) 参数指标类 x 5 ，x 1 3 ，x l l ，x 1 2 ，x 1 4 ，x 9 ，x i o ，x 8 ，x 2 0 ，x 7 ，x 1 ，x 2 ，x 6 中所包含的参 数较多，本论文所要实现的目标是确定运行参数的最优值，根据此研究e l 的，机组 负荷x 1 作为分析问题的一个条件所以是必选参数；x 5 即给水温度，它在 = o 9 8 9 6 时就与x 1 3 即8 # 高压加热器的出口水温聚为一类，说明两者具有很强的相关性，同 时从热力系统的特点来看，8 # 高压加热器的出口水温在忽略管道散热损失的条件 华北电力大学硕士学位论文 下，两者在量上其实是相同的，这一点充分说明聚类结果是符合实际的。而 x 1 3 ，x l l ，x 1 2 ，x 1 4 ，x 9 ，x i o ，x 8 ，x 2 0 ，x 7 ，x 6 都是加热器进出口水温参数，从热力系统的 特点来讲属于一类参数，而x 5 与x 1 3 有很强的相关性和相似性，而且，参数x 5 即给水温度也是影响机组热效率的重要参数，因此，在这一类中选x 5 作为代表参 数是合理的；再热汽压x 2 的高低对机组热耗影响也很大，因此也在被选之列。在 这一类中最终选出的代表参数有机组负荷x 1 。再热汽压x 2 ，给水温度x 5 。 ( 2 ) 在类 x 4 ，x 1 9 中，给水泵联箱出口压力x 1 9 影响着机组6 # 高压加热器， 7 # 高压加热器，8 # 高压加热器的进出口水的焓值，当忽略管道压损时，在数量上给 水泵联箱出口压力x 1 9 与给水压力x 4 是等同的，可选给水压力x 4 为这一类的代 表参数。 根据以上分析结果，在2 0 个参数中，我们选出的代表参数只有9 个。他们分别 是机组负荷x 1 ，再热温度x 2 ，再热汽温x 3 ，给水压力x 4 ，给水温度x 5 ，机组热 耗率x 1 5 、主蒸汽流量x 1 6 、过热减温水流量x 1 7 、再热减温水流量x 1 8 ，加上在分 析参数之前已经选定的3 个参数，主蒸汽温度x 2 0 ，主蒸汽压力x 2 1 ，凝汽器真空 x 2 2 ，最终的分析参数是1 2 个 2 4 本章小结 本章主要介绍了属性模糊聚类方法的原理和基于属性模糊聚类的分析方法步 骤，并用实例证明该方法在确定运行参数基准值课题中参数选择中的应用是有效可 行的，通过模糊聚类，其得到的聚类结果有明确的实际意义，符合热力系统特性， 有较强的分辨力和代表性。 利用属性模糊聚类进行参数的选择，根据具体要实现的目标是多方案的，主要 总结为以下几点： ( 1 ) 利用属性模糊聚类把预选的与研究问题相关联的参数进行聚类，把参数分 为几类，画出聚类动态图，在聚类动态图上选择合适的阀值，把参数分为几类，根 据分析目标和专业知识，从每类选择出一定数量的参数代表该类，把选定的参数作 为最终的分析参数，进入下一步分析。本章的实例应用就是采用这种方法。 ( 2 ) 利用属性模糊聚类将要分析的目标参数跟预选择的大量参数一起进行属性 聚类，根据分析目标，在聚类动态图上选择合适的阀值，将分析的参数划分为几类， 将与目标参数聚为一类的所有参数选出，作为最终的分析参数，进入下一步分析。 总之，基于属性的模糊聚类方法可在没有任何专家指导的情况下，建立确定影 响汽轮发电机组热效率的参数的削减的不确定性描述，准确客观的反映运行参数之 间的关系，并实现知识约简；同时根据分析目的的不同，该法的应用又是灵活多变 的，有比较广泛的应用空间。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 第三章关联规则挖掘技术 由于火电机组集散控制系统( d c s ) 的普遍采用，信息化技术包括监控信息 系统( s i s ) 、管理信息系统( m i s ) 的应用亦不断深入，火电机组实时数据信息的 集成加工和利用成为人们关注的焦点。一方面，运行生产迫切需要这种直接来源于 实时数据的、代表设备真实特性的运行知识和规则；另一方面，实时数据的获取代 价昂贵，不能充分利用实时数据中蕴涵的知识，意味着投资回报水平的降低。火电 厂s i s 的核心是在实时数据高效处理技术的基础上，实现设备特性知识的充分提取， 进而实现火电机组性能优化。但由于机组负荷、环境温度、燃料成分及操作方式等 多种因素的影响，现有常规算法难以准确地建立反映机组运行特性的数学模型。 数据挖掘技术作为一种强有力的数据分析工具得到重视。数据挖掘通常又被称 为数据库中的知识发现( k d d ) ，是自动的或方便的模式提取，这些模式代表隐含 在大型数据库、数据仓库或其它大量信息存储中的知识。 关联规则分析是数据挖掘的一种重要功能，关联规则挖掘就是从大量的数据 中挖掘出有价值描述数据项之间相互联系的有关知识。随着收集储存在数据库中的 数据规模越来越大，人们对从这些数据中挖掘相应的关联知识越来越感兴趣。从大 量d c s 记录的现场数据中发现有趣的关联关系，不仅可以协助工程师迅速找出问题 发生的范围，而且可以获得有价值的更深层次的设备运行状况规律等方面的信息， 从而实现优化运行指导等。 3 1 关联规则概念和原理 设i = i 1 ，i 2 ，i m 是m 个不同的项目组成的集合，给定一个事务数据 库d ，其