潘召濤

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山發(fā)電廠， 山西 呂梁 033102）

引言

風(fēng)機(jī)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)對提高火電廠機(jī)組工作效率非常關(guān)鍵，其工作的穩(wěn)定性直接影響火電廠的經(jīng)濟(jì)和安全。由于火電廠風(fēng)機(jī)工作環(huán)境相對惡劣，經(jīng)長時(shí)間大負(fù)荷運(yùn)行，容易產(chǎn)生各種故障，而大部分火電廠對風(fēng)機(jī)仍然采取巡檢、定期維護(hù)、停運(yùn)檢修的故障預(yù)防和處理方法，這對火電廠的運(yùn)行效率產(chǎn)生一定的影響。本文提出利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在風(fēng)機(jī)故障對機(jī)組運(yùn)行造成影響之前，提早發(fā)出預(yù)警，使風(fēng)機(jī)管理人員及時(shí)做出維修方案，避免事故造成重大經(jīng)濟(jì)損失。使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)首先要有完整的數(shù)據(jù)源，對數(shù)據(jù)進(jìn)行集成、選取和處理，然后挖掘其中內(nèi)在的關(guān)聯(lián)規(guī)則，以此改善風(fēng)機(jī)故障的預(yù)警方法，使其在故障發(fā)生前短時(shí)間內(nèi)發(fā)出報(bào)警，對風(fēng)機(jī)的管理起到優(yōu)化效果。

1 風(fēng)機(jī)特性及常見故障

火電廠中常用的風(fēng)機(jī)主要包括引風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)、密風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、吸潮風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)等，其中由于一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行條件較差，需要連續(xù)地在煙塵濃密的環(huán)境中進(jìn)行大功率輸出，具有很高的故障率，進(jìn)行故障維修平均每年需要兩次以上，每次維修都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組減負(fù)荷運(yùn)行甚至造成非計(jì)劃停機(jī)。從維修記錄和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，風(fēng)機(jī)的常見故障主要包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損壞、葉片磨損、動(dòng)葉卡澀、噪音過大、突發(fā)降速、喘振、軸承振動(dòng)和軸承溫度高等[1]。

2 基于數(shù)據(jù)挖掘的風(fēng)機(jī)故障預(yù)警時(shí)間確定

KDD 是一種數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，其過程是根據(jù)一些特定的度量方法和閾值提取有意義的交互和迭代式多階段過程，主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)果表達(dá)三個(gè)步驟，如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)流程

本文以某火電廠機(jī)組系統(tǒng)中的一次風(fēng)機(jī)故障報(bào)警優(yōu)化過程作為研究對象，該風(fēng)機(jī)已經(jīng)運(yùn)行4 年，各種運(yùn)行參數(shù)和檢修過程記錄完整，比較適合作為數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的研究內(nèi)容。該一次風(fēng)機(jī)共安裝檢測點(diǎn)31個(gè)，其中入口調(diào)節(jié)檔板開度1 個(gè)、電機(jī)前后軸承振動(dòng)4 個(gè)、出口壓力 2 個(gè)、風(fēng)機(jī)前后軸承振動(dòng) 4 個(gè)、A 相電流1 個(gè)、風(fēng)機(jī)前后軸承溫度6 個(gè)、電機(jī)前后軸承溫度2 個(gè)、出口溫度1 個(gè)、電動(dòng)機(jī)定子線圈溫度6 個(gè)、風(fēng)機(jī)變頻裝置輸出電流1 個(gè)、電機(jī)潤滑系統(tǒng)3 個(gè)。4 年記錄的運(yùn)行參數(shù)和檢修數(shù)據(jù)量達(dá)到千萬條之多[2]。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備過程由數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)選取和數(shù)據(jù)處理三個(gè)步驟完成。數(shù)據(jù)集成是將多個(gè)數(shù)據(jù)渠道獲取的信息進(jìn)行合并處理；數(shù)據(jù)選取是將所需要處理的有效數(shù)據(jù)范圍從整體數(shù)據(jù)中提取出來，縮小工作量，提高工作效率；數(shù)據(jù)處理是將原始數(shù)據(jù)中不準(zhǔn)確或遺漏的信息使用其他的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行處理，以滿足挖掘算法的需求，這也可以彌補(bǔ)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的局限性。

2.1.1 數(shù)據(jù)集成和選取

需要選取一次風(fēng)機(jī)無故障運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的歷史數(shù)據(jù)信息和另一組故障記錄及其記錄時(shí)間點(diǎn)前后的歷史數(shù)據(jù)。因此，選取一次風(fēng)機(jī)無故障歷史記錄信息的時(shí)間為2018 年9 月至2019 年4 月，選取故障信息點(diǎn)及其前后的歷史信息記錄從2019 年7 月至2019年9 月。對選取的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)，各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)量從4 000～14 000 不等。首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，從記錄中找到嚴(yán)重偏離正常范圍的數(shù)據(jù)或者遺漏和亂碼的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行清除。在保證足夠數(shù)據(jù)量的基礎(chǔ)上去掉一些數(shù)據(jù)量少、遺失信息過多的測點(diǎn)，數(shù)據(jù)清洗后保留測點(diǎn)20 個(gè)，這些保留的測點(diǎn)全部為數(shù)字型物理參數(shù)量，包括振動(dòng)、溫度、開度、電流、壓力等[3]。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理

由于各測點(diǎn)對應(yīng)的參數(shù)不同，所以采集周期和采集數(shù)量不同，導(dǎo)致在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)每個(gè)測點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)時(shí)間間隔不一樣，這不符合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)處理要求。因此，需要給每組測點(diǎn)的數(shù)據(jù)設(shè)置一個(gè)時(shí)間碼，由設(shè)定的時(shí)間碼，對時(shí)間一致性差的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，這樣處理后的數(shù)據(jù)就可以做到同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)各測點(diǎn)的數(shù)據(jù)數(shù)量相同，完成數(shù)據(jù)的一致性。對選取時(shí)間段內(nèi)一次風(fēng)機(jī)各測點(diǎn)數(shù)據(jù)插值處理后，重新得到280 000 組數(shù)據(jù)。這樣龐大的數(shù)據(jù)量，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是難以處理和完成的[4]。而對于數(shù)據(jù)挖掘不需要保證時(shí)間上連續(xù)，只需保證數(shù)據(jù)對時(shí)間上的一致性即可。所以等間隔提取非故障狀態(tài)下的1 000組數(shù)據(jù)和故障點(diǎn)前后5 000 組數(shù)據(jù)用來研究即可。

2.2 數(shù)據(jù)挖掘

描述和預(yù)測是數(shù)據(jù)挖掘的兩個(gè)重要因素，描述是找出隱藏在數(shù)據(jù)中的相關(guān)信息，預(yù)測是在使用已知數(shù)據(jù)建立模型的基礎(chǔ)上判斷新數(shù)據(jù)的發(fā)展方向。首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，挖掘關(guān)聯(lián)規(guī)則，數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)表現(xiàn)出的是屬性及其數(shù)值頻繁的在給定數(shù)據(jù)集中體現(xiàn)出的條件。關(guān)聯(lián)規(guī)則的形式可以表現(xiàn)為：

式中：A、B 對應(yīng)事件屬性，關(guān)聯(lián)規(guī)則X?Y 可解釋為“數(shù)據(jù)庫中的記錄滿足條件X，那么也很有可能滿足Y”。例如，如果放任風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)增大，則也極有可能導(dǎo)致電流增大，這種判斷使用關(guān)聯(lián)規(guī)則表示如下：

可以解釋為，這條關(guān)聯(lián)規(guī)則的信任度為80%，支持率為3%，即風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)增大同時(shí)電流也增大的可能性為80%，且這樣的事件發(fā)生的概率為3%。數(shù)據(jù)挖掘過程就是利用建立的關(guān)聯(lián)規(guī)則，從中找出各個(gè)測點(diǎn)之間不能被直接發(fā)現(xiàn)的內(nèi)在隱藏關(guān)系，因此，為了使挖掘出的關(guān)聯(lián)能夠更加準(zhǔn)確地表達(dá)各個(gè)測點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，最小信任度minConf 和最小支持率minSup 的選取是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題，在這個(gè)過程中需要使用“匹配率”這個(gè)指標(biāo)，同時(shí)使用多組實(shí)際數(shù)據(jù)，從中挖掘出最佳的minSup 與minConf，每組數(shù)據(jù)對規(guī)則庫的匹配率定義為mr則：

式中：k1為所有符合關(guān)聯(lián)規(guī)則的數(shù)據(jù)總和；k2為只符合規(guī)則前件而不符合規(guī)則后件的規(guī)則數(shù)。mr越大越能夠更正確地表達(dá)出系統(tǒng)的穩(wěn)定性，各測點(diǎn)屬性狀態(tài)更趨于平穩(wěn)[5]。

2.3 結(jié)果表達(dá)

將挖掘出的規(guī)則進(jìn)行整理形成規(guī)則庫，選取故障點(diǎn)時(shí)間前后5 000 組數(shù)據(jù)來驗(yàn)證規(guī)則庫的有效性。采用滑動(dòng)窗口統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行驗(yàn)證，這種方法可以避免不確定因素干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏離有效范圍而發(fā)生誤報(bào)警。將窗口寬度設(shè)置為20，即把20 個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的匹配率取均值。在驗(yàn)證過程中，將匹配率的下限預(yù)警值設(shè)定為47%，則表示匹配率低于47%時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，驗(yàn)證結(jié)果如圖2 所示。

圖2 匹配率驗(yàn)證結(jié)果

圖2 中預(yù)警點(diǎn)就是匹配率首次降低至47%時(shí)的時(shí)間點(diǎn)，與原超限報(bào)警時(shí)的時(shí)間點(diǎn)相比提早了7 530 s，即2.5 h，從而起到了預(yù)警的效果，對一次風(fēng)機(jī)的故障報(bào)警系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)化作用。

3 結(jié)語

通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對一次風(fēng)機(jī)故障預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使用關(guān)聯(lián)規(guī)則可以反映各測點(diǎn)之間的內(nèi)在關(guān)系，故障的形成要通過一個(gè)轉(zhuǎn)變過程，各測點(diǎn)之間的匹配關(guān)系逐漸被打破，測點(diǎn)之間的匹配度降低，當(dāng)?shù)陀陬A(yù)警匹配率時(shí)，系統(tǒng)提早發(fā)出報(bào)警，并且報(bào)警時(shí)間點(diǎn)可以控制在一個(gè)良好的時(shí)間段內(nèi)，與原超限報(bào)警相比，不會(huì)因事后報(bào)警而造成生產(chǎn)上的影響，也不會(huì)過早發(fā)出預(yù)警而增加維修作業(yè)的工作量，對風(fēng)機(jī)故障的預(yù)警系統(tǒng)起到了良好的優(yōu)化作用。