一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)性能評價方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及火電機(jī)組技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的火電機(jī)組燃燒控制系 統(tǒng)性能評價方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代化火電廠一般有成百上千條基本控制回路，控制工程師很難按傳統(tǒng)方式逐個 監(jiān)視和改善所有控制回路性能，這就導(dǎo)致部分控制系統(tǒng)長期不能正常工作。若沒有定期的 維護(hù)，控制系統(tǒng)的性能會隨著時間的推移而退化。控制性能不好會降低控制系統(tǒng)的有效性， 進(jìn)而可能會降低產(chǎn)品產(chǎn)量、增加不合格產(chǎn)品和增大操作成本。而性能良好的控制系統(tǒng)是工 業(yè)過程"安穩(wěn)長滿優(yōu)"運行的基礎(chǔ)，對于確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品產(chǎn)率、降低原料消耗和能損 耗、延長設(shè)備使用壽命具有重要意義。
[0003] 保證流程工業(yè)過程良好運行的一個重要前提就是對控制系統(tǒng)進(jìn)行性能評價，以此 來確定控制系統(tǒng)的運行狀況，從而為控制系統(tǒng)的維護(hù)提供建議。工業(yè)過程生產(chǎn)設(shè)備的效率、 質(zhì)量以及安全辨識程度的提高也可以通過對控制回路成功的監(jiān)測與評價實現(xiàn)。因此，控制 系統(tǒng)性能評價與監(jiān)控的問題就日益突顯出來，如何有效的對控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行識別和評 價引起了控制領(lǐng)域?qū)＜液推髽I(yè)界的廣泛關(guān)注。
[0004] 在過去的二十多年中，控制系統(tǒng)的性能評價及診斷已經(jīng)發(fā)展為一個非常有吸引力 的研宄領(lǐng)域，大量的學(xué)術(shù)研宄以及商業(yè)投資都已經(jīng)開始投入其中，并且在實際的控制系統(tǒng) 中都有了一定的應(yīng)用。一般的工業(yè)控制回路中有相當(dāng)一部分是多輸入多輸出的多變量控制 回路，因此研宄控制系統(tǒng)性能評價及診斷的一個主要方面就是對多變量控制系統(tǒng)的研宄。
[0005] 近幾年，很多學(xué)者運用最小方差基準(zhǔn)對多變量系統(tǒng)性能評價進(jìn)行了一系列的研 宄。例如：T.J. Harris (1996)和B. Huang (1997)分別將基于最小方差的控制系統(tǒng)性能評價 方法擴(kuò)展到了多變量系統(tǒng)，Harris僅利用被控變量的常規(guī)運行數(shù)據(jù)和交互矩陣的估計值求 MMO系統(tǒng)的控制性能，B. Huang則將單變量控制系統(tǒng)性能評價方法中的FCOR算法擴(kuò)展到了 多變量系統(tǒng)，該方法直觀易懂、算法高效，但同樣需要求交互矩陣的估計值。對于現(xiàn)在研宄 較多的基于最小方差控制基準(zhǔn)來說，其運用在單變量系統(tǒng)中還是較容易實現(xiàn)的。然而若將 其應(yīng)用到多變量系統(tǒng)上，就不得不面臨兩個難點：求取關(guān)聯(lián)矩陣和輸出序列與白噪聲序列 的協(xié)方差，這兩個量需要經(jīng)過復(fù)雜的計算。另外此方法還要求對系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)及傳遞函 數(shù)等有一定的了解，因此基于上述的幾點缺陷就限制了這種評價方法在實際多變量系統(tǒng)中 的應(yīng)用。
[0006] 基于運行數(shù)據(jù)的技術(shù)依靠大量數(shù)據(jù)的分析處理來支持決策，在系統(tǒng)實現(xiàn)中，對大 規(guī)模歷史數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)倉庫而實現(xiàn)各種功能。將數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)性能評價 中，無需系統(tǒng)的精確模型、傳遞函數(shù)陣及交互矩陣，僅僅對系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處 理。在自動化水平較高的火電廠中，采用DCS控制系統(tǒng)，運行數(shù)據(jù)很容易存儲和獲取，為我 們利用運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計算提供了豐富的資源。
[0007] Harris(1989)曾經(jīng)提出了一種評價控制系統(tǒng)性能的有效方法，此方法只用到了系 統(tǒng)的閉環(huán)運行數(shù)據(jù)，并且在進(jìn)行評價時，不對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生額外的擾動，計算簡單方 便易于實現(xiàn)，因此在實際工業(yè)過程控制中獲得了有效應(yīng)用。在以后的發(fā)展過程中，基于閉 環(huán)運行數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)，得到了越來越廣泛的推廣，人們利用輸出數(shù)據(jù)不同的價值函數(shù)形式，通 過比較兩個階段數(shù)據(jù)價值函數(shù)的關(guān)系，從而得到一定的用于表征控制系統(tǒng)性能評價的指標(biāo) 值。
[0008] 上述僅利用系統(tǒng)的閉環(huán)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行性能評價在化工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并 且已經(jīng)有很多商業(yè)化的軟件。但是，火電廠與化工領(lǐng)域相比，系統(tǒng)更加復(fù)雜，各環(huán)節(jié)的耦合 性更強(qiáng)，對系統(tǒng)的安全性要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化工流程工業(yè)，因此限制了性能評價軟件在電力 系統(tǒng)的使用和推廣。
[0009] 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)性能評價方法，首先需要過程的閉環(huán)運行 數(shù)據(jù)PV值與相應(yīng)被控變量的設(shè)定值SP值之間的偏差值ERR = PV-SP。
[0010] 一般來說，傳統(tǒng)的"基準(zhǔn)"數(shù)據(jù)為系統(tǒng)能達(dá)到滿意基準(zhǔn)數(shù)據(jù)為系統(tǒng)能達(dá)到滿意控制 性能的"黃金"運行時期的過程輸出數(shù)據(jù)PV值，但是由于控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，例如單元機(jī)組 各設(shè)備和環(huán)節(jié)的耦合性強(qiáng)，不同運行工況下的控制系統(tǒng)系統(tǒng)的被控變量PV值變化范圍較 大，所以只用過程運行數(shù)據(jù)PV值作為"黃金"基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，顯然在火電機(jī)組各子控制系統(tǒng)中是 不合理的。在選擇"基準(zhǔn)"數(shù)據(jù)時，一定是根據(jù)現(xiàn)場運行人員多年的經(jīng)驗，在一定的工況下， 選擇的真正的"黃金"運行數(shù)據(jù)，當(dāng)然，這樣選擇出來的"黃金"基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在確定的時候有 難度，非常依賴于"經(jīng)驗"，應(yīng)用的時候有一定局限性。
[0011] 在發(fā)明人申請的另外一個發(fā)明專利中，在特定的控制系統(tǒng)中，如負(fù)荷控制系統(tǒng)，在 一定的工況下，這種依靠"經(jīng)驗"選擇"黃金"數(shù)據(jù)的方法比較簡便，容易操作，計算量相對 較小，所以適合在現(xiàn)場實現(xiàn)實時的控制系統(tǒng)性能監(jiān)測。但是在多變量系統(tǒng)，僅僅依靠"經(jīng)驗" 所選擇的"黃金"數(shù)據(jù)對于系統(tǒng)性能的判定會出現(xiàn)較大的偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)性 能評價方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，價值函數(shù)的形式采用的是被控變量閉環(huán)輸出數(shù)據(jù) 與設(shè)定值的偏差值標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，協(xié)方差矩陣綜合的利用了數(shù)據(jù)的總體信 息，具有較大的可信度。并且在進(jìn)行評價時，不對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生額外的擾動，計算簡 單方便易于實現(xiàn)，能夠可靠、準(zhǔn)確的實現(xiàn)對多變量控制系統(tǒng)性能的評價。
[0013] 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)性能評價方法，首先需要過程的閉環(huán)運行 數(shù)據(jù)PV值與相應(yīng)被控變量的設(shè)定值SP值之間的偏差值ERR = PV-SP。
[0014] 一般來說，傳統(tǒng)的"基準(zhǔn)"數(shù)據(jù)為系統(tǒng)能達(dá)到滿意基準(zhǔn)數(shù)據(jù)為系統(tǒng)能達(dá)到滿意控制 性能的"黃金"運行時期的過程輸出數(shù)據(jù)PV值，但是由于控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，例如單元機(jī)組 各設(shè)備和環(huán)節(jié)的耦合性強(qiáng)，不同運行工況下的控制系統(tǒng)系統(tǒng)的被控變量PV值變化范圍較 大，所以只用過程運行數(shù)據(jù)PV值作為"黃金"基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，顯然在火電機(jī)組各子控制系統(tǒng)中是 不合理的
[0015] 基于上述理由，首先把被控變量的較長一段時間（如24小時）偏差值ERR利用下 述公式（1)標(biāo)準(zhǔn)化，把多個被控變量的偏差數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、無量綱化。
[0016] 利用最常見的標(biāo)準(zhǔn)化方法z-score標(biāo)準(zhǔn)化（zero-mean normalization)也叫標(biāo)準(zhǔn) 差標(biāo)準(zhǔn)化，經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，即均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為1，其轉(zhuǎn)化函數(shù)為：
[0017]
【主權(quán)項】
1. 一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)性能評價方法，其特征在于包括以下步 驟： A、 將系統(tǒng)的運行周期分成若干個區(qū)間，隨機(jī)選擇兩個區(qū)間采集系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)N和輸 出數(shù)據(jù)M，其中輸出數(shù)據(jù)N的偏差數(shù)據(jù)ERR1作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)M的偏差數(shù)據(jù)ERR 2作 為監(jiān)測數(shù)據(jù)； B、 對輸出數(shù)據(jù)N的偏差數(shù)據(jù)ERR1和監(jiān)測數(shù)據(jù)M的偏差數(shù)據(jù)ERR 2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使之 無量綱化； C、 分別求解數(shù)據(jù)N和數(shù)據(jù)M對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化處理后所得數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣評價函數(shù)； D、 根據(jù)步驟C得出的評價函數(shù)對系統(tǒng)的性能進(jìn)行評價； E、 采集其它區(qū)間內(nèi)的系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)M對應(yīng)的偏差數(shù)據(jù)ERR2'，然后重復(fù)步驟B、步驟C 和步驟D，求出各個區(qū)間的性能指標(biāo)，并將各個區(qū)間的性能指標(biāo)做直方圖，對整個控制系統(tǒng) 以及各個變量的性能變化情況進(jìn)行評價。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)性能評價方法，其特 征在于：步驟C中，求解協(xié)方差矩陣評價函數(shù)的步驟包括， Cl、求解下式的最大值，
其中C0v (yB)、C0v (yM)分別代表輸出數(shù)據(jù)N和輸出數(shù)據(jù)M的協(xié)方差矩陣； C2、令
對（3)式進(jìn)行求導(dǎo)，得 將⑶式代人⑷中，得
其中λ為廣義特征值，p為對應(yīng)的特征方向； C4、基于協(xié)方差的性能指標(biāo)：
其中，|C〇V(yM)|、|C〇V(yB)|分別表示輸出數(shù)據(jù)N和輸出數(shù)據(jù)M的協(xié)方差矩陣的行列 式； C5、簡化式（8)得， {cov-1 (yB) · cov (yM)} p = λ p (9) 多變量過程中，有如下式子： cov (yM) P = cov (yB) P Λ (10) 其中，Λ是一個由λ i (i = 1，2,…q)組成的對角陣Λ = diag( λ λ2，…，λ q)，Ρ是 由各特征向量組成的特征向量矩陣P = [a,Α，…，P1J， 等式兩邊取行列式，得 COV (yM) P I = |cov (yB) P Λ (11) 則 cov (yM) I · IP I = I cov (yB) | · | P | · | A (12) 性能指標(biāo)可以簡化為
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)性能評價方法，其特 征在于：步驟D中，判斷規(guī)則如下： 1) 若、明顯大于1，則說明監(jiān)測時期的總體性能比基準(zhǔn)時期的差； 2) 若、明顯小于1，則說明監(jiān)測時期的總體性能優(yōu)于基準(zhǔn)時期； 3) 若Iv的值接近于1，則說明監(jiān)測時期的總體性能與基準(zhǔn)時期相似，沒有發(fā)生明顯的 變化。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)性能評價方法，其特 征在于：步驟E中，選取直方圖中性能最優(yōu)越的一個區(qū)間的輸出數(shù)據(jù)重新作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，作 為新的評價基準(zhǔn)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)性能評價方法，包括以下步驟：A、將系統(tǒng)的運行周期分成若干個區(qū)間，隨機(jī)選擇兩個區(qū)間采集系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)N和輸出數(shù)據(jù)M；B、對輸出數(shù)據(jù)N的偏差數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)M的偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；C、分別求解數(shù)據(jù)N和數(shù)據(jù)M對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化處理后所得數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣評價函數(shù)；D、根據(jù)步驟C得出的評價函數(shù)對系統(tǒng)的性能進(jìn)行評價；E、采集其它區(qū)間內(nèi)的系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)M對應(yīng)的偏差數(shù)據(jù),然后重復(fù)步驟B、步驟C和步驟D，評價整個控制系統(tǒng)及各變量的性能變化情況。本發(fā)明不會對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生額外的擾動，能夠簡單、可靠、準(zhǔn)確的實現(xiàn)對多變量控制系統(tǒng)性能的評價。
【IPC分類】G06Q10-06, G06Q50-06
【公開號】CN104732350
【申請?zhí)枴緾N201510142830
【發(fā)明人】李士哲, 王印松, 趙征, 劉錦康, 張濤, 田靖雨
【申請人】華北電力大學(xué)（保定）
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月30日