支持向量機(jī)算法在電廠中的應(yīng)用

潘秉超，王文歡，潘衛(wèi)國，何明福

(上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

1 支持向量機(jī)算法簡介

1.1 基本結(jié)構(gòu)

SVM方法是統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的一種通用學(xué)習(xí)方法，是一種很有潛力的數(shù)據(jù)分類和回歸工具.該算法［9］的目的是建立待測變量與其他一些可測或易測的過程變量之間的關(guān)系，通過對可測變量的檢測、變換和計算，間接得到待測變量的估計值.軟測量模型的輸出可作為過程控制系統(tǒng)狀態(tài)變量或輸出變量的估計值，送入控制裝置，參與反饋控制.通過SVM軟測量模型對待測變量進(jìn)行最優(yōu)估計，將估計值作為控制系統(tǒng)的反饋變量，參與對控制對象的控制，這樣，SVM軟測量模型就可以看成一個非線性映射，而不必關(guān)心對象的具體結(jié)構(gòu)以及機(jī)理.基于LS-SVM的軟測量模型屬于黑盒子一類的模型，只關(guān)心對象的輸入與輸出，而不關(guān)心對象的具體結(jié)構(gòu)，輸入與輸出的映射關(guān)系由最小二乘支持向量機(jī)來完成.其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 LS-SVM軟測量模型結(jié)構(gòu)

1.2 LS-SVM 算法

LS-SVM 算法的目標(biāo)函數(shù)為［10］:

式中:ei——誤差變量;

γ——可調(diào)函數(shù)，又稱正規(guī)化參數(shù).

式中:ω——權(quán)矢量;

b——偏差量.

其Lagrange函數(shù)為:

式中:αi——拉格朗日乘子.

化學(xué)實驗?zāi)芰ψ鳛閷W(xué)生的一種特殊心理能力，它的形成和發(fā)展以一定的化學(xué)實驗知識為基礎(chǔ)，經(jīng)歷由簡單到復(fù)雜、由低級到高級的過程，符合思維心理學(xué)的要求。本文以思維心理學(xué)為理論依據(jù)，以思維品質(zhì)為突破口，建構(gòu)化學(xué)實驗?zāi)芰w系。

求解的優(yōu)化問題可轉(zhuǎn)化為求解線性方程，即:

軟測量的模型為:

等式約束將求解優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成求解線性方程，優(yōu)化問題用線性方程求解顯然可以大大減少算法的復(fù)雜度.其建模過程需要選取正確的正規(guī)化參數(shù)集和核函數(shù)，常用的核函數(shù)有以下3個:

(1)線性核，K(x，y)=x·y;

(2)多項式核，K(x，y)=(x·y+1)d(d 為多項式核的階次);

(3)RBF 核，K(x，y)=exp［－(x－ y)2/2σ2］(σ為核函數(shù)寬度參數(shù))，而最小二乘支持向量機(jī)的函數(shù)估計精度和收斂速度受(γ，σ)選擇的影響［11-13］.

2 SVM在電廠中的具體應(yīng)用

2.1 在電廠運(yùn)行優(yōu)化中的應(yīng)用

飛灰含碳量和鍋爐入爐煤質(zhì)都是影響鍋爐燃燒效率的重要指標(biāo)，對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行有著重要的影響.目前，電站鍋爐飛灰含碳量的在線測量大都采用在鍋爐水平煙道上安裝微波測碳儀來實現(xiàn)，但該方法在技術(shù)及保養(yǎng)維修方面均存在問題.張貴煒等人［14］引入最小二乘支持向量機(jī)算法，對河北邯鄲熱電股份有限公司的鍋爐進(jìn)行了分析，采集了近一個月的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗證和分析，為火電廠實時監(jiān)測飛灰含碳量提供了一種新的有效的測量手段.范誠豪等人［15］根據(jù)現(xiàn)場鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，用支持向量機(jī)方法對入爐煤質(zhì)進(jìn)行預(yù)測，并將結(jié)果與基于煙氣信息與工業(yè)分析的機(jī)理模型推導(dǎo)得出的入爐煤質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，支持向量機(jī)預(yù)測模型的精度能夠滿足工程實際應(yīng)用.

煙氣含氧量可以通過電廠實時數(shù)據(jù)測得，但運(yùn)行中熱力參數(shù)波動會影響最終鍋爐效率的計算精度.目前一種可行的方法是引入支持向量機(jī)進(jìn)行模型的回歸預(yù)測，以提高實測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.熊志化等人［16］提出了一種基于支持向量機(jī)的煙氣含氧量的軟測量建模方法;張炎欣等人［17］提出了一種基于即時學(xué)習(xí)策略的改進(jìn)支持向量機(jī)預(yù)測建模方法;而王宏志等人［18］則通過粒子群算法(PSO)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后再進(jìn)行支持向量機(jī)的預(yù)測建模.3種方法都能滿足鍋爐燃燒過程中煙氣含氧量預(yù)測的實時性要求，為火電廠的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障.

在分析系統(tǒng)流程的基礎(chǔ)上，本文從某電廠600 MW機(jī)組DCS數(shù)據(jù)中選取主蒸汽流量、入爐煤量、排煙溫度、送風(fēng)量、送風(fēng)機(jī)電流、引風(fēng)量、引風(fēng)機(jī)電流共7組屬性作為二次變量，其中100組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，20組數(shù)據(jù)作為測試集，使用支持向量機(jī)方法對其進(jìn)行回歸建模，得到的結(jié)果如圖2所示.

圖2 實際和預(yù)測的煙氣含氧量對比

通過計算可得到這20組數(shù)據(jù)最小絕對誤差為0.177%，最大絕對誤差為20.67%，而平均絕對誤差為9.403%.實驗結(jié)果證明了支持向量機(jī)方法用來預(yù)測煙氣含氧量的能力，模型得到的結(jié)果令人滿意.

同時，周建新、王雷等人［19-21］在主蒸汽流量和汽機(jī)熱耗率建模中也使用了支持向量回歸算法，為實際生產(chǎn)過程提供了一種新的測量方法.

2.2 在電廠清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用

目前，我國的污染物排放量很大，大氣污染相當(dāng)嚴(yán)重，而電廠向大氣排放的煙氣就是一個不可忽視的污染源.如何減少NOx和SO2的排放量是電廠一直以來所要面對的重要難題.周建國和王春林等人［22，23］對不同工況下的 NOx排放進(jìn)行了支持向量機(jī)的預(yù)測，從理論上保證了模型的泛化能力，具有更加可靠的推廣性.洪文鵬等人［24］采用支持向量機(jī)模型，預(yù)測了氨法煙氣脫硫裝置的脫硫效率，較好地解決了復(fù)雜的非線性模型的預(yù)測，提高了在實際工程中實時監(jiān)測方面的準(zhǔn)確性.同時，王雷等人［25］提出采用支持向量回歸時間序列預(yù)測法來預(yù)測凝汽器清潔系數(shù)，該指標(biāo)反映了凝汽器水側(cè)管壁的臟污程度，直接關(guān)系到凝汽器傳熱性能的好壞.在電廠化學(xué)水處理結(jié)垢量的研究方面，何兆云［26］通過預(yù)測模型迭代預(yù)算找出成垢的規(guī)律性，從而為發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)支持.此外，徐志明等人［27］將燃煤鍋爐受熱面結(jié)渣程度的預(yù)測問題轉(zhuǎn)化為一個函數(shù)估計問題，利用非線性支持向量回歸機(jī)方法進(jìn)行燃煤結(jié)渣預(yù)測，為鍋爐安全性與經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)依據(jù).

2.3 在電廠故障診斷及其他方面的應(yīng)用

由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和運(yùn)行環(huán)境的特殊性，汽輪機(jī)在電力生產(chǎn)中的故障率較高，因此對機(jī)組進(jìn)行故障診斷是保證其穩(wěn)定安全運(yùn)行的重要前提.汽輪機(jī)常見的故障有:轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡;轉(zhuǎn)子動靜碰磨;裂紋;油膜渦動;油膜振蕩等［28］.司娟寧等人［29］通過主要成分分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)降維和特征提取后，利用支持向量機(jī)對樣本進(jìn)行測試分類，正確且有效地診斷了多類汽輪機(jī)故障.宮喚春［30］對凝汽式汽輪機(jī)的凝汽設(shè)備故障診斷進(jìn)行仿真，證明了基于支持向量機(jī)診斷的準(zhǔn)確性和快速性，為汽輪機(jī)故障診斷的發(fā)展提供了一個新的思路.

此外，劉定平等人［31］將支持向量機(jī)和遺傳算法應(yīng)用于電廠制粉系統(tǒng)的優(yōu)化控制，對已經(jīng)使用支持向量機(jī)訓(xùn)練后的制粉單耗模型進(jìn)行遺傳算法的系統(tǒng)優(yōu)化，克服了最小二乘支持向量機(jī)建立的模型所存在的高度非線性特性的缺陷，提供了一套節(jié)能降耗的火電廠制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整方案.

3 結(jié)語

本文主要介紹了支持向量機(jī)方法在火電廠中的應(yīng)用現(xiàn)狀，同時將電廠煙氣含氧量作為目標(biāo)值對其進(jìn)行建模預(yù)測，得到的最終預(yù)測模型滿足了在線診斷的需要，用實驗驗證了SVM算法在電廠軟測量方面的可靠性，對實現(xiàn)火電廠運(yùn)行優(yōu)化和清潔生產(chǎn)具有重要意義.

目前，SVM算法在電廠各個領(lǐng)域中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，我們相信SVM的應(yīng)用研究還有很大的潛力可挖，如果將其與其他算法(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法)結(jié)合起來研究，最終會得到比較準(zhǔn)確的預(yù)測模型，從而為電廠的DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效挖掘提供依據(jù).

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