核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)綜述

周 勇，朱鵬樹，陳 星，馬 波，杜曉光

（1.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518031；2.北京化工大學(xué)，北京 100029；3.中廣核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086）

0 引言

核電廠依靠核反應(yīng)堆將核能轉(zhuǎn)換為熱能，產(chǎn)生水蒸氣推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。雖然其功能與火電廠相似，但核電廠的廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同于火電廠，因?yàn)楹穗姀S有核安全的要求，對(duì)廠用電系統(tǒng)的可靠性具有更高的要求。因此，在正常供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，要求有多重備用電源，以保證達(dá)到核安全的要求。為此，核電廠每臺(tái)機(jī)組配備兩套應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。為確保核電廠應(yīng)急母線供電的可靠性，IEEE387-1994[1]規(guī)定應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組必須在10s 內(nèi)啟動(dòng)并建立額定電壓和額定頻率，所以核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組對(duì)于核安全至關(guān)重要，必須保證其設(shè)備的可靠性。

圖1 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composition of the EDG system

核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)非常復(fù)雜，根據(jù)IEEE387-1994 的規(guī)定，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組由柴油機(jī)本體、發(fā)電機(jī)、機(jī)械輔助系統(tǒng)和電氣輔助系統(tǒng)等組成[2]，如圖1所示。

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組每月會(huì)進(jìn)行定期試驗(yàn)，但如果僅僅依靠試驗(yàn)期間，技術(shù)人員的巡檢和就地儀表的顯示將無法對(duì)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，無法發(fā)現(xiàn)潛在故障。為此，在應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組上增加專用狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，專用狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成如圖2 所示。通過對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)，來發(fā)現(xiàn)機(jī)組潛在故障。

1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)技術(shù)體系

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)常用的方法有3種：基于固定閾值的異常檢測(cè)方法、基于專家系統(tǒng)的異常檢測(cè)方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的異常檢測(cè)方法。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的異常檢測(cè)流程如圖3 所示。

1.1 基于固定閾值的異常檢測(cè)方法

基于固定閾值的異常檢測(cè)方法是目前核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組普遍使用的異常檢測(cè)方法。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在定期試驗(yàn)和大修再鑒定過程中，運(yùn)維人員實(shí)時(shí)關(guān)注關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)，或者采用錄波儀記錄關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)與廠家預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，例如氣缸溫度、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電壓、電流、電壓頻率是否超出預(yù)設(shè)的上下限值，一旦超出此范圍，則發(fā)出警告。固定閾值只能對(duì)部分關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，無法監(jiān)測(cè)到所有關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)。但固定閾值監(jiān)測(cè)操作簡單、方便，無須借助專用分析軟件。

圖2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成圖Fig.2 Composition diagram of condition monitoring system

基于固定閾值的異常檢測(cè)方法存在以下問題：

1）應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)如果出現(xiàn)異常，比如在正常值上下波動(dòng)，不會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的值超過閾值。通過固定閾值的異常檢測(cè)方法，將無法發(fā)現(xiàn)很多類型的異常。

2）廠家出廠設(shè)定的閾值，用于對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行安全提供保障。如果出現(xiàn)超閾值情況，意味著某些部件已出現(xiàn)損害，應(yīng)停機(jī)檢查，并更換相應(yīng)的部件。因此，固定閾值的異常檢測(cè)無法發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障早期的異常。

圖3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)流程Fig.3 The flow chart of anomaly detection for monitor data

1.2 基于專家系統(tǒng)的異常檢測(cè)方法

基于專家系統(tǒng)的異常檢測(cè)方法在工業(yè)界有大量的應(yīng)用，尤其是在航天和鐵路系統(tǒng)中[3]。專家系統(tǒng)基本上是基于規(guī)則進(jìn)行異常檢測(cè)。這些規(guī)則是系統(tǒng)設(shè)計(jì)或運(yùn)行過程中，專家通過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的，描述異常和征兆之間的關(guān)系。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是在于表現(xiàn)直觀、簡單，異常檢測(cè)速度快，專家診斷系統(tǒng)開發(fā)方便、快速，可以在很短時(shí)間內(nèi)完成開發(fā)和部署。

該方法的缺點(diǎn)是由于應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)復(fù)雜，核心部件依賴進(jìn)口，關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行或故障規(guī)則未知，要建立準(zhǔn)確完備的規(guī)則非常困難。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組日常處于熱備狀態(tài)，每月才執(zhí)行一次試驗(yàn)，為收集規(guī)則帶來挑戰(zhàn)。因此，基于專家系統(tǒng)的異常檢測(cè)方法無法處理未知異常。

1.3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的異常檢測(cè)方法

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的異常檢測(cè)方法采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和分析，識(shí)別異常數(shù)據(jù)?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)方法不依賴專家經(jīng)驗(yàn)，而僅根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行異常發(fā)現(xiàn)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中包含時(shí)間戳，其異常類型與時(shí)間序列異常相似。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的異常檢測(cè)方法可大致分為基于相似性、基于統(tǒng)計(jì)和基于偏差等3 種方法。

1）基于相似性的方法

計(jì)算待分析數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的相似度，將待分析數(shù)據(jù)按相似度進(jìn)行劃分，與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相似性較低的數(shù)據(jù)被標(biāo)定為異常數(shù)據(jù)。前提必須是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于待分析數(shù)據(jù)，特別適合于工業(yè)設(shè)備的異常檢測(cè)，包括基于距離、基于聚類、基于密度等[4]。

優(yōu)點(diǎn)在于只需要找到一個(gè)特征函數(shù)，就能描述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分布，并且可根據(jù)該函數(shù)，使用相似性的方法檢測(cè)出異常的數(shù)據(jù)；缺點(diǎn)在于其對(duì)特征函數(shù)依賴度高，容易受噪聲影響。

2）基于統(tǒng)計(jì)的方法

使用統(tǒng)計(jì)學(xué)算法，計(jì)算待分析數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)集中出現(xiàn)的概率。該方法假設(shè)正常數(shù)據(jù)發(fā)生概率高，而異常數(shù)據(jù)發(fā)生概率低，分為參數(shù)方法和非參數(shù)方法。

優(yōu)點(diǎn)在于可以利用統(tǒng)計(jì)和概率的理論知識(shí)，這些知識(shí)在工業(yè)和生產(chǎn)中有大量應(yīng)用；缺點(diǎn)在于為了統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)生的概率，通常需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化表示。對(duì)于高頻采樣的數(shù)據(jù)，例如應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)，就無法應(yīng)用該方法進(jìn)行異常檢測(cè)。

3）基于偏差的方法

通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，使用數(shù)學(xué)模型計(jì)算待分析數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之間的偏差，如果偏差較大，判定為異常數(shù)據(jù)。分為：基于預(yù)測(cè)、基于分類以及基于統(tǒng)計(jì)方法。

優(yōu)點(diǎn)在于建立數(shù)學(xué)模型后，待分析數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)效率高；缺點(diǎn)在于建立比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型難度較大。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的異常檢測(cè)方法為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)提供了方法基礎(chǔ)，但由于不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特征存在較大差異，必須具體問題具體分析，對(duì)不同的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用不同的異常檢測(cè)算法。因?yàn)闆]有一個(gè)異常檢測(cè)方法，可以有效地檢測(cè)所有的異常類型。

1.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)方法分析

由于核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備眾多，監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，專業(yè)性和相關(guān)性強(qiáng)，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量非常大。目前核電廠運(yùn)維過程中，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的潛在故障及異常的發(fā)現(xiàn)仍以人工巡查和閾值判斷為主。發(fā)現(xiàn)潛在故障后，主要依靠專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析。假設(shè)核電廠有4 臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配備兩套應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，全廠配備一臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，一共有9 套應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。如果只靠人力和簡單閾值判斷，無法滿足設(shè)備運(yùn)維的需求。隨著設(shè)備可靠性要求的逐漸提高和海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法已經(jīng)成為現(xiàn)在及未來監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)的重點(diǎn)。

表1 不同檢測(cè)方法的性能特點(diǎn)Table 1 Performance specialties of different detection methods

雖然基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)在工業(yè)界有大量應(yīng)用，但是在應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的各種類型異常檢測(cè)過程中，由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)，很多異常檢測(cè)算法在應(yīng)用時(shí)需要優(yōu)化和調(diào)整參數(shù)，才能更好地應(yīng)用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)方法不足及展望

2.1 異常檢測(cè)方法存在不足

雖然應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按采集時(shí)間戳進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，但由于應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自身的復(fù)雜性以及核電站對(duì)其高可靠性的要求，該領(lǐng)域的研究還處于算法的嘗試階段。核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以使用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有測(cè)點(diǎn)多、種類復(fù)雜（振動(dòng)測(cè)點(diǎn)、熱力學(xué)測(cè)點(diǎn)、工藝量測(cè)點(diǎn)、開關(guān)量測(cè)點(diǎn)等）、采樣率高（振動(dòng)測(cè)點(diǎn)采樣率最高25.6k）等特點(diǎn)，使其成為工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的典型場(chǎng)景。不同檢測(cè)方法的性能特點(diǎn)見表1。

由表1 可知，對(duì)比固定閾值和專家系統(tǒng)檢測(cè)方法，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法具備無需專家經(jīng)驗(yàn)、自動(dòng)檢測(cè)能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)性滿足現(xiàn)場(chǎng)需求等優(yōu)點(diǎn)。但是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的異常檢測(cè)方法只能提供數(shù)據(jù)算法和數(shù)學(xué)模型，其在應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的異常檢測(cè)應(yīng)用方面仍存在缺陷。根據(jù)表1 所示，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的異常檢測(cè)方法存在以下缺陷：

1）應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同部件的工作模式差別很大，柴油機(jī)及輔助系統(tǒng)的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)之間關(guān)系復(fù)雜，使用純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的異常檢測(cè)，其誤檢率較高，無法滿足系統(tǒng)預(yù)測(cè)性維護(hù)需求。

2）如果將數(shù)據(jù)分析算法直接應(yīng)用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)，而忽略監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特性以及異常類型特點(diǎn)，將導(dǎo)致算法的適應(yīng)性差，檢測(cè)結(jié)果可解釋性差，無法有效指導(dǎo)故障診斷以及維修。

因此，高可靠的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行要求以及工業(yè)大數(shù)據(jù)的分析場(chǎng)景，需要開發(fā)專用的異常檢測(cè)方法對(duì)海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，以找出數(shù)據(jù)中的異常。所以，必須在充分理解應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組特性的基礎(chǔ)上，對(duì)不同測(cè)點(diǎn)采用不同的數(shù)學(xué)模型和分析策略，才能建立具有實(shí)用性的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)體系。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)展望

根據(jù)本文對(duì)核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)方法的調(diào)研及分析，展望基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的異常檢測(cè)可從以下3 個(gè)方面開展工作。

1）基于物理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的融合方法研究

單純采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行建模時(shí)，會(huì)忽略專家經(jīng)驗(yàn)以及柴油機(jī)物理特性信息，使得算法受訓(xùn)練數(shù)據(jù)影響，造成誤檢率較高。因此，在評(píng)價(jià)不同數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的訓(xùn)練結(jié)果時(shí)，應(yīng)借助于柴油機(jī)及輔助系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的物理模型，將專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行融合。

2）結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特性分析的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法研究

如果直接使用時(shí)間序列異常檢測(cè)方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)，將會(huì)忽略監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本身的特征，造成算法的適應(yīng)性差。因此，應(yīng)結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自身的特征，如振動(dòng)數(shù)據(jù)的時(shí)域/頻域變換，增強(qiáng)異常檢測(cè)算法的針對(duì)性，提高檢測(cè)率。

3）基于物理特性的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)方法研究

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法的檢測(cè)結(jié)果的可解釋性差。因此，應(yīng)結(jié)合應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的物理特性和定期試驗(yàn)特點(diǎn)，將專業(yè)知識(shí)融入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)中。通過物理特性與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法結(jié)合，增強(qiáng)檢測(cè)結(jié)果的邏輯性以及可解釋性。

3 結(jié)論

結(jié)合核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的描述，論述了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)的關(guān)鍵因素。有針對(duì)性地對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)方法、含義以及其應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了描述，并結(jié)合工業(yè)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，分析了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)存在的不足，展望了未來基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的異常檢測(cè)方法的發(fā)展。

通過對(duì)核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)方法的調(diào)研和分析，建立應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)的概念，將大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘的思路和方法引入系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常監(jiān)測(cè)中。通過分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特性，挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)在價(jià)值，增強(qiáng)設(shè)備管理能力，降低維護(hù)成本。