【摘要】：安全性和經(jīng)濟(jì)性是核電可持續(xù)性發(fā)展的重要前提。就安全性而言,傳感器是核電廠儀表和控制系統(tǒng)的重要組成部分,用于獲取電廠的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù),一方面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠中系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè),另一方面還可以為控制系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)由于核電廠中某些傳感器惡劣的工作環(huán)境導(dǎo)致傳感器可能隨著核電廠運(yùn)行時(shí)間的增加出現(xiàn)不同程度的老化或故障。因此,為保證核電廠的安全性,在運(yùn)行過程中對(duì)傳感器狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)是非常必要的。就經(jīng)濟(jì)性而言,通常核電廠使用大量的傳感器儀表,通過對(duì)傳感器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)不僅可以提高核電廠運(yùn)行的安全性,還可以推動(dòng)傳統(tǒng)基于時(shí)間的周期性主動(dòng)儀表維護(hù)策略向基于狀態(tài)的維護(hù)(Condition-based Maintenance,CBM)策略轉(zhuǎn)變,明顯提高核電廠整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此,本文采用基于主元分析(Principal Component Analysis,PCA)的方法一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)冗余和非冗余傳感器的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè),檢測(cè)到基于現(xiàn)有交叉校準(zhǔn)技術(shù)所不能解決的冗余傳感器的共模故障,提高核電廠運(yùn)行過程的安全性;另一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)冗余和非冗余傳感器的狀態(tài)評(píng)估,實(shí)現(xiàn)傳感器儀表的CBM,提高核電廠運(yùn)行過程的經(jīng)濟(jì)性。采用PCA方法對(duì)傳感器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí),存在多種因素會(huì)影響模型的監(jiān)測(cè)性能,主要包括PCA模型建模數(shù)據(jù)的質(zhì)量、模型結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性、故障檢測(cè)和辨識(shí)結(jié)果的準(zhǔn)確性等幾個(gè)方面。因此為提高PCA模型對(duì)核電廠傳感器故障的狀態(tài)監(jiān)測(cè)性能,針對(duì)影響模型狀態(tài)監(jiān)測(cè)性能的四個(gè)主要因素,本文分別進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的優(yōu)化解決方法,具體描述如下。(1)PCA建模數(shù)據(jù)的預(yù)處理:由于建模數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響PCA模型的狀態(tài)監(jiān)測(cè)性能,因此在第3章中對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)中的離群點(diǎn)和隨機(jī)噪聲進(jìn)行了預(yù)處理。首先使用統(tǒng)計(jì)分析方法剔除離群點(diǎn),然后分別使用時(shí)域的滑動(dòng)時(shí)窗法和時(shí)-頻域的小波變換法進(jìn)一步降噪。通過來自真實(shí)核電廠傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證測(cè)試,定量證明了本文所提出的數(shù)據(jù)預(yù)處理算法對(duì)PCA模型狀態(tài)監(jiān)測(cè)性能的改善。(2)PCA模型結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取:建模參數(shù)是影響PCA模型的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一,不同建模參數(shù)將直接影響模型的狀態(tài)監(jiān)測(cè)性能。因此在第4章中對(duì)PCA模型建模參數(shù)的選取原則進(jìn)行了討論。在傳統(tǒng)隨機(jī)建模參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)上,提出了另外四種標(biāo)準(zhǔn):基于傳感器類型,基于傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)方差、變化度和相關(guān)性。通過對(duì)比不同標(biāo)準(zhǔn)建立的PCA模型的狀態(tài)監(jiān)測(cè)性能,確定了五種PCA模型建模參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)中的最佳標(biāo)準(zhǔn)。(3)模型的故障檢測(cè):針對(duì)故障檢測(cè),本文從兩個(gè)不同方面進(jìn)行了優(yōu)化分析。(1)首先在第2章中使用Δ判別法計(jì)算PCA模型對(duì)模型中每個(gè)傳感器故障的不可檢測(cè)性區(qū)間,定量評(píng)估所建立的PCA模型的故障檢測(cè)能力。通過真實(shí)核電廠傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證測(cè)試,證明了本文提出的傳感器故障不可檢測(cè)性區(qū)間計(jì)算方法的有效性。(2)然后在第5章中使用循環(huán)迭代方法消除模型訓(xùn)練過程中T~2和Q統(tǒng)計(jì)量的誤報(bào)警,使用統(tǒng)計(jì)分析法消除模型故障檢測(cè)過程中T~2和Q統(tǒng)計(jì)量的誤報(bào)警。通過真實(shí)核電廠傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證測(cè)試,證明了本文提出的誤報(bào)警消除算法可以提高PCA模型狀態(tài)監(jiān)測(cè)過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,提高了模型的狀態(tài)監(jiān)測(cè)性能。(4)模型的故障辨識(shí):針對(duì)故障辨識(shí),本文在傳統(tǒng)T~2和Q統(tǒng)計(jì)量高貢獻(xiàn)量分析法基礎(chǔ)上,在第6章中同時(shí)采用改進(jìn)的Q統(tǒng)計(jì)量貢獻(xiàn)率分析法和基于迭代重構(gòu)的方法進(jìn)行故障傳感器辨識(shí)。通過真實(shí)核電廠傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證測(cè)試,證明了本文提出的故障辨識(shí)方法的合理性和有效性。綜合以上優(yōu)化算法,本文提出了基于PCA的傳感器綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案。為測(cè)試綜合使用多種優(yōu)化算法時(shí)對(duì)PCA模型監(jiān)測(cè)性能的影響,在最后的第7章中將多種優(yōu)化算法結(jié)合,并使用真實(shí)核電廠的傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合驗(yàn)證分析。測(cè)試表明:綜合使用本文提出的優(yōu)化算法后,PCA模型的狀態(tài)監(jiān)測(cè)性能高于在前述2~6章中單獨(dú)使用某一種優(yōu)化算法時(shí)模型的監(jiān)測(cè)性能。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM623;TP212
【圖文】：

元空間P 和剩余(n-k)主元組成的殘差 ( T T = P P X + P P X = C X + I C 陣；C 和C~分別表示主元和殘差空間的的投影。且有： ===++[,,]~[,,,] ],~, [kknkPPPPPPPPPP 1212XX~殘差空間

A: 完全失效（Complete Failure） B: 偏差（Bias）C: 漂移（Drift） D: 精度下降（Precision Degradation）圖2.1 給水溫度傳感器的四種故障類型Fig. 2.1 Four kinds of faults on the feedwater temperature sensor對(duì)于傳感器的完全失效故障，使用多種監(jiān)測(cè)方法均可以輕松檢測(cè)到。而對(duì)于三種軟故障則檢測(cè)相對(duì)困難。因此，本文主要針對(duì)核電廠傳感器的軟故障進(jìn)行檢測(cè)和辨識(shí)。

本章節(jié)隨機(jī)選取核電廠的 9個(gè)傳感器參量作為 PCA模型的建模參數(shù)，包括 1號(hào)冷卻劑出口溫度傳感器、2 號(hào)冷卻劑出口溫度傳感器、主蒸汽流量傳感器、主給水流量傳感器、寬量程堆芯水位傳感器、冷凝器液位傳感器、穩(wěn)壓器液位傳感器、冷卻劑泵入口壓力傳感器和冷卻劑泵出口壓力傳感器。獲取這 9 個(gè)傳感器在滿功率運(yùn)行工況下的 1000個(gè)樣本來進(jìn)行 PCA模型的訓(xùn)練，另外 500個(gè)樣本進(jìn)行模型測(cè)試。按照前文的計(jì)算方法計(jì)算訓(xùn)練的 PCA模型對(duì)這 9個(gè)傳感器故障的不可檢測(cè)性區(qū)間，在圖 2.3-2.4中，以 1號(hào)和 2號(hào)冷卻劑出口溫度、主蒸汽流量和主給水流量四個(gè)傳感器為例展示了其不可檢測(cè)區(qū)間的范圍。圖中紅色和綠色點(diǎn)分別表示在不同測(cè)試樣本下得到的傳感器不可檢測(cè)性區(qū)間的上限值和下限值，藍(lán)色點(diǎn)表示傳感器的測(cè)量值。根據(jù)圖 2.3，由于測(cè)試樣本中的數(shù)據(jù)波動(dòng)，1號(hào)和 2號(hào)冷卻劑出口溫度傳感器不可檢測(cè)性區(qū)間上下限值產(chǎn)生了小幅波動(dòng)。從圖 2.4 中的結(jié)果可以看出，主蒸汽流量和主給水流量傳感器的不可檢測(cè)性區(qū)間的上下限值的波動(dòng)程度明顯高于溫度傳感器，說明測(cè)試樣本中流量傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)的波動(dòng)幅度高于溫度傳感器，這與實(shí)際情況也是一致的。

本文編號(hào)：2796052