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基于数据挖掘的一回路小泄漏故障预警研究

白秀春 钱虹

白秀春, 钱虹. 基于数据挖掘的一回路小泄漏故障预警研究[J]. 核动力工程, 2021, 42(5): 232-239. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0232
引用本文: 白秀春, 钱虹. 基于数据挖掘的一回路小泄漏故障预警研究[J]. 核动力工程, 2021, 42(5): 232-239. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0232
Bai Xiuchun, Qian Hong. Study on Early Warning of Small Leakage in Primary Loop Based on Data Mining[J]. Nuclear Power Engineering, 2021, 42(5): 232-239. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0232
Citation: Bai Xiuchun, Qian Hong. Study on Early Warning of Small Leakage in Primary Loop Based on Data Mining[J]. Nuclear Power Engineering, 2021, 42(5): 232-239. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0232

基于数据挖掘的一回路小泄漏故障预警研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0232
基金项目: 上海市2019年度“科技创新行动计划”高新技术领域项目(19511103700);国家自然科学基金青年科学基金(51906133)
详细信息
    作者简介:

    白秀春(1994—),女,硕士研究生,主要从事核电站故障预警研究工作,E-mail: 13127543738@163.com

    通讯作者:

    钱 虹,E-mail: qianhong.sh@163.com

  • 中图分类号: TL36;TM623

Study on Early Warning of Small Leakage in Primary Loop Based on Data Mining

  • 摘要: 一回路小泄漏的过度演变有可能引起严重事故,为防止事故发生,提出一种基于多特征参数综合的改进高斯混合模型-灰色关联度法-熵权法(GMM-GRA-EWM)的故障预警方法。首先,对一回路小泄漏的动态运行特性进行机理分析,确定了预警特征参数。然后,根据已确定的预警特征参数,结合熵权法和灰色关联度法,建立多参数综合预警模型。最后,采用相关性分析、改进高斯混合模型算法有效学习了大量数据的统计特性,使预警阈值在不同工况下具有自适应能力。结果表明,该方法在变工况运行条件下,可以有效达到预警。相较于单参数和固定阈值预警,该方法具有更好的稳定性,预警更加准确、有效、及时,可为实现一回路系统的状态监测提供参考。

     

  • 图  1  稳压器压力控制系统

    ΔP—压力偏差;G(S)—电加热器功率变化时稳压器压力的动态特性;Gre—电加热器功率;Pz—稳压器压力测量值

    Figure  1.  Pressurizer Pressure Control System

    图  2  稳压器液位控制系统

    Hz—稳压器液位测量值;ΔH—液位偏差;G1(S)—上充流量变化时稳压器液位的动态特性;fu—上充流量测量值;furef—上充流量设定值;Δffufuref产生的偏差;Rcv—上充阀门开度

    Figure  2.  Pressurizer Level Control System

    图  3  冷却剂平均温度控制系统

    Tav—冷却剂平均温度测量值;Pm—汽轮机负荷和最终功率设定值中的最大值;ΔPm—与核功率的偏差;F(X)—函数发生器;G2(S)—在控制棒棒速扰动下堆芯冷却剂平均温度的动态特性;Crq—核功率;Rs—控制棒棒速

    Figure  3.  Average Coolant Temperature Control System

    图  4  改进的高斯混合模型算法

    D(xt, m)—马氏距离,即新样例xt到当前m个高斯成分的差异;St—新样例邻域集合,${S_t}{\rm{ = }}\left\{ {m = 1,{\rm{ }}2,{\rm{ }}\cdots,{\rm{ }}M|D({x_t},m) < {T_i}} \right\}$;Ti是第i个高斯成分的相似度阈值;U—当前模型平均有效训练样本数量,$U = \displaystyle \sum\limits_{m = 1}^M {\dfrac{{{u_{i}}}}{m}}$;ui—第i个高斯成分样本的数量;β—常数

    Figure  4.  Algorithm for Improved GMM

    图  5  特征参数趋势及阈值

    Figure  5.  Trends and Thresholds of Characteristic Parameters

    图  6  多参数预警结果

    Figure  6.  Multi-Parameter Early-Warning Result

    图  7  Pz预警结果

    Figure  7.  Pz Early-Warning Result

    图  8  Rcv预警结果

    Figure  8.  Rcv Early-Warning Result

    图  9  Gre预警结果

    Figure  9.  Gre Early Warning Result

    图  10  预警时间比较

    Figure  10.  Early-Warning Time Comparison

    表  1  预警特征参数

    Table  1.   Early-Warning Characteristic Parameters

    序号特征参数符号
    1稳压器压力Pz
    2稳压器液位Hz
    3热段温度Tout
    4冷段温度Tin
    5一回路冷却剂流量Qz
    6上充阀门开度Rcv
    7电加热器功率Gre
    8温度控制棒棒位Rd
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    表  2  Pearson相关系数

    Table  2.   Pearson Correlation Coefficient

    YCrqCrqCrqCrqCrqCrqCrqCrq
    XPzHzToutTinQzRcvGreRd
    Pearson相关系数0.84390.99020.99680.85−0.9805−0.38020.59230.72
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    表  3  不同工况下预警特征参数的均值和方差

    Table  3.   Mean Values and Variances of Early-Warning Characteristic Parameters under Various Operating Conditions

    工况(Crq/MW)Pz/MPaHz/mTout/℃Tin/℃Qz/(kg·s−1)RcvGre/kWRd
    99.105均值15.47320.1574326.489292.9298.150.35132.7804188
    方差1.135×10−50.00140.00390.00662.26×10−60.00322.89911.0×10−6
    99.35均值15.48070.132326.667293.1298.3490.3315135.322188
    方差3.381×10−40.00080.01250.01470.10971.2×10−3100.11.0×10−6
    99.97均值15.48460.082327.069292.78598.040.3411126.26188
    方差4.17×10−50.00170.04810.00960.09211.02×10−21421.0×10−6
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    表  4  不同工况下预警特征参数的阈值

    Table  4.   Thresholds of Early-Warning Characteristic Parameters under Various Operating Conditions

    工况(Crq)/MWPz/MPaHz/mTout/℃Tin/℃Qz/(kg·s−1)RcvGre/kWRd
    99.105 上阈值 15.4903 0.1977 326.557 293.0176 98.1744 0.392 137.56 188
    下阈值 15.4886 −0.1185 326.4811 292.8524 98.1236 0.298 127.99 188
    99.35 上阈值 15.5261 0.1694 326.7862 293.2063 98.6623 0.366 145.32 188
    下阈值 15.4614 0.1585 326.5918 292.9337 98.0146 0.296 125.31 188
    99.97 上阈值 15.5167 0.1283 327.2003 292.8877 98.3828 0.44 138.20 188
    下阈值 15.4753 0.0863 326.8334 292.6324 97.7172 0.241 114.31 188
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    表  5  特征参数的权重

    Table  5.   Weights of Characteristic Parameters

    序号特征参数权重
    1Pz0.1176
    2Hz0.1101
    3Tout0.1139
    4Tin0.1271
    5Qz0.1227
    6Rcv0.2005
    7Gre0.1209
    8Rd0.0872
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-18
  • 修回日期:  2020-10-20
  • 刊出日期:  2021-09-30

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