高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于移动窗核主成分分析的核电厂主泵故障检测

张秀春 夏虹 刘永康 朱少民 刘洁 张汲宇

张秀春, 夏虹, 刘永康, 朱少民, 刘洁, 张汲宇. 基于移动窗核主成分分析的核电厂主泵故障检测[J]. 核动力工程, 2024, 45(3): 234-240. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0234
引用本文: 张秀春, 夏虹, 刘永康, 朱少民, 刘洁, 张汲宇. 基于移动窗核主成分分析的核电厂主泵故障检测[J]. 核动力工程, 2024, 45(3): 234-240. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0234
Zhang Xiuchun, Xia Hong, Liu Yongkang, Zhu Shaomin, Liu Jie, Zhang Jiyu. Fault Detection for Reactor Coolant Pump Based on Moving Window Kernel Principal Component Analysis[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(3): 234-240. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0234
Citation: Zhang Xiuchun, Xia Hong, Liu Yongkang, Zhu Shaomin, Liu Jie, Zhang Jiyu. Fault Detection for Reactor Coolant Pump Based on Moving Window Kernel Principal Component Analysis[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(3): 234-240. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0234

基于移动窗核主成分分析的核电厂主泵故障检测

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0234
基金项目: 国家自然科学基金项目(U21B2083)
详细信息
    作者简介:

    张秀春(1979—),女,博士研究生,现主要从事核动力智能运行技术研究,E-mail: 165127633@qq.com

    通讯作者:

    夏 虹,E-mail: xiahong@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: TL363

Fault Detection for Reactor Coolant Pump Based on Moving Window Kernel Principal Component Analysis

  • 摘要: 由于部件性能衰退、工况变化等因素影响,核动力装置在运行过程中会表现出明显的时变性,进而造成故障检测模型失效。为了改善传统故障检测方法在时变工业过程中的性能和在役适应性,基于核主成分分析(KPCA)和移动窗技术,提出了一种用于核动力装置的长时故障检测方法。该方法通过移动窗技术可实现KPCA故障检测模型的自动更新,从而解决检测过程中信号的时变性问题。将移动窗KPCA方法应用于某核电厂主泵的长时监测中,结果表明,主泵在正常和异常状态下,移动窗KPCA方法在故障检测率(FDR)、误报率(FAR)等指标方面均表现出了良好的性能。

     

  • 图  1  基于移动窗的模型更新策略

    L—移动窗长度;l—移动步长;T—时刻;s—时间间隔

    Figure  1.  Update Strategy of Detection Model Based on Moving Window

    图  2  基于移动窗KPCA的故障检测框架

    k—整个检测过程的样本数量;i—移动步长内的新样本数量;j—移动步长内新样本中出现报警的次数;Ralarm—报警率,即每批新样本中出现报警的次数占总样本数量的比值;Rth—报警限值,本文设Rth=5%;Ttest—全部测试样本总数

    Figure  2.  Fault Detection Framework Based on Moving Window KPCA

    图  3  正常状态下电机故障检测结果

    红色虚线—SPE控制值(下同)

    Figure  3.  Fault Detection Results of Motor under Normal Conditions

    图  4  正常状态下转子系统故障检测结果

    Figure  4.  Fault Detection Results of Rotor System under Normal Conditions

    图  5  正常状态下轴封系统故障检测结果

    Figure  5.  Fault Detection Results of Shaft Seal System under Normal Conditions

    图  6  主泵异常信号

    Figure  6.  Abnormal Signals of Reactor Coolant Pump

    图  7  异常状态下电机检测结果

    Figure  7.  Detection Results of Motor under Abnormal Conditions  

    图  8  异常状态下转子系统检测结果

    Figure  8.  Detection Results of Rotor System under Abnormal Conditions

    图  9  异常状态下轴封系统检测结果

    Figure  9.  Detection Results of Shaft Seal System under Abnormal Conditions

    表  1  主泵传感器布置

    Table  1.   Sensor Arrangement for Reactor Coolant Pump

    监测对象 测点监测参数
    电机  ①定子绕组A相温度;②定子绕组B相温度;③ 定子绕组C相温度;④电机止推轴承上轴瓦温度;⑤电机止推轴承下轴瓦温度;⑥电机上导轴承轴瓦温度;⑦电机下导轴承轴瓦温度;⑧电机上导轴承油液温度;⑨电机下导轴承油液温度
    转子系统  ①电机上部壳振;② 电机下部壳振;③泵轴X向位移;④泵轴Y向位移;⑤泵壳振动
    轴封系统  ①轴封注入水温度;②可控泄漏温度;③第一级轴封前压力;④第二级轴封前压力;⑤第三级轴封前压力;⑥可控泄漏流量
      注:①~⑨—测点位置编号
    下载: 导出CSV

    表  2  各类模型的FAR  %

    Table  2.   False Alarm Rate of Different Models

    模型 电机 转子系统 轴封系统
    确定性KPCA 11.58 1.87 20.62
    移动窗KPCA 0.45 0.47 0.53
    下载: 导出CSV

    表  3  异常状态下各类模型的故障检测性能

    Table  3.   Fault Detection Performance of Models under Abnormal Conditions

    异常事件子系统 方法 FDR/% FAR/%
    电机 移动窗PCA 99.86 38.90
    移动窗KPCA 99.87 2.72
    转子系统 移动窗PCA 88.68 21.96
    移动窗KPCA 78.79 1.83
    轴封系统 移动窗PCA 99.74 62.31
    移动窗KPCA 96.76 2.11
    下载: 导出CSV
  • [1] HASHEMIAN H M. On-line monitoring applications in nuclear power plants[J]. Progress in Nuclear Energy, 2011, 53(2): 167-181. doi: 10.1016/j.pnucene.2010.08.003
    [2] HUSSAIN M, DHIMISH M, TITARENKO S, et al. Artificial neural network based photovoltaic fault detection algorithm integrating two bi-directional input parameters[J]. Renewable Energy, 2020, 155: 1272-1292. doi: 10.1016/j.renene.2020.04.023
    [3] 彭彬森,夏虹,朱少民,等. 核动力装置运行数据的特征提取方法研究[J]. 原子能科学技术,2020, 54(3): 488-495. doi: 10.7538/yzk.2019.youxian.0229
    [4] 孙英杰,彭敏俊. 基于MSET和SPRT的核动力装置异常状态监测技术研究[J]. 核动力工程,2015, 36(3): 57-61.
    [5] BARALDI P, DI MAIO F, TURATI P, et al. Robust signal reconstruction for condition monitoring of industrial components via a modified Auto Associative Kernel Regression method[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2015, 60-61: 29-44. doi: 10.1016/j.ymssp.2014.09.013
    [6] 朱少民,夏虹,彭彬森,等. 基于PCA的主泵传感器状态监测模型[J]. 核动力工程,2020, 41(3): 170-176.
    [7] BARALDI P, CAMMI A, MANGILI F, et al. An ensemble approach to sensor fault detection and signal reconstruction for nuclear system control[J]. Annals of Nuclear Energy, 2010, 37(6): 778-790. doi: 10.1016/j.anucene.2010.03.002
    [8] 李伟,彭敏俊,刘永阔. 基于PCA的核电站传感器状态监测方法研究[J]. 核动力工程,2018, 39(1): 136-139.
    [9] SCHÖLKOPF B, SMOLA A, MÜLLER K R. Kernel principal component analysis[C]//Proceedings of the 7th International Conference on Artificial Neural Networks. Lausanne: Springer, 1997: 583-588.
    [10] 吴天昊,刘韬,施海宁,等. 基于核主元分析法的核电厂设备状态监测技术研究[J]. 核动力工程,2020, 41(5): 132-137.
    [11] WANG H, PENG M J, YU Y, et al. Fault identification and diagnosis based on KPCA and similarity clustering for nuclear power plants[J]. Annals of Nuclear Energy, 2021, 150: 107786. doi: 10.1016/j.anucene.2020.107786
    [12] NAVI M, MESKIN N, DAVOODI M. Sensor fault detection and isolation of an industrial gas turbine using partial adaptive KPCA[J]. Journal of Process Control, 2018, 64: 37-48. doi: 10.1016/j.jprocont.2018.02.002
    [13] DENG X G, TIAN X M. A new fault isolation method based on unified contribution plots[C]//Proceedings of the 30th Chinese Control Conference. Yantai: IEEE, 2011: 4280-4285.
  • 加载中
图(9) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  19
  • HTML全文浏览量:  7
  • PDF下载量:  9
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-06-28
  • 修回日期:  2024-03-15
  • 刊出日期:  2024-06-13

目录

    /

    返回文章
    返回