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基于LSTM神经网络的核电厂瞬态参数预测与故障诊断研究

刘涛 谢金森

刘涛, 谢金森. 基于LSTM神经网络的核电厂瞬态参数预测与故障诊断研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(2): 230-238. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080036
引用本文: 刘涛, 谢金森. 基于LSTM神经网络的核电厂瞬态参数预测与故障诊断研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(2): 230-238. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080036
Liu Tao, Xie Jinsen. Study on Transient Parameter Prediction and Fault Diagnosis of Nuclear Power Plant Based on LSTM Neural Network[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(2): 230-238. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080036
Citation: Liu Tao, Xie Jinsen. Study on Transient Parameter Prediction and Fault Diagnosis of Nuclear Power Plant Based on LSTM Neural Network[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(2): 230-238. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080036

基于LSTM神经网络的核电厂瞬态参数预测与故障诊断研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080036
基金项目: 国家自然科学基金(U2267207);湖南省自然科学基金(2022JJ30481)
详细信息
    作者简介:

    刘 涛(1999—),男,博士研究生,现主要从事核电厂故障诊断方面的研究,E-mail: 20212010110640@usc.stu.cn

    通讯作者:

    谢金森,E-mail: jinsen_xie@usc.edu.cn

  • 中图分类号: TL48;TM623

Study on Transient Parameter Prediction and Fault Diagnosis of Nuclear Power Plant Based on LSTM Neural Network

  • 摘要: 为提高核电厂瞬态工况下参数预测和故障诊断的准确性和实时性,本研究采用长短期记忆(LSTM)神经网络模型进行预测和诊断。通过生成并随机化故障情景,减少预测模型对特定模式的依赖,提高其在未知故障情景下的泛化能力。研究结合沙普利加性解释性(SHAP)方法,对预测模型的参数预测结果进行解释性分析,评估不同输入特征对模型预测性能的影响,并验证该预测模型在传感器故障和数据传输错误情况下的预测准确性。此外,针对含有不同噪声水平的瞬态参数进行故障诊断,验证故障诊断模型的鲁棒性。结果表明,LSTM神经网络模型在预测和诊断方面具有较高的精度,即使在传感器故障、数据传输有误以及数据含有噪声情况下仍表现出色。本研究提出的方法能够提升核电厂运行安全和稳定性,为事故工况下的安全性提供有效技术支持。

     

  • 图  1  LSTM神经网络结构图

    Figure  1.  Structural Diagram of the LSTM Neural Network

    图  2  LSTM神经网络参数预测原理图

    Figure  2.  Schematic Diagram of LSTM Neural Network Parameter Prediction

    图  3  LSTM神经网络预测模型与SVM预测模型下LOCA关键参数趋势预测对比图

    Figure  3.  Comparison of Trend Prediction of Key Parameters of LOCA under LSTM Prediction Model and SVM Prediction Model 

    图  4  LSTM神经网络预测模型与SVM预测模型下SGTR关键参数趋势预测对比图

    Figure  4.  Comparison of Trend Prediction of SGTR Key Parameters under LSTM Prediction Model and SVM Prediction Model

    图  5  LSTM神经网络预测模型与SVM预测模型下RW关键参数趋势预测对比图

    Figure  5.  Comparison of Trend Prediction of RW Key Parameters under LSTM Prediction Model and SVM Prediction Model

    图  6  LSTM神经网络预测模型与SVM预测模型下SLBIC关键参数趋势预测对比图

    Figure  6.  Comparison of Trend Prediction of SLBIC Key Parameters under LSTM Prediction Model and SVM Prediction Model

    图  7  稳压器水位为实际1.1倍时LSTM神经网络预测模型关键参数运行趋势预测图

    Figure  7.  Predicted Trend of Key Parameters When Pressurizer Water Level is 1.1 Times the Actual Level

    图  8  冷却剂平均温度缺失时LSTM神经网络预测模型关键参数运行趋势预测图

    Figure  8.  Predicted Trend of Key Parameters When Coolant Average Temperature Missing

    图  9  SHAP特征摘要图

    Figure  9.  Summary Diagram of SHAP Features

    图  10  特征依赖图

    Figure  10.  Feature Dependency Graph

    图  11  使用预测参数进行故障诊断混淆矩阵图

    Figure  11.  Confusion Matrix for Fault Diagnosis Using Predicted Parameters

    图  12  使用实际参数进行故障诊断混淆矩阵图

    Figure  12.  Confusion Matrix for Fault Diagnosis Using Actual Parameters

    图  13  不同噪声水平下故障诊断混淆矩阵图

    Figure  13.  Confusion Matrix for Fault Diagnosis at Different Noise Levels

    表  1  故障设置

    Table  1.   Fault Settings

    编号 故障类型 故障情景设置
    0 LOCA 破口面积:1~16 cm2
    1 SGTR 传热管破裂率:1%~16%
    2 RW 反应性增加范围:1% ~16%
    3 SLBIC 破口面积:1~16 cm2
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    表  2  LSTM神经网络预测模型超参数设置

    Table  2.   Model Hyperparameter Settings

    参数描述超参数设置
    隐藏层神经元数目64、54、256
    激活函数Sigmoid
    优化器Adam
    迭代次数10000
    批处理大小90
    正则化技术L2、Dropout
    学习率0.0004
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    表  3  LSTM神经预测模型与SVM预测模型预测效果

    Table  3.   Prediction Performance of Network Models

    故障类型模型类型MAERMSE
    LOCALSTM0.00530.0148
    SVM0.02060.0359
    SGTRLSTM0.00610.0198
    SVM0.02460.0258
    RWLSTM0.00510.0149
    SVM0.02400.0242
    SLBICLSTM0.00760.0154
    SVM0.03550.0360
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    表  4  稳压器水位为实际数据1.1倍时LSTM神经网络预测模型性能

    Table  4.   Model Prediction Performance When Pressurizer Water Level is 1.1 Times the Actual Level

    故障类型MAERMSE
    LOCA0.01040.0206
    SGTR0.00620.0059
    RW0.00710.0265
    SLBIC0.00990.0230
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    表  5  冷却剂平均温度缺失时LSTM神经网络预测模型性能

    Table  5.   Model Prediction Performance When Coolant Average Temperature Missing

    故障类型 MAE RMSE
    LOCA 0.0114 0.0124
    SGTR 0.0084 0.0207
    RW 0.0115 0.0327
    SLBIC 0.0093 0.0197
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    表  6  LSTM神经网络故障诊断模型的性能

    Table  6.   Performance of the Fault Diagnosis Model

    数据准确率/%精确率/%召回率/%
    预测参数96.7596.7996.75
    实际参数99.5099.5099.50
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    表  7  添加噪声后LSTM神经网络故障诊断模型的性能

    Table  7.   Performance of Fault Diagnosis Model after Adding Noise

    噪声水平/%准确率/%精确率/%召回率/%
    195.0095.0493.64
    394.0094.1194.00
    592.2592.3692.25
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-14
  • 修回日期:  2024-10-08
  • 网络出版日期:  2025-01-15
  • 刊出日期:  2025-04-15

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