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基于图卷积网络的堆芯节功率预测方法研究

陈静 邱星华 江灏 林蔚青 陈彦 许勇

陈静, 邱星华, 江灏, 林蔚青, 陈彦, 许勇. 基于图卷积网络的堆芯节功率预测方法研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(4): 245-252. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070063
引用本文: 陈静, 邱星华, 江灏, 林蔚青, 陈彦, 许勇. 基于图卷积网络的堆芯节功率预测方法研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(4): 245-252. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070063
Chen Jing, Qiu Xinghua, Jiang Hao, Lin Weiqing, Chen Yan, Xu Yong. Research on Prediction Method of In-core Capacity Factor Based on Graph Convolutional Network[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(4): 245-252. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070063
Citation: Chen Jing, Qiu Xinghua, Jiang Hao, Lin Weiqing, Chen Yan, Xu Yong. Research on Prediction Method of In-core Capacity Factor Based on Graph Convolutional Network[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(4): 245-252. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070063

基于图卷积网络的堆芯节功率预测方法研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070063
基金项目: 福建省高校产学合作项目(2022H61010006)
详细信息
    作者简介:

    陈 静(1988—),女,副教授,现从事智能电器与设备故障检测的研究,E-mail: chenj@fzu.edu.cn

    通讯作者:

    江 灏,E-mail: jiangh@fzu.edu.cn

  • 中图分类号: TL334

Research on Prediction Method of In-core Capacity Factor Based on Graph Convolutional Network

  • 摘要: 堆芯节功率的分布直接影响到反应堆的安全运行。为了实现对堆芯节功率分布精准地预测,本文充分考虑功率量程探测器内各个敏感段分布的空间关系以及节功率物理模型的推导过程,根据中子传输矩阵的研究提出了一种适用于节功率分布预测的图数据结构,并利用图卷积网络(GCN)实现对堆芯节功率的预测。基于某二代压水堆机组的历史数据进行算例分析,结果表明本文提出的图数据结构能够有效地整合功率量程探测器采集信号的空间特征;结合GCN模型对节功率变化平稳与波动较大的2种情况进行预测,均能实现节功率分布的精准预测,解决了传统时序预测模型在功率波动较大情况下预测效果不理想的问题。本文所提出的堆芯节功率分布预测方法具有较好的适用性,对提高核反应堆运行的安全性与可靠性具有较高的参考价值。

     

  • 图  1  功率量程探测器分布图

    Figure  1.  Distribution Diagram of Power Range Detector

    图  2  功率量程探测器时空图数据构建

    Figure  2.  Spatial-temporal Graph Data Building of Power Range Detector

    图  3  GCN结构

    Figure  3.  GCN Structure

    图  4  基于GCN的节功率预测流程图

    Figure  4.  Flowchart of Capacity Factor Prediction based on GCN

    图  5  第一通道下部分电流与对应节功率示例

    %FP 指在反应堆满功率运行状态下的百分比值。

    Figure  5.  Example of Current and Corresponding Capacity Factor of the Lower Part in the First Channel

    图  6  第1段节功率预测值与真实值对比示例

    Figure  6.  Example of Comparison between Predicted Value and Actual Value of Capacity Factor of Section 1

    图  7  各段节功率的平均绝对百分比误差

    Figure  7.  Mean Absolute Percentage Error of Capacity Factor of Each Section

    图  8  3种图结构示意图

    Figure  8.  Schematic Diagram of Three Graph Structures

    图  9  测试集2上不同图结构预测的评价指标

    Figure  9.  Evaluation Indicators for Different Graph Structure Predictions on Test Set 2

    图  10  不同模型各段节功率平均绝对百分比误差

    Figure  10.  Mean Absolute Percentage Error of Capacity Factor of Each Section of Different Models

    表  1  GCN模型参数模型寻优结果

    Table  1.   Optimal Results of GCN Model Parameters

    参数名称 参数范围 寻优结果
    图卷积层数 [1,2,3,4,5] 3
    图卷积层中隐含神经元个数 [16,32,48,64,96,128] 48
    多层感知机中隐含神经元个数 [16,32,48,64,96,128] 96
    学习率 [0.0001 0.001 0.005 0.01] 0.001
    训练样本大小 [4,8,16,32,64] 16
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    表  2  GCN模型的整体评价指标

    Table  2.   Overall Evaluation Index of GCN Model

    评价指标 ${\overline \delta _{\rm{RMSE}}}$/%FP $ {\overline \delta _{\rm{MAE}}} $/%FP ${\overline \delta _{\rm{MAPE}}}$/%
    测试集1 0.05581 0.04431 0.268
    测试集2 0.11439 0.06225 0.448
    测试集3 0.06942 0.05371 0.329
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    表  3  不同模型的整体评价指标

    Table  3.   Overall Evaluation Indicators of Different Models

    模型 测试集1 测试集2
    ${\overline \delta _{\rm{RMSE}}}$/%FP $ {\overline \delta _{\rm{MAE}}} $/%FP ${\overline \delta _{\rm{MAPE}}}$/% 响应时间/s ${\overline \delta _{\rm{RMSE}}}$/%FP $ {\overline \delta _{\rm{MAE}}} $/%FP ${\overline \delta _{\rm{MAPE}}}$/% 响应时间/s
    MLP 0.056538 0.044883 0.276 0.5505 0.17413 0.14671 1.001 0.5703
    LSTM 0.072013 0.059513 0.391 0.6383 0.17509 0.14416 0.999 0.6452
    CNN-LSTM 0.057499 0.045832 0.286 0.9285 0.17327 0.12938 0.893 0.9321
    GCN 0.055811 0.044309 0.268 1.3663 0.11439 0.06225 0.448 1.3651
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-31
  • 修回日期:  2024-09-11
  • 刊出日期:  2025-08-15

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