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基于SEQ2SEQ与ARIMA组合预测模型的小型模块化压水堆瞬态运行预测技术

成以恒 李桐 谭思超 王博 田瑞峰 何正熙 沈继红

成以恒, 李桐, 谭思超, 王博, 田瑞峰, 何正熙, 沈继红. 基于SEQ2SEQ与ARIMA组合预测模型的小型模块化压水堆瞬态运行预测技术[J]. 核动力工程, 2025, 46(4): 237-244. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070066
引用本文: 成以恒, 李桐, 谭思超, 王博, 田瑞峰, 何正熙, 沈继红. 基于SEQ2SEQ与ARIMA组合预测模型的小型模块化压水堆瞬态运行预测技术[J]. 核动力工程, 2025, 46(4): 237-244. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070066
Cheng Yiheng, Li Tong, Tan Sichao, Wang Bo, Tian Ruifeng, He Zhengxi, Shen Jihong. Prediction Technology for Transient Operations of Small Modular PWR Based on SEQ2SEQ and ARIMA Hybrid Prediction Model[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(4): 237-244. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070066
Citation: Cheng Yiheng, Li Tong, Tan Sichao, Wang Bo, Tian Ruifeng, He Zhengxi, Shen Jihong. Prediction Technology for Transient Operations of Small Modular PWR Based on SEQ2SEQ and ARIMA Hybrid Prediction Model[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(4): 237-244. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070066

基于SEQ2SEQ与ARIMA组合预测模型的小型模块化压水堆瞬态运行预测技术

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070066
基金项目: 中核集团领创科研项目(CNNC-LCKY-202251)
详细信息
    作者简介:

    成以恒(2000—),男,硕士研究生,现主要从事小型模块化压水堆与人工智能方面的研究,E-mail: chengyiheng@me.com

    通讯作者:

    谭思超,E-mail: tansichao@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: TL333

Prediction Technology for Transient Operations of Small Modular PWR Based on SEQ2SEQ and ARIMA Hybrid Prediction Model

  • 摘要: 为确保海洋条件下反应堆运行的安全可靠运行,提升海洋条件下的热工运行参数长期预测准确性,本文基于IP200的海洋条件下小型模块化压水堆一维仿真模型的热工运行数据,提出序列到序列(SEQ2SEQ)与自回归差分移动平均模型(ARIMA)的组合预测模型,首先利用ARIMA进行数据的特征提取,随后利用SEQ2SEQ预测振荡值。反应堆在海洋条件下运行时易造成系统内部液面的晃荡,进而导致其他运行参数发生波动。对稳压器压力、冷却剂流量、蒸汽发生器蒸汽出口流量三种不同振荡特征的热工运行参数的预测结果表明:较单独使用ARIMA、SEQ2SEQ模型与传统长短期记忆网络(LSTM)模型相比,预测精度提升约一个数量级。本研究提出的ARIMA和SEQ2SEQ组合预测模型具有计算速度快、预测精度高的特点,为海洋条件下小型模块化压水堆的潜在故障预测提供了一种有效方法。

     

  • 图  1  系统节点划分示意图

    Figure  1.  Schematic Diagram of System Node Division

    图  2  归一化稳压器压力

    Figure  2.  Normalized Pressurizer Pressure

    图  3  SEQ2SEQ算法结构

    Figure  3.  SEQ2SEQ Algorithm Structure

    图  4  组合模型算法结构

    Figure  4.  Hybrid Model Structure

    图  5  归一化冷却剂流量预测情况

    Figure  5.  Normalized Coolant Flow Rate Prediction

    图  6  归一化稳压器压力预测情况

    Figure  6.  Normalized Pressurizer Pressure Prediction

    图  7  引入随机噪声归一化数据预测情况

    Figure  7.  Normalized Prediction with Noise Data Introduced

    表  1  反应堆基本热工运行参数

    Table  1.   Basic Thermal Operation Parameters of the Reactor

    参数名 参数值
    一回路压力/MPa 15.5
    冷却剂流量/(kg·s−1) 809
    冷却剂入口温度/K 555
    冷却剂出口温度/K 600
    反应堆加热功率/MW 220
    二回路压力/MPa 3.0
    二回路给水流量/(kg·s−1) 83.7
    二回路给水温度/K 373
    出口蒸汽温度/K 554
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    表  2  SEQ2SEQ模型超参数

    Table  2.   Hyper-parameters of SEQ2SEQ Model

    超参数 设置情况
    LSTM层数 2
    初始学习率 0.005
    输入序列长度 Study Samples
    输出序列长度 Prediction Length
    迭代次数 200(组合预测)/800(单独预测)
    目标函数 均方误差(MSE)
    训练优化算法 SGD
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    表  3  冷却剂流量预测MSE

    Table  3.   Prediction MSE of Coolant Flow Rate

    预测时长/s 各模型的MSE
    LSTM ARIMA SEQ2SEQ ARIMA与SEQ2SEQ组合
    10 0.0055 0.0030 0.0030 0.0013
    30 0.0068 0.0052 0.0051 0.0050
    50 0.0085 0.0079 0.0079 0.0078
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    表  4  一回路压力预测MSE

    Table  4.   Prediction MSE of Primary Circuit Pressure

    预测时长/s各模型的MSE
    LSTMARIMASEQ2SEQARIMA与SEQ2SEQ组合
    100.00560.00430.00411.8×10–5
    300.00440.00640.00319.9×10–5
    500.00380.00840.00221.4×10–4
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    表  5  蒸汽发生器出口蒸汽流量引入噪声数据预测MSE

    Table  5.   Prediction MSE of Steam Outlet Flow Rate with Noise Data Introduced

    预测时长/s各模型的MSE
    LSTMARIMASEQ2SEQARIMA与SEQ2SEQ组合
    100.00840.0250.0140.0025
    300.01800.0380.0210.0088
    500.02800.0510.0260.0130
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-31
  • 修回日期:  2024-08-31
  • 刊出日期:  2025-08-15

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