基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)電機(jī)故障診斷與預(yù)測性維護(hù)

倪先鋒(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

0 引言

發(fā)電機(jī)組的安全與穩(wěn)定運(yùn)行是電網(wǎng)能否穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件，對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷可及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的隱患，且對保證發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義[1]。發(fā)電機(jī)一般由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、機(jī)座以及軸承等零部件組成，而每個(gè)單獨(dú)的零部件又由很多的零部件構(gòu)成。由于發(fā)電機(jī)的組成元件過于復(fù)雜，因此如何有效設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測點(diǎn)、有效提取到發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)信息就尤為困難。因此，有效地對發(fā)電機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值與實(shí)際意義。其中，文獻(xiàn)[1]提出對發(fā)電機(jī)的主要零部件進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測，然后對關(guān)鍵零部件進(jìn)行故障診斷，該論文取得了一定的成果，但是沒有對發(fā)電機(jī)的整體狀態(tài)進(jìn)行評估；文獻(xiàn)[2]對發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了狀態(tài)監(jiān)測，但是沒有做故障診斷。

目前對海上電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組故障診斷難點(diǎn)在于以下幾點(diǎn)：

(1)發(fā)電機(jī)的組成零部件太復(fù)雜，造成干擾源太多，很難提取到發(fā)電機(jī)有效故障特征信息；

(2)對海上電網(wǎng)發(fā)電機(jī)的故障診斷研究資料甚少；

(3)一般的傳統(tǒng)故障診斷技術(shù)不能直接適用于發(fā)電機(jī)。

鑒于綜上幾點(diǎn)，本文提出一種基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)電機(jī)故障診斷與預(yù)測性維護(hù)方法[3-5]。本方法采用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與人工智能技術(shù)相互結(jié)合，進(jìn)一步在實(shí)現(xiàn)對海上電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)之上，更進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)了對發(fā)電機(jī)組的故障診斷，然后基于故障診斷的信息提出預(yù)測性維護(hù)的意見。有效的打破了傳統(tǒng)方法對發(fā)電機(jī)的故障監(jiān)測的局限性，并且為后續(xù)發(fā)電機(jī)組的壽命預(yù)測提供了基礎(chǔ)保證，該方法具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值與實(shí)際意義。

1 傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)故障診斷技術(shù)

目前對于電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的故障診斷在實(shí)際過程中主要還是依賴于專家系統(tǒng)[6-8]，其故障診斷流程圖如圖1所示。其主要技術(shù)方法的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何構(gòu)建基于發(fā)電機(jī)組的各種狀態(tài)檢測量來推算發(fā)電機(jī)的缺陷、以及發(fā)電機(jī)的故障發(fā)生概率(典型的有故障樹)的物理模型或者是數(shù)學(xué)模型。

圖1 傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)故障診斷流程圖

用于發(fā)電機(jī)故障診斷的狀態(tài)監(jiān)測量有很多，并且實(shí)際運(yùn)用過程中每個(gè)狀態(tài)特征量代的作用也不一致，通常需要給每個(gè)特征狀態(tài)量給予不同權(quán)重。目前給予不同特征狀態(tài)量權(quán)重的方法主要有主觀權(quán)重法與客觀權(quán)重法兩種方式，主觀權(quán)重法的主要依據(jù)就是根據(jù)專家的意見進(jìn)行特征監(jiān)測量權(quán)重的分配，因此該方法的結(jié)果很容易受到專家主觀性的影響，客觀權(quán)重法是根據(jù)各特征狀態(tài)量之間的客觀規(guī)律，然后依靠數(shù)學(xué)方法來確定其權(quán)重。通過數(shù)學(xué)方法確定客觀權(quán)重的方法主要包括模糊理論、可拓理論、灰色理論、證據(jù)理論等。

2 基于大數(shù)據(jù)分析的發(fā)電機(jī)故障診斷技術(shù)

2.1 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)故障診斷原理簡述

大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起，為海上電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的故障診斷提供了新的技術(shù)，并且對發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測提出了更高要求。大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)引入了更高深的數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模式識別等方面的理論技術(shù)與工具。在海量數(shù)據(jù)的前提下，重點(diǎn)挖掘出不確定模型與監(jiān)測狀態(tài)量、以及故障狀態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系?；诖髷?shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)電機(jī)故障診斷技術(shù)主要是依靠歷史數(shù)據(jù)，然后根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的特征預(yù)測未來的發(fā)展趨勢，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)故障診斷監(jiān)測[9,10]。

2.2 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)電機(jī)故障診斷

2.2.1 聚類算法

基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的設(shè)備故障診斷方法是通過故障異常狀態(tài)參量的聚類分析來挖掘設(shè)備異常的故障模式。在本文中主要通過DBSCAN[12,13](Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)，基于密度的聚類算法)。DBSCAN是一種常見的聚類算法，其用于聚類的基本思想可以簡述如下：

(1) DBSCAN通過檢查數(shù)據(jù)集中每個(gè)點(diǎn)的δ鄰域(該鄰域的大小由算法給定)來搜索簇，如果任意一點(diǎn)的δ鄰域包含多于給定點(diǎn)數(shù)，則創(chuàng)建一個(gè)以該點(diǎn)為核心對象的簇；

(2)接步驟(1)，如果簇內(nèi)的每一個(gè)點(diǎn)均滿足聚類條件則對簇進(jìn)行拓展，否則計(jì)該點(diǎn)為噪聲點(diǎn)；

(3)重復(fù)步驟(2)，當(dāng)沒有新點(diǎn)添加到任何簇時(shí)，迭代過程結(jié)束。最終可以得出聚類的類別與數(shù)目。

2.2.2 異常檢測

大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)主要通過異常檢測的方式來實(shí)現(xiàn)對故障的監(jiān)測。異常檢測的方法有很多，例如隔離森林、局部異常因子監(jiān)測、自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(self-organized maps，SOM)[11]等。其中本文采用的基于SOM異常檢測方法，SOM的學(xué)習(xí)過程不同一般的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其可以不用提前給定任何目標(biāo)輸出。其基本思想上可以簡述為：當(dāng)輸入矢量輸入到網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)利用隨機(jī)選取的權(quán)值進(jìn)行計(jì)算，尋找到最優(yōu)的神經(jīng)元，然后調(diào)整權(quán)值，用收縮鄰域與學(xué)習(xí)因子(隨時(shí)間而收縮)的辦法，最終使取值形成一組能映射輸入的數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)自組織形成時(shí)，訓(xùn)練即結(jié)束。

一般而言SOM的神經(jīng)元是一個(gè)二維規(guī)則的單元格(一般有六邊形、矩形)，其中每一個(gè)神經(jīng)元均可以由一組向量表達(dá)鄰近神經(jīng)元，且神經(jīng)元之間是根據(jù)一定的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

其中SOM的實(shí)現(xiàn)步驟可以簡述為，將輸入特征向量進(jìn)行歸一化后，反復(fù)訓(xùn)練SOM。每訓(xùn)練一步，計(jì)算SOM權(quán)值與特征向量之間的“歐式距離”，最終選取最短距離的神經(jīng)元為最佳匹配單元(Best matching unit, BMU)，BMU的本質(zhì)就是權(quán)值矢量與輸入向量之間最為接近的單元。當(dāng)BMU確定后，更新權(quán)值矢量與拓?fù)潢P(guān)系。其更新權(quán)值公式(1)為：

式中：Wi為權(quán)值矢量；h(·)為鄰域函數(shù)；a(t)為學(xué)習(xí)率，在(0,1)區(qū)間內(nèi)遞減；X為輸入特征矢量。

在工業(yè)現(xiàn)場中，故障數(shù)據(jù)往往很難被采集到，然而設(shè)備正常數(shù)據(jù)可以輕易的獲取，因此可以利用偏離正常狀態(tài)的特征空間來探測設(shè)備健康狀態(tài)。因此可以結(jié)合SOM中的BMU與輸入特征向量之間的距離來衡量設(shè)備是否偏離了正常運(yùn)行狀態(tài)，即運(yùn)用最小量化誤差MQE(Minimum Quadratuer Error)值來衡量設(shè)備的健康狀態(tài)。

定義最小量化誤差MQE如下：

式中：MMQE為MQE值；X為輸入特征矢量；BMU為BMU對應(yīng)的權(quán)值矢量。

通過MQE值即可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的故障監(jiān)測與預(yù)測性維護(hù)?；诖髷?shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)電機(jī)的故障診斷流程圖如圖2所示。

圖2 基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)電機(jī)的故障診斷流程圖

(1)狀態(tài)監(jiān)測。利用傳感器獲取發(fā)電機(jī)的測量值，其中有發(fā)電機(jī)的電參數(shù)(電壓、電流、有功功率等)、設(shè)備參數(shù)(關(guān)鍵設(shè)備的壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、加速度、位移、速度)等。

(2)數(shù)據(jù)清洗。在步驟(1)的過程中，采集到的數(shù)據(jù)由于采集硬件設(shè)備的原因或者是網(wǎng)絡(luò)通訊的原因，會(huì)導(dǎo)致一些數(shù)據(jù)存在丟失。因此要將數(shù)據(jù)進(jìn)行去重、去空及對缺失值進(jìn)行補(bǔ)全等操作。

(3) DBSCAN。接步驟(2)，對原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行降維、歸一化，然后運(yùn)用密度聚類方法對其進(jìn)行聚類，劃分原始數(shù)據(jù)的類別。

(4) SOM-MQE。再步驟(3)的基礎(chǔ)上，對聚類后的數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測，判斷輸入的點(diǎn)是否為異常點(diǎn)，即此時(shí)發(fā)電機(jī)的狀態(tài)是否出現(xiàn)了異常。

(5)狀態(tài)評估。根據(jù)步驟(4)的MQE值來判斷設(shè)備的健康狀態(tài)，如果設(shè)備正常，MQE值會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)；如果MQE值突然變化很大，則說明設(shè)備出現(xiàn)異常。

3 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提方法的有效性，選取一個(gè)海上電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。選取22個(gè)特征指標(biāo)對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)評估。由于采集的特征參數(shù)的具體數(shù)值不在同一量級上，因此對其進(jìn)行歸一化處理，然后進(jìn)行特征降維分析。其中算法的相關(guān)設(shè)置參數(shù)如下：DBSCAN中，鄰域半徑的大小設(shè)為0.35，最小采樣點(diǎn)數(shù)為10；SOM算法的參數(shù)設(shè)置如下：構(gòu)建二維平面為5×5的六邊形結(jié)構(gòu)拼接而成，領(lǐng)域半徑為0.5，學(xué)習(xí)率0.1，近鄰函數(shù)選用高斯函數(shù)。最終基于SOM-MQE方法發(fā)電機(jī)的故障診斷結(jié)果如圖3所示。

圖3 基于SOM-MQE的發(fā)電機(jī)故障診斷

在正常情況下，發(fā)電機(jī)的MQE值處于一個(gè)正常的波動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，其MQE值波動(dòng)范圍較大，如圖3中紅色圓圈中的點(diǎn)。根據(jù)此時(shí)發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，最終反查至發(fā)電機(jī)此時(shí)的監(jiān)測值，進(jìn)行故障的根因分析，有利于進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)的故障診斷。進(jìn)一步，根據(jù)發(fā)電機(jī)的MQE值作為發(fā)電機(jī)狀態(tài)的特征指標(biāo)，然后對發(fā)電機(jī)進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)。

4 結(jié)語

文章所提的基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)電機(jī)故障診斷與預(yù)測性維護(hù)技術(shù)，在一定程度實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)的故障診斷。在此基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)了對發(fā)電機(jī)的預(yù)測性維護(hù)，該方法避免了傳統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法的不足，進(jìn)一步提高了發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷效率。進(jìn)一步提升了海上電網(wǎng)的安全性能，提高了實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。