基于PCA的冷水機組傳感器測量故障數(shù)據(jù)修復(fù)

胡云鵬，張嘉偉，曾 洋，薛新超

（1.武漢商學(xué)院 機電工程與汽車服務(wù)學(xué)院，湖北 武漢 430056；2.武漢商學(xué)院 節(jié)能與新能源技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430056）

基于PCA的冷水機組傳感器測量故障數(shù)據(jù)修復(fù)

胡云鵬1，2，張嘉偉1，曾 洋1，薛新超1

（1.武漢商學(xué)院 機電工程與汽車服務(wù)學(xué)院，湖北 武漢 430056；2.武漢商學(xué)院 節(jié)能與新能源技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430056）

傳感器測量數(shù)據(jù)的真實性，為冷水機組的安全運行和優(yōu)化節(jié)能的提供了必要條件，但也經(jīng)常發(fā)生傳感器的測量故障。采用主元分析（Principal Component Analysis，PCA）方法，利用Q統(tǒng)計量進(jìn)行傳感器故障檢測、診斷與數(shù)據(jù)修復(fù)研究，并以實際工程的冷水機組運行數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)數(shù)據(jù)精度驗證，結(jié)果良好。

冷水機組；傳感器測量故障；主元分析；數(shù)據(jù)修復(fù)

冷水機組是制冷空調(diào)系統(tǒng)中的核心冷熱源設(shè)備，也是一個高耦合熱力系統(tǒng)。為了了解系統(tǒng)實時工況，保障安全運行，實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化，需要對設(shè)備中的各節(jié)點溫度、壓力、流量等進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠、實時測量。而在長期的使用運行過程中，傳感器的測量故障經(jīng)常發(fā)生，也導(dǎo)致了性能下降、舒適度下降、能耗浪費等一系列問題。由于系統(tǒng)的熱耦合性，很難利用單個傳感器的歷史數(shù)據(jù)分析當(dāng)前測量值的準(zhǔn)確性。所以，準(zhǔn)確識別故障傳感器，在無法及時或沒有必要更換傳感器的條件下修復(fù)故障測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)傳感器故障的檢測、診斷與數(shù)據(jù)修復(fù)（Fault Detection，Diagnosis，and Reconstruction，F(xiàn)DDR），具有十分現(xiàn)實的研究意義和工程價值。

近年來的相關(guān)研究以基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法為主，而主元分析（Principal Component Analysis，PCA）是一種主要的計算方法。以歷史實測數(shù)據(jù)構(gòu)成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；然后采用PCA算法進(jìn)行主元模型的訓(xùn)練，并利用投影關(guān)系和統(tǒng)計量構(gòu)成相關(guān)的閾值邊界用于檢測故障、診斷具體故障傳感器；最后，在適當(dāng)?shù)臈l件下，利用PCA的修復(fù)模型重構(gòu)故障傳感器的測量數(shù)值。文章采用基于PCA的方法開展數(shù)據(jù)重構(gòu)研究，利用實測數(shù)據(jù)對比分析兩種方法的重構(gòu)效果

1 主元分析基本原理

2 結(jié)果驗證

（1）傳感器數(shù)據(jù)模型。根據(jù)蒸汽壓縮制冷循環(huán)的熱力學(xué)原理，選取了等8個傳感器或控制器反饋信號構(gòu)成水冷式冷水機組傳感器測量故障的數(shù)據(jù)修復(fù)基本模型。這8個采樣點分別是：蒸發(fā)器側(cè)冷凍水的回水和供水溫度（Tchwr，Tchws）及流量（Mchw）測量數(shù)據(jù)；冷凝器側(cè)冷卻水的回水和供水溫度（Tcwr，Tcws）及流量（Mcw）測量數(shù)據(jù)；機組耗功（W）和冷水機組出口水溫控制的執(zhí)行器件反饋信號（Mref）。

將武漢市某電子廠房的螺桿式冷水機組的實際運行數(shù)據(jù)剔除了明顯的系統(tǒng)誤差后，分別建立了訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和被測數(shù)據(jù)集，以溫度類傳感器的測量故障為對象，開展基于PCA的數(shù)據(jù)修復(fù)精度驗證分析。

圖1 基于PCA的Tchws的修復(fù)數(shù)據(jù)精度

圖2 基于PCA的Tchwr的修復(fù)數(shù)據(jù)精度

圖3 基于PCA的Tcws的修復(fù)數(shù)據(jù)精度

圖4 基于PCA的Tcwr的修復(fù)數(shù)據(jù)精度

（2）結(jié)果分析。經(jīng)過計算可知3個主元的累計貢獻(xiàn)率為88.6%，所以選取主元個數(shù)為3。蒸發(fā)器側(cè)冷凍水的回水和供水溫度（Tchwr，Tchws）的修復(fù)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的對比分別圖1和圖2所示。其中，Tchws的原始數(shù)據(jù)與修復(fù)數(shù)據(jù)的誤差平均值為0.57℃，重構(gòu)數(shù)據(jù)的誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.24℃。而Tchwr的誤差平均值為－0.39℃，重構(gòu)數(shù)據(jù)的誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.24℃。Tchws的數(shù)據(jù)修復(fù)精度良好，修復(fù)數(shù)據(jù)的值整體小于原始數(shù)據(jù)，而且還有約15%的數(shù)據(jù)低于－10%的精度。Tchws數(shù)據(jù)修復(fù)均方根差（Root Mean Squared Error，RMSE）為0.6181℃，而Tchws數(shù)據(jù)修復(fù)的RMSE為0.4535℃。

冷凝器側(cè)冷卻水的回水和供水溫度（Tcwr，Tcws）的修復(fù)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的對比如圖3和圖4所示。其中，Tcws的原始數(shù)據(jù)與修復(fù)數(shù)據(jù)的誤差平均值為0.11℃，重構(gòu)數(shù)據(jù)的誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.86℃。而Tcwr的誤差平均值為0.74℃，重構(gòu)數(shù)據(jù)的誤差標(biāo)準(zhǔn)差為1.05℃。有超過95%以上數(shù)據(jù)的精度達(dá)到在±5%之內(nèi)，修復(fù)效果明顯。Tcws和Tcwr的數(shù)據(jù)修復(fù)RMSE分別為0.9199℃和1.004℃。

3 結(jié)語

傳感器測量數(shù)據(jù)的真實性對制冷空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制與安全運行的基礎(chǔ)必要條件，開展測量故障數(shù)據(jù)的修復(fù)具有重要的實際工程意義。文章采用PCA方法開展冷水機組中溫度傳感器的測量故障數(shù)據(jù)修復(fù)研究。通過實測數(shù)據(jù)的實際修復(fù)結(jié)果可知，基于PCA的數(shù)據(jù)修復(fù)方法具有較好的重構(gòu)精度，利用正常工作的傳感器的測量數(shù)據(jù)建立修復(fù)模型，四個溫度傳感器的修復(fù)精度均超過了15%。其中，冷卻水側(cè)的修復(fù)精度可達(dá)到±5%，而冷凍水側(cè)的修復(fù)精度也可達(dá)到±10%，對后續(xù)擬開展測量故障下的容錯控制提供研究基礎(chǔ)。

［1］Lee SH，Yik FW H.A study on the energy penalty of various airside system faults in buildings［J］.Energy and Buildings，2010，42（1）：2-10.

［2］Ginestet S，Marchio D，Morisot O.Evaluation of faults impacts on energy consumption and indoor air quality on an air handling unit［J］. Energy and Buildings，2008，40（1）：51-57.

［3］Wang SW，Xiao F.Detection and diagnosis of AHU sensor faults using principal component analysismethod［J］.Energy Conversion and Management，2004，45（17）：2667-2686.

［4］陳煥新，劉江巖，胡云鵬，等.大數(shù)據(jù)在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.制冷學(xué)報，2015，（4）：16-22.

［5］Wang SW，Xiao F.AHU sensor fault diagnosis using principal component analysismethod［J］.Energy and Buildings，2004，36（2）:147-160.

［6］Chen Y M，Lan L L.Fault detection，diagnosis and data recovery for a real building heating/cooling billing system［J］.Energy Conversion and Management，2010，51（5）：1015-1024.

［7］Hu Y，Li G，Chen H，et al.Sensitivity analysis for PCA-based chiller sensor fault detection［J］.International Journal of Refrigeration，2016，（63）：133-143.

［8］Liu J，Hu Y，Chen H，et al.A refrigerant charge fault detectionmethod for variable refrigerant flow（VRF）air-conditioning systems［J］.Applied Thermal Engineering，2016，（107）：284-293.

［9］Qin S J.Statistical processmonitoring:basics and beyond［J］.Journal of Chemometrics，2003，17（8-9）：480-502.

［10］胡云鵬.基于主元分析的冷水機組傳感器故障檢測效率研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2013.

Fault Diagnosis of Chronograph Based on PCA

HU Yun-peng1，2,ZHANG Jia-wei1，ZENG Yang1，XUE Xin-chao1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering and Automotive Services，Wuhan University of Commerce，Wuhan，Hubei 430056，China；2.Energy Conservation and New Energy Technology Research Center，Wuhan University of Commerce，Wuhan，Hubei 430056，China）

The authenticity of themeasured data of the sensor provides the necessary conditions for the safe operation of the chillerand the optimization of the energy saving，but themeasurementof the sensor isalso frequent.Themain componentanalysis（PCA）method is used to analyze the sensor fault detection，diagnosis and data restoration with Q statistic，and the data of the chilledwaterunitisused to verify the accuracy of the data.

chiller；sensormeasurement failure；principalcomponentanalysis；data restoration

TU831.4

A

2095-980X（2017）05-0102-02

2017-05-18

2016年湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（B2016361），武漢市科技局科技創(chuàng)新平臺建設(shè)計劃（2015061705011607），武漢市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度重點（專項）課題（課題批準(zhǔn)號：2016A125）成果，2016年度武漢商學(xué)院校級教學(xué)研究項目（2016Y010）。

胡云鵬（1978-），男，博士，講師，主要研究方向：制冷空調(diào)故障診斷與優(yōu)化控制。