基于Apirori關(guān)聯(lián)規(guī)則的電廠(chǎng)熱工保護(hù)用繼電器故障分析

鐘文晶，陸 陸，胡伯勇

（1.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310000；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310000）

0 引言

繼電器在電廠(chǎng)中有廣泛的應(yīng)用，特別是保護(hù)用的繼電器，對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。近年來(lái)，隨著機(jī)組控制系統(tǒng)老化，由繼電器引起的跳機(jī)事件開(kāi)始出現(xiàn)。由于繼電器屬于相對(duì)容易忽視的對(duì)象，熱工相關(guān)人員對(duì)其選型和維護(hù)有一定的盲目性，對(duì)繼電器所發(fā)生的故障進(jìn)行分析顯得十分重要。因此，有必要對(duì)熱工保護(hù)用重要繼電器故障常見(jiàn)的原因進(jìn)行分析。

熱工保護(hù)用繼電器的檢測(cè)工作開(kāi)展的較少，對(duì)熱工保護(hù)用繼電器故障數(shù)據(jù)分析的文獻(xiàn)也相對(duì)較少。關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘是數(shù)據(jù)挖掘的一種重要方法，能從客觀(guān)的數(shù)據(jù)中發(fā)掘隱藏的內(nèi)部聯(lián)系，提供有價(jià)值的信息[1]。該方法在電廠(chǎng)中運(yùn)用也有先例，如電站運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)值[3,4]，輔機(jī)設(shè)備故障分析[5]等?；诖?，本文將嘗試著把關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘方法應(yīng)用在熱工保護(hù)用繼電器故障分析中，得出影響繼電器故障的主要因素。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)離散化后整理表Table 1 Test data after discretization table

1 繼電器測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 對(duì)原始數(shù)據(jù)表進(jìn)行整理

本文數(shù)據(jù)取自浙能集團(tuán)所屬各電廠(chǎng)繼電器測(cè)量數(shù)據(jù)，共包括10 個(gè)電廠(chǎng)，22 臺(tái)機(jī)組，1724 條數(shù)據(jù)，其中包括100條不合格數(shù)據(jù)。由于測(cè)量時(shí)間跨度較大，表格格式都不一樣，因而需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。數(shù)據(jù)內(nèi)容統(tǒng)一為：電廠(chǎng)名稱(chēng)、繼電器位置、端子號(hào)、繼電器類(lèi)型、動(dòng)作值、返回值、線(xiàn)圈電阻、動(dòng)作時(shí)間、問(wèn)題表現(xiàn)、繼電器電壓、使用年限等。對(duì)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

1.2 繼電器故障的參考標(biāo)準(zhǔn)

參照廠(chǎng)家資料和實(shí)際使用情況以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，以下繼電器列為故障繼電器。

1）動(dòng)作電壓大于90%額定電壓。

2）返回電壓小于10%額定電壓。

3）線(xiàn)圈電阻偏離額定50%。

4）動(dòng)作時(shí)間大于100ms。

5）導(dǎo)通后觸點(diǎn)電阻大于1Ω。

1.3 繼電器故障數(shù)據(jù)離散化

本文采用的Apriori 算法屬于布爾型關(guān)聯(lián)規(guī)則算法[2]，只能處理分類(lèi)型變量，不能處理數(shù)值型變量。因此，需要對(duì)整理后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行整理，數(shù)據(jù)類(lèi)型為離散型，離散化后的數(shù)據(jù)參考樣式如表1 所示。

其中，檢測(cè)結(jié)論1 對(duì)應(yīng)無(wú)故障，2 對(duì)應(yīng)故障。

繼電器使用時(shí)長(zhǎng)：因機(jī)組大修周期為5 年，所以1 對(duì)應(yīng)小于5 年，2 對(duì)應(yīng)5 ～10 年，3 對(duì)應(yīng)10 年以上。

常帶電：因有些繼電器常帶電，有些不常帶電，所以1 對(duì)應(yīng)常帶電，2 對(duì)應(yīng)不常帶電。

繼電器品牌：繼電器品牌較多，具體分類(lèi)Allen-Bradley 對(duì)應(yīng)1，C 系列對(duì) 應(yīng)2，OMRON 對(duì)應(yīng)3，KUEP 對(duì)應(yīng)4，RR3P 對(duì)應(yīng)5，TYCO 對(duì)應(yīng)6，YSMY0 對(duì)應(yīng)7，其他對(duì)應(yīng)8。

繼電器額定電壓：電廠(chǎng)常用繼電器額定電壓包括：DC24V 對(duì) 應(yīng)1，DC48V 對(duì) 應(yīng)2，DC110V 對(duì) 應(yīng)3，DC220V對(duì)應(yīng)4。

2 關(guān)聯(lián)規(guī)則Apriori算法

關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法中最經(jīng)典的是Apriori 算法，它是由R.Agrawal 和R.Srikant 提出的一種挖掘關(guān)聯(lián)規(guī)則頻集的算法。該算法采用的是逐層搜索迭代的方式，先產(chǎn)生候選集Ck，然后計(jì)算所有k 項(xiàng)集的支持度，若支持度滿(mǎn)足大于最小支持度閾值要求，則成為頻繁k 項(xiàng)集Lk，接著在Lk基礎(chǔ)上產(chǎn)生候選集Ck+1，然后通過(guò)判斷最小支持度來(lái)確定頻繁（k+1）項(xiàng)集Lk+1，以此類(lèi)推，直到找不到下一個(gè)頻繁項(xiàng)集為止。由每個(gè)頻集中的項(xiàng)組成關(guān)聯(lián)規(guī)則，分別計(jì)算出規(guī)則的置信度，若置信度大于最小置信度閾值，則生成關(guān)聯(lián)規(guī)則，同時(shí)滿(mǎn)足最小支持度和最小置信度要求的規(guī)則成為有效規(guī)則。因此，Apriori 算法分為兩步，第一步產(chǎn)生頻集，第二步產(chǎn)生關(guān)聯(lián)規(guī)則。

2. 《江蘇省產(chǎn)前診斷(篩查)技術(shù)質(zhì)量管理要求》(包括遺傳咨詢(xún)、血清學(xué)產(chǎn)前 篩查、產(chǎn)前超聲診斷、介入性產(chǎn)前診斷取樣操作技術(shù)、胎兒染色體分析產(chǎn)前診斷技術(shù)、孕婦外周血胎兒游離 DNA 產(chǎn)前篩查與診斷、單基因病產(chǎn)前診斷技術(shù)、染色體微陣列分析產(chǎn)前檢查等八類(lèi)技術(shù))。

定 義 一 個(gè) 關(guān) 聯(lián) 規(guī) 則：A=＞ B 其 中，A 和B 表 示 的 是兩個(gè)互斥事件：A 稱(chēng)為前因（antecedent），B 稱(chēng)為后果（consequent），上述關(guān)聯(lián)規(guī)則表示A 會(huì)導(dǎo)致B。關(guān)聯(lián)規(guī)則的強(qiáng)度可以用它的支持度（support）和置信度（confidence），S（A=＞ B）=P(AB)，C（A=＞ B）=P(B|A)=P(AB)/P(A)

可以看出，支持度即兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生的概率，置信度即在前因發(fā)生的條件下，后果發(fā)生的概率。在選取規(guī)則時(shí)通常會(huì)對(duì)這兩個(gè)值設(shè)一個(gè)最低閾值最小支持度minsup和最小置信度minconf。注意由關(guān)聯(lián)規(guī)則分析得出來(lái)的關(guān)聯(lián)規(guī)則并不保證具有因果關(guān)系。

項(xiàng)集（itemset）被定義為包含0 個(gè)或多個(gè)項(xiàng)的集合，支持度大于閾值minsup的項(xiàng)集被稱(chēng)為頻繁項(xiàng)集（frequent itemset），頻繁項(xiàng)集中置信度大于閾值minconf的規(guī)則稱(chēng)為強(qiáng)規(guī)則（strong rule）。關(guān)聯(lián)規(guī)則的目的就是找到頻繁項(xiàng)集與強(qiáng)規(guī)則。由概率出發(fā)不難得到關(guān)于頻繁項(xiàng)集的一個(gè)性質(zhì)：頻繁項(xiàng)集的所有子集都是頻繁的，即P(A)≥P(AB)≥minsup；非頻繁項(xiàng)集的超集都是非頻繁的，即minsup≥P(A)≥P(AB)。這一性質(zhì)能大大減少搜索頻繁項(xiàng)集時(shí)的搜索空間。

3 分析和結(jié)果

數(shù)據(jù)挖掘一般通過(guò)軟件或自己編程實(shí)現(xiàn)，Clementine數(shù)據(jù)挖掘軟件有界面簡(jiǎn)單、功能齊全等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足本文的需求，采用Clementine 數(shù)據(jù)挖掘軟件進(jìn)行挖掘[6]。

挖掘過(guò)程

建立挖掘流程：數(shù)據(jù)源采用離散化后的熱工保護(hù)用繼電器測(cè)試數(shù)據(jù)。

表2 繼電器測(cè)試數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘結(jié)果Table 2 Mining results of association rules of relay test data

圖1 Clementine軟件使用示例Fig.1 Clementine software usage example

挖掘參數(shù)設(shè)置：綜合對(duì)比不同閾值下多次處理結(jié)果差異，最終設(shè)置最小支持度10%，最小置信度為10%，前項(xiàng)最大項(xiàng)目數(shù)為4。

將結(jié)果按照支持度大小排序呈現(xiàn)，見(jiàn)表2。

如第一條，后項(xiàng)為繼電器故障，前項(xiàng)為繼電器品牌OMRON，電壓為24V，不常帶電。它的支持度為33.5%，它的置信度為10%。

從表2 中的結(jié)果可以得到以下幾點(diǎn)：1）強(qiáng)關(guān)聯(lián)因素為繼電器品牌和繼電器使用時(shí)間；2）品牌為OMRON 的24V繼電器與繼電器故障率關(guān)聯(lián)度最高；3）繼電器使用時(shí)長(zhǎng)超過(guò)10 年，故障率開(kāi)始大幅上升；4）繼電器常帶電和不常帶電并不影響繼電器的故障率，不常帶電的故障率反而更高。

4 原因進(jìn)一步分析和建議

圖2 OMRON 24V繼電器外觀(guān)Fig.2 Appearance of OMRON 24V relay

數(shù)據(jù)挖掘只是根據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，具體原因要結(jié)合實(shí)際。如圖2 所示，OMRON 24V 繼電器。該繼電器兩側(cè)有孔，直接與空氣相連，內(nèi)部空間較大，南方濕氣較重，灰塵和水汽都能進(jìn)入繼電器內(nèi)部，從而造成觸點(diǎn)氧化，容易引起繼電器故障。而一般的24V 繼電器如：C5-M20，如圖3 所示。密封性較好，灰塵較難進(jìn)入繼電器內(nèi)部。

建議：

1）熱工保護(hù)用繼電器建議選擇密封性較好的繼電器，且盡量保證繼電器所在的電子間環(huán)境的灰塵較少，濕度較低。

2）運(yùn)行時(shí)間10 年以上的繼電器故障較高，建議5 年做一次繼電器檢測(cè)。

圖3 C5-M10 24V繼電器外觀(guān)Fig.3 Appearance of c5-m10 24V relay

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)使用關(guān)聯(lián)規(guī)則算法對(duì)熱工保護(hù)用繼電器故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出繼電器類(lèi)型和繼電器使用時(shí)長(zhǎng)是產(chǎn)生繼電器故障的強(qiáng)關(guān)聯(lián)因數(shù)，從而給出了熱工保護(hù)用繼電器選型和維護(hù)的建議，以減少繼電器故障。