淺談生產(chǎn)大數(shù)據(jù)在水口電站機組振擺度分析中的運用

林樂麒

摘 要：針對水口電站水輪機振擺度振動數(shù)據(jù)，運用決策樹模型，完成對機組振擺度的分析。

關鍵詞：水電站;水輪機;狀態(tài)檢修;回歸決策樹

1、概述

目前，水口電站的監(jiān)控系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)運行了十幾年，它們已經(jīng)積累了海量設備運行的數(shù)據(jù)。倘若采用傳統(tǒng)分析方法對這海量的設備數(shù)據(jù)分析和處理，不僅費時費力并且難以從海量的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)真正具有價值的信息。近年來，隨著大數(shù)據(jù)、云計算技術的快速發(fā)展以及一些主流大數(shù)據(jù)算法框架的開放，大數(shù)據(jù)技術在日常生產(chǎn)中的運用已經(jīng)逐漸成熟，利用大數(shù)據(jù)技術對水輪發(fā)電機組進行故障分析診斷已經(jīng)十分必要。傳統(tǒng)的方法只是通過機組定值的方式對機組工況進行簡單的判定判定，但通過大數(shù)據(jù)分析可以分析機組各組特征數(shù)據(jù)的潛在規(guī)律，提前發(fā)現(xiàn)水輪發(fā)電機組運行工況的微妙變化，及早發(fā)現(xiàn)設備存在的缺陷及變化趨勢。

2、基礎數(shù)據(jù)

本文所用數(shù)據(jù)是由水口電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采集水口1號機組從2018年6月1日至2020年7月4日71031條穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。監(jiān)測變量包括上導X向擺度，上導Y向擺度，推力X向擺度，推力Y向擺度，水導X向擺度，水導Y向擺度，上機架X向水平振動，上機架Y向水平振動，上機架Z向垂直振動，頂蓋X向水平振動，頂蓋Y向水平振動，頂蓋Z向垂直振動，定子X向水平振動，定子Y向水平振動，蝸殼差壓，蝸殼進口壓力，導葉出口壓力，頂蓋下水壓力，尾水管出口壓力，有功功率，導葉開度，槳葉開度，轉(zhuǎn)速，工作水頭，水導X向擺度6X，水導Y向擺度6X，頂蓋X向水平振動6X，頂蓋Y向水平振動6X，頂蓋Z向垂直振動6X。由于數(shù)據(jù)參數(shù)過多，本文僅以上導X向擺度、推力X向擺度、水導X向擺度和蝸殼差壓，有功功率，無功功率，等參數(shù)建立數(shù)據(jù)模型進行分析。

3、數(shù)據(jù)預處理

首先，進行數(shù)據(jù)清理，主要對數(shù)據(jù)中的缺失值以及異常值進行處理。由于機器學習算法對于數(shù)據(jù)的正確率要求比較高，噪聲會對模型造成較大的影響。由于通信或者采集模塊故障等原因造成有些采集值為空，對于這一類數(shù)據(jù)，因為占總樣本比例比較小，所以以丟棄的方式處理。其次，由于數(shù)據(jù)中包含機組異常運行時數(shù)據(jù)，所以通過機組定值，刪除包含異常值的數(shù)據(jù)。

4、數(shù)據(jù)建模

由于觀察各個參數(shù)與振擺度不符合線性回歸模型，所以采用決策樹模型搭建預測分析模型。

4.1決策樹模型原理

決策樹是一種通過大數(shù)據(jù)訓練，然后生產(chǎn)數(shù)據(jù)模型，對數(shù)據(jù)進行分類預測和回歸預測的方法。通過的特征值的“是否”區(qū)分左右兩個分支，不斷迭代二分每個特征后而生成的模型。

假設X與y分別是輸入矩陣和結果，并且y是連續(xù)變量，給定訓練數(shù)據(jù)集

一個回歸樹對應著輸入空間（即特征空間）的一個劃分以及在劃分的但單元上的輸出值。假設已將輸入空間劃分為M個單元 ，并且在每個單元上有一個固定的輸出值，于是回歸樹模型可表示為

決策樹算法就是要不斷找到信息熵最小的那個維度上（特征）值，這個值可以把目標值劃分的類別信息熵最小。

Entropy代表信息熵，i 表示數(shù)據(jù)總類別數(shù)，P（i） 表示類別 i 樣本數(shù)量占所有樣本的比例

最后通過R^2進行模型正確率的評估

4.2決策樹建模

本文選取的特征值比較少，只建立簡單的決策樹回歸模型，并不進行參數(shù)調(diào)優(yōu)的過程。

首先，將所有數(shù)據(jù)分為80%的訓練集，以及20%的測試集。將80%的訓練集訓練生成決策樹模型如下圖：

4.3模型分析

由表1所示，上導X向擺度模型正確率明顯低于推力X向、水導X向擺度模型。分析原因可能是由于引入特征量相對較少、上導X向傳感器精確度相對較低造成數(shù)據(jù)誤差較大。

從三個數(shù)據(jù)模型結果來看，機組不同地點震動的影響因素也不大相同。

a、上導X向擺度主要受到蝸殼壓差蝸殼差壓 <= 13.961這個主要條件進行影響，其次受到導葉開度與槳葉開度的影響。

b、推力X向擺度主要受到有功功率有功功率 <= 108.333這個主要條件影響，然后再根據(jù)有功功率 <= 25.699，有功功率 <=195.975兩個條件進行劃分。

c、水導X向擺度主要由受到蝸殼壓差蝸殼差壓 <= ?0.615這個主要條件進行影響，其次主要受到槳葉開度的影響。

5、結語

生產(chǎn)大數(shù)據(jù)在水口電站機組振擺度分析中具有巨大的作用，通過大數(shù)據(jù)技術可以發(fā)掘海量數(shù)據(jù)中的潛在價值，打破傳統(tǒng)分析手段的限制，多維度的對機組機組工況、振擺度進行精確的分析。通過大數(shù)據(jù)技術對海量的數(shù)據(jù)進行分析，可以得到水輪機組運行中的客觀規(guī)律，為故障判斷、預測分析以及輔助決策提供更有價值的信息。通過大數(shù)據(jù)技術可以有效的降低事故的發(fā)生，做到防范于未然。從而有效降低水電站的運營成本，為企業(yè)創(chuàng)造更高效益。

（福建水口發(fā)電集團有限公司 ?350000）