基于非线性主元分析的水轮机调节系统传感器故障诊断

Ｆａ ｌ ａ ｎ ｓｓ ｆ ｒ Ｓ ｎ ｏ ｓｏ ｙ ｒ ｕ ｔＤｉ ｇ ｏ ｉ ｏ ｅ ｓ ｒ ｆＨ ｄ ｏ Ｔｕｒ ｉ ｅ Ｒｅ ｕ ａ ｉ ｎ ｓｅ ｂ ｎ ｇ ｌ ｔｏ Ｓｙ ｔ ｍ Ｂａ ｅ ｎ ｎｌ ａ ｍ ｐ ｎ ｎｔＡｎａ ｙ ｉ ｓ ｄ ｏ Ｎｏ ｉ ｒ Ｃｏ ｎｅ ｏｅ ｌ ｓｓ
于 １９ ９ ５年 提 出了一 种 输 入 训 练神 经 网 络 ， 入 输
表示 主 元得分 向量 和 负 载矩 阵 ， 阵 的分 解 方 式 确 保［ Ｐ］ Ｐ， 正交 、 ， ］ 交 ， ［ 正 主元 投影 将 原 来 的 ｍ 个 变量 减少 到 Ｚ ， 现 了数 据 的降维 。 个 实 非 线性 Ｐ Ａ 是线 性 Ｐ Ａ 的扩 展 ， Ｃ Ｃ 但 与 不 再 是线 性变换 关 系 ， 是非 线性 的映射 关系 ： 而
障诊断 。这种 方法 利用 系统运 行过程 积 累的历 史数 据 和实 时数 据进行 故 障诊 断 ， 合 于系 统模 型较 难 适
而水 轮 机调节 系统各 传感 器参数 之 间 的关 系 既有线 性 的 （ 静特 性 曲线 ） 也 有 非 线 性 的 （ 中问 接力 如 ， 如 器位 移 与机组频 率 的关 系 ） 。用 线性 的方 法 来表 征 非 线性相 关性 ， 能反映 各传感 器 之 间的本质关 系 ， 不
刘 明华 ，南海鹏 ，余 向 阳
（ 西安理工 大学 水利水 电学 院， 陕西 西 安 ７０ ４ ） １０ ８
摘 要 ： 用现 场的运 行数据 ， 利 将基 于输 入训 练神 经 网络 的非 线 性主 元 分析 （ Ｃ 方 法应 用到 水轮 Ｐ Ａ） 机 调 节 系统 传 感器故 障诊 断 中， 论 了基 于输入 训 练神 经 网络 的非 线性主 元分析 实现 方 法 ， 立 了 讨 建 输入训 练神 经 网络 和反 向传播 网络 ， 实现 了对 实测数 据 的重构 ， 讨论 了利 用平 方预 测误 差 （ Ｐ 进 Ｓ Ｅ）
建 立 的系统 。笔者 将这 一方法 应用 到水 轮机调 节系 统， 利用 调节 系统 运行 过 程 中各 传 感 器 统计 值 判 断
各 传感器 值 之间 的相 关 性是 否 遭 到 破 坏 ， 而进 一 从
曲线 或 主元 曲面上 ， 到 非 线 性 主 元 ， 效 地 提 取 得 有 了数 据 中 的 非 线 性 信 息 ， 是 它 不 能 对 新 样 本 进 但
一
给定 的 阈值 （下 对残 差 （ ） ９ ／ ｋ 的统计 假设 检验 。 非 线性 Ｐ Ａ故 障诊断 中 ， 心 问题 就是 要 解 决 Ｃ 核
确定 了神经网络 的结构 ， 提出了故 障检测和识别 的 方法 ， 并分 析 了不 同工况下 故 障诊断 的方法 ， 用现 运 场运 行数 据对该 方 法 进行 了仿 真 ， 真结 果 表 明该 仿 方法 有效 。
（） ５
（） ６
Ｘ ＝ Ｆ（ Ｎ Ｔ ）＝Ｆ（ Ｘ） Ｇ（ ）
对应主元 ， 出对应 实测 数据 ， 输 通过后 向传递算 法 不 断调 整 输 入 和 权 值 直 到 收敛 ， 练 结 束 后 同 时 训 得 到 主元 得 分 向量 和 重 构 数 据 的 映 射 ， 证 明 了 并 在单 输 人 情 况下 与 主元 曲线 的方 法 是 等价 的 。
Ｔｈ ｃ ｍｅ ｏ ａ ｌ ｄ ｔｃ ｉｎ ａ ｄ ｆ ｕｔｉ ｅ ｔ ｉ ａｉｎ ｉ ｉｃ ｓ ｅ ｉ ｈ ｐ ｌｃ ｔｏ ｆｔ ｅ ｓ ｕ ｒｄ ｐ ｅ ｅ ｓ ｈｅ ｆｆ ｕ ｔ ｅｅ ｔ ｎ ａ ｌ ｄ ｎ ｉ ｃ ｔｏ ｓ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｖ ａ ｔ ｅ ａ ｐ ｉａ ｉｎ ｏ ｈ ｑ ａ ｅ ｒ — ｏ ｆ
ｉ ｒ ｐ ｓ ｄ ａ ｄ ａ ｐ ｉｄ ｔ ｅ ｓ ｒ ａ ｎ ｓｓ ｏ ｙ ｒ ｕ ｂ ｎ ｅ ｕ ａｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓ，ｗｈｉｈ ｉ ｏ ｌｔｄ ｂ ｓｐ ｏ ｏ ｅ ｎ ｐ ｌｅ ｏ ｓ ｎ ｏ ｓ ｄｉｇ ｏ ｉ ｆｈ ｄ ｏ ｔ ｒ ｉ ｅ ｒ ｇ ｌ ｔ ｒ ｃ ｓ ｎ ｃ ｓ ｃ ｍｐｅ ｅ ｙ
Ｃ Ｏ Ｂ。南海鹏 （９３）男 ， 乾县人 ， ， １６一 ， 陕西 教授 博导 ， 研究方 向为水 轮发 电机组 在线 监测和 故障诊 断 。Ｅｍ ｉ — ａ ｌ
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刘 明华 等 ： 基于非线性主元分析的水轮机调节系统传感器故障诊断
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另一 类 是 基 于 自组 织 神 经 网 络 的 非 线 性 Ｐ Ａ方 Ｃ 法 ， Ｋ ａ ｒ １９ 是 ｒｍｅ 于 ９ １年 提 出 的 ， 络 分 为 输 入 网 层 、 射层 、 映 主元 层 、 映 射层 和输 出层 共 ５层 ， 反 输 人层 到 主元 层 的神 经 元 网络 构 造 数 据 的非 线 性 得 分 向量 ， 主元 层 到输 出层 的 神 经 网 络 则 形 成 数 据 的 重构 向量 ， 方法 存 在 神 经 网 络结 构 复 杂 、 以 该 难 训 练 且 易 产 生 训 练 过 适 度 等 缺 点 。 Ｄ ｎ 在 ｏｇ Ｄ １９ ９ ３年 提 出基 于 神 经 网络 和 主 元 曲线 的 方 法 ， 构 造 两个 神 经 网 络 ， 别 实 现 实 测 数 据 到 主 元 得 分 分 以及 主元 得 分 到 重 构 数 据 的 映 射 ， 通 过 构 造 主 并 元 曲线 获 得训 练 样 本 ， 主 元 曲线 构 造 较 困难 ， 但 且 适 用 的 范 围 受 到 限 制 ［ 。 Ｔ ｎ Ｓ和 Ｍａｒｖ ｕ ｉ ｉ ３ １ ａ ｖｏｏ ｎｏ ｓ ｔ
行 数 据 重 构 ， 此 不 能 直 接 应 用 到 故 障 诊 断 中。 因
步 判断是 否有 故 障发生 。 传 统 的 主元 分析 方 法是 基 于 线性 变换 的方 法 ，
收 稿 日期 ： ０ ２０ －１ ２ １ －３ ０
基金项 目： 育部博士点专项基金资助项 目（０ ９ １８ １０２ 。 教 ２０ ６ １１０ １ ） 作者简介 ： 明华 （ ９６ ） 男 ， 西咸 阳人 ， 士生 ， 刘 １７ 一 ， 陕 博 研究 方 向为水 轮机 调节 系统 的故 障诊 断。Ｅｍａ ： ． ｉ Ｌｍ ｌ ＠ １６ ｌ ｈｌ ２
对 实测 值 的重构 ， 般 多 采 用 神经 网络 的 方法 ４， 一 。 其 中 自组织 神经 网络 的方法 ， 是构 造一个 五 层 网络 ， 直 接建 立 与 的关 系 ； 而输入 训 练神 经 网络 的方
法则只建立从主元得分 向量 到重构值 的映射
Ｆ（・） 实测 值 的 主 元 得 分 向量 则 由输 入训 ，
本文 将输入 训 练 神 经 网络 非 线 性 Ｐ Ａ 方 法 应 Ｃ 用 于水轮 机调节 系统 的故 障诊 断 ， 择 了实 测参 量 ， 选
可见在建立以上两个映射后 ， 可以得到任一实 测值 Ｘ（ ） ｋ 的重构值 （ ） 实测值 Ｘ（ ） ｋ， ｋ 与其重构 值 Ｘ ｋ 形成残差 Ｐ ｋ ， 障诊断的原理就是在某 （） （）故
ｅ ｔ ｂ ｉｈ ｎ ｎ ｉｐ —ｒ ｉ ｉ ｇ ｎ ｕ ａ ｅｗｏ ｋ ａ ｄ ａ ｂ ｃ ｐ ｏ ａ ａｉｎ ｎ ｔ ｒ ｏ ｒ ｃ ｎ ｔｕ ｔｓ ｎ ｏ ｓ ｖ ｌ ． ｓａ ｌｓ ｉ ｇ ａ ｎ ｕｔｔａ ｎ ｎ ｅ ｒ ｌｎ ｔ ｒ ｎ ａ ｋ ｒ ｐ ｇ ｔｏ ｅｗｏｋ ｔ ｅ ｏ ｓｒ ｃ ｅ ｓ ｒ ａｕｅ
Ｘ ＝Ｆ（ Ｎ Ｔ） （） ４
映射函数 Ｆ（・ 相当于线性 Ｐ Ａ的矩阵 Ｐ， ） Ｃ 函
数 Ｆ（・ 的确定是 非线 性 Ｐ Ａ要 解决 的主要 问题 。 ） Ｃ 另 一方 面 ， 线性 Ｐ Ａ故 障诊 断 还要 构 造 从 非 Ｃ 到 的映射 关 系 ， 时 ： 此
＝
Ｇ（ ｘ）
Ａｂｓｒ ｃ ： Ａ ｏ ｌ ａ ｒｎ ｉ ａ ｏ ｏ ｅ ｔａ ｌ ｓｓ ｍｅ ｈ ｄ ｌｇ ａ ｅ ｎ ｉ ｐ ｔｔａｎ ｎｇ ｎ ｕ ａ ｔ ｒ ｔａ ｔ ｎ ｎ ｉ ｒｐ ｉ ｃ ｐ ｌｃ ｍｐ ｎ ｎ ｎａｙ ｉ ｔ ｏ ｏ ｏ ｙ ｂ ｓ ｄ ｏ ｎ ｕ —ｒ ｉｉ ｅ ｒ ｌｎｅｗｏ ｋ ｎｅ
西安理工大学学报 Ｊｕｎｌ ｆ ｉａ ｎｖｒｔ ｏ ｅｈ ｏ ｇ （０ ２ ｏ ２ ｏ２ ｏｒａ ｏ ’ｎＵ ｉ ｓｙ ｆ ｃｎ ｌ ｙ ２ １ ）Ｖ １ ８Ｎ ． Ｘ ｅ ｉ Ｔ ｏ ． 文章编号 ：１０ －７０ ２ １ ）２０ ０ －６ ０ ６４ １ （０ ２ ０ －２４０
基 于非 线 性 主元 分 析 的水 轮 机 调节 系统 传感 器故 障诊 Байду номын сангаас
将 主元分 析 （ Ｃ 应用 到 故 障 诊 断 ， 基 于多 Ｐ Ａ） 是 元 统计分 析 的方法 ， 根据 系统运 行过 程 的实测参 量 ， 经 过线性 变换 和 降维 得 到 主元 参 量 ， 将 主元 参 量 再 经 过逆 变换得 到实 测 参 量 的估 计 值 ， 据 实测 参 量 根 与其估计 值之 间 的残差是 否超 出某一 阈值来 进行 故
ｄｃ ｏ ｒ ｒ（ Ｐ ．Ｓ ｌ ｉｇｒｓｌ ｒｖ ａ ｔｉ ｍｅ ｏ ｒｃ ｃｌ ａｉｌ ｗｔ ｈｇ ｕｔ ｅ— ｉ ｉ ｅｒ Ｓ Ｅ） ｉ ａ ｎ ｅｕｔ ｐｏｅｔ ｔ ｈｓ ｔ ｄｉ ｐａｔ ａ ｙｆ ｓ ｅ ｉ ｉ ｆ ｌ ｒｃ ｔｎ ｏ ｍｕ ｔ ｓ ｈ ｈ ｓ ｉ ｌ ｅ ｂ ｈ ｈａ
ＬＩ Ｍｉ ｈ ａ，ＮＡＮ ｉ ｎ Ｕ ｎｇ ｕ Ｈａｐｅ ｇ，ＹＵ ａ ｇ ａ ｇ Ｘｉｎ ｙ ｎ
（ ａｕｔ ｏ ｔ ｅｏ ｒ ｓａｄＨ ｄｏｌｃ ｉ Ｅ ｇ ｅｒ ｇ Ｘ’ ｎ ｅｓｙｏ ｅｈ ｏ ｇ ， ｉｎ７ ０ ４ ， ｈｎ ） Ｆ ｃｌ ｆ ｅ Ｒ ｓｕｃ ｎ ｙｒｅ ｔｃ ｎｉ ｅｉ ， ｉｎＵ ｉ ｒｉ ｆ ｃｎｌ ｙ Ｘ ’ ０ ８ Ｃ ｉａ ｙ Ｗａ ｒ ｅ ｅ ｒ ｎ ｎ ａ ｖ ｔ Ｔ ｏ ａ １
行故 障检 测和识 别 的方 法 ， 用现场 实测数 据对该 方 法进 行 了仿真 。仿 真结 果表 明 ， 方法有 效且 并 该