基于数据驱动的实时过程监控技术在保护系统中的应用

摘要

保护系统是核电厂安全运行的重要保障，目前保护系统数字化代表着当前的发展方向，国际、国内都在广泛研究，并不断在核电站上使用。 在核电厂运行过程中，过程偏离了正常运行状态，但又不致于导致停堆，但是有停堆的趋势发生，如果不采取措施可能会引起停堆。在这种情况下可以考虑采取对保护系统实施过程监控，监督过程中保护系统参数的变化趋势，根据运行状况劣化的趋势，在保护系统动作之前，提供预报警，这样就可以引导工程师或操作人员及时对可能引起故障的原因进行分析，及时排除可能的故障，减少假停堆的次数。其目的是为了给保护系统提供更多的信息，以帮助操纵员更好地控制电站。因此对保护系统实施过程监控对核电厂来说具有非常重要的意义，这也是本论文的目的和创新之处。 本文首先对数字化保护系统进行了详细介绍，并探讨了数字化保护系统设计的关键问题，为过程监控技术的实施构建了系统平台。本文主要参考了秦山一期、二期、田湾和AP1000的安全仪控系统的调研资料，本人也曾由于核电的项目参加了秦山、田湾的调研工作，对保护系统的进行了研究。 过程监控方法有多种，如基于数据驱动的、基于知识的和基于模型的方法。由于基于模型的方法不适用于复杂大系统，因为这种方法需要建立有效得详细模型，成本很高。基于知识的方法大多应用到输入输出和状态数相对较小的系统中，因为要构造一个大系统的故障模型需要付出巨大的努力。由于对核电厂保护系统来说都有一定的局限性，因此本文选用基于数据驱动的方法，它的优势在于用统计的方法处理数据，能够将高维的数据变换成低维，并从中获取重要的信息。本文选用的主元分析法就是一种广泛用于过程监控的降维技术，并且在监控数据变化趋势方面有专门的和SPE 统计量两个指标，可以用来实现预报警功能。本文还选用了高阶统计量方法作为性能诊断的一种手段，由于高斯过程的高阶累积量(3 阶以上) 恒等于零，而非高斯过程的高阶累积量不为零，因此，可以利用高阶累积量方法提取高斯噪声中非高斯信号的有用信息；还可用于检测和描述系统的非线性等优点。对这两种算法本文都给出了在实际工业系统中的应用来说明方法的有效性和可行性。 本文最后探讨了基于数据驱动的（统计）过程监控系统在保护系统中的具体应用问题。实际的统计过程监控方案实施的对象是现有的保护系统，当然为了保证监控系统的可靠性，可以按安全级来设计，若将其用于限制系统，就必须是安全级或安全相关级的，如果独立自主开发一套专门的过程监控预报系统（可能是1E级的），软硬件设计可能要经过V&V验证等，比较困难，要有一批专门从事这方面研究的专业人士经过不断研究才可能实现。因此本文从现有统计过程监控软件出发，讨论了系统开发需求分析、功能实现、系统设计及过程监控软件实现时可能存在的问题。