CN201331701Y - 基于关联规则的火电厂传感器互冗余数据校验装置 - Google Patents

Abstract

基于关联规则的火电厂传感器互冗余数据校验装置，包括网络交换机(1)、数据输入接口(2)、数据校验核心机(3)、数据输出接口(4)、图像报警屏(6)、声音报警器(7)、数据采集接口机(5)、热备数据网线(8)，该装置的连接为：网络交换机(1)是该装置的数据入口，网络交换机(1)入口端连接DCS端，DCS端数据以UDP协议的数据包形式发送到网络交换机(1)；网络交换机(1)出口端连接两路端口，一路通过数据输入接口(2)进入数据校验核心机(3)，进行数据校验，再由数据输出接口(4)连接到数据采集接口机(5)汇合；另一路直接到数据采集接口机(5)汇合；该装置与传感器组成星型网络拓扑结构，该装置处于星型结构中心节点，各传感器处于星型结构的各站点，且各传感器之间具有相似关联规则关系。

Description

基于关联规则的火电厂传感器互冗余数据校验装置

技术领域

本实用新型属于传感器硬件互冗余容错技术、传感器故障检测和数据校正领域，特别涉及一种用于火电厂传感器互冗余数据校验装置。

背景技术

火电厂是能量转换的场所，为国民经济持续发展提供源源不断的动力。火电厂的安全经济运行十分重要，所以对火电厂的运行监控一直是重大研究课题。监控数据来源于各种传感器组成的测量系统的正常运行，其中任何一个环节或设备出现故障都会响应数据的准确性，因此火电厂广泛采用传感器冗余的方法来保障数据的正确性，特别是对关键参数，更是多达5到6个硬件冗余。然而火电厂生产过程在高温高压的环境中进行，运行环境恶劣，运行设备数目庞大，相应测点数目庞大，上万测点难免出现故障。由于运行条件的限制，某些部位只有测点，没有构成硬件冗余，从而成为薄弱环节。从现场运行数据来看，经常出现一些测点数据异常，比如突然变大，突然变为零，各种不规则跃变等，直接影响运行人员对实时数据的判断；对于实时历史数据库而言，出现一些无意义的数据，影响历史数据的有效获取，进而影响对历史数据的分析，获取有效信息，对机组历史趋势的把握。另一方面，由于传感器是在极度恶劣的环境中运行，要传感器本身要求很高，因此传感器造价昂贵，安装、维护费用大。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的是为了解决火电厂由于传感器故障带来的数据不准确，数据失真等现象，并发现传感器故障，提供了一种基于相似关联规则的传感器互冗余数据校验装置。

技术方案：本实用新型利用测点间的相似关联，将各测点传感器硬件组成一个相互冗余的体系，扩大硬件冗余数目和范围，结构上组成一个星型的传感器互冗余体系，在不增加传感器数目甚至减少传感器数目的同时，增强了由各传感器组成的数据采集系统的可靠性。传感器数据校验装置具有传感器故障检测，剔除异常数据，重构数据等数据容错功能。

本实用新型由数据校验核心机、声音报警器、图像报警屏、网络交换机、数据采集接口机、数据输入接口、数据输出接口以及数据传输网线组合而成。数据校验核心机和数据采集接口机由工业控制计算机承载，作为核心组件的工业控制计算机具有稳定性好的特点，适合长时间不间断运行。星型结构带来的问题是，处于中心位置的装置出现故障，整个数据流就中断，为了防止这样的情况发生，本实用新型采用网络交换机和数据采集接口机，并有数据传输线直接连接这两个设备，作为数据校验核心机的热备，以提高本实用新型装置的可靠性。其结构具体为：

基于关联规则的火电厂传感器互冗余数据校验装置，包括网络交换机、数据输入接口、数据校验核心机、数据输出接口、图像报警屏、声音报警器、数据采集接口机、热备数据网线；该装置的连接为：网络交换机是该装置的数据入口，网络交换机入口端连接DCS端，DCS端数据以UDP协议的数据包形式发送到网络交换机；网络交换机出口端连接两路端口，一路通过数据输入接口进入数据校验核心机，进行数据校验，再由数据输出接口连接到数据采集接口机汇合；另一路直接到数据采集接口机汇合；数据采集接口机采用多接口形式，包括接受数据包的两个网卡和发送解析数据到实时数据库服务器的一个网卡，还包括发送实时数据到显示屏的VGA接口；数据采集接口机判断选取哪一路数据，如果数据输出接口有数据包发出，则采用该路数据包，如果数据输出接口没有数据包发出，则采用热备数据网线数据包，热备数据网线作为数据校验核心机的热备份，防止由于数据校验核心机出现故障停机带来数据包中断；数据采集接口机将UDP协议数据包解析，解析为可被实时数据库服务器识别的数据，再连接到实时显示屏幕和实时数据库服务器，将实时数据写入实时数据库；另外数据校验核心机通过USB接口连接声音报警器，通过VGA接口连接图像报警屏，当发现数据有故障时声音报警器立刻报警，并通过屏幕显示出现故障的线路，即为出现故障的传感器；该装置与传感器组成星型网络拓扑结构，该装置处于星型结构中心节点，各传感器处于星型结构的各站点，且各传感器之间具有相似关联规则关系。

工作方式为：首先通过矩阵奇异值挖掘具有相似关联规则的测点，再通过这些测点进行最小二乘支持向量回归建模，包括“残差生成模块”和“#K数据重构模块”，从而实现星型结构的传感器互冗余和数据容错功能。该装置的连接为：“网络交换机”是该装置的数据入口，“网络交换机”入口端连接DCS端，DCS端数据以UDP协议的数据包形式发送到“网络交换机”；“网络交换机”出口端连接两路端口，一路通过“数据输入接口”进入“数据校验核心机”，进行数据校验；再由“数据输出接口”连接到“数据采集接口机”汇合；另一路直接到“数据采集接口机”汇合；“数据采集接口机”采用多接口形式，包括接受数据包的两个网卡和发送解析数据到实时数据库服务器的一个网卡，还包括发送实时数据到显示屏的VGA接口；“数据采集接口机”判断选取哪一路数据，如果“数据输出接口”有数据包发出，则采用该路数据包，如果“数据输出接口”没有数据包发出，则采用“热备数据网线”数据包，“热备数据网线”作为“数据校验核心机”的热备份，防止由于“数据校验核心机”出现故障停机带来数据包中断；“数据采集接口机”将UDP协议数据包解析，解析为可被实时数据库服务器识别的数据，再连接到实时显示屏幕和实时数据库服务器，将实时数据写入实时数据库；另外“数据校验核心机”通过USB接口连接“声音报警器”，通过VGA接口连接“图像报警屏”，当发现数据有故障时声音报警器立刻报警，并通过屏幕显示出现故障的线路，即为出现故障的传感器。

有益效果：

1、本实用新型构架了一个星型传感器互冗余网络结构，星型结构上任何传感器出现故障都能够通过本实用新型得到有效的数据重构，这种星型结构有利于减少传感器硬件冗余，提高数据采集系统的稳定性和可靠性。

2、通过本实用新型，实时显示数据的可靠性得到提高，更好的为运行人员操作提供可靠的数据，避免虚假数据或者错误数据给运行人员带来的误指导。

3、通过本实用新型，存入实时数据库的运行数据的有效性得到提高，能够更好的反映机组运行情况，为电厂历史数据分析提供更多的有效数据，更好地把握机组运行状况。

4、通过本实用新型，为电厂监测信息系统(如SIS)的各个高级功能模块(如机组运行优化、状态监测与故障诊断等)的运算提供更加可靠的数据。

附图说明

图1传感器数据校验装置结构示意图，

图2传感器数据校验装置内部数据流程图，

图3高压排汽压力数据重构示意图，

图4高压排汽压力测量值与重构值的相对误差，

图5经过本装置数据校正的再热器压力数据曲线，

图1为本实用新型装置结构示意图，图中有：网络交换机1；数据输入接口2；数据校验核心机3；数据输出接口4；数据采集接口机5；图像报警屏6；声音报警器7；热备数据网线8；实时显示屏9；实时数据库服务器10。

具体实施方式

本实用新型的基于关联规则的火电厂传感器互冗余数据校验装置，包括网络交换机1、数据输入接口2、数据校验核心机3、数据输出接口4、图像报警屏6、声音报警器7、数据采集接口机5、热备数据网线8，该装置的连接为：网络交换机1是该装置的数据入口，网络交换机1入口端连接DCS端，DCS端数据以UDP协议的数据包形式发送到网络交换机1；网络交换机1出口端连接两路端口，一路通过数据输入接口2进入数据校验核心机3，进行数据校验，再由数据输出接口4连接到数据采集接口机5汇合；另一路直接到数据采集接口机5汇合；数据采集接口机5采用多接口形式，包括接受数据包的两个网卡和发送解析数据到实时数据库服务器的一个网卡，还包括发送实时数据到显示屏的VGA接口；数据采集接口机5判断选取哪一路数据，如果数据输出接口4有数据包发出，则采用该路数据包，如果数据输出接口4没有数据包发出，则采用热备数据网线8数据包，热备数据网线8作为数据校验核心机3的热备份，防止由于数据校验核心机3出现故障停机带来数据包中断；数据采集接口机5将UDP协议数据包解析，解析为可被实时数据库服务器识别的数据，再连接到实时显示屏幕和实时数据库服务器，将实时数据写入实时数据库；另外数据校验核心机3通过USB接口连接声音报警器7，通过VGA接口连接图像报警屏6，当发现数据有故障时声音报警器立刻报警，并通过屏幕显示出现故障的线路，即为出现故障的传感器；该装置与传感器组成星型网络拓扑结构，该装置处于星型结构中心节点，各传感器处于星型结构的各站点，且各传感器之间具有相似关联规则关系。

为了验证本实用新型的有效性，给出以下火电厂生产运行数据相似关联规则挖掘以及在线数据校验和传感器故障检测实例。过程分为两部分进行，第一部分通过历史数据离线进行，第二部分在线数据校验。以某300MW机组运行数据为例。

第一部分：相似关联规则测点挖掘

数据从集散控制系统(DCS)通过传感器由接口程序采集得到，并将数据存储到实时数据库PI中。基于矩阵奇异值的关联规则挖掘，寻找具有相似关联规则的测点步骤如下：

(1)收集表1中的21个测点(测点描述、位号)，将表1中测点置于程序列表中。

表1待计算测点

(2)程序将把表1中的测点任意两两组合，在实时数据库PI中读取(2008-2-23 12:00:00，2008-2-23 22:00:00)10小时内数据，采集时间间隔为60秒，采集600个数据。生成600×2的矩阵X^600×2。

(3)将矩阵X^600×2两列分别进行归一化处理，得到矩阵A^600×2，进行奇异值分解，A＝U×S×V，其中U^600×600，S^600×2，V^2×2，S＝diag(σ₁，σ₂)，σ₁≥σ₂，σ₁＞0，σ₂≥0，求得波动相似度d为： $d=\frac{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2}{{\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2}.$

(4)重复步骤(2)和(3)，有C₂₁ ²个组合，得到210个对应的波动相似度；如表2所示，表2列出其中的一部分。

表2测点波动相似度(％)

(1)选择波动相似度大于80％的组合，即为具有相似关联规则的测点，表3是一组具有相似关联关系的测点。

表3一组波动相似关联规则测点

第二部分：传感器在线数据校验

为了全面说明本实用新型的有效性和实用性，实例分为以下几个步骤：

步骤一：选取一组具有波动相似关联关系的测点，准备全工况训练样本数据。

在表3中选择以下6个测点：#1高加进汽压，高压缸排汽压力，中压排汽压力，再热器压力，除氧器进汽压力，四抽压力作为本实例的在线数据校验的一组测点。收集全工况训练样本，用于系统运行前对各个模型进行训练。训练样本选取全工况共计1000个点，机组运行功率范围从40％到110％。

步骤二：验证本实用新型装置数据容错的有效性和精度。

在高压排汽压力正常数据叠加定值偏差型数据故障，数据通过传感器互冗余容错装置后，通过残差生成模块生成的残差定位故障。图3是通过本实用新型重构数据，图4表明了本实用新型数据重构的精度，由此可知，本实用新型的数据重构精度控制理想，在0.4％以内，完全满足工业过程的要求。

步骤三：实际运行数据传感器故障检测与数据校正。

在精度达到要求的基础上，为了说明实际应用效果，给出了现场运行中由于某种原因导致的运行数据残缺的情况。

图5虚线为某电厂#2机组再热器压力测点从2008-2-280:00:00之后的一段时间的实际运行数据，可以看出中间有一段时间由于传感器跳动，传感器数据出现异常波动现象。这种情况下，运行人员监视的显示器也出现异常波动，不能得到准确运行信息；同时，存储到数据库的运行数据由此失效。经过本实用新型装置后传感器互冗余容错情况，数据得到很好的复原，如图5实线所示。

Claims (1)

1.一种基于关联规则的火电厂传感器互冗余数据校验装置，包括网络交换机(1)、数据输入接口(2)、数据校验核心机(3)、数据输出接口(4)、图像报警屏(6)、声音报警器(7)、数据采集接口机(5)、热备数据网线(8)，其特征在于，该装置的连接为：网络交换机(1)是该装置的数据入口，网络交换机(1)入口端连接DCS端，DCS端数据以UDP协议的数据包形式发送到网络交换机(1)；网络交换机(1)出口端连接两路端口，一路通过数据输入接口(2)进入数据校验核心机(3)，进行数据校验，再由数据输出接口(4)连接到数据采集接口机(5)汇合；另一路直接到数据采集接口机(5)汇合；数据采集接口机(5)采用多接口形式，包括接受数据包的两个网卡和发送解析数据到实时数据库服务器的一个网卡，还包括发送实时数据到显示屏的VGA接口；数据采集接口机(5)判断选取哪一路数据，如果数据输出接口(4)有数据包发出，则采用该路数据包，如果数据输出接口(4)没有数据包发出，则采用热备数据网线(8)数据包，热备数据网线(8)作为数据校验核心机(3)的热备份，防止由于数据校验核心机(3)出现故障停机带来数据包中断；数据采集接口机(5)将UDP协议数据包解析，解析为可被实时数据库服务器识别的数据，再连接到实时显示屏幕和实时数据库服务器，将实时数据写入实时数据库；另外数据校验核心机(3)通过USB接口连接声音报警器(7)，通过VGA接口连接图像报警屏(6)，当发现数据有故障时声音报警器立刻报警，并通过屏幕显示出现故障的线路，即为出现故障的传感器；该装置与传感器组成星型网络拓扑结构，该装置处于星型结构中心节点，各传感器处于星型结构的各站点，且各传感器之间具有相似关联规则关系。

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