KR102440012B1 - Operating Attribute Value Prediction System including NOx generating Quantity at Power Station using AI and Method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 발전소를 운전하는 과정에서 시계열적으로 발생하는 연료소비량, 가스터빈출력, NOx 발생량, 탈질 환원제 투입량, 배열 회수보일러의 끝단 온도인 배열 회수보일러 온도를 포함하는 다양한 복수의 과거변수값을 포함하는 로데이터(Raw Data)를 수집하여 가공하는 수집가공부와; 상기 수집가공부에 저장된 데이터를 인공지능을 활용하여 상기 과거변수값에 이어 현재 시간 이후에 설정된 단위시간마다 상기 과거변수값 각각에 대응한 복수의 예측변수값을 예측하는 인공지능부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에, 발전하는 과정에서 시계열적으로 발생한 과거의 데이터를 기반으로 한 인공신경망을 이용하여 오염물질 중 하나인 NOx의 발생량을 포함하는 다양한 변수값을 미리 예측할 수 있는 AI를 이용한 발전소 NOx 발생량을 포함하는 운전 속성값 예측 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.
The present invention provides a plurality of historical variable values, including fuel consumption, gas turbine output, NOx generation, denitrification reducing agent input, and exhaust heat recovery boiler temperature, which is the end temperature of the exhaust heat recovery boiler, that are time-series generated in the process of operating a power plant. a collection processing unit for collecting and processing raw data including; An artificial intelligence unit for predicting a plurality of predictive variable values corresponding to each of the past variable values for each unit time set after the present time following the past variable value by using artificial intelligence with the data stored in the collection and processing unit; characterized.
Accordingly, the power plant NOx generation using AI that can predict in advance various variable values including the generation amount of NOx, one of pollutants, using an artificial neural network based on past data generated in time series in the process of power generation. A driving attribute value prediction system and method may be provided.

Description

AI를 이용한 발전소 NOx 발생량을 포함하는 운전 속성값 예측 시스템 및 그 방법 {Operating Attribute Value Prediction System including NOx generating Quantity at Power Station using AI and Method thereof}Operating Attribute Value Prediction System including NOx generating Quantity at Power Station using AI and Method thereof

본 발명은, AI를 이용한 발전소 NOx 발생량을 포함하는 운전 속성값 예측 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 구체적으로 발전소에서 알려진 속성값인 연료소비량에 기초하여 NOx 발생량, 암모니아 환원제 투입량 등의 나머지 속성값을 예측하고, 예측한 속성값인 NOx 발생량에 기초하여 NOx의 배출량을 최소화하기 위하여 투입 예측되는 암모니아 환원제 투입량도 산출하여 선제적으로 대응할 수 있도록 구조를 개선한 AI를 이용한 발전소 NOx 발생량을 포함하는 운전 속성값 예측 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for predicting operating attribute values including the amount of NOx generated in a power plant using AI, and specifically, based on fuel consumption, which is an attribute value known in a power plant, the remaining attribute values such as NOx generation and ammonia reducing agent input Based on the predicted and predicted attribute value, the NOx generation amount, to minimize the NOx emission amount, the amount of ammonia reductant input predicted to be input is also calculated and the structure is improved so that the structure can be improved to preemptively respond. Operational attributes including the NOx generation amount of the power plant It relates to a value prediction system and method therefor.

산업 활동이나 인간이 생활하는 과정에서 다양한 종류의 쓰레기가 배출되기도 하고 유해 물질이 대기 중으로 배출되고 있다. 이러한 대기 오염은 환경을 오염시켜 인간의 생활을 위협하고 있다.In the course of industrial activities and human life, various types of garbage are emitted and hazardous substances are discharged into the atmosphere. Such air pollution pollutes the environment and threatens human life.

이러한 환경오염 물질은 발전소에서도 발생되고 있다.These environmental pollutants are also generated in power plants.

우리나라에서 산업통상자원부의 “8차 전력수급계획”에 따르면 고농도 미세먼지가 사회 문제로 부각되면서 미세먼지 국내 배출량을 30% 이상 감축키로 하면서 노후 석탄 발전소를 조기 폐지하여 가스 복합발전(LNG 발전소)로의 전환을 추진하고 있다. According to the Ministry of Trade, Industry and Energy's "Eighth Electricity Supply and Demand Plan" of the Ministry of Trade, Industry and Energy in Korea, as high-concentration fine dust has emerged as a social problem, domestic emissions of fine dust have been reduced by more than 30%. conversion is underway.

복합발전은 발전 효율성을 향상시키기 위해 한 사이클에 가스터빈, 증기터빈을 돌려 2번 발전하며, 석탄, 원자력을 원료로 하는 발전에 비해 1차 발전을 하고 나온 배기가스를 배열 회수보일러(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)에서 다시 사용하여 2차 발전을 하기 때문에 발전소 효율이 크게 향상된다는 장점을 가지고 있다.Combined cycle power generation generates power twice by turning a gas turbine and a steam turbine in one cycle to improve power generation efficiency. Recovery Steam Generator) has the advantage of greatly improving the efficiency of the power plant because it is used again to generate secondary power.

반면에, 이러한 가스 복합발전의 증대에 따라 LNG 가스 연소 후 발생되는 질소 산화물(NO, NO2, N2O, N2O3, N2O4, N2O5를 포함하는 질소의 산화물, 이하에서 ‘NOx’라 함)의 배출로 인한 환경오염의 우려가 있다.On the other hand, nitrogen oxides (NO, NO 2 , N 2 O, N 2 O 3 , N 2 O 4 , N 2 O 5 , There is a risk of environmental pollution due to the emission of 'NOx').

미세먼지의 주요 발생 인자로 지목되는 질소 산화물은 가스 복합발전에서 배출되는 대기 오염 물질의 하나이다. 가스 복합발전은 상대적으로 안전하고 친환경적인 동력원으로 평가되지만 이러한 설비가 증가됨에 따라 NOx, 산화철, 미세먼지 등의 발생이 증가될 우려가 있다.Nitrogen oxide, which is pointed out as a major source of fine dust, is one of the air pollutants emitted from gas combined cycle power plants. Gas combined cycle power generation is evaluated as a relatively safe and eco-friendly power source, but as these facilities increase, there is a concern that the generation of NOx, iron oxide, fine dust, etc. may increase.

한편, 정부는 가스 복합발전의 NOx 배출 허용치를 10ppm으로 강화하고 있다. Meanwhile, the government is strengthening the NOx emission limit of gas combined cycle power plant to 10ppm.

현재 발전소 등에서 발생되는 NOx는 산화촉매법(SCR, Selective Catalystic Reduction ; 선택적환원촉매)으로 배출되는 량을 저감시키고 있지만 획일적인 운전에 따라 NOx 발생량이 배출 허용 기준치를 초과할 우려가 있다.Currently, the amount of NOx generated from power plants is reduced by the oxidation catalyst method (SCR, Selective Catalystic Reduction), but there is a risk that the amount of NOx generated may exceed the emission standard due to uniform operation.

복합 화력발전을 운영하는 과정에서 많은 데이터들이 센서 등에 의하여 측정되어 시계열적으로 발생되고 있으며, 이러한 측정치에는 LNG를 포함하는 연료소비량, 가스터빈 출력, NOx 발생량, 탈질 환원제 투입량, 배열 회수보일러 온도, 설정된 위치의 온도 또는 압력 등이 있다.In the process of operating the combined cycle power plant, a lot of data is measured by sensors and generated in time series. such as the temperature or pressure of the location.

종래의 NOx 저감 운전 방식은 발생된 NOx 농도 측정값에 기초하여 SCR을 운전하는 방식이다. 따라서, 종래의 방식은 발전소의 핵심 설비인 GT(Gas Turbine)의 운전 모드에 따라 순간적으로 다량의 배출가스가 발생될 경우에 대응하기 어렵다는 문제점을 가지고 있다.The conventional NOx reduction operation method is a method of operating the SCR based on the generated NOx concentration measurement value. Therefore, the conventional method has a problem in that it is difficult to respond to a case where a large amount of exhaust gas is instantaneously generated according to the operation mode of a gas turbine (GT), which is a core facility of a power plant.

또한 2020년 7월에 발표한 “한국판 디지털 뉴딜 정책 기본 방향”에서 데이터 SOC 분야, 인공지능 분야의 선도적인 기술 구축, 이를 통한 산업 구조 변화, 일자리 창출의 정책을 추진한다고 제시하고 있다.In addition, in the “Basic Direction of the Korean Version of the Digital New Deal” announced in July 2020, it is proposed to establish a leading technology in the data SOC field and artificial intelligence field, and promote a policy of industrial structure change and job creation through this.

한편, 인간의 학습 능력, 추론 능력, 지각 능력, 논증 능력, 자연 언어의 이해 능력 등을 인공적으로 구현한 컴퓨터 프로그램 또는 이를 포함한 컴퓨터 시스템인 인공지능(Artificial Intelligence)은 다양한 분야에 접목이 되고 있다.On the other hand, artificial intelligence, a computer program or a computer system including the human learning ability, reasoning ability, perceptual ability, argumentation ability, natural language comprehension ability, etc. artificially implemented is being grafted in various fields.

따라서, 가스 복합발전소 등의 산업 설비에서 발생되는 NOx 량을 예측하고 예측된 NOx 량을 감소시킬 수 있는 대응 방안을 선제적으로 마련하여 최종적으로 발생되어 배출되는 NOx 발생량을 최소화시킬 수 있는 것이 바람직하다.Therefore, it is desirable to predict the amount of NOx generated in industrial facilities such as a gas combined cycle power plant, and to preemptively prepare a countermeasure to reduce the predicted amount of NOx to minimize the amount of NOx that is finally generated and emitted. .

[관련 기술 문헌][Related technical literature]

공개특허공보 제10-2014-0130538호 (2014.11.10. 공개)Laid-open Patent Publication No. 10-2014-0130538 (published on November 10, 2014)

공개특허공보 제10-2019-0123837호 (2019.11.04. 공개)Unexamined Patent Publication No. 10-2019-0123837 (published on April 11, 2019)

공개특허공보 제10-2020-0014048호 (2020.02.10. 공개)Unexamined Patent Publication No. 10-2020-0014048 (published on February 10, 2020)

본 발명의 목적은, 발전하는 과정에서 시계열적으로 발생한 과거의 데이터를 기반으로 한 인공신경망을 이용하여 오염물질 중 하나인 NOx의 발생량을 포함하는 다양한 변수값을 미리 예측할 수 있는 AI를 이용한 발전소 NOx 발생량을 포함하는 운전 속성값 예측 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to predict in advance the value of various variables including the generation amount of NOx, one of pollutants, using an artificial neural network based on past data generated time-series in the process of power generation. An object of the present invention is to provide a system and method for predicting driving attribute values including an amount generated.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 발전소의 운영 계획에 따라 미리 예측된 NOx를 포함하는 오염물질을 저감시킬 수 있는 방안을 선제적으로 취할 수 있는 AI를 이용한 발전소 NOx 발생량을 포함하는 운전 속성값 예측 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to predict the operating attribute value including the amount of NOx generated by the power plant using AI that can preemptively take measures to reduce pollutants including NOx predicted in advance according to the operation plan of the power plant To provide a system and a method therefor.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 발전소 운전의 안정성을 향상시킬 수 있으면서 오염 물질의 배출량을 저감시켜 친환경적 운전을 할 수 있는 AI를 이용한 발전소 NOx 발생량을 포함하는 운전 속성값 예측 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to improve the stability of the operation of the power plant and reduce the emission of pollutants, thereby predicting the operating attribute value including the amount of NOx generated by the power plant using AI for eco-friendly operation, and a method therefor will provide

본 발명의 목적은, 발전소를 운전하는 과정에서 시계열적으로 발생하는 연료소비량, 가스터빈출력, NOx 발생량, 탈질 환원제 투입량, 배열 회수보일러의 끝단 온도인 배열 회수보일러 온도를 포함하는 다양한 복수의 과거변수값을 포함하는 로데이터(Raw Data)를 수집하여 가공하는 수집가공부와; 상기 수집가공부에 저장된 데이터를 인공지능을 활용하여 상기 과거변수값에 이어 현재 시간 이후에 설정된 단위시간마다 상기 과거변수값 각각에 대응한 복수의 예측변수값을 예측하는 인공지능부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전 속성값 예측 시스템에 의하여 달성된다.An object of the present invention is to provide a plurality of historical variables including fuel consumption, gas turbine output, NOx generation, denitrification reducing agent input, and exhaust heat recovery boiler temperature, which is the end temperature of the exhaust heat recovery boiler, that are generated time-series in the process of operating a power plant. a collection processing unit for collecting and processing raw data including values; An artificial intelligence unit for predicting a plurality of predictive variable values corresponding to each of the past variable values for each unit time set after the present time following the past variable value by using artificial intelligence with the data stored in the collection and processing unit; Characterized by the driving attribute value prediction system.

또한, 상기 예측변수값 중 적어도 하나는 미리 예측된 값인 기초예측변수값으로 연료소비량을 포함하고, 상기 발전소는 LNG를 연료로 사용하는 복합화력발전소를 포함하며, 상기 기초예측변수값에 기초하여 나머지 상기 예측변수값을 예측하는 것이 바람직하다.In addition, at least one of the predictive variable values includes fuel consumption as a basic predictive variable value that is a pre-predicted value, and the power plant includes a combined cycle power plant using LNG as a fuel, and the rest based on the basic predictive variable value It is preferable to predict the predictor value.

또한, 상기 인공지능부는 인공신경망 중에 다변수 예측 모델을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the artificial intelligence unit preferably includes a multivariate prediction model in the artificial neural network.

한편, 본 발명의 목적은, 발전소를 운전하는 과정에서 시계열적으로 발생하는 연료소비량, 가스터빈출력, NOx 발생량, 탈질 환원제 투입량, 배열 회수보일러의 끝단 온도인 배열 회수보일러 온도를 포함하는 다양한 복수의 과거변수값을 포함하는 로데이터(Raw Data)를 수집가공부에서 수집하고 가공하는 (1)과정과; 상기 수집가공부에 저장된 데이터를 인공지능을 활용하여 상기 과거변수값에 이어 현재 시간 이후에 설정된 단위시간마다 상기 과거변수값 각각에 대응한 복수의 예측변수값을 인공지능부에서 예측하는 (2)과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 운전 속성값 예측 방법에 의해서도 달성된다.On the other hand, an object of the present invention is to provide a plurality of various fuel consumption, gas turbine output, NOx generation, denitrification reducing agent input, and exhaust heat recovery boiler temperature, which is the end temperature of the exhaust heat recovery boiler, that are generated in time series in the process of operating a power plant. (1) process of collecting and processing raw data including past variable values in a collection and processing unit; (2) process of predicting, in the artificial intelligence unit, a plurality of predictive variable values corresponding to each of the past variable values for each unit time set after the present time following the past variable value by using artificial intelligence on the data stored in the collection and processing unit It is also achieved by the driving attribute value prediction method, characterized in that it includes.

또한, 상기 인공지능부는 인공신경망 중에 다변수 예측 모델을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the artificial intelligence unit preferably includes a multivariate prediction model in the artificial neural network.

또한, 상기 과거변수값은 설정된 위치에 설치된 센서로부터 측정한 수치이고, 상기 예측변수값 중 적어도 하나는 미리 예측된 값인 기초예측변수값으로 연료소비량을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the past variable value is a value measured by a sensor installed at a set position, and at least one of the predictive variable values is a basic predictive variable value that is a pre-predicted value and includes fuel consumption.

또한, 현재 시간 이후의 상기 기초예측변수값을 추출하여 제1리니어층을 통과하는 (3)과정과; 현재 시간의 상기 과거변수값과 상기 기초예측변수값 및 상기 과거변수값에 기초하여 상기 예측변수값을 예측하는 ReLU(Rectified Linear Unit, 활성화층)을 통과한 상기 예측변수값을 선택하는 (4)과정;을 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, (3) step of extracting the value of the basic predictive variable after the current time and passing through the first linear layer; (4) selecting the predictor value that has passed through a Rectified Linear Unit (ReLU) that predicts the predictor value based on the historical variable value, the basic predictive variable value, and the historical variable value at the present time (4) It is preferable to further include a process;

또한, 상기 (4)과정에서는 초기에는 현재 시간의 상기 과거변수값이 선택되며, 그 이후에는 상기 ReLU를 통과한 상기 예측변수값이 선택되는 것이 바람직하다.In addition, in the process (4), it is preferable that the past variable value of the current time is initially selected, and then the predictor variable value that has passed through the ReLU is selected.

또한, 상기 (3)과정과 상기 (4)과정을 통과한 변수값이 컨택층(contact층)에서 합쳐져서 제2리니어층을 거치는 (5)과정;을 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to further include a (5) process in which the variable values passed through the steps (3) and (4) are combined in the contact layer and pass through the second linear layer.

또한, 상기 (5)과정을 통과한 변수값과 엔코더(Encorder)를 통과한 변수값은 CNN(Convolution Neural Network)을 통과하는 (6)과정을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the variable value passing through the process (5) and the variable value passing through the encoder include the process (6) passing through a Convolution Neural Network (CNN).

또한, 상기 (6)과정에서 상기 엔코더를 거친 변수값은 현재 시간부터 과거의 설정된 시간 간격으로 구획된 상기 과거변수값을 추출하여 축약한 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the value of the variable passed through the encoder in the process (6) is abbreviated by extracting the value of the past variable divided at a set time interval from the present time to the past.

또한, 상기 CNN은 상기 (6)과정에서 입력된 변수값을 이용하여 상기 기초예측변수값을 제외한 변수값을 GRU (Gated Recurrent)층에서 예측하는 (6-1)과정과; 상기 (6-1)과정을 통과한 변수값은 제3리니어층을 통과한 후 상기 ReLU층을 통과하고 제4리니어층을 통과하여 상기 예측변수값으로 되는 것이 바람직하다.In addition, the CNN includes the steps of (6-1) predicting variable values excluding the basic predictive variable values in the GRU (Gated Recurrent) layer using the variable values input in the step (6); It is preferable that the variable value passing the process (6-1) passes through the third linear layer, then through the ReLU layer, and then through the fourth linear layer to become the predictive variable value.

또한, 상기 (6-2)과정에서 예측한 상기 예측변수값 이후의 설정된 시간에 대응한 상기 기초변수값에 따라 상기 (3)과정 및 상기 예측변수값에 따라 상기 (4)과정을 통과하고 상기 (5)과정과 상기 (6)과정을 거쳐 상기 예측변수값을 예측하는 단계를 반복하는 것이 바람직하다.In addition, the process (3) and the process (4) are passed according to the value of the predictor according to the value of the basic variable corresponding to the set time after the value of the predictor predicted in the process (6-2), and the process (4) is performed. It is preferable to repeat the steps of predicting the predictor value through the steps (5) and (6).

이에, 본 발명에 따르면, 발전하는 과정에서 시계열적으로 발생한 과거의 데이터를 기반으로 한 인공신경망을 이용하여 오염물질 중 하나인 NOx의 발생량을 포함하는 다양한 변수값을 미리 예측할 수 있는 AI를 이용한 발전소 NOx 발생량을 포함하는 운전 속성값 예측 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.Accordingly, according to the present invention, a power plant using AI that can predict in advance various variable values including the amount of NOx, one of pollutants, using an artificial neural network based on past data generated time-series in the process of power generation It is possible to provide a system and method for predicting driving attribute values including an amount of NOx generated.

또한, 발전소의 운영 계획에 따라 미리 예측된 NOx를 포함하는 오염물질을 저감시킬 수 있는 방안을 선제적으로 취할 수 있는 AI를 이용한 발전소 NOx 발생량을 포함하는 운전 속성값 예측 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a system and method for predicting operating attribute values including the amount of NOx generated in a power plant using AI that can preemptively take a measure to reduce pollutants including NOx predicted in advance according to the operation plan of the power plant. can

또한, 발전소 운전의 안정성을 향상시킬 수 있으면서 오염 물질의 배출량을 저감시켜 친환경적 운전을 할 수 있는 AI를 이용한 발전소 NOx 발생량을 포함하는 운전 속성값 예측 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a system and method for predicting operating attribute values including the amount of NOx generated in a power plant using AI that can improve the stability of power plant operation and reduce the emission of pollutants for eco-friendly operation.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합발전 및 운전 속성값 예측 시스템 관계를 설명하기 위한 개략도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 운전 속성값 예측 시스템의 개념도,
도 3은 시계열 예측 시스템인 ConvGRUNet 구조 개념도,
도 4는 도 3의 구체적인 실시예를 보여주는 흐름도,
도 5는 본 발명의 운전 속성값 예측 시스템의 모니터링 개략도,
도 6은 VAR과 본 발명에 따른 ConvGRUNet의 예측 성능 비교 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 운전 속성값 예측 시스템에 따른 복수의 운전 속성값의 예측치와 실측치를 비교한 그래프이다.
1 is a schematic diagram for explaining the relationship between combined cycle power generation and driving attribute value prediction system according to an embodiment of the present invention;
2 is a conceptual diagram of a driving attribute value prediction system according to an embodiment of the present invention;
3 is a conceptual diagram of the structure of ConvGRUNet, which is a time series prediction system;
Figure 4 is a flow chart showing a specific embodiment of Figure 3;
5 is a monitoring schematic diagram of the driving attribute value prediction system of the present invention;
6 is a graph comparing prediction performance of VAR and ConvGRUNet according to the present invention;
7 is a graph comparing predicted values and actual values of a plurality of driving attribute values according to the driving attribute value prediction system according to the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 AI를 이용한 발전소 NOx 발생량을 포함하는 운전 속성값 예측 시스템 및 그 방법(100, 이하에서 ‘예측 시스템’이라 함)에 대하여 이하에서 도 1 내지 도 7을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.A system for predicting an operating attribute value including an amount of NOx generated by a power plant using AI according to an embodiment of the present invention and a method therefor (100, hereinafter referred to as a 'prediction system') will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 7 below. It is explained as follows.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합발전 및 운전 속성값 예측 시스템 관계를 설명하기 위한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 운전 속성값 예측 시스템의 개념도이며, 도 3은 시계열 예측 시스템인 ConvGRUNet 구조 개념도이고, 도 4는 도 3의 구체적인 실시예를 보여주는 흐름도이며, 도 5는 본 발명의 운전 속성값 예측 시스템의 모니터링 개략도이고, 도 6은 VAR과 본 발명에 따른 ConvGRUNet의 예측 성능 비교 그래프이며, 도 7은 본 발명에 따른 운전 속성값 예측 시스템에 따른 복수의 운전 속성값의 예측치와 실측치를 비교한 그래프이다.1 is a schematic diagram for explaining the relationship between combined cycle power generation and driving attribute value prediction system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a conceptual diagram of a driving attribute value prediction system according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is It is a conceptual diagram of the structure of ConvGRUNet as a time series prediction system, FIG. 4 is a flowchart showing a specific embodiment of FIG. 3 , FIG. 5 is a monitoring schematic diagram of the driving attribute value prediction system of the present invention, and FIG. 6 is VAR and ConvGRUNet according to the present invention It is a prediction performance comparison graph, and FIG. 7 is a graph comparing predicted values and actual values of a plurality of driving attribute values according to the driving attribute value prediction system according to the present invention.

본 발명을 보다 상세하게 설명하기에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시Prior to describing the present invention in more detail, the present invention may have various changes and may have various forms, embodiments (態樣, aspect) (or implementation

예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.ex) will be explained in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.In each drawing, the same reference sign, particularly the number of the tens and one digit, or the reference numerals having the same tens, one, and alphabet, indicates a member having the same or similar function, and unless otherwise specified, each of the figures in the drawings The member indicated by the reference sign may be understood as a member conforming to these standards.

또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.In addition, in each drawing, in consideration of the convenience of understanding, the size or thickness is exaggeratedly large (or thick) small (or thin) or simplified, but the protection scope of the present invention is limited by this. it shouldn't be

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is only used to describe a specific embodiment (aspect, aspect, aspect) (or embodiment), and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as comprises or consists of are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other features It is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

본 발명에 따른 예측 시스템(100)은, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 발전소를 운전하는 과정에서 시계열적으로 발생하는 연료소비량, 가스터빈출력, NOx 발생량, 탈질 환원제 투입량, 배열 회수보일러의 끝단 온도인 배열 회수보일러 온도를 포함하는 다양한 복수의 과거변수값을 포함하는 로데이터(Raw Data)를 수집하여 가공하는 수집가공부(110)와; 상기 수집가공부(110)에 저장된 데이터를 인공지능을 활용하여 상기 과거변수값에 이어 현재 시간 이후에 설정된 단위시간마다 상기 과거변수값 각각에 대응한 복수의 예측변수값을 예측하는 인공지능부(130);를 포함하는 것이 바람직하다.The prediction system 100 according to the present invention is, as shown in FIGS. 1 to 5, fuel consumption, gas turbine output, NOx generation, denitrification reducing agent input, and heat recovery boiler time-series generated in the process of operating a power plant. a collecting processing unit 110 for collecting and processing raw data including various values of a plurality of past variables including the temperature of the exhaust heat recovery boiler which is the end temperature of the ; The artificial intelligence unit 130 for predicting a plurality of predictive variable values corresponding to each of the past variable values for each unit time set after the present time following the past variable values by using the data stored in the collecting and processing unit 110 using artificial intelligence. ); is preferred.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발전소는 복합발전을 포함한다. 가스터빈(Gas Turbine, G/T)과 더불어 증기터빈(Steam Turbine)을 설치한 발전소이다. 액화 천연 가스(LNG)로 우선 가스터빈을 운전하여 발전을 하고 가스 터빈에서 발생하는 고온 가스를 회수장치로 유도하고 그 것으로 증기를 발생시켜 증기터빈을 운전하여 발전을 한다.1, the power plant according to the present invention includes a combined cycle power plant. It is a power plant in which a steam turbine is installed along with a gas turbine (G/T). First, a gas turbine is operated to generate electricity with liquefied natural gas (LNG), and the high-temperature gas generated from the gas turbine is guided to a recovery device, and steam is generated from it to operate the steam turbine to generate electricity.

이러한 발전소의 운전 과정에서 각 기기의 상태, 운전 조건, 발전량, 오염 물질 발생량 등을 각 위치에 설치된 센서 등에 의하여 모니터링이 되고 이러한 모니터링 된 데이터가 데이터수집시스템(DCS, Data Collection System)라는 장치에 Raw Data(도 2의 ‘DSC(Raw Data)’ 참조)로 저장이 된다.During the operation of such a power plant, the state of each device, operating conditions, power generation, and pollutant generation are monitored by sensors installed at each location, and these monitored data are sent raw to a device called a data collection system (DCS). Data (refer to 'DSC (Raw Data)' in FIG. 2) is stored.

이러한 Raw Data에는 대기로 배출되는 NOx 배출량과 배출 이전에 발생되는 NOx 발생량 및 발생된 NOx를 저감시키기 위한 SCR 장치에서 사용되는 탈질환원제 투입량 등이 포함되며, G/T 출력, G/T 연료소비량, 외기온도 등도 포함된다.These raw data include the amount of NOx emitted to the atmosphere, the amount of NOx generated before the emission, and the amount of decontamination agent used in the SCR device to reduce the generated NOx, G/T output, G/T fuel consumption, The outside temperature is also included.

이렇게 발전소의 운전 과정에서 발생하는 여러 가지 데이터를 적용 및 예측하기 위하여 시간을 현재 시간, 현재 시간 이전의 과거, 현재 시간 이후의 미래 등으로 구분하며, 그리고 필요에 따라 이러한 과거 시간, 미래 시간을 설정된 단위로 구획하여 적용할 수 있다.In order to apply and predict various data generated during the operation of the power plant, time is divided into the present time, the past before the present time, and the future after the present time, and these past times and future times are set as needed. It can be divided into units and applied.

아울러 운전 과정에서 발생하는 여러 가지 데이터 중에서 운전조건에 따른 운전 종속값(이하에서 ‘변수값’이라 함) 중에서 미리 예측할 수 있는 변수값이 있으며 이러한 것에는 연료투입량(보다 구체적으로는 G/T에 투입하는 LNG 연료투입량이다 - 이러한 연료투입량은 발전소의 운영 계획에 따라 미리 설정된 발전량에 기초하여 산출될 수 있다)이 그 예이고 이하에서 미리 예측할 수 있는 연료투입량을 기초예측변수값이라 한다.In addition, among various data generated during the driving process, there are variable values that can be predicted in advance among the driving dependent values (hereinafter referred to as 'variable values') according to the driving conditions. This is the input amount of LNG fuel input - this fuel input amount can be calculated based on the power generation amount set in advance according to the operation plan of the power plant) is an example, and the fuel input amount that can be predicted in advance is referred to as the basic predictive variable value below.

본 발명에 따른 예측 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 복합발전에서 발생하거나 발생한 또는 발생할 변수값에 기초하여 후술하는 본 발명에 따른 예측 시스템(100)인 인공기능 기술에 기초하여 필요로 하는 변수값을 예측하고 예측된 변수값을 관리할 수 있다. 본 발명에서는 특히 발전하는 과정에서 발생하는 NOx 발생량을 예측하고 예측된 NOx 발생량에 대응하여 NOx를 저감시키기 위해 예측된 환원제투입량을 투입하여 최종적으로 대기로 배출되는 NOx의 배출량을 최소화하기 위하여 선제적으로 제어, 관리할 수 있다.The prediction system according to the present invention is a predictive system 100 according to the present invention, which is a prediction system 100 according to the present invention, which will be described later based on the variable values that occur, occur, or will occur in the combined cycle power generation as shown in FIG. can be predicted and the predicted variable values can be managed. In the present invention, in particular, in order to predict the amount of NOx generated in the process of power generation and input the predicted reducing agent input amount to reduce NOx in response to the predicted amount of NOx, to minimize the amount of NOx finally discharged to the atmosphere, preemptively can be controlled and managed.

본 발명에 따른 예측 시스템(100)은, 시계열 데이터 기반 딥러닝 예측 시스템을 포함하며, 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 시계열 데이터를 수집, 저장, 관리, 활용을 한다. 즉, 본 발명은, LNG 발전소 가스터빈에서 시계열 데이터를 수집 후 딥러닝 모델을 활용하여 오염 상황을 예측하는 다변량 Time series prediction 과 관련되어 있다.The prediction system 100 according to the present invention includes a time series data-based deep learning prediction system, and collects, stores, manages, and utilizes time series data as shown in FIGS. 2 to 3 . That is, the present invention is related to multivariate time series prediction that predicts the pollution situation by using a deep learning model after collecting time series data from a gas turbine of an LNG power plant.

예측 시스템(100)에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 다변량 시계열데이터(Multivariate time-series data)는 수집-저장-활용 단계를 거쳐 처리되며, 수집 단계에서는 ETL(Extract/Transform/Load), MQ(Message Queue), CEP(Complex Event Processing) 등의 전처리 기법을 포함한 다양한 기법이 활용되며, 저장 단계에서는 Enterprise Data Warehouse나 Cloud에 저장될 수 있다.In the prediction system 100, as shown in FIG. 2, multivariate time-series data is processed through a collection-store-utilization step, and in the collection step, ETL (Extract/Transform/Load), MQ Various techniques are used, including preprocessing techniques such as (Message Queue) and CEP (Complex Event Processing), and in the storage stage, they can be stored in the Enterprise Data Warehouse or Cloud.

이러한 데이터 엔지니어링(Data Engineering) 단계를 거친 시계열 데이터는 통계적 분석, 규칙기반 기계학습, 최근 기술인 심층신경망 기술 등을 통해 학습되고 예측된다.Time series data that has gone through this data engineering stage is learned and predicted through statistical analysis, rule-based machine learning, and the recent deep neural network technology.

먼저, 딥러닝 기반의 예측 모델을 학습하기 위해 발전소 현장의 시계열 데이터를 다량으로 취득하여야 하고, 이러한 시계열 데이터는 LNG Gas Turbine과 HRSG(배열 회수보일러) 등에 설치된 다양한 센서를 통해 다채널 시계열 데이터를 발생시키고 DCS에 데이터가 쌓이게 된다. 이러한 DCS의 Raw Data는 데이터 엔지니어링 단계를 통해 수집되고 가공, 변환, 라벨링 처리 등을 통해 기계학습에 적합한 형태로 전처리된다.First, in order to learn a deep learning-based predictive model, it is necessary to acquire a large amount of time series data from the power plant site, and this time series data generates multi-channel time series data through various sensors installed in LNG Gas Turbine and HRSG (Heat Recovery Boiler). and data is accumulated in DCS. The raw data of DCS is collected through the data engineering stage and pre-processed in a form suitable for machine learning through processing, transformation, and labeling processing.

이렇게 발전소에서 수집한 NOx 발생량 및 연관된 변량을 나타낸 예시가 <표 1>에 도시되어 있다.An example showing the NOx generation amount and the associated variance collected from the power plant is shown in <Table 1>.

Figure 112021015896556-pat00001
Figure 112021015896556-pat00001

수집된 다변량 데이터 사이의 상관관계 분석을 통한 데이터 내 변수 간 관련성을 파악하고 이러한 관련성을 파악한 일 예가 <표 2>와 같다.<Table 2> shows the relationship between variables in the data through correlation analysis between the collected multivariate data, and an example of understanding this relationship.

Figure 112021015896556-pat00002
Figure 112021015896556-pat00002

딥 러닝 모델의 용량이 커질수록 모델의 일반화 능력이 좋아지나 매개 변수 또한 기하급수적으로 늘어나며 많은 양의 학습 데이터가 요구된다. 또한, 발전소에서 수집하는 데이터만으로 학습에 활용하기에는 비용과 시간이 많이 소모될 수 있으며, 주변 환경 조건이 제약된 상황에서 수집되므로 조건이 바뀌는 상황에서의 예측 정확도가 떨어 질 수 있다. 여기서, 데이터 증강 기법은 이러한 데이터 수집 문제를 해결하기 위한 방법으로 효과적이다. 컴퓨터 비전(Computer Vision) 영역에서는 많은 데이터 증강 기법들이 연구되어 왔지만, 1D 시계열 데이터에 대한 증강 관련 연구는 적으며, 이러한 Vision 영역의 증강 기법을 재해석하여 효과적으로 1D 데이터에 적용하는 것이 바람직하다.As the capacity of the deep learning model increases, the generalization ability of the model improves, but the parameters also increase exponentially and a large amount of training data is required. In addition, it may cost a lot of money and time to use only the data collected from the power plant for learning, and since it is collected in a situation where the surrounding environmental conditions are limited, the prediction accuracy may decrease in a situation where the conditions change. Here, the data augmentation technique is effective as a method for solving this data collection problem. Although many data augmentation techniques have been studied in the computer vision field, there are few studies related to augmentation on 1D time series data, and it is desirable to reinterpret and effectively apply the augmentation techniques in the vision field to 1D data.

다변량 속성은 속성 간 상관성뿐만 아니라 단시간 (Short-term time-series) 데이터 의존성, 장시간 (Long-term time-series) 데이터 의존성이 모두 존재할 수 있으므로 이러한 상관성에 기반한 규칙성을 파악하는 것이 중요하다. 이에, AttentionNet, Temporal ConvNet, RNN/LSTM/GRU 시계열 패턴분석 알고리즘을 기반 기술로 하여 발전소 시계열 데이터에 맞도록 개량하는 것이 바람직하다.In multivariate properties, not only correlations between properties, but also short-term time-series data dependence and long-term time-series data dependence can all exist, so it is important to understand the regularity based on these correlations. Therefore, it is desirable to use AttentionNet, Temporal ConvNet, and RNN/LSTM/GRU time series pattern analysis algorithms as a base technology to improve it to fit the power plant time series data.

기존의 시계열 데이터예측기술 (ARIMA, VAR, SVR, GP, 등)들은 장기간의 시간적 패턴을 예측 어렵거나 높은 계산비용의 문제로 고차원 다변량 시계열예측 어렵다는 문제점을 가지고 있다.Existing time series data prediction techniques (ARIMA, VAR, SVR, GP, etc.) have a problem in that it is difficult to predict long-term temporal patterns or high-dimensional multivariate time series prediction due to high computational costs.

본 발명에 따른 예측 시스템(100)은 DeepGLO, DeepAR, AttentionNet, ConvGRUNet 등의 심층신경망 기반 모델을 도입하고 이를 통해 하나의 변수를 예측값으로 하는 기존의 예측 모델과 다르게 다양한 변수를 입력 값으로 넣고 여러 변수를 예측할 수 있는 다변량 예측 모델을 포함한다.The prediction system 100 according to the present invention introduces a deep neural network-based model such as DeepGLO, DeepAR, AttentionNet, ConvGRUNet, etc., and through this, various variables are put as input values, and various variables are put as input values, unlike the existing prediction models that use one variable as a predictive value. It includes a multivariate prediction model that can predict

즉, 기존의 시계열 예측 모델들은 경향성만 띄고 스케일이 다른 결과를 예측하지만, DeepGLO, ConvGRUNet은 Autoregressive 모델을 결합함으로써 결과의 경향성과 스케일 모두 잘 예측할 수 있다.In other words, the existing time series prediction models only show trends and predict results with different scales, but DeepGLO and ConvGRUNet can predict both the trend and scale of the results well by combining the autoregressive models.

도 3은 도 2의 예측 시스템(100)에 적용되는 심층신경망기반 ConvGRUNet의 구조 개념도를 나타낸 것이다. 도 2 및 도 3을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.3 shows a conceptual diagram of a structure of a deep neural network-based ConvGRUNet applied to the prediction system 100 of FIG. 2 . It will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3 as follows.

DCS(Data Collection System)을 통해 G/T운전 발생 데이터와 NOx오염 방지 설비에서 발생한 다변량 데이터(복수의 센서 채널)가 Streaming되어 수집된다. 수집된 Raw Data는 수집가공부(110)를 통해 ETL 및 데이터 엔지니어링 과정을 통해 처리, 저장되고, 시계열예측을 위한 심층신경망을 포함하는 인공지능부(130)에 입력된다. G/T operation generation data and multivariate data (multiple sensor channels) generated from NOx pollution prevention facilities are streamed and collected through DCS (Data Collection System). The collected raw data is processed and stored through the ETL and data engineering process through the collection processing unit 110 , and is input to the artificial intelligence unit 130 including a deep neural network for time series prediction.

심층 신경망 전반부에는 2D Convolutional Layer을 통해 변량(채널) 사이의 상호 상관성과 단시간(Short-times) 상관성이 모델링된다. 이후, LSTM/GRU Layer을 거쳐 장시간(Long-times) 상관성이 추출되고, 결과는 완전연결망(FCN)을 거쳐 출력노드로 나간다.In the first part of the deep neural network, cross-correlation and short-time correlation between variables (channels) are modeled through a 2D convolutional layer. After that, long-time correlation is extracted through the LSTM/GRU layer, and the result goes out to the output node through the FCN.

그리고, 도 6은 현재 널리 쓰이는 다변수 예측 모델인 VAR(Vector Autoregression)과 본 발명의 예측 시스템(100)의 ConvGRUNet 모델의 성능을 비교한 그래프로 ConvGRUNet이 신호 변화 경향성뿐만 아니라 스케일도 잘 예측하는 것을 보여준다.6 is a graph comparing the performance of the currently widely used multivariate prediction model VAR (Vector Autoregression) and the ConvGRUNet model of the prediction system 100 of the present invention. ConvGRUNet predicts not only the signal change tendency but also the scale well. show

본 발명에 따른 예측 시스템(100)의 개발 환경에는 Ubuntu Linux OS하에서 PyTorch, CUDA, CuDNN을 사용하는 것이 바람직하다.It is preferable to use PyTorch, CUDA, and CuDNN under Ubuntu Linux OS for the development environment of the prediction system 100 according to the present invention.

PyTorch는 Python 기반의 기계학습 및 딥러닝 라이브러리이며 Facebook의 인공지능 리서치 팀에서 관리하고 있다. CUDA는 그래픽 처리 장치(GPU)에서 수행하는 병렬 처리 알고리즘을 C프로그래밍 언어를 비롯한 산업 표준 언어를 사용하여 작성할 수 있도록 하는 GPGPU이다. CUDNN은 Nvidia에서 제공하는 고성능 Deep Neural Networks 라이브러리로 딥러닝의 연산 속도 향상을 위해 사용한다.PyTorch is a Python-based machine learning and deep learning library maintained by Facebook's artificial intelligence research team. CUDA is a GPGPU that enables parallel processing algorithms performed by the graphics processing unit (GPU) to be written using industry standard languages including the C programming language. CUDNN is a high-performance Deep Neural Networks library provided by Nvidia and is used to improve the computation speed of deep learning.

여기서, G/T자체에서 나오는 각종 센서 신호는 DCS라는 장치에 모이게 된다. DCS는 일종의 데이터수집 서버이며, 모든 후속처리는 DCS에 접속해 전송받은 데이터를 이용하는 것이 바람직하다. Here, various sensor signals from G/T itself are collected in a device called DCS. DCS is a kind of data collection server, and it is desirable to use data received by connecting to DCS for all subsequent processing.

아울러 수집가공부(110)는, DCS에서 나오는 raw data는 정리가 되지 않은 데이터로 그대로는 딥러닝 학습이나 예측에 사용하기 어려우므로 딥러닝에서 사용할 수 있게 데이터 가공을 해주며, DCS에서 얻어진 시계열 데이터에는 여러 실측치(어떤 시간에서 몇 개의 센서 데이터가 빠져 버리고 없는 것)처리, 고주파나 노이즈 신호 제거, 어떤 range내로 값을 정규화(보통 0~1 또는 -1~1 사이 값으로), ETL(Extract, Load, Transform)과정을 거치고 Data log도 저장한다.In addition, the collection processing unit 110 processes the data so that it can be used in deep learning because raw data from DCS is unorganized data and is difficult to use for deep learning learning or prediction as it is, and time series data obtained from DCS Processes multiple measured values (some sensor data is missing at a certain time), removes high-frequency or noise signals, normalizes values within a certain range (usually between 0~1 or -1~1), ETL (Extract, Load) , Transform) process and save the data log.

인공지능부(130)는 MTSR(Multivariate Time Series Regression: 다변량시계열예측), MTSC(다변량시계열분류(classification)) 등을 위한 학습과 예측 작업을 수행하는 고성능 서버 컴퓨터를 포함한다.The artificial intelligence unit 130 includes a high-performance server computer that performs learning and prediction tasks for MTSR (Multivariate Time Series Regression), MTSC (multivariate time series classification), and the like.

아울러 도 5와 같이 예측 시스템(100)에서 모니터링 서버(Monitoring server)는 수집가공부(110)와 인공지능부(130)에서 나오는 결과와 예측값을 화면에 출력하고 이상한 값이 예측될 경우, 관리자에게 경보를 발생시키는 모듈이다.In addition, as shown in FIG. 5, the monitoring server in the prediction system 100 outputs the results and predicted values from the collection processing unit 110 and the artificial intelligence unit 130 on the screen, and when an abnormal value is predicted, an alert is issued to the manager. This is the module that generates

그리고, 딥러닝 분야에서는 프레임웍이라 불리는 lib가 있으며, Tensorflow(Google), Keras(Google), MxNet(Microsoft), Pytorch(Facebook) 등을 이용하여 네트웍 구조를 구성한다.And, in the field of deep learning, there is a lib called a framework, and the network structure is constructed using Tensorflow (Google), Keras (Google), MxNet (Microsoft), Pytorch (Facebook), etc.

이외에도 데이터 처리를 위해 Pandas, Tableau등의 python library를 함께 사용하며, 고속 병렬 학습을 위해 CUDA, cuDNN(Nvidia사, 미국) 등의 library를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, OS는 Ubuntu Linux를 기반으로 하지만 windows10도 가능하다. 그리고, 하드웨어(HardWare)는 고속 병렬 학습을 위해 인공지능부(130)에서 고속 병렬처리 GPU(Graphic Processing Unit)를 여러 장 사용하는데 대부분 미국 Nvidia에서 만든 칩을 이용하는 것이 바람직하며, Desktop CPU는 16코어 이상의 고성능 CPU를 사용하는 것이 바람직하다.In addition, for data processing, python libraries such as Pandas and Tableau are used together, and it is preferable to use libraries such as CUDA and cuDNN (Nvidia, USA) for high-speed parallel learning. Also, the OS is based on Ubuntu Linux, but windows10 is also possible. In addition, hardware (HardWare) uses several high-speed parallel processing GPUs (Graphic Processing Units) in the artificial intelligence unit 130 for high-speed parallel learning. Most preferably, chips made by Nvidia in the United States are used, and the desktop CPU has 16 cores. It is preferable to use a high-performance CPU or higher.

본 발명에 따른 예측 시스템(100)의 실시예를 도 5를 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.An embodiment of the prediction system 100 according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 5 as follows.

여기서, ①은 Nox배출량, 가스터빈출력,탈질환원제량,배열회수보일러온도,여러 온도, 압력 값 등의 센서 측정치이고 본 실시예에서는 15개를 그 예로 포함한다.Here, ① is sensor measurement values such as Nox emission amount, gas turbine output, denitrification agent amount, heat recovery boiler temperature, various temperatures, and pressure values, and 15 are included as examples in this embodiment.

②는 ①의 모든 계측치의 근원이 되는 기초예측변수값으로 연료인 LNG의 (연료)소비량이다. 즉, 연료가 연소됨에 의해서 ①의 다양한 측정치(속성값)가 발생한다.② is the basic predictor value that is the source of all measured values in ①, and is the (fuel) consumption of LNG as a fuel. That is, various measurement values (attribute values) of ① are generated by the combustion of fuel.

③은 현재 시간(current time) t 순간에서 ②를 제외한 모든 측정치이고 현재 시간 t에서 측정치 길이는 1이고, 센서(속성)값이 15개라서 (1,15)크기로 표시한다.③ is all the measured values except ② at the moment of current time t, the length of the measured values at current time t is 1, and there are 15 sensor (property) values, so they are displayed as (1,15).

④는 미래 시간에 예측해야 하는 15개의 속성 시계열이다. 만일 센서 측정 time step(설정 단위 시간)을 1분으로 하고, 미래 5분의 15개 속성값을 예측해야 한다면 예측할 값의 크기는 (5,15)가 된다.④ is a time series of 15 properties that should be predicted in future time. If the sensor measurement time step (set unit time) is 1 minute, and 15 attribute values of 5/5 of the future are to be predicted, the size of the predicted value becomes (5,15).

⑤는 미래에 연료를 얼마나 투입할지 계획을 나타내는 값으로 알려진 값이다. a, b, c,…는 현시간 t에서 1분후, 2분후, 3분후…의 투입할 연료량이다. ⑤ is a value known as a value indicating how much fuel you plan to inject in the future. a, b, c,… is 1 minute, 2 minutes, 3 minutes after the current time t… is the amount of fuel to be injected.

한편, 현재 시간 t를 기준으로 과거 시간의 데이터는 모두 알려지므로 만일 과거 32분(설정 단위 시간을 1분으로 가정)을 생각한다면 ①은 (32,15)이고 ②는 (32,1)의 크기가 된다.On the other hand, since all data of the past time is known based on the current time t, if we consider the past 32 minutes (assuming that the set unit time is 1 minute), ① is (32,15) and ② is (32,1). becomes

예측 시스템(100)에서 먼저 현재 시간 t의 1분후 데이터부터 예측한다. ⑤에서 a데이터(size=(1,1))를 추출하고 이것은 ⑦의 제1Linear층(신경망)으로 들어간다. ⑦을 통과하여 나온 크기는 (1,16)이 된다. 신경망 연결성을 이용하여 속성 크기 1을 16으로 증가시켰다.The prediction system 100 first predicts data 1 minute after the current time t. Extract a data (size=(1,1)) from ⑤, and it enters the first linear layer (neural network) of ⑦. The size that passes through ⑦ becomes (1,16). We increased the attribute size 1 to 16 using neural network connectivity.

한편, ③의 (1,15) 데이터는 셀렉터(selector) ⑧로 들어간다. ⑧의 역할은 ③에서 나오는 신호와 ⑭에서 나오는 신호를 선택해 주는 역할을 한다. 처음에는 신호 ③을 선택하지만 다음 단계부터는 ⑭에서 나오는 신호를 선택한다. ⑧ 내부에서 어느 쪽이던 (1,15)신호가 선택되면 내부에 있는 Linear층을 거쳐 (1,32) 크기로 변환되며, ⑨의 컨텍트층(concat층)에서 ⑧을 거친 (1, 32)와 ⑦을 거친 (1, 16)의 두 속성이 합쳐져 (1,48) 크기가 된다. 이는 다시 제2linear층을 거쳐 (1,15) 크기가 되어 ⑪ 내의 GRU로 들어간다.On the other hand, (1,15) data of ③ enters the selector ⑧. The role of ⑧ is to select the signal from ③ and the signal from ⑭. At first, signal ③ is selected, but in the next step, the signal from ⑭ is selected. ⑧ If either (1,15) signal is selected from the inside, it is converted to (1,32) size through the linear layer inside, The two properties of (1, 16) that have been passed through ⑦ are combined to make the size (1,48). It goes through the second linear layer again and becomes (1,15) size and enters the GRU in ⑪.

⑪은 시계열 예측을 위한 RNN(Recurrent neural network)넷의 일종인 GRU층을 포함하는 부분으로 GRU는 현 시간 입력을 이용하여 다음 시간의 속성값을 예측하는 역할을 한다.⑪ is a part including the GRU layer, which is a type of recurrent neural network (RNN) net for time series prediction, and the GRU plays a role of predicting the attribute value of the next time using the current time input.

⑫ GRU에는 두 개의 입력이 들어가는데 제2리니어층을 거친 (1,15) 크기와 ⑩의 Encoder를 거친 (1,512) 크기이다. ⑫ GRU has two inputs, the (1,15) size passing through the second linear layer and the (1,512) size passing through the encoder of ⑩.

여기서, (1,512) 크기는 ①의 (32,15) 성분과 ②의 t시간 이전인 과거 시간 성분인 (32,1) 크기를 이용하여 과거 시계열 특징을 추출하여 축약한 벡터이다.Here, the size (1,512) is a vector abbreviated by extracting the features of the past time series using the (32,15) component of ① and the (32,1) size, which is the past time component before t time of ②.

⑫는 (1,15) 크기와 (1,512) 크기의 두 벡터를 이용하여 다음 순간의 속성값 (1,64) 크기를 예측하고 이는 제3linear층과 ⑬의 활성화층(ReLU층)을 거쳐 ⑭의 제4linear층으로 다시 들어간다.⑫ predicts the size of the attribute value (1,64) at the next instant using two vectors of magnitude (1,15) and (1,512), which passes through the 3rd linear layer and the activation layer (ReLU layer) of ⑭ Enter the 4th linear layer again.

⑭의 출력은 (1,15) 크기이고 이는 ⑧에서 다음 순간의 예측을 위해 다시 피드백 된다. ⑮는 현재 예측된 미래값 (1,15)을 출력으로 쌓아서 저장하는 모듈이다.The output of ⑭ is of magnitude (1,15), which is fed back to predict the next moment in ⑧. ⑮ is a module that accumulates and stores the currently predicted future value (1,15) as an output.

현재 시간인 t 시간 이후인 a시점(t+1)에서 예측된 ⑭의 출력이 발생된 이후인 b시점(t+2)에서는 다음과 같은 과정을 거친다.At time b (t+2) after the output of ⑭ predicted at time a (t+1), which is after time t, which is the current time, is generated, the following process is performed.

⑧에서 이제 ③의 (1,15)대신에 피드백된 ⑭의 (1,15)를 선택하여 ⑧ 내부에 있는 Linear층을 통해 (1,32)를 출력한다. 그리고 ⑤에서 다름 순간(t+2) 값인 b가 추출되어 ⑦을 거쳐 ⑧에서 출력된 데이터와 ⑨에서 합쳐진다.In ⑧, instead of (1,15) in ③, select (1,15) of ⑭ and output (1,32) through the linear layer inside ⑧. Then, b, which is the value at the other instant (t+2), is extracted from ⑤ and combined with the data output from ⑧ through ⑦ and combined in ⑨.

이러한 과정의 반복을 통해 현재 시간 t에서 1분(t+1) 후, 2분(t+2) 후, 3분(t+3) 후, …, n분(t+n) 후로 우리가 원하는 미래 시간만큼의 예측이 가능하다.Through repetition of this process, after 1 minute (t+1), after 2 minutes (t+2), after 3 minutes (t+3), ... , after n minutes (t+n), it is possible to predict as many times as we want in the future.

즉, 미리 계획된 LNG 연료소비량 값을 이용하여 사용자가 궁금해 하는 나머지 15개의 속성값(여기에는 관심을 갖는 오염 예측값인 Nox배출량도 포함됨)을 간단하고 편리하게 예측할 수 있다.That is, using the pre-planned LNG fuel consumption value, the remaining 15 attribute values that users are curious about (this includes the pollution prediction value of interest, Nox emission) can be predicted simply and conveniently.

본 발명의 예측 시스템(100)과 관련하여 LNG 가스복합발전 가스터빈에서 추출되는 센서 데이터와 예측값을 비교한 그래프가 도 7이다.7 is a graph comparing the sensor data extracted from the LNG gas combined cycle gas turbine and the predicted value in relation to the prediction system 100 of the present invention.

도 7의 가로축은 시간 단위(분)이며, 세로축은 각 속성의 발생량을 0~1사이 값으로 정규화한 것이다. 그리고, 그래프에서 실선은 실제 가동시 발생된 실체측정치를 시계열적으로 보여주는 그래프이고, 점선은 딥러닝 예측치를 시계열적으로 보여주는 그래프이다.The horizontal axis of FIG. 7 is time unit (minutes), and the vertical axis is normalized to a value between 0 and 1 for the generation amount of each attribute. And, in the graph, the solid line is a graph showing actual measurements generated during actual operation in time series, and the dotted line is a graph showing the deep learning prediction values in time series.

여기서, ‘G/T fuel consumption’은 가스터빈에 들어가는 LNG연료량이다. 연료가 연소됨에 의해서 다른 모든 속성(센서) 값들이 얻어질 수 있다. ‘G/T load’는 가스터빈의 출력이며. 생산되는 전기량으로 보통 MW단위이다. ‘HRSG #3’은 배열 회수보일러(HRSG)의 끝단(#3)에서 온도값이며, 복합발전이란 G/T을 회전시켜 1차 발전을 하고, 남은 고열, 고압 증기로 배열 회수보일러를 가동하여 2차 발전을 하는 구조이며, 이 값을 사용하는 이유는 오염 억제제인 암모니아의 기화에 필요한 열을 HRSG에서 공급하기 때문이다.Here, ‘G/T fuel consumption’ is the amount of LNG fuel that goes into the gas turbine. All other attribute (sensor) values can be obtained by burning the fuel. ‘G/T load’ is the output of the gas turbine. The amount of electricity produced is usually in MW. 'HRSG #3' is the temperature value at the end (#3) of the heat recovery boiler (HRSG). Combined power generation is the primary power generation by rotating the G/T, and operating the heat recovery boiler with the remaining high-temperature and high-pressure steam. It is a structure that generates secondary power, and the reason for using this value is that the HRSG supplies the heat required for vaporization of ammonia, a pollution inhibitor.

‘NOx outlet’은 LNG가 연소되면 질산화물(NOx)인 오염배출물이 생기는데, 이러한 오염물질인 NOx의 배출량을 나타낸다.The ‘NOx outlet’ indicates the amount of NOx, which is a pollutant, that is generated when LNG is combusted, which is nitrogen oxide (NOx).

‘Nox eliminator’는 암모니아 환원제 투입량으로 Nox 배출을 억제하기 위해 투입하는 물질이여, 그래프에 알 수 있는 바와 같이 탈질환원제가 투입되면서 NOx 배출량이 감소하는 것을 확인할 수 있다.‘Nox eliminator’ is a substance that is added to suppress NOx emission by the amount of ammonia reducing agent input.

한편, 도 6은 본 발명에 따른 예측 시스템(100)을 어플리케이션으로 활용하여 유무선으로 사용자의 모바일로 전송하거나 설정된 데이터에 이상이 발생하는 경우 경보를 발생시킬 수 있으며, 모니터링을 하는 내용을 모식적으로 도시한 것이다. On the other hand, FIG. 6 is a diagram schematically illustrating the contents of monitoring and transmitting the prediction system 100 according to the present invention to the user's mobile by wire or wireless or when an abnormality occurs in the set data. it will be shown

본 발명에 따른 예측 시스템(100)은 도 6과 같은 보안(security), 모니터링(monitoring), 모바일 전송(mobile), 경보 발생(alarm)을 모두 포함할 수도 있음을 물론이다.Of course, the prediction system 100 according to the present invention may include all of security, monitoring, mobile, and alarm as shown in FIG. 6 .

이에, 본 발명에 따르면, 발전하는 과정에서 시계열적으로 발생한 과거의 데이터를 기반으로 한 인공신경망을 이용하여 오염물질 중 하나인 NOx의 발생량을 포함하는 다양한 변수값을 미리 예측할 수 있는 AI를 이용한 발전소 NOx 발생량을 포함하는 운전 속성값 예측 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.Accordingly, according to the present invention, a power plant using AI that can predict in advance various variable values including the amount of NOx, one of pollutants, using an artificial neural network based on past data generated time-series in the process of power generation It is possible to provide a system and method for predicting driving attribute values including an amount of NOx generated.

또한, 발전소의 운영 계획에 따라 미리 예측된 NOx를 포함하는 오염물질을 저감시킬 수 있는 방안을 선제적으로 취할 수 있는 AI를 이용한 발전소 NOx 발생량을 포함하는 운전 속성값 예측 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a system and method for predicting operating attribute values including the amount of NOx generated in a power plant using AI that can preemptively take a measure to reduce pollutants including NOx predicted in advance according to the operation plan of the power plant. can

또한, 발전소 운전의 안정성을 향상시킬 수 있으면서 오염 물질의 배출량을 저감시켜 친환경적 운전을 할 수 있는 AI를 이용한 발전소 NOx 발생량을 포함하는 운전 속성값 예측 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a system and method for predicting operating attribute values including the amount of NOx generated in a power plant using AI that can improve the stability of power plant operation and reduce the emission of pollutants for eco-friendly operation.

여기서, 본 발명의 여러 실시예를 도시하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.Here, although several embodiments of the present invention have been illustrated and described, those skilled in the art to which the present invention pertains will appreciate that modifications can be made to the present embodiments without departing from the principles or spirit of the present invention. will be. The scope of the invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

100 : 예측 시스템 110 : 수집저장부
130 : 인공지능부
100: prediction system 110: collection and storage unit
130: artificial intelligence department

Claims (13)

발전소를 운전하는 과정에서 시계열적으로 발생하는 연료소비량, 가스터빈출력, NOx 발생량, 탈질 환원제 투입량, 배열 회수보일러의 끝단 온도인 배열 회수보일러 온도를 포함하는 다양한 복수의 과거변수값을 포함하는 로데이터(Raw Data)를 수집하여 가공하는 수집가공부와;
상기 수집가공부에 저장된 데이터를 인공지능을 활용하여 상기 과거변수값에 이어 현재 시간 이후에 설정된 단위시간마다 상기 과거변수값 각각에 대응한 복수의 예측변수값을 예측하는 인공지능부;를 포함하되,
현재 시간 이후의 기초예측변수값을 추출하여 제1리니어층을 통과하며,
현재 시간의 상기 과거변수값과 상기 기초예측변수값 및 상기 과거변수값에 기초하여 상기 예측변수값을 예측하는 ReLU(Rectified Linear Unit, 활성화층)을 통과한 상기 예측변수값을 선택하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 운전 속성값 예측 시스템.
Raw data including a plurality of historical variable values, including fuel consumption, gas turbine output, NOx generation, denitrification reducing agent input, and exhaust heat recovery boiler temperature, which is the end temperature of the exhaust heat recovery boiler, that are generated in time-series in the process of operating a power plant a collection processing unit that collects and processes (Raw Data);
An artificial intelligence unit for predicting a plurality of predictive variable values corresponding to each of the past variable values for each unit time set after the present time following the past variable values by using the data stored in the collection and processing unit using artificial intelligence;
It passes through the first linear layer by extracting the basic predictor value after the current time,
The method further includes selecting the predictor value that has passed through a Rectified Linear Unit (ReLU) that predicts the predictor value based on the historical variable value, the basic predictive variable value, and the historical variable value of the current time. Driving attribute value prediction system, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 예측변수값 중 적어도 하나는 미리 예측된 값인 기초예측변수값으로 연료소비량을 포함하고,
상기 발전소는 LNG를 연료로 사용하는 복합화력발전소를 포함하며,
상기 기초예측변수값에 기초하여 나머지 상기 예측변수값을 예측하는 것을 특징으로 하는 운전 속성값 예측 시스템.
According to claim 1,
At least one of the predictive variable values includes fuel consumption as a basic predictive variable value that is a pre-predicted value,
The power plant includes a combined cycle power plant using LNG as a fuel,
A driving attribute value prediction system, characterized in that predicting the remaining predictive variable values based on the basic predictive variable values.
제1항에 있어서,
상기 인공지능부는 인공신경망 중에 다변수 예측 모델을 포함하는 것을 특징으로 하는 운전 속성값 예측 시스템.
According to claim 1,
The artificial intelligence unit driving attribute value prediction system, characterized in that it includes a multivariate prediction model in the artificial neural network.
발전소를 운전하는 과정에서 시계열적으로 발생하는 연료소비량, 가스터빈출력, NOx 발생량, 탈질 환원제 투입량, 배열 회수보일러의 끝단 온도인 배열 회수보일러 온도를 포함하는 다양한 복수의 과거변수값을 포함하는 로데이터(Raw Data)를 수집가공부에서 수집하고 가공하는 (1)과정과;
상기 수집가공부에 저장된 데이터를 인공지능을 활용하여 상기 과거변수값에 이어 현재 시간 이후에 설정된 단위시간마다 상기 과거변수값 각각에 대응한 복수의 예측변수값을 인공지능부에서 예측하는 (2)과정과;
현재 시간 이후의 기초예측변수값을 추출하여 제1리니어층을 통과하는 (3)과정과;
현재 시간의 상기 과거변수값과 상기 기초예측변수값 및 상기 과거변수값에 기초하여 상기 예측변수값을 예측하는 ReLU(Rectified Linear Unit, 활성화층)을 통과한 상기 예측변수값을 선택하는 (4)과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 운전 속성값 예측 방법.
Raw data including a plurality of historical variable values, including fuel consumption, gas turbine output, NOx generation, denitrification reducing agent input, and exhaust heat recovery boiler temperature, which is the end temperature of the exhaust heat recovery boiler, that are generated in time-series in the process of operating a power plant (1) process of collecting and processing (Raw Data) in the collection and processing department;
(2) process of predicting, in the artificial intelligence unit, a plurality of predictive variable values corresponding to each of the past variable values for each unit time set after the present time following the past variable value by using artificial intelligence on the data stored in the collection and processing unit class;
(3) extracting the value of the basic predictor after the current time and passing it through the first linear layer;
(4) selecting the predictor value that has passed through a Rectified Linear Unit (ReLU) that predicts the predictor value based on the historical variable value, the basic predictive variable value, and the historical variable value at the present time (4) Process; driving attribute value prediction method, characterized in that it further comprises.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제4항에 있어서,
상기 (4)과정에서는 초기에는 현재 시간의 상기 과거변수값이 선택되며, 그 이후에는 상기 ReLU를 통과한 상기 예측변수값이 선택되는 것을 특징으로 하는 운전 속성값 예측 방법.
5. The method of claim 4,
In step (4), the value of the past variable of the present time is initially selected, and thereafter, the value of the predictor that has passed the ReLU is selected.
제4항에 있어서,
상기 (3)과정과 상기 (4)과정을 통과한 변수값이 컨택층(contact층)에서 합쳐져서 제2리니어층을 거치는 (5)과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 운전 속성값 예측 방법.
5. The method of claim 4,
The method of predicting a driving attribute value further comprising: (5) step of passing through a second linear layer in which the variable values passing the steps (3) and (4) are merged in the contact layer.
제9항에 있어서,
상기 (5)과정을 통과한 변수값과 엔코더(Encorder)를 통과한 변수값은 CNN(Convolution Neural Network)을 통과하는 (6)과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 운전 속성값 예측 방법.
10. The method of claim 9,
The method for predicting driving attribute values, characterized in that the variable values that have passed the step (5) and the variable values that have passed through the encoder pass through a convolutional neural network (CNN) (6).
제10항에 있어서,
상기 (6)과정에서 상기 엔코더를 거친 변수값은 현재 시간부터 과거의 설정된 시간 간격으로 구획된 상기 과거변수값을 추출하여 축약한 것을 특징으로 하는 운전 속성값 예측 방법.
11. The method of claim 10,
The method of predicting a driving attribute value, characterized in that the variable value passed through the encoder in the step (6) is abbreviated by extracting the past variable value divided at a set time interval from the present time to the past.
제10항에 있어서,
상기 CNN은 상기 (6)과정에서 입력된 변수값을 이용하여 상기 기초예측변수값을 제외한 변수값을 GRU (Gated Recurrent)층에서 예측하는 (6-1)과정과;
상기 (6-1)과정을 통과한 변수값은 제3리니어층을 통과한 후 상기 ReLU층을 통과하고 제4리니어층을 통과하여 상기 예측변수값으로 되는 것을 특징으로 하는 운전 속성값 예측 방법.
11. The method of claim 10,
(6-1) of predicting, in the GRU (Gated Recurrent) layer, variable values excluding the basic predictive variable values using the variable values input in the step (6);
The method of predicting driving attribute value, characterized in that the variable value that has passed the step (6-1) passes through the third linear layer, passes through the ReLU layer, and passes through the fourth linear layer to become the predictive variable value.
삭제delete
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