一种光热电站常规岛机理数据融合动态仿真方法与流程

本发明涉及光热电站常规岛的，尤其是涉及一种光热电站常规岛机理数据融合动态仿真方法。

背景技术：

1、在目前的光热电站常规岛的计算方法中，对光热发电系统的常规岛性能分析与仿真的主要问题包括：

2、（1）限于稳态热力计算/热平衡：可用于设计工况与部分定值工况核算，但对启停、变负荷、旁路切换、抽汽波动等动态运行过程适应性不足；

3、（2）机理动态模型变工况仿真精度不足：仿真模型的物理可解释性强，但模型参数（换热系数、压损、阀门流量系数、效率修正等）在现场长期运行中会因结垢、漏气、磨损等发生变化，且部分参数难以直接测量，导致模型在变工况的实时仿真过程中仿真精度不足；

4、（3）纯数据驱动建模可迁移性不强：对数据量与数据质量依赖大，难以保证跨工况外推能力，且缺乏物理约束与可解释性，难以用于运行安全相关的在线分析与闭环应用。

5、因此，现有技术普遍存在：动态工况下精度不足、参数不可追溯、对训练数据质量要求高、现场持续运行的在线校正能力弱等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种光热电站常规岛机理数据融合动态仿真方法，通过提供一种光热电站常规岛机理数据融合方法，形成机理和数据的融合方案，并基于融合方案形成仿真方案，针对现有技术动态工况下精度不足、参数不可追溯、对训练数据质量要求高、对现场持续运行的在线校正能力弱的问题提供了一种解决方案。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种光热电站常规岛机理数据融合动态仿真方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：依据光热电站常规岛的布局架构，建立常规岛动态机理模型；

4、步骤s2：获取常规岛上输入的实时数据或历史数据，并对数据进行预处理形成测量值；

5、步骤s3：基于动态机理模型与测量值，执行在线状态估计，得到不可测状态；

6、步骤s4：执行慢变参数在线辨识，获得关键输出变量；

7、步骤s5：计算模型输出与测量值的残差，训练并更新残差校正模块，输出校正量并给出置信度；

8、步骤s6：输出经校正后的孪生状态、性能指标与健康指标，并进行记录。

9、优选的，所述步骤s1中，建立常规岛动态机理模型的过程如下：

10、常规岛动态机理模型的建模对象包括蒸汽发生系统、汽轮机组、凝汽器或空冷系统、除氧器、给水泵、高低压加热器、旁路系统、主蒸汽及再热蒸汽管道、抽汽管道以及相关容积环节，根据常规岛系统的热力流程和设备连接关系，得到模型的公式如下：

11、；

12、；

13、上式中，表示常规岛内部状态对时间的变化率，表示状态变化函数，表示机理模型计算过程，为常规岛内部状态变量，包括各设备内部温度、压力、焓值、金属壁温、容积压力、液位；为外部输入量，包括dcs采集的入口压力、入口温度、入口流量、阀门开度、泵转速；为模型参数，包括换热器ua、压损系数、阀门流量系数、汽轮机效率修正系数、热损失系数；为机理模型的输出，包括设备冷热侧出口工质的温度、压力、流量、汽轮机功率。

14、优选的，所述步骤s2中，获取输入的实时数据或历史数据并进行预处理的过程如下：从电站分布式控制系统或历史运行数据库中读取常规岛相关运行数据，数据内容包括：蒸汽发生系统入口与出口工质的压力、温度、流量，主蒸汽压力、温度和流量，再热蒸汽压力、温度和流量，各级抽汽压力、温度和流量，汽轮机输出功率，调节阀开度，旁路阀开度，给水泵转速，凝汽器压力，除氧器压力和水位；对上述运行相关数据进行预处理，包括时间对齐处理、异常数据识别和剔除、补充缺失数据、单位统一和可信度标记，形成测量值。

15、优选的，对获取到的运行相关数据进行预处理的具体过程如下：

16、时间对齐处理：由于常规岛上不同分布式控制系统测点的采样周期、数据刷新时间和通讯延迟，需要将各测点数据统一到同一时间轴上，对于采样频率高的数据，采用重采样或滑动平均方式统一时间步长；对于采样频率低的数据，采用保持、线性插值或样条插值方式补齐，使全部数据均为相同的时间步长；

17、异常数据识别和剔除：对于明显超出设备物理边界的数据、短时间内突变但无对应操作指令的数据、长期保持不变的数据以及与相邻测点强烈冲突的数据，标记为异常数据；

18、补充缺失数据，对于短时间缺失的数据，采用相邻时刻插值、滑动窗口均值进行补齐；对于较长时间缺失且无法可靠恢复的数据，不直接参与在线辨识，而是降低该测点权重，对于必要的数据采用能量守恒或质量守恒构造软测量值；

19、单位统一，将相同类别的数据的单位进行转化统一；将温度单位统一为℃，压力单位统一为mpa，流量单位采用kg/h或t/h，在进行质量守恒和能量守恒计算前统一为kg/s，功率或热量统一换算为kw或mw；

20、可信度标记，结合阈值判断、变化率判断、工况边界判断和能量/质量守恒一致性判断进行，对于每一个dcs测点，设置可信度等级，划分为高可信、中可信、低可信和无效四类，具体分类判断如下：

21、（1）阈值判断标准：根据设备设计参数、仪表量程和历史正常运行数据确定测点的物理允许范围，对于任一测点的第个数据，采用基本阈值判断的公式如下：

22、；

23、若超出物理允许范围，则测点标记为无效测点，其中，和分别为该测点的物理下限和物理上限；对于温度、压力、流量、液位会波动变换的测点，公式如下：

24、

25、当测点处于正常运行范围内时，标记为高可信；当测点超出正常运行范围但仍处于设备物理允许范围内时，标记为中可信；当测点超出设备物理允许范围或仪表量程时，标记为无效；

26、对于流量测点，若在非停机、非阀门关闭工况下出现负值或长期为零，则标记为低可信或无效；对于压力测点，若低于对应工质状态下的物理下限或明显高于设备设计压力上限，则标记为无效；对于温度测点，若与相邻设备入口、出口温度关系明显矛盾，则进入一致性校验；

27、（2）变化率判断标准，对于任一测点，计算相邻采样时刻的变化率：

28、

29、其中，表示采样时间间隔，当时，认为该测点变化率正常；当，且对应时刻无负荷指令变化、阀门动作、泵速变化、旁路切换或热源侧扰动，则将该测点标记为疑似突变测点；

30、对于温度、压力和流量测点，按照设备动态响应特性设置最大允许变化率；对于热惯性表现强的测点，其允许变化率应小于流量和阀门开度测点；阀门开度、泵转速的执行机构测点允许较快变化，但其变化应与控制指令一致；

31、（3）工况边界判断标准：根据机组负荷、运行模式、阀门状态、泵运行状态和旁路状态，建立不同工况下的参数允许边界，对于任一测点，在当前工况下的约束公式为：

32、

33、其中，和为该测点在工况下的允许范围；

34、在机组升负荷工况下，主蒸汽流量、给水流量和汽轮机功率会随负荷指令整体增加；在降负荷工况下准则是整体减低，当某一测点变化方向与负荷变化方向持续相反，且无旁路动作、抽汽变化或调节阀动作解释，则标记为中可信或低可信；

35、对于换热器类设备，冷热侧温度满足基本换热方向，正常换热过程中，热侧出口温度不应高于热侧入口温度，冷侧出口温度不应低于冷侧入口温度，公式如下：

36、；

37、在上述公式不满足，且不存在启停、反向流动或测点延迟的工况时，相关温度测点标记为低可信；对于阀门和管道测点，流量方向应与压差方向一致，在正常单向流动条件下，若阀门前压力低于阀门后压力但流量仍显示为正向大流量，则相关压力或流量测点标记为疑似异常；

38、（4）质量守恒一致性判断标准，对于任一设备或节点，建立质量守恒残差：

39、

40、其中，为进入设备或节点的总质量流量，为流出设备或节点的总质量流量，表示为设备容积内工质质量变化率；

41、在稳态或缓慢变工况下，若当时，质量守恒一致性良好；若在取值为3%-8%，则认为存在轻微偏差，相关测点标记为中可信；若>8%，则认为质量守恒冲突明显，相关测点标记为低可信或疑似异常；

42、在启停、快速变负荷、旁路切换的强动态工况下，可适当放宽质量守恒残差限值，例如将中可信阈值放宽至5%，将低可信阈值放宽至10%，并结合设备容积效应和测点时间延迟进行判断；

43、（5）能量守恒一致性判断标准，对于任一换热器、汽轮机、凝汽器或加热器设备，建立能量守恒残差：

44、

45、上式中，h为工质比焓，为外部输入热量，为输出功或消耗功，为设备内部能量变化率；在稳态或缓慢变工况下，当，则能量守恒一致性良好；当取值范围为5%-10%，则认为存在一定偏差，相关测点标记为中可信；若>10%，则认为能量守恒冲突明显，相关测点标记为低可信或疑似异常；

46、（6）阀门和汽轮机特性一致性判断标准，对于阀门测点，根据阀门流量特性计算理论流量：

47、

48、其中，为阀门流量系数，为阀门开度，为工质密度，为阀门前后压差，将理论流量与实测流量比较，公式如下：

49、

50、当时，则阀门测点一致性良好；当取值在10%-20%时，则标记为中可信；当，则标记为低可信；

51、对于汽轮机功率测点，根据进排汽焓差和流量计算理论输出功率：

52、；

53、其中，表示汽轮机效率修正系数，为主蒸汽或对应缸段蒸汽流量；当实测功率与计算功率偏差小于5%，则认为功率测点可信；偏差在5%-10%时标记为中可信；偏差超过10%时标记为低可信；

54、（7）综合可信度分级标准，综合上述判断结果，对每个测点给出可信度等级；若测点同时满足阈值判断、变化率判断、工况边界判断以及守恒一致性判断，则标记为高可信；若测点仅存在轻微超限、轻微波动或守恒残差处于中间范围，则标记为中可信；若测点明显违反工况边界或守恒关系，但尚未完全超出仪表量程，则标记为低可信；若测点超出物理边界、仪表量程，或出现长时间卡滞、通讯中断、明显反向逻辑错误，则标记为无效；

55、可信度权重用于后续在线状态估计、慢变参数辨识和残差校正；当测点可信度降低时，其对状态估计和参数辨识的影响同步降低；当测点被标记为无效时，该测点不直接参与模型校正，而采用相邻测点、机理模型预测值或质量/能量守恒软测量值进行替代。

56、优选的，所述步骤s3中，基于机理模型与测量值执行在线状态估计，获得不可测状态，不可测状态包括：换热器内部工质平均温度、金属壁温、管道容积压力、汽包或除氧器容积环节的内部状态、凝汽器等效换热状态、汽轮机级间状态以及部分无法直接测量的抽汽流量，具体的处理过程如下：

57、首先，根据动态机理模型对下一时刻的不可测状态进行预测，前一时刻的估计状态为，以输入量和当前参数为基础，计算当前时刻的先验状态：

58、；

59、上式中，表示根据机理模型预测得到的当前状态，根据测量值对先验状态进行修正,将机理模型输出与现场测量值进行比较，得到测量残差：

60、；

61、在线状态估计器根据残差大小、测点可信度和模型不确定性，对状态变量进行校正，得到后验状态：

62、；

63、其中，为状态修正增益，根据测点噪声、模型误差和测点可信度对应设置，当测点被判定为异常或漂移时，降低对应测点的权重，避免异常测量值直接污染仿真系统的孪生状态。

64、优选的，所述步骤s4中，执行慢变参数的在线辨识的过程如下：

65、在获得实时状态估计结果后，针对常规岛中随运行时间缓慢变化、但难以直接测量的关键参数进行辨识，慢变参数主要包括：凝汽器或空冷系统的等效换热系数ua，给水预热器、蒸发器、过热器、再热器的等效换热系数或热损失系数，主蒸汽阀、旁路阀、抽汽阀的阀门流量系数，管道和换热器的压损系数，汽轮机高压缸、中压缸和低压缸的效率修正系数，泵类设备的效率修正系数；

66、在线辨识采用双时间尺度机制，对于快速变化状态，采用s3中的在线滤波或状态估计方法进行快速更新；对于换热系数、压损系数、效率修正的慢变参数，不随每个采样点剧烈变化，而是在一定时间窗口内通过递推辨识或滚动优化方式缓慢更新，计算过程如下：

67、目标函数采用带约束的加权递推最小二乘方法或滚动窗口优化方法进行最小化，在第k个采样时刻，以n个采样点构成辨识时间窗口，建立慢变参数辨识优化问题的公式如下：

68、

69、约束公式为：

70、

71、

72、其中，为当前时刻辨识得到的慢变参数估计值，为上一时刻慢变参数估计值，为第i个采样时刻的dcs测量值，为给定参数条件下的机理模型输出，为测点可信度权重，为参数平滑系数，和分别为慢变参数的物理下限和物理上限，为单位更新时间内慢变参数允许的最大变化量；若辨识结果满足参数边界、变化率约束和测点可信度要求，则更新慢变参数；否则保持上一时刻参数或仅进行限幅修正；

73、约束公式中包括参数物理上下限约束和参数变化率约束，使待辨识慢变参数保持在设备物理可行范围内，并避免受瞬时扰动或异常测点影响而剧烈变化；慢变参数的具体辨识过程包括以下步骤：

74、根据设备设计参数、性能试验数据或历史稳定运行数据，确定待辨识慢变参数的初始值、物理上下限和最大允许变化率，慢变参数包括换热器等效换热系数ua、阀门流量系数、压损系数k、汽轮机效率修正系数；

75、其次，针对不同慢变参数选取对应的输入量和输出量，并根据机理关系构造计算残差，对于换热器等效换热系数，根据换热量与对数平均温差关系构造换热残差；

76、

77、

78、对于阀门流量系数，根据阀门前后压力、阀门开度和工质密度构造流量残差；

79、

80、

81、对于压损系数，根据流量与压差关系构造压损残差；

82、

83、

84、对于汽轮机效率修正系数，根据蒸汽焓降、流量和输出功率构造功率残差：

85、

86、

87、然后，在滚动时间窗口内最小化上述残差，得到当前时刻的慢变参数候选值；若候选值满足参数物理上下限、变化率约束以及测点可信度要求，则更新慢变参数；否则保持上一时刻参数值或仅采用限幅后的修正量；

88、最后，将更新后的慢变参数反馈至动态机理模型，重新计算设备出口参数、汽轮机功率和系统状态，实现机理模型随设备性能退化和运行状态变化的在线修正，述关键输出变量按照安全相关性、性能相关性、参数敏感性、测点获得性和数据可信度进行选取，关键输出变量至少满足以下条件之一：

89、（1），属于常规岛安全运行约束变量，包括主蒸汽温度、主蒸汽压力、再热蒸汽温度、再热蒸汽压力、凝汽器压力、除氧器压力、除氧器水位、汽包水位或其他容积环节液位；该类变量直接影响设备安全边界和运行报警判断，优先纳入残差校正对象；

90、（2）属于机组性能评价变量，包括汽轮机输出功率、主蒸汽流量、再热蒸汽流量、各级抽汽流量、排汽压力、给水流量、给水温度、系统热耗率相关变量；该类变量直接影响机组性能计算、运行经济性评价和上层优化结果，应纳入残差校正对象；

91、（3）属于对慢变参数敏感的输出变量；对于候选输出变量，计算其对待辨识慢变参数的灵敏度：

92、

93、其中，为归一化灵敏度，为防止分母为零的极小正数；当某一输出变量对换热器ua、阀门流量系数、压损系数或汽轮机效率修正系数具有较高灵敏度时，将其作为关键输出变量；例如，换热器出口温度和换热量对ua敏感；阀门后流量对阀门流量系数敏感；设备前后压差对压损系数敏感；汽轮机输出功率和排汽参数对汽轮机效率修正系数敏感；

94、（4）属于dcs系统中可直接测量或可由能量守恒、质量守恒软测量得到的变量；对于无法测量、无法软测量或长期缺失的数据，不作为残差校正的主要目标变量；

95、（5）变量测点可信度满足要求；若某一测点在当前时间窗口内被标记为高可信或中可信，则允许参与残差校正；若被标记为低可信，则仅作为辅助参考；当标记为无效，则不参与残差校正；

96、根据上述标准，关键输出变量包括但不限于：蒸汽发生系统中预热器、蒸发器、过热器和再热器出口工质的温度、压力和流量；主蒸汽温度、压力和流量；再热蒸汽温度、压力和流量；汽轮机各级抽汽温度、压力和流量；汽轮机排汽压力和排汽焓值；汽轮机输出功率；凝汽器压力；除氧器压力和水位；给水流量、给水温度和给水压力；

97、在若干个候选变量同时满足上述条件的情况，优先选取安全边界相关变量、对慢变参数灵敏度高的变量、测点可信度高的变量以及与上层运行优化和性能评价直接相关的变量作为残差校正对象；

98、优选的，所述步骤s5中，具体过程如下：

99、计算模型输出与测量值的残差，并利用残差校正模块对机理模型难以完全解释的系统性偏差进行受控修正，选取需要校正的关键输出变量，对于每个关键变量，计算校正前残差：

100、；

101、其中，为模型残差，为dcs测量值，为机理模型输出值，对应构建残差校正模块，残差校正模块的输入包括当前dcs测量值、机理模型输出、在线估计状态、慢变参数辨识结果、工况特征量和历史残差序列中的一种或几种；输出为残差校正量，校正后的孪生输出为：

102、；

103、其中，为经校正后的孪生输出，对残差校正量设置幅值约束和变化率约束，当校正量超过物理合理范围时，系统不直接采用该校正结果，而是降低该校正结果的置信度，并提示存在测点异常、工况超出训练范围或模型结构缺失；

104、残差校正模块对应输出置信度的过程如下：置信度根据输入工况是否处于历史训练数据覆盖范围、残差波动大小、测点可信度、校正量幅值以及最近一段时间的预测误差综合确定，当工况处于模型熟悉区域且残差稳定时，置信度为高；当发生启停、快速变负荷、旁路切换或测点异常时，置信度为低。

105、优选的，所述步骤s6的具体实现过程如下：

106、完成状态估计、参数辨识和残差校正后，输出经校正后的常规岛数字孪生结果，输出内容主要包括三类：

107、第一类为校正后的孪生状态，包括蒸汽发生系统各换热器出口工质的温度、压力、流量，主蒸汽和再热蒸汽的温度、压力、流量，各级抽汽的温度、压力、流量，汽轮机排汽参数，凝汽器压力，除氧器状态，给水系统状态以及主要管道和容积环节状态；

108、第二类为性能指标，包括汽轮机输出功率、机组热耗率、蒸汽发生系统换热效率、凝汽器真空性能、给水泵耗功、变负荷速率、主蒸汽参数偏差、再热蒸汽参数偏差、系统能量平衡偏差，用于评价当前常规岛运行性能和偏离设计工况的程度；

109、第三类为健康指标，包括换热器ua衰减程度、凝汽器换热性能下降程度、压损系数变化趋势、阀门流量系数偏移程度、汽轮机效率修正系数变化趋势、测点可信度等级、疑似漂移测点标记、异常工况标记和残差校正置信度，用于区分设备真实退化、测点异常和模型不确定性；

110、进行记录的过程为，每条记录至少包括时间戳、工况编号、输入数据、机理模型输出、状态估计结果、慢变参数辨识结果、残差校正量、校正后输出、置信度和异常标记。

111、因此，本发明采用上述的一种光热电站常规岛机理数据融合动态仿真方法，具有以下好处：

112、（1）对于常规岛在启停、变负荷、抽汽扰动等动态工况下，相比仅稳态核算或仅机理模型，孪生输出一致性更高；

113、（2）本技术通过在线辨识慢变参数，使设备退化可量化、可追溯，例如凝汽器结垢或漏气；

114、（3）本技术对测量数据点的测点引入测点可信度与残差受控校正，可区分“设备退化”与“测点异常”，减少误报警；

115、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。