摘 要

直接空冷技术因为可以节约大量水资源、占地面积小并且系统操作简单和转化效率高，因此已经在电力及其相关行业特别是火电厂或者热电厂中得到了广泛地应用，，一般都建立在煤炭资源丰富却水资源匮乏的我国北部地区。但由于空气冷凝管是直接暴露在空气中，当空气冷却岛在冬季低负荷运行时，管内的蒸汽流量很小，因此在实际操作过程中会遇到一些问题。比如可能会出现散热不均匀而导致的局部极低温现象，造成冷凝管发生冻结，直接威胁到空冷机组的安全运行，发生停机故障。因此，对于空冷机组散热场温度的全面监控具有重要意义。在如此恶劣环境和大动态范围测量范围中，光纤光栅温度传感技术扮演着重要的角色，在该类领域中得到广泛应用和深度推广。

但是，在光纤光栅实际投入使用过程中，会受到应力、振动等外界因素影响以及光栅自身的刻写质量问题，其有关参数已经远远偏离了出厂时的标定数值，温度传感系统的测量精度和可靠性都会受到严重的影响。本文根据光纤布拉格光栅反射谱峰值波长变化特征，把异常光栅分成断点、毛刺点和分歧点三类，并提出了一种基于特征区间的加权斜率距离相关性度量新算法，对异常点进行了有效的提取。以某热电2×330 MW空冷机组光纤光栅温度传感系统为例，设计异常点分析与提取算法，最后通过实际数据证明了提取算法的有效性和高稳定性，同时也得到了提高空冷岛温度监测系统的准确性和鲁棒性。

关键词：空冷岛 感温光栅阵列 异常点检测 相关性度量

Abstract

Direct air cooling technology has been widely used and applied to the electric power and relative industry, especially in thermal power plants, because it can save a lot of water resources, occupy a small area, and has a simple machine operation and the extremely large conversion efficiency. They are generally built in the northern regions of China in which coal resources are abundant but water resources are scarce. However, since the air condensing pipes are exposed to the air directly, when the air cooling island operates at a low load in the winter, the steam flow in the pipe is very small, and therefore several problems maybe will be encountered in the operation. For example, local cryogenic phenomena due to non-uniform heat dissipation may occur, causing freeze-up of the condenser tube, directly threatening the safe operation of the air-cooled unit, and leading to a air-cooled island’s shutdown. Therefore, it is highly important for the overall monitoring of the air-cooling unit cooling temperature. In such a harsh environment and a large dynamic range measurement range, the fiber grating temperature sensing technology plays an important role and has been widely used and deeply promoted in this type of field.

Nevertheless, during their practical operation, relevant parameters have varied greatly from calibration in factory due to some external factors such as stress, vibration, etc. These abnormal gratings will have a bad seriously impact on the accuracy and credibility of temperature sensing system. According to the features of reflection peak wavelengths of fiber bragg gratings on air-cooled islands, outliers could be split into three types: breakpoint, glitch and bifurcation. And a new mended correlation measuring algorithm based on weighted slope distance between characteristic intervals is proposed in this paper. The example, taking 2×330 MW air-cooled units in thermal power plant into consideration, shows its efficiency and high stability of algorithm so as to lift the fidelity and robustness of temperature measuring system by experiments.

Key Words: Air-cooled Island; Temperature Sensing Grating Arrays; Abnormal Detection; Correlation Measure

目录

摘要 I

Abstract II

1 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文组织结构 2

2 空冷岛与光纤光栅温度传感技术 4

2.1 空冷岛 4

2.1.1 结构和运行机理 4

2.1.2 冻结机理与冬季防冻措施分析 5

2.2 光纤光栅温度传感技术 6

2.2.1 光纤光栅温度传感原理 6

2.2.2 光纤传感复用容量技术 6

3 阵列光栅异常特征分析与分类 8

3.1 光栅阵列空间位置定位 8

3.2光栅异常特征分类与异常原因分析 9

3.2.1 断点 9

3.2.2 毛刺点 10

3.2.3 分歧点 10

4 阵列光栅异常点提取算法 11

4.1 异常点分类提取算法 11

4.1.1 断点提取方法 11

4.1.2 毛刺点提取方法 11

4.1.3 分歧点提取方法 12

4.2 基于特征区间的加权斜率距离相关性度量算法 12

4.2.1 时间序列预处理 12

4.2.2 时间序列的特征表示 15

4.2.3 时间序列的特征区间与加权斜率距离度量 17

4.2.4 算法效果验证分析 18

4.3 异常点分析与提取结果 21

4.3.1 异常点统计 21

4.3.2 基于GUIDE的空冷岛分析仪 21

5 总结与展望 23

5.1 总结 23

5.2 展望 23

参考文献 25

致谢 27

1 绪论

1.1 研究目的及意义

近些年来，随着电力建设事业飞速发展和供暖需求量的逐年上升，水资源变得日益匮乏。在中国北方大部分地区，大部分火力发电厂都利用直接空冷技术来冷却热电厂汽轮机排出的高温乏汽，以此实现节约水资源的目标^[1]。但是，直接空冷技术也有自身的一些不足，如冷却效果易受环境温度、外界环境风速、风向影响^[2]，同时，到了冬季严寒时期，低温引起的局部冻管^[3,4]，如果没有得到及时和尽快处理，则会直接影响空冷机组的安全和经济运转。

而光纤传感技术（OFST）近几年在各工业领域应用广泛，已经得到了很好的推广^[5]。同时，以Bragg光纤光栅为主的测温技术，具有精度高、灵敏度强、抗电磁干扰能力强、传输距离远、范围广、寿命长等各种优点，从极其恶劣环境下或者大动态范围的温度测量领域中脱颖而出。利用光纤光栅传感大面积点式温度测量技术对空冷机组的温度监测，有着很高的测量精度和分辨率以及良好的性能表现。

但是，由于规模光纤光栅阵列在实际布设过程中受到弯曲、拉伸等外力或者在传感系统工作过程中受到强烈的外部刺激或较大干扰，而导致后期的光栅出现不可逆转性的质量问题，相关参数已经偏离了光栅出厂的标定数值，表现为光纤布拉格光栅的中心发射波长变化出现明显异常，由此增加了温度测量的不确定性，对实际测温系统造成严重的干扰。特别对于这样的温度传感光栅，由于参数变化未知，终端是无法对其进行温度准确分析的。本文提出的基于特征区间的时间序列加权斜率距离相关性度量算法可以快速有效地将它提取出来，具有实际工程实践意义，能很大程度上提高光纤光栅传感系统在温度大范围动态测量的可靠性和稳定性。

1.2 国内外研究现状

对某热电厂实地采集的数据进行数据分析和挖掘，是解决光栅奇异点提取问题的重要途径，也是本文研究工作的核心内容。鉴于温度传感光栅中心反射波长与温度变化之间极高的线性度以及感温光栅之间良好的相关性（相似性），因此，本文主要是通过对光栅波长数据（时间序列）进行有效统计分析来完成异常点分析与提取工作。

时间序列的相似性度量技术是一直以来都是数据分析与挖掘技术中的重要核心之一。时间序列相似性度量的概念模型第一次被Agrawal团队在二十世纪末提出，他们根据时间序列数据的模式变化形势是上升、下降或保持等特征来判断时间序列的相似性。因为直接采集到的时间序列数据通常都具有数据量庞大、数据维度高并且混有大量噪声等缺点，如果我们直接对原始的时间序列数据进行相似性度量研究，这样不仅计算复杂度高，而且噪声和冗余数据的干扰对度量结果影响严重，会直接影响度量准确性。因此，时间序列数据的特征表示，不但能实现原始数据的维数约简，降低复杂度，提高度量算法运行效率，同时还可以减小噪声的干扰，提高相似性度量算法的效率和精度，从而来优化数据分析和挖掘成果。当前，常用的时间序列数据的特征表示方法大概有离散傅里叶方法（DFT）、离散小波变换方法（DWT）、奇异值分解方法（SVD）、符号聚合近似方法（SAX）、分段累积近似方法（PAA）和分段线性表示方法（PLR）等等。不同的应用数据时间序列表现形式不同，针对不同类型时间序列的特点，研究者们提出了许多相似度量算法，这将在4.2节中详细介绍。

1.3 论文组织结构

本文以某热电厂2×330 MW空冷机组（形象称呼为空冷岛）结合光纤光栅温度传感为研究背景，根据异常光栅波长数据变化特征，将异常光纤光栅分成断点、毛刺点、分歧点三类，并分别利用零值判决、方差检测和相关性度量算法对其进行提取和分析。重点对相关性度量算法进行了详细的讨论和研究，针对国内外普遍相关性度量算法没有考虑趋势特征区间的不足^[6]，对此提出了改进，通过提取特征区间，来计算两数据序列的加权斜率距离，并进行相关性度量研究，提出了一种主成分分析法的筛选方案。总体设计方案如图1.1所示。

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