高 萌, 劉吉臻, 王瑞琪, 張 恒, 張 軒
(1.華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,北京102206;2.中國(guó)石油管道科技研究中心,河北廊坊065000)
電廠機(jī)組的性能評(píng)價(jià)、運(yùn)行優(yōu)化和系統(tǒng)建模等均需要獲得穩(wěn)態(tài)工況下的歷史數(shù)據(jù),而目前主要采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)獲得樣本數(shù)據(jù).隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展,電廠在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存儲(chǔ)了海量數(shù)據(jù)信息[1-3],但由于電站負(fù)荷處于變化狀態(tài),實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中混雜著大量非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù).相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法,從歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中提取穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)不需對(duì)研究對(duì)象外加擾動(dòng),可以避免現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的影響,而且工作周期短[4-5].
目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)電站歷史數(shù)據(jù)穩(wěn)態(tài)檢測(cè)問(wèn)題的研究較少,普遍采用針對(duì)過(guò)程變量建立的穩(wěn)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)判斷,且方法大多建立在具體工業(yè)過(guò)程基礎(chǔ)上,不具有普遍適用性[6-8].基于數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法是針對(duì)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的研究,不需考慮檢測(cè)對(duì)象的機(jī)理特征.現(xiàn)有的基于數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法主要有基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和基于趨勢(shì)提取兩類方法.組合統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法(CST)[9]、置信度法(MTE)[10]和R檢驗(yàn)法[11]等均建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)理論上.此類方法主要通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)劃分等量區(qū)間,利用區(qū)間方差或均值來(lái)建立統(tǒng)計(jì)量,結(jié)合假設(shè)檢驗(yàn)以判斷穩(wěn)態(tài).采用不同的數(shù)學(xué)理論對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)提取,進(jìn)而構(gòu)建穩(wěn)態(tài)檢驗(yàn)量,確定適當(dāng)?shù)拈撝颠M(jìn)行穩(wěn)態(tài)判斷的方法即為基于趨勢(shì)提取的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法,如小波分析法[12]、自適應(yīng)多項(xiàng)式濾波法[13]和 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[14]等.由于采用假設(shè)檢驗(yàn)進(jìn)行判斷,基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的方法得到的是穩(wěn)態(tài)與否的檢測(cè)結(jié)果,而基于趨勢(shì)提取的方法可給出具體接近穩(wěn)態(tài)的量化程度.穩(wěn)態(tài)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)閾值的依賴度很高,基于趨勢(shì)提取的方法閾值的確定需建立在歷史穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上,而基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的方法給出了確定置信度下閾值確定的理論方法,相比較而言,基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法具有更高的可靠性.穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法各有優(yōu)劣,需結(jié)合具體情況進(jìn)行選擇.
穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法對(duì)數(shù)據(jù)波動(dòng)敏感,而由于儀表安裝位置、布線和環(huán)境等多種因素的影響,監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信號(hào)中含有噪聲.對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理可以有效地提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性.筆者引入一種基于高斯濾波器的自適應(yīng)去噪算法[10]對(duì)電站歷史數(shù)據(jù)穩(wěn)態(tài)檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行研究.
歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中混雜了大量變化狀態(tài),從中檢測(cè)出趨勢(shì)平緩的數(shù)據(jù)區(qū)域即稱為穩(wěn)態(tài)檢測(cè).如圖1所示,x(t)在[t1,t2]內(nèi)的數(shù)據(jù)為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù).
圖1 穩(wěn)態(tài)檢測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the steady-state detection
本文穩(wěn)態(tài)檢測(cè)原理如圖2所示.高斯噪聲是檢測(cè)信號(hào)中常見(jiàn)的一類噪聲,對(duì)應(yīng)的高斯濾波器克服了傳統(tǒng)濾波片相位移動(dòng)和設(shè)計(jì)復(fù)雜的缺點(diǎn).但傳統(tǒng)的高斯濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行相同的處理時(shí)易平滑掉突變信息,而發(fā)生突變的區(qū)域必然處于非穩(wěn)態(tài),突變信息的保留對(duì)穩(wěn)態(tài)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響.筆者選用的基于高斯濾波器的自適應(yīng)去噪算法具有良好的去噪效果且突變信息保留能力較高,可在濾去噪聲的同時(shí)最大程度地保留原始信號(hào)的變化信息.
圖2 穩(wěn)態(tài)檢測(cè)流程圖Fig.2 Flow chart of the steady-state detection
相比于基于趨勢(shì)提取的方法,基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的方法在檢測(cè)閾值的確定上具有更加可靠的理論依據(jù).組合統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法和置信度法等基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的方法需要對(duì)信號(hào)劃分時(shí)間區(qū)間,并假設(shè)區(qū)間內(nèi)為穩(wěn)態(tài),僅在區(qū)間之間狀態(tài)發(fā)生變化,因此所檢測(cè)出的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)域的邊界不準(zhǔn)確,區(qū)域劃分對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有要求,對(duì)于實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)庫(kù),每次更新均需要重新劃分區(qū)域,因此也不能進(jìn)行在線檢測(cè).而Rhinehart等提出的R檢驗(yàn)法不采用時(shí)間窗處理數(shù)據(jù),利用變量濾波前后方差估計(jì)值的比值來(lái)構(gòu)建穩(wěn)態(tài)檢驗(yàn)量,從而進(jìn)行穩(wěn)態(tài)判斷.R檢驗(yàn)法是對(duì)相鄰兩時(shí)刻點(diǎn)的狀態(tài)變化進(jìn)行判斷,且每一時(shí)刻檢驗(yàn)量的計(jì)算僅與上一時(shí)刻的測(cè)量值、濾波值和方差估計(jì)值等有關(guān),占用的存儲(chǔ)空間小,計(jì)算速度快,適用于在線檢測(cè).另外,Rhinehart等對(duì)相關(guān)參數(shù)和閾值的選取還進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析及仿真[11],方法的可靠性較高.因此,筆者選取R檢驗(yàn)法進(jìn)行電站歷史數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)檢測(cè).
高斯濾波器的基本思想是將高斯核函數(shù)與原始信號(hào)進(jìn)行卷積得到濾波輸出后的信號(hào)[15].設(shè)一維高斯函數(shù)為
其一階導(dǎo)數(shù)為
式中:g′(t,σ)稱為高斯濾波器.
函數(shù)f(t)濾波后的結(jié)果為
式中:“*”為卷積運(yùn)算符;σ為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差,為恒定參數(shù).
設(shè)m為采樣時(shí)間點(diǎn);f(m)為歷史數(shù)據(jù)信號(hào);fk+1(m)為第k+1次迭代平滑濾波后的輸出值;wk(m+j,σ)為窗內(nèi)各點(diǎn)的權(quán)值;濾波窗長(zhǎng)度為2 M+1(M為非0整數(shù)).則有
權(quán)值wk(m)是影響濾波效果的關(guān)鍵參數(shù).當(dāng)時(shí),由式(4)推得,即濾波器對(duì)全部信號(hào)序列進(jìn)行了平滑,突變點(diǎn)信息未被保留;當(dāng), 突變點(diǎn)信息得到了保留.為滿足突變點(diǎn)信息保留和信號(hào)平滑的雙重需求,利用模板中心點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)來(lái)自適應(yīng)調(diào)整濾波器的權(quán)值,避免了人工調(diào)整權(quán)值的繁瑣程序,即
式中:k為迭代次數(shù);f′k(m)為信號(hào)值fk(m)的一階導(dǎo)數(shù).
一階導(dǎo)數(shù)f′k(m)與σ的比值決定了權(quán)值wk(m,σ),改變參數(shù)σ的取值可以控制去噪后信號(hào)的平滑程度和突變點(diǎn)信息的保留程度.
唐良瑞等[15]仿真分析了 wk(m,σ)取值對(duì)濾波器效果的影響,得出如下結(jié)論:當(dāng)wk(m,σ)較大,即σ>f′k(m)時(shí),若干次迭代后,去噪效果明顯,但會(huì)平滑掉突變點(diǎn)信息;當(dāng) wk(m,σ)較小,即σ<f′k(m)時(shí),若干次迭代后,不能實(shí)現(xiàn)去噪目的,反而會(huì)放大包括突變點(diǎn)信息在內(nèi)的噪聲信息;當(dāng)wk(m,σ)近似為0,即σ≈f′k(m)時(shí),迭代運(yùn)算后,突變點(diǎn)信息可以得到保留,且去噪效果良好.
另外,信號(hào)濾波后的平滑程度隨迭代次數(shù)k的增加而增強(qiáng).濾波窗長(zhǎng)度越長(zhǎng),即M取值越大,則濾波效果越平滑,但取值不宜過(guò)大,否則會(huì)使結(jié)果過(guò)于平滑,失去原始信號(hào)的波動(dòng)特性.
圖3給出了基于高斯濾波器的自適應(yīng)去噪算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟.參數(shù)M根據(jù)需設(shè)置的濾波窗口大小進(jìn)行設(shè)置,考慮盡量保留突變點(diǎn)信息以及序列點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)的特點(diǎn),采用1×5模板進(jìn)行濾波,因此令M=2.
算法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
(1)計(jì)算信號(hào)f(m)的長(zhǎng)度L,即取樣點(diǎn)個(gè)數(shù).
(2)設(shè)置迭代次數(shù)K,初始化次數(shù)標(biāo)志量k=0.
(3)計(jì)算信號(hào)每點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)值f′k(m),并求取所有點(diǎn)導(dǎo)數(shù)的平均值.
圖3 自適應(yīng)高斯濾波去噪算法流程Fig.3 Flow chart of the de-noising algorithm based on adaptive Gauss filter
(5)判斷迭代次數(shù),若k=K,結(jié)束迭代,否則令k=k+1,用當(dāng)前濾波后的數(shù)據(jù)代替原始數(shù)據(jù),繼續(xù)執(zhí)行步驟(3).
設(shè)待檢測(cè)時(shí)間序列X第i時(shí)刻的測(cè)量值為xi,濾波系數(shù)設(shè)為λn∈(0,1](n=1,2,3);利用式(7)和式(8)分別計(jì)算一階濾波后的濾波值xf,i和均方差;然后利用某時(shí)刻第i序列測(cè)量值xi與前一時(shí)刻第i-1序列測(cè)量值xi-1,根據(jù)式(9)計(jì)算方差的無(wú)偏估計(jì).
Rhinehart等通過(guò)理論和仿真分析給出了在確定的置信度α下閾值Rcrit和濾波系數(shù)λn的推薦取值表.通過(guò)比較Ri和Rcrit可以檢測(cè)過(guò)程變量是否處于穩(wěn)態(tài).當(dāng)Ri<Rcrit時(shí),過(guò)程變量處于穩(wěn)定狀態(tài),記狀態(tài)標(biāo)志量Ssi=1;當(dāng)Ri>Rcrit時(shí),過(guò)程變量處于非穩(wěn)態(tài),記為Ssi=0.
為分析參數(shù)選取與檢測(cè)效果之間的關(guān)系,仿真生成一組服從正態(tài)分布的時(shí)間序列數(shù)據(jù)(10 000點(diǎn)),改變?yōu)V波系數(shù)λn的取值,由式(7)~式(12)分別計(jì)算出每組取值下對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)量R,并繪制R的概率密度函數(shù)分布圖(見(jiàn)圖4).圖中λ1、λ2和λ3的取值共有4組,分別為:(1)λ1=0.1,λ2=0.1,λ3=0.1,標(biāo)記為(0.1,0.1,0.1);(2)λ1=0.01,λ2=0.01,λ3=0.01,標(biāo)記為(0.01,0.01,0.01);(3)λ1=0.1,λ2=0.01,λ3=0.01,標(biāo)記為(0.1,0.01,0.01);(4)λ1=0.01,λ2=0.1,λ3=0.1,標(biāo)記為(0.01,0.1,0.1).
分析圖4中的概率密度分布趨勢(shì)可知:λ1的取值對(duì)R值概率分布的影響很小,主要影響因素為λ2和λ3的取值;λ2和λ3取值增大,則R的概率分布相對(duì)分散,且R的取值范圍增大.Rhinehart等[16]給出了置信度為0.05下的推薦取值:濾波系數(shù)λ1=0.2,λ2=0.1,λ3=0.1,檢測(cè)閾值Rcrit=1.44.
圖4 不同濾波系數(shù)對(duì)R值概率密度分布的影響Fig.4 Probability density function of Rat different filter factors
但是在實(shí)際仿真應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),對(duì)于不同的檢測(cè)對(duì)象,推薦參數(shù)取值不能保證檢測(cè)結(jié)果均符合期望,因而對(duì)濾波系數(shù)取值做進(jìn)一步分析.設(shè)置λ1、λ2和λ3為以下3種取值組合:(1)λ1=0.2,λ2=0.1,λ3=0.1,標(biāo)記為(0.2,0.1,0.1);(2)λ1=0.2,λ2=0.1,λ3=0.01,標(biāo)記為(0.2,0.1,0.01);(3)λ1=0.2,λ2=0.01,λ3=0.1,標(biāo)記為(0.2,0.01,0.1).
3種濾波系數(shù)取值組合所對(duì)應(yīng)R值的概率密度分布曲線見(jiàn)圖5.由圖5可知,在相同閾值下,當(dāng)λ2=λ3時(shí),R值的概率分布過(guò)于集中,易于出現(xiàn)第II類錯(cuò)誤;當(dāng)λ2<λ3時(shí),R值的概率分布更離散,臨界值較小的情況下易于出現(xiàn)第I類錯(cuò)誤.因而,最終選擇濾波系數(shù)取值為:λ1=0.2,λ2=0.1,λ3=0.01.
基于前述分析,結(jié)合基于高斯濾波器的自適應(yīng)去噪算法進(jìn)行信號(hào)的穩(wěn)態(tài)檢測(cè),具體步驟如下:
圖5 濾波系數(shù)具體取值分析Fig.5 Analysis for determination of filter factors
(1)將采用基于高斯濾波器的自適應(yīng)去噪算法處理后的信號(hào)作為待檢測(cè)對(duì)象X.
(2)初始化濾波值xf,i、均方差以及方差的無(wú)偏估計(jì),取序列前10個(gè)測(cè)量值的平均值作為濾波值的初始值xf,0,其方差為均方差初始值取.
(3)確定檢測(cè)參數(shù)取值:濾波系數(shù)λ1=0.2,λ2=0.1,λ3=0.01,檢測(cè)閾值Rcrit=1.44.按序列時(shí)間順序,根據(jù)式(7)~式(12)順次計(jì)算統(tǒng)計(jì)量R.
(4)比較Ri和Rcrit,當(dāng)Ri<Rcrit時(shí),狀態(tài)標(biāo)志量記為Ssi=1;當(dāng)Ri>Rcrit時(shí),記為Ssi=0.
(5)狀態(tài)標(biāo)志量Ssi=1所對(duì)應(yīng)的原始數(shù)據(jù)序列區(qū)域即為穩(wěn)態(tài)部分.
將上述檢測(cè)過(guò)程稱為基于自適應(yīng)高斯濾波的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法.
選取某電廠1 000MW機(jī)組總風(fēng)量歷史數(shù)據(jù)對(duì)檢測(cè)方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證.選取1 000點(diǎn)數(shù)據(jù),采樣時(shí)間為3s,如圖6所示.R檢驗(yàn)法取置信度為0.05,確定濾波系數(shù)λ1=0.2,λ2=0.1,λ3=0.01,檢測(cè)閾值Rcrit=1.44.對(duì)該組樣本數(shù)據(jù)先后采用中值濾波法和基于高斯濾波器的自適應(yīng)去噪算法進(jìn)行處理,2種方法均選用1×5模板.
圖6 某電廠1 000MW機(jī)組總風(fēng)量歷史數(shù)據(jù)Fig.6 History data of total air volume in a 1 000MW unit
圖7和圖8分別為采用2種濾波方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)檢測(cè)的仿真圖像.其中(a)圖為采用不同濾波方法處理后的風(fēng)量數(shù)據(jù);(b)圖為對(duì)應(yīng)時(shí)刻點(diǎn)穩(wěn)態(tài)檢測(cè)變量R值的變化情況;(c)圖為根據(jù)閾值Rcrit=1.44進(jìn)行穩(wěn)態(tài)判斷后的檢測(cè)結(jié)果,狀態(tài)標(biāo)志量為1的區(qū)域?qū)?yīng)為穩(wěn)態(tài)區(qū)域,狀態(tài)標(biāo)志量為0的區(qū)域?qū)?yīng)為非穩(wěn)態(tài)區(qū)域.
對(duì)比圖7(a)與圖8(a)濾波后的總風(fēng)量數(shù)據(jù)曲線可以看出,在選用相同大小濾波模板的情況下,對(duì)于同一樣本數(shù)據(jù)的去噪效果,基于高斯濾波器的自適應(yīng)去噪算法要優(yōu)于中值濾波法.在采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)i為45、334、403和661等風(fēng)量曲線發(fā)生突變的位置,與圖7(a)相比,在圖8(a)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)處的趨勢(shì)突變幅度更大,因此采用基于自適應(yīng)高斯濾波的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法可以有效提高下一步穩(wěn)態(tài)檢測(cè)邊界的精確性.
圖7 采用中值濾波去噪的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)Fig.7 Steady-state detection based on median filter
圖8 基于自適應(yīng)高斯濾波的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)Fig.8 Steady-state detection based on adaptive Gauss filter
對(duì)比分析圖7(b)與圖8(b),在[45,83]、[334,374]、[403,440]和[661,701]等數(shù)據(jù)曲線處于波動(dòng)狀態(tài)的區(qū)域,顯然圖8(b)中R值的尖峰幅值相對(duì)較大,且平穩(wěn)區(qū)域檢驗(yàn)量R的取值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波動(dòng)區(qū)域R的取值,因而平穩(wěn)區(qū)域與波動(dòng)區(qū)域的邊界更加清晰,說(shuō)明基于高斯濾波器的自適應(yīng)去噪算法對(duì)突變點(diǎn)信息的保留能力優(yōu)于中值濾波法,狀態(tài)轉(zhuǎn)換邊界清晰也有效降低了利用閾值進(jìn)行穩(wěn)態(tài)判斷發(fā)生誤判的可能性.
由圖7(c)與圖8(c)可以看出,應(yīng)用基于高斯濾波器的自適應(yīng)去噪算法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)檢測(cè)對(duì)檢測(cè)效果的提高有較大貢獻(xiàn).圖8(c)的檢測(cè)結(jié)果中有[70,297]和[760,836]等較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)態(tài)區(qū)間,而圖7(c)對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)區(qū)域狹小且分散,結(jié)合圖7(a)與圖7(b)分析可知,中值濾波法的去噪效果不佳,使得表征趨勢(shì)波動(dòng)情況的R值偏大,因而發(fā)生了將穩(wěn)態(tài)區(qū)域檢測(cè)為非穩(wěn)態(tài)區(qū)域的誤判情況.
對(duì)比分析以上2組仿真結(jié)果,基于自適應(yīng)高斯濾波的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法可以有效去除待檢測(cè)信號(hào)中的噪聲干擾,對(duì)趨勢(shì)波動(dòng)的突變點(diǎn)信息保留能力較強(qiáng).與采用中值濾波的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法相比,對(duì)較短區(qū)域的穩(wěn)態(tài)具有更高的靈敏度,而且對(duì)穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)區(qū)域的邊界點(diǎn)識(shí)別更準(zhǔn)確.
電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)是對(duì)機(jī)組運(yùn)行情況的最真實(shí)反映,并且包含全工況、多因素下的各種數(shù)據(jù).從海量的歷史數(shù)據(jù)中提取穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù),可以為熱工對(duì)象建模和優(yōu)化控制等相關(guān)研究提供大量數(shù)據(jù)信息.筆者首先選用基于高斯濾波器的自適應(yīng)去噪算法對(duì)電站在線監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪處理,然后采用具有較高可靠性和計(jì)算速度的R檢驗(yàn)法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)檢測(cè).選取某1 000MW機(jī)組的總風(fēng)量數(shù)據(jù),對(duì)方法的有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,并在選擇相同濾波模板和相同檢測(cè)方法的前提下,對(duì)本文方法和采用中值濾波的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比分析.仿真結(jié)果表明,本文的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法具有更高的檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確度,并且具有較快的運(yùn)算速度,相較于其他的穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法,更適合進(jìn)行在線檢測(cè),對(duì)于實(shí)際工況運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與操作維護(hù)等工作具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義.
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