基于SVM算法的局部放電模式識(shí)別

任永恒

摘 要：氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear）局部放電檢測(cè)對(duì)于保證其安全可靠運(yùn)行具有重要的意義。為了對(duì)變壓器故障進(jìn)行有效診斷，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種典型缺陷模型。用超聲波法提取局部放電信號(hào)，得到局放分布圖譜，獲得了局放特征參數(shù)。根據(jù)所提取的特征參數(shù)的特點(diǎn)，通過支持向量機(jī)（SVM）分類算法對(duì)典型缺陷信號(hào)進(jìn)行了模式識(shí)別。

關(guān)鍵詞：超聲波法；特征參數(shù)；SVM算法；模式識(shí)別

引言

變壓器作為電力系統(tǒng)中重要的電力設(shè)備，是輸電網(wǎng)中重要的組成部分，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部故障，對(duì)于電網(wǎng)的安全供電，減少經(jīng)濟(jì)損失是至關(guān)重要的。以前，主要是通過檢測(cè)絕緣電阻、局部放電等來進(jìn)行變壓器內(nèi)部的故障診斷情況，這種方法具有局限性，會(huì)受到周圍環(huán)境的影響。超聲波法是一種較好的故障檢測(cè)方法，能夠及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)變壓器內(nèi)部的故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

用超聲波法對(duì)變壓器缺陷故障引起的局部放電進(jìn)行檢測(cè)，得到的信號(hào)圖譜中含有豐富的局放信息，可以從中提取能充分反映局放信號(hào)特征的偏斜度Sk、陡峭度Ku、局部峰點(diǎn)數(shù)Pe、互相關(guān)系數(shù)Cc和放電量Q等特征參數(shù)。對(duì)統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)進(jìn)行分析，能夠較好的進(jìn)行典型絕緣缺陷故障的診斷。

基于此，本文通過對(duì)變壓器內(nèi)部設(shè)置典型絕緣缺陷模型，對(duì)其故障進(jìn)行局放試驗(yàn)，提取出能反映典型缺陷局放信號(hào)的特征參數(shù)。用SVM算法對(duì)典型絕緣缺陷局放信號(hào)進(jìn)行分類，結(jié)果表明：SVM分類算法對(duì)于GIS內(nèi)典型缺陷類型具有較高的識(shí)別率。

1 SVM算法的原理

1.1 分類器設(shè)計(jì)

SVM是Vapnik提出的一種建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上的非線性數(shù)據(jù)處理方法，其基于“結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理”的獨(dú)特決策規(guī)則能較好的克服傳統(tǒng)分類算法“維數(shù)災(zāi)”和“過擬合”等問題，并且具有很強(qiáng)的泛化能力，在處理二分類和多分類模式識(shí)別問題上有著優(yōu)異表現(xiàn)，因而備受研究人員青睞，目前已開發(fā)出LIBSVM、LS-SVMLAB、OSU SVM等諸多軟件包。然而，SVM模型參數(shù)的選取沒有既定的標(biāo)準(zhǔn)，需要很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)與技巧。

1.2 SVM算法原理

SVM算法是一種基于數(shù)據(jù)挖掘技巧的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。將SVM應(yīng)用到分類中去的核心思想陳述如下：

給出訓(xùn)練樣本集{xi，yi}，其中，i=1，2，…，n，x∈p，y∈{+1，-1}能夠被超平面？棕Tx+b=0分離，其中？棕是權(quán)重矢量，b是偏移量。如果超平面使得邊距最大化，那么下列不等式對(duì)所有輸入變量成立：

對(duì)于所有的xi，當(dāng)我們固定硬邊距為1時(shí)，超平面的幾何間隔為 。那么，問題變成了t通過在式（1）的約束下最小化 來求得最大化的邊距。這是一個(gè)凸次編程問題。使用拉格朗日乘子（LM）（？琢i>0，i=1，…，n）以解決下式：

最大化邊距是一個(gè)很重要的概念，但是它不能用于解決現(xiàn)實(shí)中的很多問題，原因是，如果數(shù)據(jù)有很多噪點(diǎn)，除非我們準(zhǔn)備使用非常復(fù)雜的核，否則，通常在特征空間內(nèi)不能進(jìn)行線性分類。主要的原因在于，最大化邊距分類器總是完美而沒有誤差的將訓(xùn)練樣本分類。為了解決這一問題，SVM使用接下來要介紹的軟邊距，并引入非負(fù)的松弛變量

對(duì)于一個(gè)線性的不可分類問題，SVM利用核函數(shù)k（x，y）將在輸入空間內(nèi)的樣本映射到高維的特征空間中去，其中徑向基核函數(shù)

其中C和？滓需要基于全部的訓(xùn)練樣本迭代選出最優(yōu)的值。參數(shù)的選取對(duì)于SVM的表示起到了至關(guān)重要的作用。

1.3 算法流程

1.3.1 設(shè)已知樣本集合P={x1，x2，…xn}，其中n為已知分類的樣本數(shù)，c代表分類數(shù)；

1.3.2 為了建立分類函數(shù)，對(duì)訓(xùn)練樣本集進(jìn)行從0到1的線性縮放并且計(jì)算各種參數(shù)；

1.3.3 利用k折交叉驗(yàn)證估計(jì)和網(wǎng)格尋找算法結(jié)合估計(jì)最優(yōu)模型參數(shù)（C，g）；

1.3.4 利用最優(yōu)的參數(shù)建立SVM模型；

1.3.5 估計(jì)SVM模型的可靠性。

2 變壓器缺陷類型

變壓器的內(nèi)部主要采用的是油紙絕緣結(jié)構(gòu)，內(nèi)部發(fā)生的局部放電常常造成絕緣故障。在變壓器安裝、制造、運(yùn)行中常常會(huì)由于缺陷的存在造成局部放電。而其局放常常位于油間隙、空氣隙、金屬導(dǎo)體毛刺以及固體表面。所以，可以將變壓器局放歸為：空氣間隙造成的放電；油中的氣泡造成的放電；雜質(zhì)導(dǎo)致的放電；沿面放電。本文將根據(jù)放電類型，進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3 識(shí)別結(jié)果

通過局放檢測(cè)裝置連續(xù)采集多周期的局放數(shù)據(jù)，對(duì)于統(tǒng)計(jì)特征指紋，每種缺陷選取50組作為訓(xùn)練組，測(cè)試組共選取100組特征數(shù)據(jù)來研究缺陷類型的識(shí)別正確率。運(yùn)用SVM分類算法對(duì)典型變壓器缺陷局放類型識(shí)別，采用獨(dú)立樣本作為測(cè)試樣本檢驗(yàn)該算法的正確率。識(shí)別結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，針板放電缺陷和內(nèi)部放電缺陷通過SVM算法進(jìn)行分類正確率為91%和93%，沿面放電達(dá)到78%，沿面放電缺陷由于局放信息復(fù)雜，使得此缺陷的識(shí)別率較低。總體而言，支持向量分類算法對(duì)變壓器各種模擬缺陷識(shí)別率較高，效果較好。

4 結(jié)束語

對(duì)變壓器設(shè)計(jì)了3種典型絕緣缺陷模型，通過超聲波法對(duì)故障引起的局放信號(hào)采集了大量樣本，提取了局部放電信號(hào)特征參數(shù)。用SVM算法識(shí)別變壓器局部放電類型，結(jié)果顯示出較高的識(shí)別正確率。