基于支持向量機的變壓器故障診斷方法①

施竹君,王寶華

(南京理工大學 自動化學院,南京 210094)

基于支持向量機的變壓器故障診斷方法①

施竹君,王寶華

(南京理工大學 自動化學院,南京 210094)

為了提高變壓器故障診斷的準確率,提出了一種支持向量機(SVM)和改進布谷鳥算法(WCS)及最速下降法相結合的電力變壓器故障診斷方法.引入一種新的慣性權重,解決布谷鳥算法在迭代后期收斂速度下降的問題.利用最速下降法與改進的布谷鳥算法相結合的算法進行SVM參數的尋優,克服了基本的SVM模型容易陷入局部最優的缺陷,從而得到具有最佳參數的支持向量機分類模型,利用LIBSVM工具箱在MATLAB軟件平臺上訓練支持向量機,用訓練良好的支持向量機診斷110kV甘棠變電所#1主變壓器故障情況.通過實例驗證分析表明,采用該算法可以準確、有效地對變壓器進行故障診斷;相較于粒子群算法(PSO)、遺傳算法(GA)、網格搜索算法(GS)等算法,該方法具有更高的診斷準確率.

支持向量機;布谷鳥算法;最速下降法;故障診斷;分類模型

電力變壓器安全穩定地運行是整個電網穩定的基礎.若設備出現故障,一般會使設備停止運行,并會造成巨大的經濟損失[1].所以為了預防變壓器發生故障,必須對其進行故障診斷研究,從而降低故障發生的概率,并及時采取措施,對變壓器進行維修或更換.

如今,油中溶解氣體分析法(DGA)已普遍應用于油浸電力變壓器的故障診斷.通過大量研究表示,基于DGA的電力變壓器故障診斷技術主要分為傳統診斷方法和智能診斷方法兩種[2-6].其中傳統的診斷方法主要有關鍵氣體法、三比值編碼法、立方圖法、大衛三角法、ETRA法等;近些年,BP神經網絡理論、信息融合技術、灰色關聯理論、模糊數學理論以及支持向量機等[7-14]可用于變壓器的故障診斷.

支持向量機算法在解決小樣本問題的同時,能解決高維和非線性等問題,因此廣泛應用于故障診斷領域中.在電力變壓器故障診斷領域,董明等[15]學者首先將支持向量機引入電力變壓器故障診斷中,將鄰近搜索聚類應用于分層決策,來修正支持向量分類器參數難于選擇帶來的誤差,提高了診斷的正確性.文獻[16]提出自適應參數優化的模糊支持向量機增量算法的電力變壓器故障診斷.文獻[17]將有向無環圖支持向量機成功應用于故障診斷中,取得了一定的效果.文獻[18]提出將蟻群算法用于支持向量機模型參數的尋優.支持向量機不僅算法簡單而且具有較好的魯棒性,但也較易陷入全局最優.

本文通過引入一種新的慣性權重對布谷鳥算法進行改進,隨后提出了一種最速下降法與改進的布谷鳥算法相融合的算法(SDWCS),改善布谷鳥算法在運算后期收斂速度過慢的缺點.并將油色譜數據(DGA)各氣體含量的比值作為評估標準,利用新算法對SVM模型的懲罰參數c和核函數參數g進行全局尋優,利用優化得到的SVM模型進行變壓器故障診斷,通過實例進行分析驗證.與粒子群算法(PSO)、遺傳算法(GA)、網格搜索算法(GS)相比,本文所提出的方法診斷準確率較高.

1 支持向量機

支持向量機在數據分類問題中,其考慮尋找一個滿足分類要求的超平面,并且使訓練集中的點距離分類面盡可能的遠.分類線方程為對它進行歸一化,使對線性可分樣本集滿足:

最優分類面的問題可以描述為以下的被約束優化問題:

可以通過拉格朗日(Lagrange)乘子方法解決.拉格朗日算子為:

分別對參數w和b求導,并令其等于零得

由式(4)得到

使用拉格朗日優化方法,根據沃爾夫(Wolef)的對偶理論[19]可以把上述分類問題轉化為如下的對偶問題,把式(5)帶入式(3)中得:

最后得到的最優分類函數是

然而當存在少量樣本無法用線性方法分開時,此時需要引入一個松弛變量

式(2)的約束條件變為如下形式:

于是得到下面的優化問題:

構造拉格朗日方程,最后得到如下的對偶拉格朗日算子:

其中,c>0稱為懲罰參數.

然而,當存在非線性問題時,即對于給定的樣本點不能用一個超平面分離時,上面提到的線性分類方法將不再適用,此時,在高維空間,需要將低維的非線性問題轉化為線性可分問題,及使用核函數將所有樣本點映射到高維空間[16].

根據希爾伯特—施密特(Hibert-Schmidt)原理,只要核函數滿足莫塞爾(Mercer)條件[20]:對任意給定函數g(x),當有限時,就對應某一空間的內積此時,其優化問題變為如下形式:

而分類決策函數變為:

目前常用的核函數有以下三種[21]:多項式核函數、高斯(Gauss)徑向基核函數(RBF)及Sigmoid核函數.本文采用RBF核函數:

其中,g>0稱為核參數.

由此可知,SVM模型的關鍵在于懲罰參數c和核參數g的選定,本文通過SDWCS算法對參數c和g進行全局尋優,從而得到最好的c和g.

2 改進的布谷鳥算法

2.1布谷鳥算法

布谷鳥搜索算法[22](cuckoo search,CS)是由YANG等提出的一種新型元啟發式搜索

算法.其思想主要基于兩個策略:布谷鳥的巢寄生性和萊維飛行(L’evy flights)機制.

布谷鳥算法是模擬布谷鳥隨機產卵的行為.為了簡化描述CS算法,可以用下面的三條規律[23]:

①每只布谷鳥每次只下一個蛋,并且隨機選擇一個鳥巢進行孵化;

②在這些鳥巢中,產出最優鳥蛋的鳥巢將被保留到下一代;

③鳥巢的數量是固定的,并且設鳥巢的主人發現鳥巢中含有外來蛋的概率為pa,則滿足如果發現外來蛋,鳥巢主人將蛋丟出,或者重新建立一個鳥巢.

根據以上3條規律,布谷鳥搜索鳥巢位置的更新公式如下:

其中,u和v均服從正態分布:

式中,G是標準的Gamma函數.

2.2 改進的布谷鳥算法(WCS)

在標準的布谷鳥算法中,布谷鳥的飛行路徑是隨機的,不利于算法的迭代.針對這一問題,通過引入一種非線性慣性權重并對CS算法進行改進,加快其后期收斂速度[24].考慮到較小的慣性權重可以減小搜索步長,迭代逐漸收斂到極值點,但過小的慣性權重會使算法一旦進入局部極值點鄰域內很難跳出,使全局尋優難度增加;較大的慣性權重可以使算法不易

陷入局部最小,從而能收斂到全局最優值.改進后的布谷鳥算法位置更新表達式如下:

其中:

3 基于改進的布谷鳥算法與最速下降法結合(SDWCS)的故障診斷

3.1 SDWCS算法

最速下降法作為最簡單和最古老的優化算法之一,具有直觀有效等優點,目前許多有效的優化算法均建立在該算法的基礎之上.為了改進布谷鳥搜索算法的缺點,利用最速下降法進修正[25],其步驟如下:

通過改進的布谷鳥搜索算法保留得到鳥類孵出上代的最優解,并利用最速下降法進行迭代,不斷修正最優鳥巢的位置,最終獲得最優解.

3.2 基于SDWCS優化的SVM故障診斷模型

基于SDWCS和SVM的故障診斷算法的流程圖如圖1所示.

圖1 流程圖

4 變壓器故障診斷實例分析及比較

4.1 實例分析

本模型選用LIBSVM作為訓練和測試工具,選用RBF核函數作為核函數,將氣體相對含量(H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、總烴、CO、CO2)作為輸入,各故障類型(包括變壓器正常狀態和其他4種變壓器故障:低能放電、高能放電、中低溫過熱故障以及高溫過熱故障)所對應的編碼(1、2、3、4、5)作為輸出.

考慮到變壓器的容量、型號等因素的影響,本文收集了大量的變壓器油色譜數據(GDA),從中整理了200組樣本.從樣本中抽取每個狀態樣本各30組數據作為訓練集,其余50組數據作為測試集,變壓器故障樣本統計如表1所示.

表1 變壓器故障診斷樣本統計

本文設定SVM的參數c和RBF核函數的參數g取值范圍;設置鳥巢總數n=25,發現外來鳥的概率pa=0.25,最大迭代次數為100次.圖 2為SDWCSSVM模型進行參數優化的適應度曲線,得到的最優參數為:c=2.1045,g=2.4586.從圖 2中可以看出,適應度曲線在前5個周期內收斂速度較快,隨后逐漸趨于平緩,最終趨與一條直線,實現了參數的優化.

圖2 SDWCS算法適應度曲線

由圖3可知,在50組訓練樣本中,有2組樣本(分別為1組正常狀態和1組高溫過熱故障)出現了診斷錯誤,其訓練集和測試集的診斷準確率分別為87.3333%和96%,由此結論可知,該方法可有效地用于電力變壓器故障診斷.

圖3 變壓器故障診斷測試樣本對比圖

4.2 比較結果

為便于比較,在采用相同的訓練集及測試集樣本的情況下,分別采用粒子群算法(PSO)、遺傳算法(GA)、網格搜索算法(GS)對變壓器進行故障診斷.

圖4、6、8分別分別代表 PSO、GA、GS算法的尋優過程.圖5、7、9分別為其對應的變壓器故障樣本結果對比圖.

圖4 PSO算法適應度曲

圖5 PSO算法測試樣本對比圖

由圖4、5中可以看出,適應度曲線在第40代時趨于平緩,最終收斂,其訓練集及測試集準確率分別為86.6667%和94%.

圖6 GA算法適應度曲線

圖7 GA算法測試樣本對比圖

由圖6和圖7可以看出,適應度曲線在第20代時趨于平緩,最終趨于一條直線,訓練集和測試集的樣本準確率分別為86.6667%和92%.

由圖8和9看出,GS算法的訓練集與測試集準確率分別為86.6667%和94%.

圖8 GS算法尋優圖

圖9 GS算法測試樣本對比圖

通過比較幾種算法,發現SDWCS算法的收斂速度最快,在第5代就收斂到最優鳥巢,并且變壓器故障診斷測試樣本的準確率最高.

4.3 故障預測

110kV甘棠變電所#1主變壓器(40000kVA)于2012年12月投運,投運后設備一直很正常,直到2016年4月6日,色譜周期檢測中總烴含量突然明顯升高,總烴含量由2016年1月15號的9.4uL/L變為346.9uL/L,見表2,遠遠超過注意值.

表2 110kV甘棠變電所#1主變油色譜數據

采用訓練良好的支持向量機對110kV甘棠變電所#1主變壓器的故障進行預測,診斷結果為中低溫過熱故障.

檢修單位對該臺變壓器在停電狀態下,分別測量了繞組的直流電阻、介質損和吸收比,無異常,說明故障點不在電氣回路和主絕緣部位,打開鐵芯接地,測量鐵芯對地電阻,結果為0.由此判斷該設備存在鐵芯接地故障,是中低溫過熱所致.由此證明,采用SDWCS算法優化支持向量機的判斷結果與實際相符.

5 結論

為避免布谷鳥搜索算法在后期搜索速度過慢和搜索精度過低的缺陷,本文提出了一種最速下降法與改進的布谷鳥算法結合的算法(SDWCS),并且通過引入一類非線性慣性權重,加快了算法的收斂速度,使其更容易收斂到全局最優.再將其與支持向量機相結合,形成SDWCS—SVM模型,并運用于電力變壓器的故障診斷與預測.從分析實例可以看出,SDWCS算法具有較好的收斂速度與準確率.

1陳樹勇,宋書芳,李蘭欣,等.智能電網技術綜述.電網技術, 2009,33(8):1–7.

2 Muthanna KT,Sarkar K,Waldner K.Transformer insulation lfe asessment.IEEE Trans.on Power Delivery,2006,21(1): 150–156.

3 Singh J,Sood YR,Jarial RK,et al.Condition monitoring of power transformers—bibliography survey.IEEE Electrical Insulation Magazine,2008,24(3):11–25.

4 Tang WH,Goulermas JY,Wu QH,et al.A probabilistic classifier for transformer dissolved gas analysis with a particle swarm optimizer.IEEE Trans.on Power Delivery, 2008,23(2):751–759.

5 IEEE Standard C57.104—2008 IEEE guide for the interpretation of gases generated in oil-immersed transformers,2008.

6任靜,黃家棟.基于免疫RBF神經網絡的變壓器故障診斷.電力系統保護與控制,2010,38(11):6–9.

7 Zhang Y,Ding X,Liu Y,et al.An artificial neural network approach to transformer fault diagnosis.IEEE Trans.on Power Delivery,1996,11(4):1836–1841.

8蔡紅梅,陳劍勇,蘇浩益.基于灰云模型的電力變壓器故障診斷.電力系統保護與控制,2012,40(12):151–155.

9劉同杰,劉志剛,韓志偉.自適應模糊支持向量機中鄰近增量算法在變壓器故障診斷的應用.電力系統保護與控制, 2010,38(17):47–52.

10尚勇,閆春江,嚴章.基于信息融合的大型油浸電力變壓器故障診斷.中國電機工程學報,2002,22(7):115–118.

11 Naresh R,Sharma V,Vashisth M.An integrated neural fuzzy approach for fault diagnosis of transformers.IEEE Trans.on Power Delivery,2008,23(4):2017–2024.

12 Fei SW,Sun Y.Forecasting dissolved gases content in power transformer oil based on support vector machine with genetic algorithm.Electrical Power Systems Research,2008, 78(3):507–514.

13 Wu HY,Hsc CY,Lee TF,et al.Improved SVM and ANN in incipient fault diagnosis of power transformers using clonal selection algorithms.International Journal of Innovative Computing Information and Control,2009,5(7):1959–1974.

14趙文清,李慶良,王德文.基于多模型的變壓器故障組合診斷研究.高電壓技術,2013,39(2):302–309.

15董明,孟源源,徐響,等.基于支持向最機及油中溶解氣體分析的大型電力變壓器故障診斷模型研究.中國電機工程學報,2003,23(7):88–92.

16董秀成,陶加貴,王海濱,等.適應模糊支持向量機增量算法在變壓器故障診斷中的應用.電力自動化設備,2010,30 (11):48–52.

17 Zhao W,Wang L.Fault diagnosis of power transformer based on DDAG-SVM.2010 IITA Internation Conference on Nanotechnology and Computer Engineering,CNCE 2010.2010.819–824.

18 Niu W,Xu L,Hu S.Fault diagnosis methed for power transformer based on ant colony-SVM classifier.2nd International Conference on Computer and Automation Engineering,ICCAE 2010.2010.629–631.

19 Vapnik VN.The nature of statistical learning theory.New York,USA.Springer-Verlag.1998.1–17.

20 Mangasarian OL.Mathematical programming in machine learning.Nonlinear optimization in and Applications.New York.Springer.1996.283–295.

21 Burges CJC.Atutorial on support vector machines for pattern recognition.Data Mining and Knowledge Discovery,1998, 2(2):121–167.

22 YANG X S,DEB S.Cuckoo search via L’evy flights.Proc. of World Congress on Nature&Biologically Inspired Computing.IEEE Publications.USA.2009.210–214.

23戴臻.布谷鳥算法優化支持向量機的網絡熱點話題預測.計算機應用軟件,2014,31(4):330–333.

24 Fan SKS,Chiu YY.A decreasing inertia weight particle swarm optimizer.Engineering Optimization,2007,39(2): 203–228.

25屠立峰,包騰飛,唐琪,趙斌.基于SDCS-SVM的大壩安全監測模型.三峽大學學報,2015,37(2):6–9.

Method for Fault Diagnosis of Transformer Based on Support Vector Machine

SHI Zhu-Jun,WANG Bao-Hua

(School ofAutomation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

We propose a fault diagnosis method based on the modified cuckoo search algorithm(WCS),steepest descent method and support vector machine(SVM)to improve the accuracy of transformer fault diagnosis.A new inertia weight is also proposed and applied to solve the problem that the convergence rate of cuckoo search algorithm decreases in final iterations.SVM parameters are optimized by the algorithm which is combined with improved cuckoo search algorithm and steepest descent method,overcoming the defects that SVM model is easy to fall into local optimum.Support vector machine is trained on the MATLAB platform using LIBSVM toolbox,and the well-trained SVM will be adopted to diagnose the#1 transformer fault for 110kV Gantang substation.Study of practical cases indicate that,with this method, transformer faults can be diagnosed effectively and accurately,and the accuracy is higher than that using particle swarm optimization(PSO)、genetic algorithm(GA)and grid search(GS).

support vector machine;cuckoo search algorithm;steepest descent;fault diagnosis;classification model

2016-08-01;收到修改稿時間:2016-08-31

10.15888/j.cnki.csa.005697