多任務(wù)元學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的氣體絕緣組合電器局部放電同時診斷與定位

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收稿日期：2023-10-31。

作者簡介：王艷新（1995—），男，博士生；閆靜（通信作者），男，副教授。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃資助項目（2022YFB2403700）。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2024-02-29""" 網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：∥link.cnki.net/urlid/61.1069.t.20240228.1806.004

摘要：針對氣體絕緣組合電器（GIS）局部放電診斷和定位作為兩個獨立的任務(wù)來完成而忽略了兩個任務(wù)間的聯(lián)系、且難以部署和泛化到現(xiàn)場小樣本場景下的問題，提出了多任務(wù)元學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)以同時實現(xiàn)現(xiàn)場小樣本場景下的GIS局部放電診斷與定位。首先，為了充分挖掘兩個任務(wù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系并保留每一任務(wù)的差異特征，構(gòu)建了多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，在特定任務(wù)層引入注意力機制，為每個任務(wù)從淺到深選擇重要特征，保證每一任務(wù)特征差異化提取的質(zhì)量。其次，為了將所開發(fā)的多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)用到現(xiàn)場小樣本場景下，采用元訓(xùn)練的方法對模型進行訓(xùn)練。再次，在元測試階段使用目標(biāo)任務(wù)的少量數(shù)據(jù)進行微調(diào)，實現(xiàn)了小樣本下GIS局部放電診斷和定位。最后，在現(xiàn)場樣本上對模型性能進行了驗證。實驗結(jié)果表明，提出的多任務(wù)元學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)在GIS 局部放電診斷上的準(zhǔn)確率達到94.53%，定位平均誤差和均方根誤差分別為10.78cm和12.97cm，與單任務(wù)網(wǎng)絡(luò)和其他模型相比性能提升明顯，為GIS 局部放電診斷和定位提供了新穎的解決思路。

關(guān)鍵詞：局部放電；診斷；定位；多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)；元學(xué)習(xí)

中圖分類號：TM85" 文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202407010" 文章編號：0253-987X（2024）07-0105-11

Research on Gas-Insulated Switchgear Partial Discharge Diagnosis and

Location Method Based on Multi-Task Meta-Learning

WANG Yanxin， YAN Jing， GENG Yingsan， LIU Zhiyuan， WANG Jianhua

（State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：To address the issue where gas-insulated switchgear （GIS） partial discharge diagnosis and localization are treated as separate tasks without considering their connection and in response to challenging deployment and generalization to on-site small sample scenarios， this paper introduces a multi-task meta-learning network to simultaneously achieve GIS partial discharge diagnosis and localization in on-site small sample scenarios. Initially， a multi-task network is developed to fully explore the correlation between the two tasks while preserving their differential characteristics. An attention mechanism is introduced at specific task layers to select important features from shallow to deep levels for each task， ensuring the quality of differentiated extraction of features for each task. Subsequently， a meta-training method is adopted for model training to deploy the developed multi-task network in on-site small sample scenarios. Fine-tuning is performed using a small amount of data from the target task in the meta-testing stage， and GIS partial discharge diagnosis and location with small samples are enabled. Finally， the model performance is verified using field samples. Experimental results demonstrate that the multi-task meta-learning network proposed in this paper shows an accuracy of 94.53% in GIS partial discharge diagnosis， with an average error in the location of 10.78cm and a root mean square error of 12.97cm. Exhibiting superior performance relative to the single-task network and other models， the proposed multi-task meta-learning network presents a novel solution for GIS partial discharge diagnosis and location.

Keywords：partial discharge; diagnosis; location; multi-task network; meta-learning

氣體絕緣組合電器（GIS）是由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器、母線、出線套管、電纜終端等電氣元件組合而成的成套開關(guān)設(shè)備，具有占地面積小、環(huán)境適應(yīng)性強、維護工作量小、運行可靠性高等優(yōu)點［1］。局部放電是在高壓應(yīng)力下發(fā)生在絕緣介質(zhì)中部分區(qū)域的放電，而沒有貫穿施加電壓的導(dǎo)體之間［2］。在GIS中，由于高壓或接地電極上的不規(guī)則突出缺陷、游離或漂浮的金屬顆粒、絕緣子表面的污染以及電極/介電界面上的間隙，都會導(dǎo)致局部放電發(fā)生。這些缺陷可能是由于運行過程中導(dǎo)體的機械磨損運動、制造過程中質(zhì)量控制不嚴(yán)格、GIS設(shè)備運輸和組裝過程中的振動、未檢測到的電極劃傷以及不良的電接觸等［3］造成的。局部放電會引起電暈和擊穿電壓的降低，導(dǎo)致GIS絕緣性能逐漸劣化，最終造成其失效。因此，有效識別并診斷GIS中局部放電的活動并對局部放電位置進行判別對保障其可靠運行至關(guān)重要。

局部放電診斷作為識別放電類型的有效手段，是GIS狀態(tài)評估的基礎(chǔ)。局部放電定位則是驗證檢測有效性的必要步驟，同時又可為診斷提供詳細的放電環(huán)境信息，因此在局部放電帶電檢測中準(zhǔn)確定位也至關(guān)重要。為此，許多GIS 局部放電診斷和定位方法得到研究和應(yīng)用［4-6］。隨著人工智能的發(fā)展，以深度學(xué)習(xí)為代表的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法在GIS 局部放電診斷和定位領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展，尤其是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、長短時記憶網(wǎng)絡(luò)以及自編碼器等在該領(lǐng)域取得顯著成效［7-8］。

然而，現(xiàn)有研究均是將GIS局部放電診斷和定位作為兩個獨立任務(wù)，存在不足之處：一方面忽略了兩個任務(wù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，導(dǎo)致模型性能難以進一步提升；另一方面將二者作為兩個獨立任務(wù)開發(fā)模型造成了更大的開銷。多任務(wù)學(xué)習(xí)作為深度學(xué)習(xí)的一個重要分支，因能夠挖掘任務(wù)間的耦合關(guān)系，在負荷預(yù)測［9］、機械設(shè)備狀態(tài)預(yù)測與健康管理［10-11］等多個領(lǐng)域取得了令人滿意的性能。

另外，如何將所開發(fā)的模型部署和泛化到現(xiàn)場小樣本場景也是亟待解決的問題。盡管分別以生成對抗網(wǎng)絡(luò)［12］和遷移學(xué)習(xí)［13］為核心的方法被引入到小樣本學(xué)習(xí)問題中，但目標(biāo)樣本的數(shù)量仍然是模型取得優(yōu)異性能的關(guān)鍵，導(dǎo)致二者對樣本量的依賴問題未從根源上解決。元學(xué)習(xí)作為一種新穎的機器學(xué)習(xí)范式［14］，通過學(xué)習(xí)本身能夠適應(yīng)或泛化到訓(xùn)練期間從未遇到過的新任務(wù)和新環(huán)境，近年來在小樣本局部放電診斷［15］、故障診斷［16-17］等領(lǐng)域被廣泛的研究。

受啟發(fā)于多任務(wù)學(xué)習(xí)和元學(xué)習(xí)，本文提出了多任務(wù)元學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)以同時實現(xiàn)現(xiàn)場小樣本場景下的GIS局部放電診斷與定位。為了充分挖掘GIS局部放電診斷和定位間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并學(xué)習(xí)每一任務(wù)的差異化特征來提升其性能，本文構(gòu)建了新穎的多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入注意力機制，提升模型對GIS 局部放電診斷和定位可鑒別特征的提取。為了將所開發(fā)的模型部署和泛化到小樣本場景下，本文引入元學(xué)習(xí)策略。利用A-way K-shot的訓(xùn)練模式，從元訓(xùn)練集中獲得局部放電診斷和定位知識，通過元測試集對初始參數(shù)進行微調(diào)即可實現(xiàn)小樣本下GIS局部放電診斷和定位。在現(xiàn)場小樣本場景下，所提出的多任務(wù)元學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)能夠同時實現(xiàn)高精度的GIS局部放電診斷與定位。

1" 多任務(wù)元學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)

1.1" 用于局部放電診斷與定位的多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)

人類能夠同時學(xué)習(xí)多個任務(wù)，并且利用其他相關(guān)任務(wù)中包含的有用知識來幫助另一個任務(wù)更好地學(xué)習(xí)。受人類這種學(xué)習(xí)能力的啟發(fā)，提出了多任務(wù)學(xué)習(xí)，目的是共同學(xué)習(xí)多個相關(guān)的任務(wù)，從而利用其他任務(wù)中包含的信息來幫助每個任務(wù)的學(xué)習(xí)［18］，在充分挖掘局部放電診斷和定位關(guān)聯(lián)關(guān)系的同時，提升局部放電診斷和定位每一任務(wù)的性能。

圖1給出了單任務(wù)網(wǎng)絡(luò)和多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖。圖1（a）中兩個獨立的網(wǎng)絡(luò)分別用于局部放電診斷和定位，稱為單任務(wù)學(xué)習(xí)。由于它們之間沒有聯(lián)系，所以每個網(wǎng)絡(luò)的特征不能被共享或用來幫助學(xué)習(xí)另一個網(wǎng)絡(luò)。圖1（b）給出了一個具有兩個輸出的網(wǎng)絡(luò)，每個輸出對應(yīng)于圖1（a）中的一個任務(wù)。值得注意的是，這些輸出可以連接它們共享的隱藏層中的所有神經(jīng)元。然后，在共享隱藏層之后構(gòu)建獨立的子網(wǎng)，并分別訓(xùn)練相應(yīng)的參數(shù)。由于底層與兩個任務(wù)共享，因此一個任務(wù)的特征表示也可以被其他任務(wù)使用，從而挖掘兩個任務(wù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提升每一任務(wù)的性能。

為了充分挖掘兩個任務(wù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系并保留每一任務(wù)的差異特征，實現(xiàn)GIS局部放電高精度、高魯棒的診斷和定位，本文構(gòu)建的多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由任務(wù)共享層和特定任務(wù)層兩個部分組成。其中任務(wù)共享層旨在從輸入信號中學(xué)習(xí)豐富的任務(wù)共享特征，從而挖掘局部放電診斷和定位兩個任務(wù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。特定任務(wù)層從任務(wù)共享層學(xué)習(xí)到的特征中學(xué)習(xí)與每一任務(wù)相關(guān)的特征，從而保留每一任務(wù)的特征差異。

1.1.1" 任務(wù)共享層

共享特征在任務(wù)共享層的不同深度特征映射中進行編碼，以學(xué)習(xí)局部放電診斷和定位任務(wù)的共享特征。然后，每個特定任務(wù)層中的一組注意力模塊與任務(wù)共享層連接，以學(xué)習(xí)特定任務(wù)的特征。通過這種方式，每個注意力模塊［19］都充當(dāng)任務(wù)共享層的特征選擇器，并允許以端到端的方式學(xué)習(xí)特定任務(wù)的特征，而任務(wù)共享層則學(xué)習(xí)一個緊湊的全局特征。考慮到局部放電定位對時間特征的依賴性，本文選擇一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)來挖掘局部放電信號中的時間細粒度信息。如圖2所示，本文構(gòu)建了一個由6個卷積塊組成的輕量級任務(wù)共享層。每個卷積塊包含3層：一維卷積層，批量歸一化層和激活函數(shù)［20］。批量歸一化層用于加速訓(xùn)練并減少由每層輸入的不同分布引起的內(nèi)部協(xié)變量偏移。

1.1.2" 特定任務(wù)層

特定任務(wù)層以任務(wù)共享層提取的共享特征為輸入，進一步挖掘每一任務(wù)的差異特征，實現(xiàn)GIS局部放電診斷與定位。每個特定任務(wù)層包含3個注意力模塊、3個最大池化層、3個1×1卷積層組成。3個注意力模塊在3個位置鏈接到任務(wù)共享層的不同深度，自動為每個任務(wù)從淺到深選擇重要特征。1×1 卷積層用于增加通道數(shù)以匹配任務(wù)共享特征的通道數(shù)，然后再送入下一個注意力模塊。

對注意力模塊［21］，假設(shè)注意力的輸入是xi∈RC×W。首先，每個通道的全局空間信息被全局平均層壓縮為標(biāo)量，計算過程如下

zi=1W∑Wk=1xi（x，k）Cc=1 （1）

式中：xi（x，k）表示x∈RC×W的第c個通道中的第k個元素；zi∈RC×1表示壓縮后的數(shù)據(jù)。然后構(gòu)建卷積層和sigmoid激活函數(shù)，捕獲局部跨通道交互，得到0～1范圍內(nèi)的權(quán)向量ω∈RC×1。sigmoid激活函數(shù)定義為

fsig=11+e-x（2）

為了避免權(quán)重過小以更好地傳遞信息，本文增加了一個快捷連接，將ω增加到1～2范圍內(nèi)。注意力模塊的最終輸出為yI=xiω+xi，其中表示逐元素乘法。

1.2" 多任務(wù)元學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程

本文提出多任務(wù)元學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)GIS局部放電診斷與定位，其目標(biāo)由兩個部分組成。其中局部放電診斷任務(wù)為多標(biāo)簽分類任務(wù)，可通過交叉熵損失函數(shù)l1進行優(yōu)化［22］，計算公式如下

l1=-1N∑Ni=1（yilogpi+（1-yi）log（1-pi）） （3）

式中：yi和pi分別表示期望和預(yù)測概率；N為訓(xùn)練樣本數(shù)。

局部放電定位任務(wù)可視為回歸問題，可采用此均方差損失［23］優(yōu)化此任務(wù)，損失函數(shù)l2可表示如下

l2=1N∑Ni=1i-yi2 （4）

式中：i和yi分別為第i個樣本的預(yù)測值和真實值。

為此本文提出的多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù)可由上述兩個任務(wù)的損失函數(shù)聯(lián)合得到。考慮到局部放電診斷和定位任務(wù)的數(shù)據(jù)分布和重要性存在差異，多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)損失值計算如下

LMTL=λ1l1+λ2l2（5）

式中：LMIL為多任務(wù)學(xué)習(xí)模型損失；λ1和λ2為平衡因子。

為了將所開發(fā)的多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)用到現(xiàn)場小樣本場景下，本文采用元訓(xùn)練的方法對模型進行訓(xùn)練。模型無關(guān)元學(xué)習(xí)（MAML）作為一種小樣本學(xué)習(xí)范式，可以很好地適應(yīng)和泛化到訓(xùn)練期間從未遇到過的新任務(wù)和新環(huán)境［24］。MAML采用A-way K-shot的訓(xùn)練模式，可自適應(yīng)選擇最優(yōu)的初始化參數(shù)，進而使用這些參數(shù)快速調(diào)整模型以適應(yīng)數(shù)據(jù)量較少的新任務(wù)。MAML分為兩個階段：元學(xué)習(xí)和元測試。在元學(xué)習(xí)階段，從構(gòu)建的學(xué)習(xí)任務(wù)中獲得局部放電診斷和定位知識，并作為初始參數(shù)θ嵌入到基于多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的GIS局部放電診斷和定位模型中。在元測試階段，使用目標(biāo)任務(wù)的少量數(shù)據(jù)對初始參數(shù)θ進行微調(diào)。最后，通過微調(diào)模型實現(xiàn)小樣本下GIS局部放電診斷和定位。

圖3為MAML算法示意圖，其在元學(xué)習(xí)階段對初始參數(shù)進行優(yōu)化，在元測試階段對新的目標(biāo)任務(wù)進行微調(diào)，圖中Ti為任務(wù)集中的第i個任務(wù)。初始參數(shù)在元學(xué)習(xí)階段更新兩次，一次在內(nèi)部循環(huán)，一次在外部循環(huán)。在內(nèi)部循環(huán)中，使用從構(gòu)建的學(xué)習(xí)任務(wù)中訓(xùn)練基于多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的GIS局部放電診斷和定位模型。在外部循環(huán)中，使用幾個不同的樣本為每個任務(wù)驗證訓(xùn)練好的多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，以提供關(guān)于模型泛化性能的反饋，從而更新初始參數(shù)。

在內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)中，MAML的參數(shù)更新［25］過程如下

θ′=θ-αΔθLMILf（fθ）（6）

式中：θ為在該任務(wù)上更新得到的最優(yōu)參數(shù)；α為內(nèi)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)率；fθ為參數(shù)θ的內(nèi)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；LMTLf為某一具體任務(wù)上的損失；ΔθIMTLf（fθ）為損失梯度。

在外循環(huán)結(jié)構(gòu)中，MAML算法要求對新任務(wù)能夠快速地適應(yīng)。因此，要求最優(yōu)參數(shù)θ對所有不同任務(wù)的損失誤差最小，具體形式如下

minθ∑Ti～p（T）LMTLf（fθ′i）=

∑Ti～p（T）LMTLff（θ-αΔθLMTLf（fθ）） （7）

式中：p（T）為任務(wù)集的分布。

最后，MAML算法通過隨機梯度下降法即可完成參數(shù)θ的更新，其過程如下

θ=θ-βΔθ∑Ti～p（T）LMTLf（fθ′i）（8）

式中：β為元學(xué)習(xí)器的學(xué)習(xí)率。

1.3" GIS局部放電診斷與定位流程

本文提出的多任務(wù)元學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)以多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)為基準(zhǔn)模型，在挖掘兩個任務(wù)耦合關(guān)系的同時保留每一任務(wù)的差異，實現(xiàn)GIS局部放電高精度、高魯棒診斷與定位。同時以元訓(xùn)練的方式，將開發(fā)的多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)用到小樣本場景，尤其是現(xiàn)場數(shù)據(jù)匱乏的場景。整個模型以局部放電信號為輸入，對于局部放電診斷而言，模型輸出是所屬局部放電類型的概率；對局部放電定位而言，模型輸出是坐標(biāo)值，即局部放電位置的空間坐標(biāo)。本文所構(gòu)建的多任務(wù)元學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的GIS局部放電診斷與定位流程如圖4所示，具體過程如下。

（1）數(shù)據(jù)集劃分：構(gòu)建元訓(xùn)練集和元測試集。本文將實驗?zāi)M法和理論模擬法得到的數(shù)據(jù)集作為元訓(xùn)練集，將含有少量樣本的現(xiàn)場數(shù)據(jù)集作為元測試集。然后，依據(jù)A-way K-shot的方式，分別將元訓(xùn)練集和元測試集劃分為支撐集和查詢集。

（2）多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建：構(gòu)建本文提出的多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，兩個任務(wù)分別用于GIS局部放電診斷和定位。

（3）元學(xué)習(xí)和元測試：在元學(xué)習(xí)階段，從元訓(xùn)練集中獲得局部放電診斷和定位知識，并作為初始參數(shù)，嵌入到基于多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的GIS局部放電診斷和定位模型中。在元測試階段，使用元測試集對初始參數(shù)進行微調(diào)。最后，通過微調(diào)模型實現(xiàn)小樣本下GIS局部放電診斷和定位。

2" 案例分析

2.1" 局部放電數(shù)據(jù)集構(gòu)建

本文所提出的多任務(wù)元學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)以元訓(xùn)練集輔助實現(xiàn)現(xiàn)場小樣本場景下的局部放電診斷和定位。為獲得能夠?qū)W習(xí)局部放電診斷和定位知識的元訓(xùn)練集，本文構(gòu)建了局部放電仿真樣本集和實驗樣本集作為元訓(xùn)練集。對局部放電仿真樣本集，采用時域有限差分法，模擬GIS局部放電過程，并獲取不同類型和位置的局部放電信號［26］。仿真模型如圖5所示。腔體兩端設(shè)置為金屬封閉層，使其更加接近實際腔體金屬封閉結(jié)構(gòu)。為模擬實際測試中傳感器檢測特高頻信號，在絕緣子的澆注孔處設(shè)置探針作為觀測點，探針內(nèi)阻為50Ω，剖分單元為6mm×6mm×6mm，仿真時間步長為19.23ps，總仿真時間為192.28ns。仿真過程中模擬了GIS設(shè)備中4種常見的典型絕緣缺陷，分別為金屬尖端缺陷、自由金屬微粒缺陷、沿面放電和懸浮電極缺陷。不同缺陷類型下的局部放電樣本如圖6所示。最終獲取每一缺陷在不同位置的500組數(shù)據(jù)并構(gòu)建仿真樣本集。本文選擇如圖5所示的參考坐標(biāo)為原點，而后獲取整個GIS腔體內(nèi)不同坐標(biāo)數(shù)據(jù)以完成GIS局部放電定位。

為獲得足夠的局部放電實驗樣本用于訓(xùn)練模型，本文在實驗室搭建了一個252kV GIS局部放電實驗平臺，如圖7所示。由額定容量為100kV·A、額定電壓為252kV的無暈工頻實驗變壓器進行供電。將4個局部放電U-G2特高頻傳感器安裝到盆式絕緣子處以檢測局部放電信號，頻率范圍為0.3～1.5GHz，增益大于等于20dB。采用WavePro 254HD四通道數(shù)字示波器采集局部放電信號，該示波器采樣帶寬2GHz，最大采樣率20×109/s。實驗中，通過改變?nèi)毕菽Ｐ臀恢脕砟M不同位置的放電，將缺陷模型中心處記為局部放電的實際位置。除沿面放電缺陷外，其他3類缺陷模型均固定在絕緣支架上。此支架可伸縮，為此可通過移動支架位置并改變支架的伸縮模擬不同位置的局部放電。具體而言，首先固定支架位置，然后伸縮支架6次，記錄每一次缺陷的具體位置并進行局部放電實驗，保存相應(yīng)的局部放電信號。然后改變支架的固定位置，重復(fù)上述工作多次，即可獲取多組組局部放電信號。對沿面放電而言，首先選擇不同的盆式絕緣子進行實驗，然后在每一盆式絕緣子上改變?nèi)毕菥唧w位置來獲取局部放電樣本。隨機選擇某一局部放電源位置下4個特高頻傳感器檢測到的局部放電信號，如圖8所示，最終獲取每一缺陷在不同位置的300組數(shù)據(jù)構(gòu)建實驗樣本集。

元測試集為最終要實現(xiàn)的現(xiàn)場小樣本場景下的GIS 局部放電樣本。現(xiàn)場數(shù)據(jù)來源于某電力公司多年來運行檢修積累的數(shù)據(jù)，以及對多臺長期運行的GIS進行測試所獲得的數(shù)據(jù)。為獲取GIS 局部放電現(xiàn)場樣本，該電力公司關(guān)注掛網(wǎng)運行多年且檢測到局部放電的GIS，加強監(jiān)測并獲取了從局部放電出現(xiàn)到停電檢修的整個周期內(nèi)的運行數(shù)據(jù)。最終獲取每一缺陷在不同位置下的50組數(shù)據(jù)作為元測試集。

2.2" 實驗設(shè)置

本文所有方法都是在硬件環(huán)境為Intel 10700F、NVIDIA RTX 3080Ti、32GB RAM的計算機上實現(xiàn)的。此外，所有模型都是基于Python 3.8、Pytorch 1.8.1和CUDA 10.2構(gòu)建的。采用動量為0.9、權(quán)重衰減為5×10－4的隨機梯度下降優(yōu)化器進行參數(shù)更新。平衡因子λ1和λ2在［0.1， 1］中憑經(jīng)驗搜索以獲得最佳結(jié)果，迭代次數(shù)和批量大小分別設(shè)置為120和32，初始學(xué)習(xí)率為0.01。在元訓(xùn)練和元測試中，支撐集與查詢集的劃分比例分別為8∶2和1∶1。本文中的所有結(jié)果均為通過15次實驗進行平均獲得，以減少隨機性誤差帶來的影響。為評估本文方法在GIS 局部放電診斷和定位上的性能，選擇診斷準(zhǔn)確率、定位平均誤差和均方根誤差作為評價指標(biāo)。

為驗證本文提出的多任務(wù)元學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)（MTMLN）在GIS局部放電診斷與定位上的優(yōu)勢，選擇了如下方法進行對比實驗。

（1）單任務(wù)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)（STLN）：網(wǎng)絡(luò)的特征提取器結(jié)構(gòu)與本文相同，區(qū)別在于將局部放電診斷與定位作為兩個獨立的任務(wù)進行。為保證公平與客觀性，訓(xùn)練也采用元學(xué)習(xí)的方法。

（2）直接訓(xùn)練（DT）：網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)與本文相同，差別僅在于采用傳統(tǒng)方法直接訓(xùn)練。

（3）域適應(yīng)多任務(wù)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)（DAMLN）：網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)與本文相同，差別僅在于采用域適應(yīng)遷移學(xué)習(xí)進行訓(xùn)練。

（4）特定任務(wù)層無注意力模塊（TLWAM）：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中在特定任務(wù)層中去掉注意力模塊，其他部分和訓(xùn)練過程與本文相同。

（5）聯(lián)合損失卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（JLCNN）：特征提取器和訓(xùn)練方法與本文方法相同，其余部分與文獻［27］相同。

2.3" 結(jié)果與分析

首先，本文研究不同元訓(xùn)練集對現(xiàn)場小樣本GIS 局部放電診斷和定位的影響。為此，本文分別將仿真樣本、實驗樣本和仿真+實驗樣本作為元訓(xùn)練集進行實驗，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，以仿真加實驗樣本作為元訓(xùn)練集的GIS 局部放電診斷精度最高，定位平均誤差和均方根誤差最低。以仿真樣本作為元訓(xùn)練集的診斷精度低于以實驗樣本作為元訓(xùn)練集，定位平均誤差和均方根誤差高于以實驗樣本作為元訓(xùn)練集。主要原因是，理想化的仿真樣本相對于實驗樣本而言未考慮運行條件和背景噪聲的影響，所學(xué)到的輔助知識與現(xiàn)場差異更大。另外，將仿真+實驗樣本作為元訓(xùn)練集能夠?qū)W習(xí)更多的輔助知識，同時樣本數(shù)量更大，其代表性和全面性更強，從而提升了現(xiàn)場小樣本下的GIS 局部放電診斷精度，降低了定位誤差。另外，從表1可以看出，隨著支撐集樣本數(shù)量的增加，MTMLN方法的診斷精度均有提升，定位平均誤差和均方根誤差均有所降低。但是，當(dāng)支撐集樣本數(shù)量達到10后，診斷精度的增加變得平緩，定位平均誤差和均方根誤差的降低也不再明顯。考慮到現(xiàn)場樣本稀缺，本文后續(xù)均選擇支撐集樣本數(shù)為10進行分析。

表2給出了不同方法的現(xiàn)場GIS局部放電診斷和定位結(jié)果。從表2中可以看出，本文MTMLN方法的診斷精度達到了94.53%，定位平均誤差和均方根誤差分別為10.78cm和12.97cm。相比于STLN診斷精度提升了4.97%，定位平均誤差降低了3.78cm，均方根誤差降低了4.35cm。可以看出，本文方法在挖掘局部放電診斷與定位兩個任務(wù)的耦合關(guān)系的同時，能夠提升GIS 局部放電診斷和定位兩個任務(wù)的性能。另外，相對于GIS局部放電診斷而言，多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)在GIS 局部放電定位上的性能提升更為明顯，可見多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)提出的必要性。

從不同訓(xùn)練方法的角度來看，與DT方法相比，MTMLN方法的診斷精度提升了58.28%，定位平均誤差降低了10.27cm，均方根誤差降低了11.66cm。此時，DT方法難以實現(xiàn)現(xiàn)場小樣本GIS 局部放電診斷和定位，這主要和深度模型的訓(xùn)練需要充足的樣本有關(guān)。與DAMLN方法相比，MTMLN方法的診斷精度提升了14.9%，定位平均誤差降低了7.67cm，均方根誤差降低了8.22cm。盡管DAMLN方法的診斷和定位性能相對于DT方法均有少許提升，但是仍無法滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。主要原因是，域適應(yīng)訓(xùn)練方法在訓(xùn)練過程中盡管降低了對目標(biāo)域樣本數(shù)量的需求，但是相對于元學(xué)習(xí)而言其樣本需求量依然較大。

另外，從不同的多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)對比來看，與JLCNN方法相比，MTMLN方法的診斷精度提升了2.48%，定位平均誤差降低了1.49cm，均方根誤差降低了1.71cm。由于JLCNN方法中沒有特定任務(wù)層，而是將任務(wù)共享層提取的特征直接進行診斷和定位，忽略了兩個任務(wù)的差異化提取，導(dǎo)致模型性能下降。與TLWAM方法相比，MTMLN方法的診斷精度提升了1.67%，定位平均誤差降低了1.23cm，均方根誤差降低了1.18cm。可見，在特定任務(wù)層將3個注意力模塊在3個位置鏈接到任務(wù)共享層的不同深度，自動為每個任務(wù)從淺到深選擇重要特征，有效提升了整個模型的性能。

為了進一步驗證不同方法在GIS 局部放電診斷上的性能，圖9給出了不同方法的混淆矩陣。從混淆矩陣中可以看出，相比于其他方法，本文提出的MTMLN方法提升了在每一類缺陷上的診斷精度。另外，所有方法在沿面放電的診斷精度最低，在懸浮放電上的診斷精度最高，這與放電機理相關(guān)［9］。圖10給出了不同方法的二維特征可視化結(jié)果，可以看出，相比于DT方法，盡管DAMLN方法能夠拉遠異類樣本，拉近同類樣本，但是不同類別間的混疊依然嚴(yán)重。相比于STLN方法，本文MTMLN方法在拉近同類樣本的同時，盡可能使得異類樣本遠離，分類邊界更加清晰。這進一步看出多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)在GIS 局部放電診斷上的優(yōu)勢。

圖11給出不同方法在現(xiàn)場GIS 局部放電定位上的累積概率密度。由圖可以看出，MTMLN方法在誤差10cm的累積概率密度可達93%，相比于其他方法有明顯提升。與STLN方法相比，MTMLN方法的累積概率密度曲線一直高于STLN方法，可見通過挖掘局部放電診斷與定位兩個任務(wù)的耦合關(guān)系能夠有效提升GIS 局部放電定位的精度。與JLCNN方法和TLWAM方法相比，MTMLN方法的累積概率密度曲線也一直高于這兩種方法，可見除了挖掘兩個任務(wù)的耦合關(guān)系外，在特定任務(wù)層中挖掘每個任務(wù)的差異化特征也是提升多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。

表3給出了6種方法不同缺陷類型下的GIS 局部放電定位結(jié)果。可以看出，在所有方法中，沿面放電的平均誤差和均方根誤差最低。這主要是沿面放電僅發(fā)生在盆式絕緣子上，此時缺陷位置在x軸上坐標(biāo)跨度小，從而導(dǎo)致其具有更小的平均誤差和均方根誤差。同時，自由金屬微粒的平均誤差和均方根誤差要略高于其他缺陷。這主要和微粒的運動有關(guān)，當(dāng)施加電壓時微粒的跳動會影響位置的判斷。另外，金屬尖端和懸浮電極缺陷的定位平均誤差和均方根誤差的規(guī)律相近。可見，GIS 局部放電位置與缺陷類型之間存在著聯(lián)系。

3" 結(jié)" 論

（1）提出了多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)GIS局部放電高精度診斷和定位。所提出的雙任務(wù)網(wǎng)絡(luò)能夠充分挖掘兩個任務(wù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系并保留每一任務(wù)的差異特征，在GIS 局部放電診斷上的準(zhǔn)確率達到94.53%，定位平均誤差和均方根誤差分別為10.78cm和12.97cm。與單任務(wù)網(wǎng)絡(luò)相比性能提升明顯，為GIS 局部放電診斷和定位提供了新穎的解決思路。

（2）提出了元訓(xùn)練的方式，將開發(fā)的多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)用到現(xiàn)場數(shù)據(jù)匱乏的場景。與直接訓(xùn)練和域適應(yīng)訓(xùn)練相比，在支撐集數(shù)量為10時便可實現(xiàn)滿意的診斷精度和定位性能。在GIS 局部放電診斷上，相比于直接訓(xùn)練將所有樣本混疊在一起，元訓(xùn)練能夠在拉近同類樣本的同時，盡可能使得異類樣本遠離，分類邊界更加清晰。

（3）探究了元訓(xùn)練集對模型性能的影響，確定了元訓(xùn)練集的選取原則。不僅元訓(xùn)練集樣本的全面性和代表性是限制模型性能的重要因素，而且元訓(xùn)練集與元測試集間的分布差異也是影響模型性能的重要指標(biāo)。以仿真樣本作為元訓(xùn)練集，由于理想化的仿真樣本相比于實驗樣本而言，未考慮運行條件和背景噪聲的影響，所學(xué)到的輔助知識與現(xiàn)場差異比實驗樣本集更大，導(dǎo)致其診斷和定位性能不如實驗樣本集。以仿真+實驗樣本作為元訓(xùn)練集的GIS 局部放電診斷和定位性能最好。

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（編輯" 杜秀杰）