一种基于改进支持向量机的变压器绝缘状态诊断方法与流程

1.本发明设计一种基于改进支持向量机的变压器绝缘状态诊断方法，属于电力设备绝缘状态评估技术领域。


背景技术：

2.当今时代，电能是人民基本生活与工作重要依靠，电网的规模越来越大，所以保障电力设备安全稳定运行是电网安全的基础。变压器油纸绝缘系统因老化而失效可能导致停电，给社会造成巨大的经济损失。
3.在早期，我国一般都是等到变压器出现了某种故障后才进行处理以及检修。这样难以预测故障、判断故障发生的位置以及故障所影响的程度，也会给电网的运行产生了很多不安全因素和隐患。此外，定期关闭正在运行的电气设备并进行相关检查是不可行的。由于这种方法具有盲目性和强制性，没有充分考虑电力设备的实际运行状态，会浪费大量的人力物力，所以并不可取。
4.进入二十世纪中叶，实时在线监测技术和检修技术日趋成熟，变压器在线数据监测用于故障诊断是科学的，变压器在线故障诊断已成为一种发展的潮流。可以通过分析变压器工作状态与运行的参数，并且调用出其检修历史和出厂信息，拥有这些数据我们就可以判断出变压器处于哪种故障。目前变压器故障诊断的主流方法是通过变压器油中溶解的气体种类，以及其油中溶解的含量，通过对变压器油中溶解的气体进行色谱分析，可以确定变压器绝缘的局部状态甚至整体状态，从而及时反映出故障类型，这样可以使维修人员方便、及时的排除故障并且进行维修。然而，由于变压器故障原因具有随机性、模糊性和不确定性，所以仅凭变压器油中气体的含量来诊断变压器的故障状态是有局限性的。由于单一的溶解气体分析信息源并不能够完全的反映出变压器所处的故障状态。当发生某种故障时，此故障的状态与多个信息数据有关，或者一种信息数据反映了多个故障，此外变压器的不同的故障状态可能同时存在。所以在我们了解了这些特性后，我们有必要建立一个基于多源信息的故障诊断模型来识别设备的状态。如果出现故障，变压器所处于的故障是可以通过各个单个部件的信息状态来反映。同时，随着我国电气工业的人工智能的发展，电力变压器监控系统的计算机化技术发展日益成熟，我们也能够更方便地获取变压器的数据。基于这种情况，我们可以选出变压器中合适的数据指标，建立由多种变压器信息重合的变压器故障诊断模型，由此可以诊断出变压器所处于的故障。
5.变压器故障诊断的多源信息融合就是将各种监测得到的变压器的信息和数据，按照一定的优化的准则，将多源的信息进行组合，最后对变压器故障以及产生的原因进行系统的解释和描述。这不仅分析了变压器主要绝缘部位绝缘油状况与变压器故障的关系，还分析了绝缘油老化过程中特征产物产生的原理，所以建立变压器油纸绝缘故障的诊断模型，来诊断变压器的故障。
6.支持向量机是一种新型的学习模型，它主要用于解决问题的分类以及回归。支持向量机的思想是将低维度非线性不可分的问题转化为高维度线性可分问题，这样处理问题
变的更加快速也减小了难度。因此，发明一种基于改进支持向量机的变压器绝缘诊断方法极为重要。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于改进支持向量机的变压器绝缘状态诊断方法，是因为变压器的老化和受潮均会对变压器的绝缘性能产生影响，而面对多源信息，很难做出绝缘状态的诊断，因此提出使用改进支持向量机，将变压器的环境变量——微水含量、环境温度、老化天数等以及所采用的回复电压法实验特征量——初始斜率、回复电压峰值、峰值时间进行多源信息融合，预测未知变压器模型油浸纸板的聚合度，进而达到对变压器绝缘状态的检测。
附图说明
8.根据结合附图的以下描述，将更充分地理解本发明的其他优点、特征和细节。
9.图1是改进支持向量机的运行流程图；
10.图2是回复电压法测试流程图；
11.图3是改进支持向量机的预测值与实际值的相对误差图。
具体实施方式
12.本发明的具体实施如下：
13.一种基于改进支持向量机的变压器绝缘状态诊断方法，包括以下步骤：
14.s1：采用直流电源、绝缘测试用电极箱、静电计6517b等设备采集到相关的图像；
15.s2：利用labview软件对图像相关参数进行提取；
16.s3：对实验特征量进行预处理；
17.s4：利用matlab软件进行编程，搭建支持向量机运行模型，并对算法进行改进；
18.s5：将预处理后的数据放入训练好的模型中处理，并根据已知数据对未知参数进行预测。
19.所述步骤s1采用时域介电响应测试方法——回复电压法，对实验图像进行采集。
20.所述步骤s2利用labview软件对图像相关参数进行提取，主要参数为初始斜率、回复电压峰值、峰值时间以及环境变量，环境温度，老化天数以及微水含量等进行采集。
21.所述步骤s3对实验特征量进行预处理，数据预处理的主要方法有基于粗糙集理论的约简方法；基于概念树的数据浓缩方法；信息论思想和知识发现；基于统计分析的属性选取方法；遗传算法。而常见的数据预处理方法有：数据清洗、数据集成、数据变换和数据归约：
22.(1)数据清洗(data cleaning)：数据清理的目的不仅仅是消除错误、冗余和数据噪声。目标是协调根据不同的、不兼容的规则生成的各种数据集即去无关数据和噪声；
23.(2)数据集成(data integration)是指在多文件或多数据库操作环境中，对异构数据进行合并，以解决语义模糊问题。这部分主要涉及数据选择、数据冲突和不一致数据处理即将多个数据源中的数据结合起来存放在一个一致的数据存储中；
24.(3)数据变换(data transformation)：寻找数据的特征表示。使用维度变换或变
换(包括规范化、切换和投影)减少有效变量的数量或查找数据的不变量即把原始数据转换成为适合数据挖掘的形式；
25.(4)数据归约(data reduction)：基于对发现任务和数据本身内容的理解，数据缩减寻求依赖于发现目标的表达数据的有用特征，以缩减数据模型，从而在尽可能保留原始外观的同时最小化数据量。数据库中的属性和记录有两种主要方法：属性选择和数据采样压缩数据即压缩数据。
26.所述步骤s4利用matlab软件进行编程，搭建支持向量机运行模型，并对算法进行改进，可得计算公式如下：
27.支持向量机的数据可以表示为yi要么是1要么是-1，表示xi属于哪一类。每个xi是表示数据点的所有特征值(变量)的p维向量。将yi＝1的xi向量组与yi＝-1的向量组最佳分离的超平面是：
[0028][0029]
其中，是超平面的法向量，b是超平面与原点的偏移量，即截距。如果数据点是线性可分的，则硬边距(hard margin)可以表示为：
[0030][0031]
从数学上讲，给定一组点xi，它们属于两个线性可分的类w1和w2，任何数据点到超平面的距离等于|g(x)|与||ω||的比值，支持向量机的构建超平面主要的目的是寻找ω，b，对于最近的属类w1的数据点(支持向量)，g(x)等于1，离w2最近的是-1。因此有：
[0032][0033]
这就涉及到了了一个最小化目标函数的优化问题：
[0034][0035]
而超平面的约束条件：
[0036]
s.t.yi(ω
t
x b)≥1(ξ≥0,i＝1,2
···
n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0037]
由拉格朗日函数可得：
[0038][0039]
其中，ω，b称为原始变量，λi称为朗格朗日乘数。这些乘数因此将解的搜索空间限制在可行值的集合内，给定约束。在不等式约束的存在下，karush-kuhn-tucker(kkt)条件得到了广泛应用，由于等式满足kkt条件则：
[0040][0041]
根据式(6)和式(7)的约束条件，即可将寻找最优分类面的问题变为凸二次规划对偶问题的最优化问题：
[0042][0043]
其中，λi≥0为拉格朗日算子，这是一个二次函数寻优的问题存在唯一解。若λ
i*
为最优解则满足：
[0044][0045]
其中，λi为不为零的样本，即支持向量。b*为分类阈值，约束条件为：
[0046][0047]
求解，求解后可得最优分类面：
[0048][0049]
式中，求和事实上只对支持向量进行，由于非支持向量相应的λi值等于0。上式即为svm的一般表述。
[0050]
在实际问题中，对于最优分类面不能把两类点完全分开时，为了在经验风险和推广性能中间求得平衡，则引入容错性，即增加一个非负的松弛变量ζ，将其作为对错分样本的“罚款”数。此时的分类面满足：
[0051]
ω
·
x b＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0052][0053]
当0＜ζi时，样本点i分类正确；当时，样本点x被错分。因此原目标函数0.5||ω||2中增加惩罚项，目标函数变为：
[0054][0055]
其中，c为常数，ζi为惩罚因子。与线性可分情况大致相同，式(15)可通过以下二次规划实现：
[0056][0057]
该算法采用高斯核函数，rbf核函数：
[0058]
k(x,xi)＝exp(-γ*||x-xi||2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0059]
对于非线性分类问题，一旦初始空间中的简单最优分类面的分类结果不令人满意，那么可将初始空间非线性转变为更高维度空间的线性问题，在该高维空间求取最优分类面。利用所推导的公式进行matlab编程，将已有数据进行训练，如图1为改进支持向量机流程图。
[0060]
所述步骤s5将预处理后的数据放入训练好的模型中处理，并根据已知数据对未知
参数进行预测，利用已知聚合度，对未知油浸纸板的参数进行预测，进而到达对变压器绝缘状态诊断的目的。
[0061]
本发明的有益效果：
[0062]
首次提出将改进支持向量机与回复电压法相结合，在无需吊芯取样破坏变压器正常运行的情况下，采用算法的方式对其油浸纸板的聚合度进行预测。回复电压的峰值、峰值时间及初始斜率都是绝缘老化的重要参数，本发明的诊断方法较为简单、容易。本发明可以广泛在各种变压器油纸绝缘老化诊断中应用。
[0063]
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。