基于支持向量機(jī)的絕緣子污穢度在線監(jiān)測的研究

張 偉， 許安杰， 楊中亞

(1.國網(wǎng)儀征供電公司，江蘇 儀征 211400； 2.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167； 3. 國網(wǎng)宿遷供電公司，江蘇 宿遷 223800)

0 引言

電力設(shè)備污閃已成為影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的問題。雖然雷電災(zāi)害在電力系統(tǒng)中發(fā)生的概率很大，但據(jù)有效數(shù)據(jù)顯示污閃事故緊隨其后，并且絕緣子污閃事故覆蓋的范圍也非常廣，造成的經(jīng)濟(jì)損失大約是雷電災(zāi)害的10倍[1]。為了保障廣大電網(wǎng)用戶的用電，電網(wǎng)公司增強(qiáng)了輸變電設(shè)備的外絕緣，起到了一定程度預(yù)防污閃的作用。但是，隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電壓等級的提高導(dǎo)致現(xiàn)有的技術(shù)無法完全預(yù)防電力設(shè)備污閃問題。目前國內(nèi)外對于電力設(shè)備污穢度的在線監(jiān)測研究還處于起步階段，傳統(tǒng)的污穢度在線監(jiān)測存在著很大的局限性，當(dāng)泄漏電流、環(huán)境參數(shù)發(fā)生改變時，系統(tǒng)輸出的污穢度程度會出現(xiàn)偏差[2]。本文提出的基于支持向量機(jī)(SVM)的在線監(jiān)測能有效地避免以上缺陷。本文通過光傳感器測鹽密，并通過搭建支持向量機(jī)模型，構(gòu)建污穢度和光功率損耗、溫度、濕度之間的關(guān)系，并通過測試驗(yàn)證了其可靠性。

1 光纖污穢傳感器原理

1.1 污穢度表示方式

污穢度表示方式有表面污層電導(dǎo)率法、污閃梯度法、泄露電流法、等值附鹽密度法[3]。表面污層電導(dǎo)率法對絕緣子的污穢度表示很精確，但測量過程是在不帶電的情況下完成的，難以準(zhǔn)確反映其運(yùn)行狀態(tài)。污閃梯度法的測量條件很苛刻，難以捕捉合適的測量時機(jī)，所需的各種材料消耗成本也較高。泄露電流法能將電壓、污穢、氣候和絕緣子污閃問題聯(lián)系起來，但其測量值為電網(wǎng)運(yùn)行過程中的動態(tài)參數(shù)，不易測量，所以不具備通用性。等值附鹽密度法操作簡單，所需設(shè)備和花費(fèi)都不高。綜合比較上述4種方法，本文采用等值附鹽密度法來人工測量污穢度。

1.2 光纖傳感器工作原理

文中的光纖傳感器是指高純度石英棒，當(dāng)石英棒暴露在空氣中時，把它看成一個以石英棒為核心，以空氣為包層的光波導(dǎo)。當(dāng)光能通過光波導(dǎo)時，會產(chǎn)生吸收、散射、和輻射3種損耗。前兩種損耗產(chǎn)生的原因是污穢物顆粒，光能在光波導(dǎo)中的傳輸損耗主要是這兩種損耗。當(dāng)石英棒表面清潔時，照射到光波導(dǎo)中，沒有了污穢度顆粒的阻攔，大部分光能均能在石英棒中傳輸，光波傳輸中的光能損耗很小。當(dāng)石英棒表面有污染物顆粒時，照射到光波導(dǎo)中，由于有了污穢物顆粒的阻攔，導(dǎo)致了光能損耗，此時，傳感器表面鹽分的多少能由光功率損耗率η間接表示。其工作原理圖如圖1所示。污穢度越高，在光纖傳感器表面附著的污穢度顆粒越多，其吸收損耗和散射損耗越大，最終導(dǎo)致光功率損耗率η越大。

圖1 光纖傳感器工作原理圖

2 基于支持向量機(jī)的鹽密測量

2.1 污穢度等級分級

為了更方便地表示污穢情況,我們把污穢度分為正常狀態(tài)、一般狀態(tài)、超一般狀態(tài)和嚴(yán)重狀態(tài)4個狀態(tài)等級, 分別簡稱為1級、2級、3級和4級，描述如下:當(dāng)絕緣子表面為正常狀態(tài)時，泄漏電流值幾乎不受環(huán)境因素變化的影響，當(dāng)電網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)時，絕緣子幾乎無泄露電流產(chǎn)生; 當(dāng)絕緣子表面為一般狀態(tài)時，在電網(wǎng)正常運(yùn)行時，絕緣子可能產(chǎn)生零星局部電弧,當(dāng)環(huán)境參數(shù)不變時,泄漏電流與絕緣子表面污穢程度成正比例關(guān)系; 當(dāng)絕緣子表面為超一般狀態(tài)時，絕緣子會呈現(xiàn)出間歇小電弧狀態(tài),在潮濕天氣時, 絕緣子表面的污穢程度與泄漏電流有效值成正比例關(guān)系;當(dāng)絕緣子表面為嚴(yán)重狀態(tài)時，絕緣子處于閃絡(luò)狀態(tài)的極限點(diǎn),在這種情況下, 為防止發(fā)生沿面閃絡(luò)事故，應(yīng)該安裝絕緣保護(hù)裝置。

2.2 數(shù)據(jù)樣本獲取

由文獻(xiàn)[4]可知，絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的原因是絕緣子表面污穢中的鹽分。本文用絕緣子表面鹽密的大小間接表示絕緣子污穢度大小。當(dāng)絕緣子表面鹽密的大小不變時，溫度和濕度對光功率損耗的變化會造成一定的影響，故將溫度，濕度與光功率損耗率作為變量。本文的污穢樣本的獲取采用自配污穢液的方法，將清潔的石英棒放入配置的污穢液中，記錄污染前后光功率值，計算出光功率損耗值，并對污穢石英棒表面鹽密進(jìn)行人工測量，并將記錄此時對應(yīng)的環(huán)境溫濕度值。

為了使數(shù)據(jù)更具有可靠性，對環(huán)境溫濕度及污穢液濃度做一定改變進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，本文共配制50組樣本，其中的訓(xùn)練樣本為40組，測試樣本為10組，4個污穢度等級各配制10組樣本，每個污穢度等級對應(yīng)的10組樣本測量鹽密時的溫度和濕度分布均勻，光功率損耗率計算公式如下：

(1)

式中：Pin與Pout分別代表輸入石英管的光功率和輸出石英管的光功率。溫度、濕度、光功率損耗率和污穢度等級的變化范圍見表1。

表1 各變量變化范圍

2.3 支持向量機(jī)模型

支持向量機(jī)(SVM)[5]的基本思想為尋找一超平面，該超平面可以最優(yōu)化平面兩側(cè)的區(qū)域間隔[6]。

構(gòu)造樣本集{xi,yi}，i=1,2,…，l,其中xi為樣本輸入數(shù)據(jù)，yi為輸出數(shù)據(jù)。支持向量機(jī)的學(xué)習(xí)目標(biāo)為在n維數(shù)據(jù)空間中找到某一分類超平面，構(gòu)造如下函數(shù)：

f(x)=ωTφ(x)+b

(2)

式中：ω為超平面法向量；φ(x)為將樣本向量映射到高維特征空間的映射函數(shù)；b為偏移量。利用二次優(yōu)化[7]，將上式轉(zhuǎn)化為如下最優(yōu)解問題：

(3)

約束條件為：

yi=ωTφ(xi)+b+ξi(i=1,…,l)

(4)

由于ω維數(shù)較高難以直接求解，則引入拉格朗日函數(shù)：

L(ω,b,ξ,α)=J(ω,ξ)-

(5)

式中：α為引入拉格朗日乘子，并利用庫恩-塔克條件列出約束方程：

(6)

式中：i=1,2,…，l。消去結(jié)果中ω與ξ，保留α與b，可得:

(7)

式中：y=[y1,…,yl]T,ll=[1,…,1]T,α=[α1,…,αl]T，H為正定矩陣，其中元素hij=yi(K(xi,xj)+δijγ-1)，δij為克羅內(nèi)克函數(shù)。通過求解上述方程組可得到α與b，便得到模型：

αiK(x,xi)+b

(8)

本文的核函數(shù)選用高斯徑向基函數(shù)：

(9)

實(shí)驗(yàn)研究軟件選用 LSSVMLAB[8]。在利用支持向量機(jī)進(jìn)行建模訓(xùn)練時，最需要關(guān)注的參數(shù)是懲罰參數(shù)γ和核參數(shù)σ，尋找最佳γ和σ的組合問題實(shí)際上是最佳模型選擇問題。根據(jù)驗(yàn)證方法得到模型最優(yōu)解為懲罰參數(shù)γ=10，核參數(shù)σ=0.55。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用相對誤差公式作為模型性能評價公式來評價模型準(zhǔn)確度：

(10)

式中：Q(i)為算法測量鹽密值，T(i)為實(shí)測鹽密值，其單位為mg·cm-2，誤差越小表示模型輸出越準(zhǔn)確。將測試樣本10組數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練完成的支持向量機(jī)模型中，得到每個樣本條件下鹽密的算法測量值，表2列出了部分鹽密實(shí)測值與算法測量值對比情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，支持向量機(jī)測量鹽密測量誤差和傳統(tǒng)測量方法誤差相差不大，支持向量機(jī)用來測量絕緣子污穢度具有可靠性和有效性。

表2 支持向量機(jī)鹽密輸出結(jié)果對比

3 絕緣子污穢度在線監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成，能夠?qū)旊娋€路絕緣子全天實(shí)行在線監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)能上傳到數(shù)據(jù)庫，存儲并繪制污穢度曲線。

3.1 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件部分由電源模塊、傳感器模塊、時鐘電路和核心處理器等組成。

在輸電線路桿塔上每隔一定距離安裝一臺監(jiān)測終端，每臺終端對本區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度和鹽密進(jìn)行監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)接收處理后傳入核心處理器，最終通過GSM模塊發(fā)送到系統(tǒng)后臺。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件部分采用Visual C++作為編程開發(fā)語言，SQL Server2008作為數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫。硬件設(shè)備接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后傳輸?shù)较到y(tǒng)，系統(tǒng)程序?qū)?shù)據(jù)分析處理后輸出污穢度等級曲線顯示在電腦上供查閱。

4 結(jié) 論

本文提出了基于支持向量機(jī)的絕緣子污穢度在線監(jiān)測，用光纖傳感器作為污穢度測量的媒介，將支持向量機(jī)需要的樣本數(shù)較少，可高效訓(xùn)練樣本的優(yōu)點(diǎn)與絕緣子污穢度測量聯(lián)系起來，通過光功率損耗率、溫度、濕度和絕緣子污穢度等級在支持向量機(jī)中建立聯(lián)系，最終實(shí)現(xiàn)污穢度在線監(jiān)測的功能。