基于多層向量機(jī)的變壓器故障診斷

方森田

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東廣州510000）

0 引言

電力變壓器油中溶解的氣體種類與它的絕緣故障類型有著密切的聯(lián)系。在運(yùn)行電壓下，變壓器油與固體絕緣材料會(huì)因?yàn)殡姛岬裙收下l(fā)生劣化分解，并且油中會(huì)產(chǎn)生很少數(shù)量的各類低分子烴及CO、CO2等氣體。故障類型的不同會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生氣體的種類、含量、比例甚至產(chǎn)氣速率均不相同[1]。油中溶解氣體分析（Dissolved Gas Analysis，DGA）是一種通過(guò)在線檢測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器油中溶解的超出限值的特征氣體，以識(shí)別變壓器內(nèi)部故障的方法。如何構(gòu)建變壓器故障診斷模型，利用變壓器油中特征氣體的相關(guān)數(shù)據(jù)精確判斷出故障類別和程度，提高故障診斷的準(zhǔn)確率，是變壓器故障診斷的重要研究方向[2]。

1 基于DGA技術(shù)的變壓器故障診斷原理

變壓器故障大致上分為電性故障、熱性故障和機(jī)械故障三類，通常以前兩者為主。除去因電磁力的影響或者因?yàn)榘徇\(yùn)過(guò)程中受振而導(dǎo)致的物理?yè)p壞等，其余的機(jī)械故障仍然是以電性故障或熱性故障的形式表現(xiàn)出來(lái)。變壓器在電弧放電的大電流作用下集中分解出C2H2、H2和少數(shù)C2H4；而在局放的小電流作用之下，主要分解出H2、C2H4；絕緣油受高溫作用時(shí)分解出H2、C2H4、C2H2等；一些固體材料受高溫作用時(shí)分解出CO、CO2?！蹲儔浩饔蜕V分析與判斷導(dǎo)則》（GB/T 7252—2001）中詳細(xì)列出了變壓器不同內(nèi)部故障產(chǎn)生的特征氣體的主要成分和次要成分[3]。因此，變壓器內(nèi)部故障與特征氣體成分息息相關(guān)，可根據(jù)油浸式變壓器油中溶解氣體的特征，判別故障是否在變壓器內(nèi)部出現(xiàn)，并采用改良三比值法等算法進(jìn)行故障診斷。

2 基于多層向量機(jī)的變壓器故障診斷模型構(gòu)建

為解決傳統(tǒng)三比值法存在比值編碼組合不足和編碼邊界模糊的缺陷，提出了基于多層向量機(jī)的變壓器故障診斷模型，采用網(wǎng)格搜索算法對(duì)模型懲罰因子C和核函數(shù)參數(shù)g進(jìn)行尋優(yōu)。

（1）故障特征量選取：不同氣體對(duì)象在變壓器故障診斷分析中起不同作用。判斷熱源溫度和是否出現(xiàn)局部放電或受潮的依據(jù)是H2含量；CH4、C2H4和C2H6等烴類氣體含量是判斷熱源溫度的主要依據(jù)；C2H2含量主要用來(lái)判斷是否出現(xiàn)放電或高溫?zé)嵩矗籆O含量主要用來(lái)判斷固體絕緣材料有無(wú)發(fā)生熱分解；CO2含量主要用來(lái)判斷固體絕緣材料的老化程度或平均溫度。因此，本文選取H2、CH4、C2H2、C2H4和C2H6作為故障特征量。

（2）分類模型確定：本文將變壓器狀態(tài)分為4類，即正常狀態(tài)、熱故障、低能放電、高能放電。考慮采用基于二叉樹(shù)法的SVM多分類算法構(gòu)建分類模型，將變壓器的4種狀態(tài)區(qū)分出來(lái)。對(duì)于4種變壓器狀態(tài)的所有樣本，通過(guò)訓(xùn)練SVM1將正常狀態(tài)與其他3種故障類型的樣本區(qū)分開(kāi)來(lái)，從而得到基于支持向量機(jī)的多層分類模型，如圖1所示。

圖1 基于支持向量機(jī)的多層分類模型

（3）樣本數(shù)據(jù)收集劃分：根據(jù)上文選定的故障特征量和故障類別的情況，對(duì)相關(guān)公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)中的油浸式變壓器氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分類，可得120組變壓器特征氣體數(shù)據(jù)，其中包括10個(gè)正常狀態(tài)樣本，54個(gè)熱故障樣本，18個(gè)低能放電樣本以及38個(gè)高能放電樣本。

（4）參數(shù)尋優(yōu)：網(wǎng)格搜索算法（Grid Search）的基本原理是在給定參數(shù)的變化范圍內(nèi)，按照不同的增長(zhǎng)方向，以設(shè)定好的步長(zhǎng)遍歷范圍內(nèi)的所有點(diǎn)，相當(dāng)于形成了一個(gè)二維的網(wǎng)格。利用交叉驗(yàn)證的概念，每一對(duì)參數(shù)組合求出判斷函數(shù)的值，比較每一個(gè)參數(shù)組合的分類準(zhǔn)確率，再選出分類精確率最高的那組參數(shù)[4]。

（5）模型構(gòu)建：從原始的DGA氣體數(shù)據(jù)中提取特征氣體含量數(shù)據(jù)，構(gòu)成4類變壓器狀態(tài)下的原始數(shù)據(jù)樣本，然后按大致7:3的比例從樣本集中隨機(jī)抽樣組成訓(xùn)練集和測(cè)試集。根據(jù)交叉驗(yàn)證的思想，應(yīng)用兩種算法對(duì)該SVM分類模型進(jìn)行優(yōu)化，選取最優(yōu)懲罰因子C和核函數(shù)參數(shù)g，從而得出一個(gè)診斷精度較高的故障診斷分類模型，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的故障診斷分類模型

3 仿真分析

在MATLAB中使用LIBSVM工具箱對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，采取網(wǎng)格搜索算法對(duì)懲罰因子C和核函數(shù)參數(shù)g進(jìn)行尋優(yōu)。根據(jù)算例可知，對(duì)于一個(gè)故障樣本，通過(guò)SVM1被正確判斷為故障的概率是26/26；通過(guò)SVM2被正確判斷為熱故障的概率是12/13，被正確判斷為電故障的概率是13/13；通過(guò)SVM3，該故障被正確判斷為低能放電故障的概率是4/4，被正確判斷為高能放電故障的概率是8/9。對(duì)上述相關(guān)概率進(jìn)行乘積計(jì)算可得，對(duì)于熱故障，依次通過(guò)SVM1和SVM2，被正確判斷的概率約92.31%；對(duì)于低能放電故障，依次通過(guò)SVM1、SVM2和SVM3，被正確判斷的概率為100%；對(duì)于高能放電故障，依次通過(guò)SVM1、SVM2和SVM3，被正確診斷的概率約為88.89%。因此該模型具有較高的故障診斷準(zhǔn)確率。

為進(jìn)一步證明前文中構(gòu)建的診斷模型的可行性和有效性，把它對(duì)各類故障的診斷準(zhǔn)確率分別和改良三比值法及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行比較分析。對(duì)比分析表1中各方法的診斷準(zhǔn)確率，可知本文構(gòu)建的故障診斷模型在診斷準(zhǔn)確率方面表現(xiàn)良好。

表1 各算法故障診斷準(zhǔn)確率比較 單位：%

4 結(jié)語(yǔ)

本文所提出的基于多層向量機(jī)的變壓器故障診斷模型，能有效解決傳統(tǒng)三比值診斷方法存在的編碼過(guò)于絕對(duì)、邊界問(wèn)題難以判別等缺陷，并在MATLAB中使用LIBSVM工具箱對(duì)模型進(jìn)行了仿真分析，并與改良三比值法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，本文構(gòu)建的故障診斷模型在診斷準(zhǔn)確率方面表現(xiàn)良好，在故障診斷領(lǐng)域具有優(yōu)越的泛化能力和廣闊的應(yīng)用前景。