基于半監(jiān)督分類方法的變壓器故障診斷研究

趙小軍

摘 要：在電力變壓器故障診斷過(guò)程中，變壓器油中溶解氣體分析至關(guān)重要。由于在變壓器故障診斷過(guò)程中，存在著已知數(shù)據(jù)沒(méi)有利用待分類數(shù)據(jù)問(wèn)題，這就需要將半監(jiān)督分類法融入到變壓器故障診斷中，構(gòu)建變壓器故障的診斷模型。半監(jiān)督分類法能夠利用已知數(shù)據(jù)和未知數(shù)據(jù)獲取更多相關(guān)信息，從而起到更好的故障診斷效果?；诖?，本文重點(diǎn)分析半監(jiān)督分類法在變壓器故障診斷中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：半監(jiān)督分類法；故障診斷；溶解氣體；變壓器

在電子系統(tǒng)當(dāng)中，變壓器作為核心設(shè)備，主要用作于電壓變換、電能分配、電力輸出等領(lǐng)域，保障變壓器正常運(yùn)行是保障電力系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的關(guān)鍵。變壓器油中溶解氣體分析作為電力變壓器絕緣診斷的重要方法，能夠精準(zhǔn)判斷變壓器內(nèi)部的故障程度。在變壓器故障診斷當(dāng)中，我國(guó)主要應(yīng)用改良3比值方法。該種方法操作更加簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用，但會(huì)偶爾出現(xiàn)編碼邊界過(guò)于絕對(duì)、暴露編碼不全等問(wèn)題。因此，在近些年的研究中，提出了多種智能信息變壓器故障診斷技術(shù)，大大提高了變壓器的診斷效果。

1 半監(jiān)督分類法概述

半監(jiān)督分類法簡(jiǎn)稱SSC，主要是綜合利用大量未標(biāo)簽數(shù)據(jù)和少量標(biāo)簽數(shù)據(jù)來(lái)提高學(xué)習(xí)效果的一種形式，如今已經(jīng)成為了社會(huì)各個(gè)階層研究的重點(diǎn)，在圖像檢索、網(wǎng)頁(yè)分類中的應(yīng)用非常廣泛。但是將半監(jiān)督分類法應(yīng)用到變壓器故障診斷中卻是近些年才得以興起。因此，需要采用數(shù)據(jù)集來(lái)進(jìn)行分析：

假設(shè)數(shù)學(xué)符號(hào)X={x1，x2，…，xl，xl+1，…，xl+u}，數(shù)據(jù)xi∈Rd；d為實(shí)數(shù)集R的維數(shù)；i=1，2，…，l+u。表示標(biāo)簽數(shù)據(jù)集L={x1，x2，…，xl}；未標(biāo)簽數(shù)據(jù)集為U={xl+1，xl+2，…，xl+u}；并且X=L∪U，其中的l和u本別表示標(biāo)簽數(shù)據(jù)的合數(shù)（包括標(biāo)簽數(shù)和未標(biāo)簽數(shù)）。類別集合W={w1，w2，…，wc}，其中的wr為類別標(biāo)簽；r=1，2，…，c；c為類別數(shù)（c≥2）。

2 半監(jiān)督分類法在變壓器故障診斷的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用流程

通過(guò)分析1中的數(shù)據(jù)集公式，可以將變壓器故障樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸化處理，這樣更加便于描述，可以將歸化數(shù)據(jù)設(shè)定為xi。進(jìn)而從各類故障類別當(dāng)中隨機(jī)抽取數(shù)量相等樣本作為標(biāo)簽數(shù)據(jù)，沒(méi)有挑選出來(lái)的數(shù)據(jù)作為未標(biāo)簽數(shù)據(jù)集。其應(yīng)用流程如下：

第一步，初始化。需要假設(shè)停止誤差閾值、循環(huán)變量，并隨機(jī)生成為標(biāo)簽的數(shù)據(jù)矩陣。

第二步，矩陣計(jì)算。需要根據(jù)上述數(shù)據(jù)集計(jì)算樣本數(shù)據(jù)的近鄰矩陣。

第三步，未標(biāo)簽數(shù)據(jù)更新。

第四步，終止條件判定。如果判定內(nèi)容小于誤差閾值，則需要重復(fù)為標(biāo)簽數(shù)據(jù)更新。

第五步，未標(biāo)簽數(shù)據(jù)分類。需要找出更新值元素中的最大值，并得出相應(yīng)的序列號(hào)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。

從以上五個(gè)步驟能過(guò)看出，該種方法具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括使用便捷、控制參數(shù)少、計(jì)算量小、無(wú)需大量樣本即可進(jìn)行，在實(shí)際應(yīng)用中也有非常好的效果。

2.2 半監(jiān)督分類法在變壓器故障診斷中的實(shí)際應(yīng)用

變壓器絕緣此材料經(jīng)過(guò)分解能夠產(chǎn)生20種以上的氣體，由于我國(guó)對(duì)所選取的氣體分析對(duì)象缺乏統(tǒng)一性，根據(jù)國(guó)內(nèi)應(yīng)用半監(jiān)督分類方法的實(shí)際情況表明，采用油中溶解氣體中的H2、CH4、C2H4等故障氣體檢測(cè)更為高效、精準(zhǔn)。再者，由于電壓等級(jí)、變壓器容量存在著不同差異，因此，變壓器油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)也存在著很大產(chǎn)局，這就需要對(duì)樣本進(jìn)行歸一化處理。

據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，變壓器常見(jiàn)故常有六種，其分別是：低溫過(guò)熱、中溫過(guò)熱、高溫過(guò)熱、低能放電、局部放電、高能放電。筆者通過(guò)應(yīng)用Matlab語(yǔ)言在cpu為Pentium（R）4、主頻為24GHz、內(nèi)存為2GMB計(jì)算機(jī)上開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)。

在應(yīng)用半監(jiān)督分類法進(jìn)行變壓器故障診斷過(guò)程中，從各類故障中隨機(jī)抽取標(biāo)簽數(shù)據(jù)集，并且保障其數(shù)量相等，其余的數(shù)據(jù)都設(shè)定為未標(biāo)簽數(shù)據(jù)集。取近鄰數(shù)為7，一共開(kāi)展30次試驗(yàn)，取均值。通過(guò)實(shí)際的試驗(yàn)表明，標(biāo)簽數(shù)量增加其診斷的正確率就越高。在故障樣本數(shù)據(jù)為3個(gè)標(biāo)簽數(shù)值過(guò)程中，其判斷錯(cuò)誤的次數(shù)為30，診斷正確率能夠在83.4%以上。隨著標(biāo)簽數(shù)量逐漸提高，其診斷正確率也在不斷提高，當(dāng)故障樣本為5個(gè)標(biāo)簽過(guò)程中，錯(cuò)誤判斷為16個(gè)，診斷正確率在91.2%以上。

通過(guò)采用IEC3比值法分析，3種診斷方法的正確率都有所不同。而采用模糊近鄰標(biāo)簽傳遞的半監(jiān)督分類法，能夠全面利用標(biāo)簽、未標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，提高學(xué)習(xí)效果。即使在標(biāo)簽數(shù)較少的情況下，也能夠保障80%以上的準(zhǔn)確率，并且會(huì)隨著標(biāo)簽數(shù)量不斷增加，變壓器故障診斷概率也會(huì)逐漸上升。

3 結(jié)論

從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)說(shuō)，半監(jiān)督分類法能夠綜合利用標(biāo)簽、未標(biāo)簽數(shù)據(jù)提高學(xué)習(xí)效果。在采用半監(jiān)督分類法對(duì)變壓器故障診斷過(guò)程中，經(jīng)相關(guān)實(shí)踐表明，如果標(biāo)簽數(shù)量較少時(shí)，即可到達(dá)理想的診斷效果，正確率在80.0%以上，同時(shí)會(huì)隨著標(biāo)簽數(shù)量增加而提高變壓器故障診斷的正確率，理論狀態(tài)下會(huì)越來(lái)越接近100%。本文重點(diǎn)提出了模糊近鄰標(biāo)簽傳遞的半監(jiān)督分類法，具有操作方便、計(jì)算量小、應(yīng)用參數(shù)少等特點(diǎn)，能夠有效提高變壓器故障診斷的正確率，希望能夠?yàn)樽儔浩鞴收显\斷拓寬思路。