基于遺傳算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變壓器故障預(yù)測(cè)

于瑩++袁萍++劉曉龍

摘 要：本文是基于遺傳算法的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)變壓器的運(yùn)做狀況進(jìn)行在線評(píng)估。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)以便于檢修和處理。創(chuàng)立一個(gè)三層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以電氣試驗(yàn)，油色譜分析，絕緣油特性三部分對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為輸入層，以變壓器的4種評(píng)估狀態(tài)“正常狀態(tài)”、“注意狀態(tài)”、“異常狀態(tài)”、“嚴(yán)重狀態(tài)”作為輸出層。由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障現(xiàn)象具有不確定性，傳統(tǒng)分析方法有不足，通過(guò)遺傳算法可以得到更好的權(quán)值和闕值，在使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)變壓器的故障進(jìn)行判斷，該方法使判斷結(jié)果更精確。

關(guān)鍵詞：變壓器；遺傳算法；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；狀態(tài)分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.186

1 變壓器的重要性

變壓器是電力系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一，主要起到變換電壓的作用，以利于功率的傳輸，減少電能的損失。隨著電力系統(tǒng)傳輸?shù)木嚯x越來(lái)越長(zhǎng)，電壓等級(jí)越來(lái)越高，電網(wǎng)規(guī)模越來(lái)越大，電力變壓器的故障率隨也呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。如果電壓器發(fā)生故障，會(huì)影響使電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。甚至可能造成停電事故，而且一旦電壓器損壞，購(gòu)買(mǎi)新的變壓器不僅昂貴，而且運(yùn)輸過(guò)程中需要等待大量的時(shí)間，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)還要安裝等都要消耗時(shí)間，停電的時(shí)間越久就對(duì)電力系統(tǒng)的威脅越嚴(yán)重。為使變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，對(duì)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)非常重要。

2 基于遺傳算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備故障預(yù)測(cè)

遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、遺傳算法優(yōu)化權(quán)值和闕值、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練及預(yù)測(cè)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和闕值通過(guò)隨機(jī)初始化為[-0.5，0.5]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)，這個(gè)初始化參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的意義很大，但是又無(wú)法準(zhǔn)確獲得，對(duì)于相同的初始權(quán)重值和闕值，網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練結(jié)果是一樣的，引入遺傳算法就是為了優(yōu)化最佳的權(quán)值和闕值[1]。圖1是算法流程：

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電力變壓器進(jìn)行故障判斷，建立三層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以電氣試驗(yàn)的絕緣電阻，吸收比，泄露電流，介損植，繞組直流電阻，鐵芯接地電流，油色譜分析中的H2，CH4，C2H2，C2H4，C2H6，CO，CO2和絕緣油特性中的油中微水，油介質(zhì)，擊穿電壓一共16個(gè)元素的數(shù)據(jù)為輸入層。以變壓器的4種評(píng)估狀態(tài)“正常狀態(tài)”、“注意狀態(tài)”，“異常狀態(tài)”，“嚴(yán)重狀態(tài)”對(duì)應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)作為輸出層。同時(shí)，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為三層時(shí)，已知輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，可利用公式求出隱含層的神經(jīng)元的個(gè)數(shù)：

n2= 2 * n1+1；

從三個(gè)大方面中采集變壓器16個(gè)數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，變壓器的4個(gè)運(yùn)行狀態(tài)作為輸出參數(shù)。所以，n1取值為16，即輸入層有16個(gè)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算隱含層有33個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，預(yù)測(cè)共有528個(gè)權(quán)值，132個(gè)闕值，遺傳算法優(yōu)化參數(shù)的個(gè)數(shù)為660。

2.2 遺傳算法的實(shí)現(xiàn)

遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用遺傳算法來(lái)優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值，優(yōu)化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠更好的進(jìn)行樣本預(yù)測(cè)，他的實(shí)現(xiàn)流程是初始化群種，計(jì)算種群適應(yīng)度值，從中找出最優(yōu)個(gè)體，選擇操作，交叉操作，變異操作，判斷進(jìn)化是否結(jié)束，沒(méi)有結(jié)束在進(jìn)行計(jì)算種群適應(yīng)度值在進(jìn)行一次操作[2]。

2.3 MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)

遺傳算法和MATLAB軟件的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，遺傳算法優(yōu)化的謝菲爾德法變壓器部分采用MATLAB編程。（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是過(guò)程的一部分）。

網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練是一個(gè)不斷修正權(quán)值和闕值的過(guò)程，給定訓(xùn)練次數(shù)為1000次，訓(xùn)練目標(biāo)為0.01，學(xué)習(xí)率為0.1?；贛ATLAB具體訓(xùn)練代碼如下：

Function err=Bpfun（x，P，T，hiddennum，P_test，T_text）

Inputnum=size（P，1）

Outputnum=size（T，1）

net=feedforwardnet（hiddenum）；

net=configure（net，P，T）

net.layers{2}.transferFcn=logsig；

net.trainParam.epochs=1000；

net.trainParam.goal=0.01；

net.trainParam.lr=0.1；

net.trainParam.show=NaN；

w1num=inputnum*hiddennum；

w2num=outputnum*hiddennum；

w1=x（1：w1num）；

B1=x（w1num+1：w1num+hiddennum）；

W2=x（w1num+hiddennum+1：w1num+hiddennum+w2num）；

B2=x（w1num+hiddennum+w2num+1：w1num+hiddennum+w2num+outputnum）；

Net.iw{1，1}=reshape（w1，hiddenum，inputnum）；

Net.iw{2，1}=reshape（w2，outputnum，hiddennum）；

（下轉(zhuǎn)第208頁(yè)）

（上接第203頁(yè)）

Net.b{1}=reshape（B1，hiddennum，1）；

Net.b{2}=reshape（B2，outputnum，1）；

Net=train（net，P，T）；

Y=sin（net，P_test）；

err=（Y-T_test）；

此中x為一個(gè)個(gè)體的初始權(quán)值和闕值，P訓(xùn)練樣本的輸入，T訓(xùn)練樣本的輸出，P_test測(cè)試樣本的輸入，T_test測(cè)試樣本輸入，hiddennum隱含層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)，T_test測(cè)試樣本的期望的輸出，err預(yù)測(cè)樣本的預(yù)測(cè)偏差范數(shù)。整體思想就是根據(jù)對(duì)變壓器采集回來(lái)的數(shù)據(jù)為輸入層，通過(guò)train進(jìn)行對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，訓(xùn)練過(guò)程中輸入的權(quán)值和闕值要是經(jīng)過(guò)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化過(guò)的權(quán)值和闕值，使輸出結(jié)果更精確。這樣，把網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完畢后，再輸入變壓器的運(yùn)行時(shí)的一些數(shù)據(jù)，就可以通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能得到想要的結(jié)果。

3 結(jié)論

采用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，實(shí)時(shí)監(jiān)控變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，使用遺傳算法優(yōu)化權(quán)值和闕值后可以對(duì)變壓器評(píng)估的誤差降低，該方式能精確判定變壓器目前工作的4種運(yùn)行狀態(tài)“正常狀態(tài)：設(shè)備正常溫度，個(gè)狀態(tài)量均在標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)”、“注意狀態(tài)：可正常運(yùn)行”，“異常狀態(tài)：狀態(tài)量略微超過(guò)限值，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)”，“嚴(yán)重狀態(tài)：狀態(tài)量嚴(yán)重超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)派人馬上檢修”。為巡檢工作部署提供了良好的操作依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱瑤野.基于油中溶解氣體的變壓器故障預(yù)測(cè)研究[D].

[2]郁磊.MATLAB智能算法30個(gè)案例分析[D].北京：北京航空航天出版社，2015（08）.

作者簡(jiǎn)介：于瑩（1982-），吉林長(zhǎng)春人，碩士，研究方向：變電站智能化運(yùn)行、新能源并網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用。