基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)變壓器故障檢測

西安航天自動化股份有限公司 田 博 王虎軍 王 洋

1.引言

變壓器作為電網(wǎng)重要設(shè)備，在輸電系統(tǒng)中起到升壓或降壓的作用，因此變壓器運行狀態(tài)和性能直接關(guān)系到電網(wǎng)運行安全。為了確保電網(wǎng)安全運行，需要對變壓器進行定期檢測，及時發(fā)現(xiàn)故障并進行排除。早期電網(wǎng)利用變壓器溶解氣體檢測內(nèi)部故障，常用的IEC比值法以及相關(guān)改良比值法雖然可以檢測變壓器故障，但是需要經(jīng)驗豐富的專家進行輔助判斷，檢測出來的結(jié)果依然有很大的誤差。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法可以逼近任意非線性函數(shù)，并且具有良好的泛化能力，學(xué)習(xí)快速和收斂速度快等優(yōu)點，特別適合應(yīng)用于數(shù)據(jù)分類、故障診斷和控制等發(fā)面。因此本文結(jié)合具體實驗分析了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電網(wǎng)變壓器故障檢測中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)通過應(yīng)用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法可以提高診斷效率和診斷準(zhǔn)確性。

2.RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述

2.1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

BRF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是英文Radical Basis Function Neural Networks的簡稱，是一種三層前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它由輸入層、隱含層、輸出層三層節(jié)點構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1

輸入層主要由一些感知元件構(gòu)成，將網(wǎng)絡(luò)和外部環(huán)境連接起來，可以感知外部環(huán)節(jié)變化；第二層是隱含層，它將輸入空間的信息進行非線性變化；第三次是輸出層，它為輸入層的激活模式提供響應(yīng)。BRF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人的大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它可以以任意精度逼近一個連續(xù)函數(shù)。在BRF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，隱含層的中心和半徑是設(shè)置好的，只有輸入層和輸出層之間的限值可以調(diào)整，隱含層按照固定的非線性變化，將輸入空間的信息映射到一個新的隱含層中間，然后將其傳輸?shù)捷敵鰧?，形成一個線性組成。BRF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有自適應(yīng)性，可以以任意精度數(shù)值逼近任何一個連續(xù)函數(shù)，從而降低網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時間，因此可以廣泛應(yīng)用在大型電力設(shè)備故障診斷工作。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要根據(jù)相似性計算和RBF網(wǎng)絡(luò)的隱含層，相當(dāng)于一個相似度計算網(wǎng)絡(luò)，將輸入層的空間數(shù)據(jù)變換為某一個空間點為中心的相似值。以單個輸出神經(jīng)元為例，BRF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層、輸出層構(gòu)成，其中隱含層采用徑向基函數(shù)，其實也就是沿著徑向?qū)ΨQ函數(shù)，然后將函數(shù)定義為空間中任意一點X到某中心XC之間距離的單調(diào)函數(shù)，也就是K（||X-XC||），該函數(shù)反應(yīng)的是局部，如果X到XC之間的距離很遠，那么這個函數(shù)的值就很小。徑向函數(shù)一般是高斯函數(shù)，可以表示為：

其中XC是函數(shù)的中心，表示函數(shù)的寬度，控制函數(shù)的徑向距離。假如N個輸入數(shù)據(jù)X=[x1，x2，x3……xN]，其中Xi=[xi1，xi2，xi3……xip]T,i=1,2,3……N是網(wǎng)絡(luò)輸入，Y=[y1，y2，y3……y0]表示網(wǎng)絡(luò)輸出，yi則通過以下公式得出：

i=1，2,3……0,；j=1,2,3……m，其中wi=[wi1，wi2，wi3……wim]T表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點i的權(quán)值矢量，g=[g1，g2，g3……gm]T表示基函數(shù)矢量。

通過上述內(nèi)容，可以得出，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立的關(guān)鍵步驟在于確定RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層數(shù)據(jù)中心的個數(shù)，以及隱含層數(shù)據(jù)中心Zi的位置，然后學(xué)習(xí)輸出權(quán)值。在構(gòu)建RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的時候，如果RBF網(wǎng)絡(luò)模型隱含層數(shù)據(jù)中心的數(shù)量太多，則會增加網(wǎng)絡(luò)模型的計算量，降低網(wǎng)絡(luò)泛化能力。所以在構(gòu)建RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)鍵在于選擇正確的RBF網(wǎng)絡(luò)模型中心。

2.2 建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)、傳遞函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出節(jié)點、及其隱含層節(jié)點的確認(rèn)。根據(jù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把控輸入層、隱含層和輸出層；隱含層一般選擇高斯函數(shù)，輸出層則選擇線性傳遞函數(shù)；網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出節(jié)點主要用于分析變壓器故障類型，所以一般輸入和輸出節(jié)點數(shù)量相同；隱含層節(jié)點的確定直接關(guān)系到故障診斷準(zhǔn)確性，所以隱含層節(jié)點的選擇至關(guān)重要。常用方法是根據(jù)輸入層的元素數(shù)量確定隱含層的節(jié)點，但是如輸入層的元素比較多，則會增加計算量，所以隱含層的節(jié)點必須通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到。

3.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)變壓器故障檢測實驗

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于變壓器等級、型號不同，同一種類型的變壓器溶解氣體的數(shù)據(jù)也不同，采集的原始數(shù)據(jù)差異比較大。如果直接用原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，則可以導(dǎo)致一些數(shù)量比較大的特性指標(biāo)突出，從而排斥那些數(shù)量級比較小的特性指標(biāo)，導(dǎo)致小指標(biāo)數(shù)值稍微變化就影響到分類結(jié)果，所以為了確保神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的指標(biāo)分辨率，按照氣體含量占5種氣體含量的百分比對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

3.2 建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型

采集變壓器各類故障樣本共400個，用聚類算法計算150個變壓器樣本數(shù)據(jù)，然后將其聚合到輸入層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)抗原集，Xi=（Agi1，Agi2，……Agi5），分別代表了氫氣、甲烷，乙烯、乙烷、乙炔這幾種氣體的體積分?jǐn)?shù)，F(xiàn)表示變壓器的故障類別。確定RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層中心數(shù)量和初始位置，N=20表示初始抗體的數(shù)量，n為6表示最佳抗體選擇數(shù)量，k為10表示抗體克隆數(shù)量；克隆選擇的閾值為0.5。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)處理后網(wǎng)絡(luò)中心數(shù)量為7。通過遺傳算法確定RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始隱含條件和隱含層中心數(shù)量位置，然后對其進行優(yōu)化。將聚類算法得到150個樣本的氫氣、甲烷，乙烯、乙烷、乙炔這幾種氣體體積分?jǐn)?shù)和故障類別集合到150個，變壓器典型故障有低溫過熱（T1）、中溫過熱（T2）、高溫過熱（T3）、局部放電（PD）、低能放電（D1）、高能放電（D2）等幾種故障類別，其中低溫過熱指變壓器的溫度小于300℃，中溫過熱指變壓器的溫度大于300℃小于500℃，高溫過熱指變壓器的溫度大于500℃。本文將低溫過熱、中溫過熱、高溫過熱、局部放電、低能放電以及高能放電作為函數(shù)的基本輸出向量，也就是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果如圖2所示：

圖2

本文從0到1之間的數(shù)值表示對應(yīng)變壓器的故障程度，數(shù)值越接近1則表示故障發(fā)生概率越大，那么當(dāng)該類故障輸出數(shù)值大于0.5時則表示已經(jīng)發(fā)生了故障，如果出現(xiàn)了兩種以上的故障輸出值分別大于0.5時，則表示發(fā)生了多個故障。為了更好地對故障進行分析，本文將故障類別遺傳算法種群設(shè)計為30，中心矢量的交叉概率為0.2，變異概率為0.05，那么函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差與輸出節(jié)點權(quán)值交叉概率為0.6，變異概率是0.1。通過60次數(shù)據(jù)迭代以后得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂。為了得到比較精確的數(shù)值，還要考慮到隱含層的中心數(shù)量。本文設(shè)計5個和9個隱含層中心數(shù)量，當(dāng)隱含層中心數(shù)為5時，則RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂比較早，診斷精度無法滿足函數(shù)計算要求；當(dāng)隱含層中心數(shù)量為9時，雖然RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂，但是得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，極大地增加了計算量。因此，必須通過RBF網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，調(diào)節(jié)隱含層和輸出層的限值，然后對其進行優(yōu)化。目前最常見的方法是正交最小二乘算法和聚類算法，利用其中一種算法得到計算結(jié)果，然后用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而得到相對精準(zhǔn)的數(shù)值。

3.3 診斷情況

通過對采集樣本分析，發(fā)現(xiàn)400個樣本中只有100個樣本中包含氫氣、甲烷，乙烯、乙烷、乙炔這五種氣體體積分?jǐn)?shù)，因此將其通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練以后進行網(wǎng)絡(luò)診斷，并和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行比較。表1是RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷和BP網(wǎng)絡(luò)診斷得到的結(jié)果。

表1

為了進一步驗證RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷準(zhǔn)確度，本文對5組故障變壓器進行診斷，得到診斷結(jié)果表2表示5組變壓器故障診斷情況。

表2

從上述實驗數(shù)據(jù)可以得出，通過訓(xùn)練以后的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是用于診斷變壓器故障的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

4.結(jié)束語

綜上所述，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷電網(wǎng)變壓器故障診斷精度比其他診斷網(wǎng)絡(luò)算法高，因此可以在實際電網(wǎng)故障診斷工作中大量推廣普及。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷變壓器故障時，關(guān)鍵步驟是確定隱含層的節(jié)點和傳遞函數(shù)，用遺傳算法訓(xùn)練RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的收斂能力，從而提高診斷精確度和效率。