基于改進(jìn)蜣螂算法優(yōu)化CNN-BiLSTM-Attention的串聯(lián)電弧故障檢測(cè)方法

摘"要：針對(duì)故障電弧特征提取不足、檢測(cè)精度不高等問題，提出一種多特征融合的改進(jìn)蜣螂算法（IDBO）優(yōu)化融合注意力（Attention）機(jī)制的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和雙向長(zhǎng)短期記憶（BiLSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)電弧故障檢測(cè)方法。通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提取電流的時(shí)域、頻域、時(shí)頻域以及信號(hào)自回歸參數(shù)模型特征;利用核主成分分析（KPCA）對(duì)特征進(jìn)行降維融合，并將求取的特征向量作為CNN-BiLSTM-Attention的輸入向量;引入Cubic混沌映射、螺旋搜索策略、動(dòng)態(tài)權(quán)重系數(shù)、高斯柯西變異策略對(duì)蜣螂算法進(jìn)行改進(jìn)，利用改進(jìn)蜣螂算法對(duì)CNN-BiLSTM-Attention超參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電弧故障診斷。結(jié)果表明，所提方法故障電弧檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到97.92%，可高效識(shí)別串聯(lián)電弧故障。

關(guān)鍵詞： 電弧故障; 改進(jìn)蜣螂算法; 多特征融合; CNN-BiLSTM-Attention

中圖分類號(hào)： TM501+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）08-0057-12

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.08.008

Series Arc Fault Detection Based on Improved Dung Beetle Optimizer Optimized CNN-BiLSTM-Attention

LI Haibo

［Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control amp; Renewable Energy Technology Ministry of Education（Northeast Electric Power University），Jilin 132012，China］

Abstract：

Aiming at the problems of insufficient arc fault feature extraction and low detection accuracy，a multi-feature fusion improved dung beetle optimizer （IDBO） optimized fusion of the attention mechanism of convolutional neural network （CNN） and bidirectional long short term memory （BiLSTM） neural network series arc fault detection method is proposed.The current time-domain，frequency-domain，time-frequency domain，and signal autoregressive parameter model features are extracted through an experimental platform.The kernel principal component analysis （KPCA） is used to reduce the dimensionality of the features，and they are fused to obtain the feature vectors as the input vectors for CNN-BiLSTM-Attention.The cubic chaotic mapping，the spiral search strategy，the dynamic weight coefficients，and the gaussian cauchy mutation strategy are introduced to improve the dung beetle optimizer.An improved dung beetle optimizer is used to optimize the hyperparameters of CNN-BiLSTM-Attention for the series arc fault diagnosis.The results show that the proposed method can achieve an accuracy of 97.92% in detecting fault arcs and efficiently identify the series arc faults.

Key words：

arc fault; improved dung beetle optimizer; multi-level feature fusion; CNN-BiLSTM-Attention

0"引"言

線路老化、接頭松動(dòng)等可能導(dǎo)致導(dǎo)體間產(chǎn)生氣隙，氣隙在強(qiáng)電場(chǎng)作用下被擊穿易引起電弧故障［1］。故障電弧產(chǎn)生時(shí)，故障點(diǎn)產(chǎn)生的高溫會(huì)使得線路絕緣層融化，造成安全事故。串聯(lián)電弧故障的電流很小，基于電流增大的過電流保護(hù)技術(shù)無(wú)法檢測(cè)出串聯(lián)電弧故障［2］，因此還需對(duì)電弧故障進(jìn)行深入研究，提高電弧故障診斷的準(zhǔn)確率。

目前對(duì)電弧故障的檢測(cè)方法主要集中在構(gòu)建電弧故障仿真模型［3-5］，通過電弧所附帶的電磁輻射［6-7］等物理特征以及提取電弧電流的時(shí)域、頻域或時(shí)頻域特征［8-10］進(jìn)行故障識(shí)別。但是，電弧模型使用條件存在較大限制，且檢測(cè)參數(shù)設(shè)置困難;物理特征識(shí)別電弧受檢測(cè)裝置安裝位置的限制，難以廣泛應(yīng)用［11］;時(shí)域或頻域特征的檢測(cè)存在信息不完備的缺點(diǎn)，而時(shí)頻域檢測(cè)需要聯(lián)合多個(gè)特征量進(jìn)行處理，非線性負(fù)載下很難保證提取的電弧特征具有代表性。

電流信號(hào)多特征融合可提高電弧故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)［12］從時(shí)域、頻域和信號(hào)無(wú)序度3個(gè)方面提取電流平均值、諧波幅值、小波能量熵進(jìn)行電弧故障檢測(cè)，但也存在故障特征提取不充分的缺點(diǎn)。

機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如支持向量機(jī)（SVM）［13］、隨機(jī)森林（RF）［14］、極限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）［15］等也被應(yīng)用到電弧故障檢測(cè)中，但這些方法存在特征提取不充分的問題，無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)故障電弧特征。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）由于具有高效的特征提取能力被應(yīng)用到電弧故障檢測(cè)中。文獻(xiàn)［16］構(gòu)建多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以時(shí)域灰度值圖像形式對(duì)故障電弧數(shù)據(jù)特征進(jìn)行提取。然而CNN存在丟失故障電弧重要特征信息的問題。

雙向長(zhǎng)短期記憶（BiLSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是長(zhǎng)短期記憶（LSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化改進(jìn)［17］，可以同時(shí)提取數(shù)據(jù)的正向特征和反向特征，提高模型的預(yù)測(cè)精度。注意力（Attention）機(jī)制可基于加權(quán)的方式計(jì)算BiLSTM中所有時(shí)刻隱藏狀態(tài)的注意力權(quán)重［18］，調(diào)整注意力系數(shù)可以提高模型整體的記憶能力［19］。

基于BiLSTM和Attention機(jī)制的優(yōu)勢(shì)，本文提出一種基于CNN-BiLSTM-Attention的電弧故障檢測(cè)方法。

CNN可以提取特征向量，將特征向量構(gòu)造成時(shí)間序列［20］作為BiLSTM的輸入數(shù)據(jù)。BiLSTM提取數(shù)據(jù)的雙向特征，形成特征與故障類別的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Attention機(jī)制對(duì)BiLSTM提取的數(shù)據(jù)通過加權(quán)的方式進(jìn)行排序，使模型更關(guān)注故障發(fā)生時(shí)的變化。但是CNN-BiLSTM-Attention模型的超參數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生，使故障檢測(cè)具有不確定性和不穩(wěn)定性。

蜣螂算法（DBO）的搜索速度快［21］，可對(duì)CNN-BiLSTM-Attention的超參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。但DBO存在搜尋能力較弱和容易陷入局部最優(yōu)的缺點(diǎn)，因此本文提出改進(jìn)蜣螂算法（IDBO）來(lái)彌補(bǔ)DBO的缺點(diǎn)。

綜上，本文針對(duì)目前對(duì)于電弧電流特征提取無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)故障電弧特征、特征提取信息不充足的問題，選擇電流最大上升速率、峭度、三次諧波電流含有率、電流總諧波畸變率、小波能量熵、Tsallis小波包奇異熵和二階伯格（Burg）自回歸模型所得模型參數(shù)矢量與參考矢量的歐氏距離作為檢測(cè)電弧故障特征指標(biāo)。

利用核主成分分析（KPCA）對(duì)提取的故障特征進(jìn)行降維融合。由于人工無(wú)法準(zhǔn)確搜尋CNN-BiLSTM-Attention的最優(yōu)超參數(shù)，提出IDBO-CNN-BiLSTM-Attention的電弧故障檢測(cè)方法，有效解決串聯(lián)電弧故障特征利用不充分、檢測(cè)精度不高的問題。

1"電弧故障實(shí)驗(yàn)和故障電弧電流特性分析

1.1"電弧故障實(shí)驗(yàn)

依據(jù)GB/T 31143—2014《電弧故障保護(hù)電器（AFDD）的一般要求》搭建串聯(lián)故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)負(fù)載為線性負(fù)載（1 000 W電水壺）和非線性負(fù)載（1 300 W電磁爐、800 W調(diào)壓電路和100 W計(jì)算機(jī)）。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1所示。

1.2"故障電弧電流特性分析

對(duì)正常工作及故障電弧電流信號(hào)周期采樣256點(diǎn)。正常和故障負(fù)載電流波形如圖2所示。

由圖2（a）可知，故障電弧電流在電流過零時(shí)刻附近存在短暫的平肩區(qū)間，即故障電弧電流的“零休現(xiàn)象”。由圖2（b）可知，正常工作時(shí)電流波形與正弦波形類似，然而在波形的頂端和底端都存在著較大的諧波。由圖2（c）可知，正常電流波形周期性變化，但是電流波形畸變，有“零休現(xiàn)象”發(fā)生。發(fā)生電弧故障時(shí)，電流波形中含有大量的高次諧波，電流波形畸變程度更加劇烈。由圖2（d）可知，正常工作時(shí)電流波形各周期連續(xù)，而且波形幅值保持穩(wěn)定。發(fā)生電弧故障時(shí)，電流波形變化幅度較大，并且存在諧波。

故障電弧會(huì)導(dǎo)致電流波形發(fā)生畸變，因此可以通過提取電流波形的時(shí)域特征來(lái)檢測(cè)電弧故障是否產(chǎn)生。但是由于存在一些負(fù)載正常工作的電流波形與電弧故障時(shí)電流波形類似，僅提取電流波形特征來(lái)檢測(cè)故障電弧并不可靠。

2"串聯(lián)故障電弧特征提取

2.1"串聯(lián)故障電弧時(shí)域特征

電弧電流的時(shí)域特征主要表現(xiàn)為過零時(shí)電流波形產(chǎn)生“平肩部”，電弧電流高頻分量較為豐富，電流波形不對(duì)稱。針對(duì)上述特征，選取電流最大上升速率和峭度作為電弧電流的時(shí)域特征。

2.1.1"電流最大上升速率

電弧故障時(shí)電流幅值發(fā)生突變，導(dǎo)致過零時(shí)電流最大上升速率產(chǎn)生突變。

選取周期內(nèi)相鄰2個(gè)離散點(diǎn)電流信號(hào)采樣值的差值，并取其絕對(duì)值的最大值表示電流最大上升速率。計(jì)算公式為

Vmax="""""""""""""""（I2-I1，I3-I2，…，IN-IN-1）max（1）

式中："I——電流瞬時(shí)值;

N——采樣點(diǎn)數(shù)。

2.1.2"峭度

峭度體現(xiàn)故障電流信號(hào)隨機(jī)分布特征。故障電弧出現(xiàn)時(shí)，電流信號(hào)的峭度增大。

峭度指標(biāo)計(jì)算公式為

K=1N∑Ni=1（Ii-I—）41N∑Ni=1（Ii-I—）22（2）

式中："Ii——電流第i個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)值;

I———電流平均值。

2.2"串聯(lián)故障電弧頻域特征

對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行快速傅里葉變換得到對(duì)應(yīng)頻譜，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。歸一化后負(fù)載頻譜圖如圖3所示。

2.2.1"三次諧波電流含有率

電弧故障時(shí)，電流奇次諧波幅值較正常時(shí)明顯增大，且奇次諧波幅值的增大不受負(fù)載類型影響，可引入諧波電流含有率表示電流信號(hào)中諧波含量的變化。

為降低計(jì)算復(fù)雜度，選取三次諧波電流含有率作為檢測(cè)串聯(lián)電弧故障的頻域特征指標(biāo)之一。三次諧波電流含有率計(jì)算公式為

HIn=InI0（3）

式中："HIn——第n次諧波電流含有率，n取1，2，3;

In——第n次諧波電流有效值;

I0——基波電流有效值。

2.2.2"電流總諧波畸變率

發(fā)生電弧故障時(shí)電流波形發(fā)生畸變，本文選用電流總諧波畸變率作為電弧電流頻域特征來(lái)描述電流波形失真程度。電流總諧波畸變率eTHD計(jì)算公式為

eTHD=∑Nk=2IkI02=∑Nk=2HkH02（4）

式中："Ik——第k次諧波電流有效值;

N——指定最大諧波次數(shù)，這里取30;

H0——基波幅值;

Hk——第k次諧波幅值。

2.3"串聯(lián)故障電弧時(shí)頻域特征

熵表征系統(tǒng)的不確定性程度，是對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜度和不確定性的描述［22］。電弧故障時(shí)，信號(hào)復(fù)雜程度會(huì)提高，本文選取小波能量熵、Tsallis小波包奇異熵作為電弧電流的時(shí)頻域特征，選擇db3小波作為小波包基函數(shù)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行4層分解。

2.3.1"小波能量熵

出現(xiàn)電弧故障時(shí)，信號(hào)的各頻率能量會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，能量熵可體現(xiàn)能量的分布情況，小波能量熵越大，其包含的信息能量越多［23］。

小波能量熵計(jì)算公式為

Hp=-∑Nq=1εpqlgεpq

εpq=EpqEq

Eq=∑Nq=1Epq（5）

式中："Hp——小波能量熵;

ε——p尺度q時(shí)刻小波能量與p尺度能量總和的比值;

N——分解后小波系數(shù)的個(gè)數(shù)，這里N取16;

Eq——p尺度采樣點(diǎn)信號(hào)能量總和;

Epq——信號(hào)在p尺度q時(shí)刻上小波能量。

正常負(fù)載和故障負(fù)載小波能量熵如表1所示。

2.3.2"Tsallis小波包奇異熵

將db3小波對(duì)電流進(jìn)行4層分解后的各節(jié)點(diǎn)重構(gòu)信號(hào)構(gòu)成矩陣。

根據(jù)矩陣奇異值分解理論及重構(gòu)信號(hào)的相關(guān)特性，節(jié)點(diǎn)重構(gòu)信號(hào)近似時(shí)，對(duì)應(yīng)奇異值接近于0。當(dāng)節(jié)點(diǎn)重構(gòu)信號(hào)差異較大時(shí)，非零奇異值數(shù)量較少。非零奇異值的數(shù)量可反映信號(hào)的復(fù)雜程度［24］。

根據(jù)小波奇異熵定義，提出將Tsallis小波包奇異熵作為故障特征指標(biāo)。

Tsallis小波包奇異熵（WPSE）計(jì)算公式為

HWPSE=1q-11-∑kl=1pql（6）

pl=λl∑ki=1λl（7）

式中："HWPSE——Tsallis小波包奇異熵;

q——非廣延拓參數(shù)，這里取1.1;

pl——第l個(gè)奇異值占奇異值總和的比值;

k——奇異值個(gè)數(shù)，這里取16;

λ——奇異值。

正常負(fù)載和故障負(fù)載Tsallis小波包奇異熵如表2所示。

時(shí)域、頻域和時(shí)頻域特征可以區(qū)分大多數(shù)負(fù)載電弧故障狀態(tài)，然而調(diào)壓電路負(fù)載的小波能量熵和Tsallis小波包奇異熵特征區(qū)別不夠明顯，盡管這2個(gè)指標(biāo)對(duì)故障狀態(tài)判別有效。二階Burg自回歸模型所得模型參數(shù)矢量與參考矢量的歐氏距離對(duì)區(qū)分調(diào)壓電路負(fù)載正常工作和電弧故障的效果較好，可將該指標(biāo)作為故障電弧特征指標(biāo)。

2.4"串聯(lián)故障電弧信號(hào)自回歸參數(shù)模型特征

電弧故障的電流波形畸變較嚴(yán)重，二階Burg算法對(duì)電流信號(hào)求解模型得到參數(shù)差異明顯［25］，可區(qū)分調(diào)壓電路負(fù)載正常工作與電弧故障狀態(tài)。

電流信號(hào)二階Burg自回歸全極點(diǎn)模型函數(shù)表達(dá)式為

H2（z）=11+a1z-1+a2z-2（8）

式中："H2（z）——二階Burg自回歸全極點(diǎn)模型函數(shù);

a1、a2——參數(shù)。

本文采用二階Burg自回歸模型所得模型參數(shù)矢量與參考矢量的歐氏距離d（AR，AT）作為檢測(cè)電弧故障的特征指標(biāo)，計(jì)算公式為

d（AR，AT）=∑2i=1（ari-ati）2（9）

式中："AR——參數(shù)矢量，表征采集的電流信號(hào);

AT——參考矢量，采用原點(diǎn)為參考矢量;

ari——參數(shù)矢量第i個(gè)元素;

ati——參考矢量第i個(gè)元素。

4種負(fù)載的二階Burg自回歸模型所得模型參數(shù)矢量與參考矢量的歐氏距離如表3所示。

依靠人工提取故障電弧特征進(jìn)行檢測(cè)具有局限性，而深度學(xué)習(xí)提取故障電弧電流特征的準(zhǔn)確率更高。

3"IDBO-CNN-BiLSTM-Attention電弧故障檢測(cè)方法

3.1"CNN-BiLSTM-Attention電弧故障檢測(cè)模型

本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為MATLAB2022a，模型由以2個(gè)卷積層為核心的縱向特征提取層和以BiLSTM為核心的橫向特征提取層組成。加入Attention機(jī)制，可以使模型關(guān)注故障發(fā)生時(shí)刻數(shù)據(jù)特征變化。

CNN-BiLSTM-Attention模型如圖4所示。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、卷積層（2個(gè)）、池化層和壓平層組成。數(shù)據(jù)經(jīng)輸入層輸送到卷積層;經(jīng)過ReLU函數(shù)進(jìn)行非線性變換，然后將提取的特征向量輸送到池化層;壓平層將每個(gè)卷積通道的數(shù)據(jù)一維展開，用于CNN與BiLSTM之間的過渡;經(jīng)激活函數(shù)Softmax函數(shù)對(duì)BiLSTM輸入數(shù)據(jù)通過注意力層打分得到注意力分?jǐn)?shù)，對(duì)注意力分?jǐn)?shù)進(jìn)行歸一化得到注意力權(quán)重并進(jìn)行加權(quán)求和，即可得到故障類別。其中，卷積層1的卷積核尺寸大小為3×1，數(shù)量為32個(gè)，步長(zhǎng)為1;卷積層2的卷積核尺寸大小為3×1，數(shù)量為64個(gè)，步長(zhǎng)為1。卷積層激活函數(shù)為ReLU，選擇Adam優(yōu)化器訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

與單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，該模型能有效利用輸入特征量進(jìn)行故障診斷，并具有較強(qiáng)的泛化能力。

CNN-BiLSTM-Attention電弧故障檢測(cè)方法的準(zhǔn)確度，一方面取決特征提取的全面性，另一方面受模型超參數(shù)選擇的影響。

隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)、初始學(xué)習(xí)率和正則化參數(shù)是模型的3個(gè)關(guān)鍵超參數(shù)，將其作為優(yōu)化對(duì)象，利用IDBO尋找出超參數(shù)的最優(yōu)值，以提高CNN-BiLSTM-Attention電弧故障檢測(cè)準(zhǔn)確率。

3.2"改進(jìn)蜣螂算法

DBO是2022年提出的一種算法，靈感來(lái)自蜣螂的滾球、跳舞、繁殖、覓食和偷竊行為。該算法同時(shí)考慮全局探索和局部搜索，其收斂速度快，但局部尋優(yōu)能力不強(qiáng)，容易陷入局部最優(yōu)。

為提高DBO的性能，通過以下4種措施改進(jìn)原始蜣螂算法。

3.2.1"Cubic混沌映射

Cubic混沌映射可以形成均勻分布的隨機(jī)序列，使初始蜣螂個(gè)體盡可能均勻分布，從而增加種群的多樣性，提高算法的全局搜索能力和收斂速度。

Cubic混沌映射公式為

Xi+1=ρXi（1-X2i）（10）

式中："ρ——控制函數(shù)，本文取1;

Xi——第i個(gè)Cubic混沌映射個(gè)體。

3.2.2"螺旋搜索策略

受鯨魚優(yōu)化算法（WOA）的啟發(fā)，將螺旋搜索策略應(yīng)用到算法位置更新，公式為

β=ebl·cos（2πb）（11）

l=ekcosπtMax-iteration（12）

式中："""""β——螺旋因子;

b——0～1分布隨機(jī)數(shù);

l——隨迭代次數(shù)變化;

k——取到5;

t——迭代次數(shù);

Max-iteration——最大迭代次數(shù)。

更新后的蜣螂繁殖公式為

Xi（t+1）=X+β·b1·［Xi（t）-Lb］+β·b2·［Xi（t）-Ub］（13）

式中："Xi（t）——第t次迭代第i個(gè)蜣螂位置;

X——當(dāng)前最優(yōu)解;

Lb——區(qū)域下界;

Ub——區(qū)域上界;

b1、b2——0～1分布隨機(jī)數(shù)。

3.2.3"動(dòng)態(tài)權(quán)重系數(shù)

蜣螂偷竊階段添加動(dòng)態(tài)權(quán)重系數(shù)更新算法當(dāng)前最優(yōu)解，有助于算法跳出局部最優(yōu)。

動(dòng)態(tài)權(quán)重系數(shù)的計(jì)算公式為

ω1=1-t3Max-iteration3（14）

ω2=t3Max-iteration3（15）

式中："ω1、ω2——?jiǎng)討B(tài)權(quán)重系數(shù)。

更新后的蜣螂偷竊公式為

Xi（t+1）=ω1·Xb+ω2·C·｜Xi（t）-X｜+｜Xi（t）-Xb｜/2（16）

式中："Xb——全局最優(yōu)解;

C——0～1分布隨機(jī)數(shù)。

3.2.4"高斯柯西變異策略

高斯柯西變異策略綜合高斯變異和柯西變異的優(yōu)點(diǎn)，可以幫助算法跳出局部最優(yōu)解，提高算法的尋優(yōu)精度。高斯柯西變異策略更新后蜣螂公式為

Xi（t+1）=Xi（t）［1+μ1·Cauchy（0，1）+μ2Causs（0，1）］

μ1=1-tMax-iteration

μ2=tMax-iteration（17）

式中："Cauchy（0，1）——柯西分布隨機(jī)數(shù);

Causs（0，1）——高斯分布隨機(jī)數(shù);

μ1——柯西分布隨機(jī)數(shù)的權(quán)重系數(shù);

μ2——高斯分布隨機(jī)數(shù)的權(quán)重系數(shù)。

改進(jìn)蜣螂算法流程如圖5所示。

3.2.5"IDBO算法性能分析

對(duì)IDBO算法、DBO算法、麻雀搜索算法（SSA）和WOA在CEC2005中3個(gè)單峰基準(zhǔn)函數(shù)（F1～F3）和3個(gè)多峰基準(zhǔn)函數(shù)（F8～F10）進(jìn)行算法性能比較。

對(duì)所有算法設(shè)置種群規(guī)模為30，最大迭代次數(shù)為500。4種算法的基準(zhǔn)函數(shù)迭代曲線如圖6所示。單峰函數(shù)尋優(yōu)結(jié)果如表4所示;多峰函數(shù)

尋優(yōu)結(jié)果如表5所示。評(píng)價(jià)指標(biāo)為最優(yōu)值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

由圖6可知，3個(gè)單峰基準(zhǔn)函數(shù)和3個(gè)多峰基準(zhǔn)函數(shù)同一精度下，IDBO算法迭代次數(shù)最少，隨著迭代次數(shù)的增加，DBO算法、SSA和WOA的收斂曲線趨于平緩，出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，尋優(yōu)精度相對(duì)較低;IDBO算法波動(dòng)式降低，改進(jìn)策略能夠幫助算法擺脫局部極值，增強(qiáng)全局尋優(yōu)。

由表4可知，函數(shù)為F1、F2和F3時(shí)，IDBO算法能找到最優(yōu)值、標(biāo)準(zhǔn)差和平均值，與其他3種算法相比，IDBO算法尋優(yōu)的能力更強(qiáng)。由表5可知，當(dāng)函數(shù)為F8時(shí)，IDBO算法未能找到最優(yōu)值、標(biāo)準(zhǔn)差和平均值，但相對(duì)于其他算法尋優(yōu)結(jié)果更接近;當(dāng)函數(shù)為F9時(shí)，IDBO算法和SSA可以找到最優(yōu)結(jié)果;當(dāng)函數(shù)為F10時(shí)，IDBO算法可以找到標(biāo)準(zhǔn)差，4種算法找到的最優(yōu)值相同，但I(xiàn)DBO算法尋優(yōu)速度要比其他算法快。綜上所述，IDBO算法具有更優(yōu)的穩(wěn)定性和優(yōu)越的尋優(yōu)性。

3.3"實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

采集4種負(fù)載正常工作和電弧故障320個(gè)數(shù)據(jù)樣本，將數(shù)據(jù)集隨機(jī)打亂按照7∶3的比例劃分訓(xùn)練集和測(cè)試集。訓(xùn)練集由224個(gè)樣本組成，主要用于訓(xùn)練;測(cè)試集由96個(gè)樣本組成，主要用于測(cè)試檢測(cè)效果。樣本和標(biāo)簽對(duì)應(yīng)情況如表6所示。

利用KPCA對(duì)提取的故障特征進(jìn)行降維融合。降維特征信息占比圖如圖7所示。由圖7可知，前5個(gè)主元累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到0.976 4，因此選擇這5個(gè)主元作為電弧故障檢測(cè)的特征向量，然后輸入CNN-BiLSTM-Attention中進(jìn)行電弧故障檢測(cè)。

3.4"IDBO-CNN-BiLSTM-Attention電弧故障檢測(cè)流程

步驟1：建立串聯(lián)電弧故障實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取。

步驟2：選取7種特征量作為檢測(cè)指標(biāo)，并對(duì)特征進(jìn)行降維融合。根據(jù)負(fù)載類型給樣本貼上標(biāo)簽，建立數(shù)據(jù)集。

步驟3：隨機(jī)抽取訓(xùn)練集和測(cè)試集，比例為7∶3，進(jìn)行歸一化處理。

步驟4：利用IDBO算法對(duì)CNN-BiLSTM-Attention參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，輸入訓(xùn)練集進(jìn)行訓(xùn)練。

步驟5：將測(cè)試集輸入訓(xùn)練好的模型中，進(jìn)行故障診斷并輸出測(cè)試結(jié)果。

IDBO-CNN-BiLSTM-Attention電弧故障檢測(cè)流程如圖8所示。

3.5"IDBO-CNN-BiLSTM-Attention電弧故障檢測(cè)結(jié)果

采用IDBO算法搜尋CNN-BiLSTM-Attention的最優(yōu)組合參數(shù)，IDBO種群數(shù)量設(shè)置為30，最大迭代次數(shù)為20，維度為3。搜尋參數(shù)分別為初始學(xué)習(xí)率，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，正則化參數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練次數(shù)為500次。CNN-BiLSTM-Attention超參數(shù)最優(yōu)值如表7所示。

利用IDBO-CNN-BiLSTM-Attention對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行故障檢測(cè)。IDBO-CNN-BiLSTM-Attention電弧故障檢測(cè)結(jié)果如圖9所示;IDBO-CNN-BiLSTM-Attention電弧故障混淆矩陣如圖10所示。

由圖9可知，訓(xùn)練集和測(cè)試集的識(shí)別結(jié)果相對(duì)一致，訓(xùn)練集的準(zhǔn)確率為98.21%，測(cè)試集的準(zhǔn)確率為97.92%。

圖10中，IDBO-CNN-BiLSTM-Attention電弧故障混淆矩陣下方顯示的數(shù)據(jù)表示各實(shí)驗(yàn)負(fù)載的準(zhǔn)確率，右側(cè)顯示的數(shù)據(jù)表示各實(shí)驗(yàn)負(fù)載的召回率。圖10（a）的訓(xùn)練集混淆矩陣中，調(diào)壓電路發(fā)生電弧故障（標(biāo)簽為5）的準(zhǔn)確率和召回率分別為87.5%和85.7%，其余負(fù)載的準(zhǔn)確率和召回率均為100%;圖10（b）的測(cè)試集混淆矩陣中，調(diào)壓電

路發(fā)生電弧故障識(shí)別準(zhǔn)確率和召回率為85.7%和83.3%，其余負(fù)載所有情況的準(zhǔn)確率和召回率均為100%。

調(diào)壓電路發(fā)生電弧故障在訓(xùn)練和測(cè)試時(shí)均發(fā)生誤判，深入分析可知，調(diào)壓電路正常工作和發(fā)生電弧故障時(shí)的電流波形都存在諧波，這給電弧故障檢測(cè)帶來(lái)干擾。

本文提出的IDBO-CNN-BiLSTM-Attention串聯(lián)故障電弧識(shí)別方法的準(zhǔn)確率較高，可以達(dá)到97.92%，說(shuō)明本文方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)電弧故障的檢測(cè)。

3.6"不同故障電弧檢測(cè)方法效果綜合對(duì)比

為驗(yàn)證IDBO-CNN-BiLSTM-Attention電弧故障檢測(cè)方法的有效性，設(shè)計(jì)了3個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

第1個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比CNN-BiLSTM-Attention模型不同的卷積核大小、步長(zhǎng)以及激活函數(shù)的電弧故障檢測(cè)準(zhǔn)確率。不同模型參數(shù)設(shè)置如表8所示。各模型參數(shù)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為32，初始學(xué)習(xí)率為0.01，正則化參數(shù)為0.001，訓(xùn)練次數(shù)為500次。不同參數(shù)模型電弧故障檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，本文設(shè)置的參數(shù)模型電弧故障檢測(cè)準(zhǔn)確率要高于其他參數(shù)模型電弧故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

第2個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比5種不同的模型，包括CNN、BiLSTM以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法如RF、ELM以及本文的CNN-BiLSTM-Attention。5種不同模型電弧故障檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，CNN-BiLSTM-Attention模型電弧故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率要高于其他4種模型，驗(yàn)證本文方法的有效性。

第3個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同優(yōu)化算法優(yōu)化CNN-BiLSTM-Attention進(jìn)行電弧故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

不同方法電弧故障檢測(cè)結(jié)果如圖13所示。由圖13可知，SSA、DBO算法、WOA優(yōu)化CNN-BiLSTM-Attention進(jìn)行電弧故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率分別為95.83%、96.88%、96.88%。本文方法的準(zhǔn)確率為97.92%，說(shuō)明IDBO算法對(duì)CNN-BiLSTM-Attention優(yōu)化搜尋超參數(shù)最優(yōu)值可以提高CNN-BiLSTM-Attention電弧故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率，相比較其他優(yōu)化算法，IDBO算法優(yōu)化CNN-BiLSTM-Attention進(jìn)行電弧故障檢測(cè)有著更高的準(zhǔn)確率。

4"結(jié)"語(yǔ)

本文選取IDBO-CNN-BiLSTM-Attention方法對(duì)多維度特征融合實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電弧故障診斷，提高電弧故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

（1） 選擇電流最大上升速率、峭度、三次諧波電流含有率、電流總諧波畸變率、小波能量熵、Tsallis小波包奇異熵和二階Burg自回歸模型所得模型參數(shù)矢量與參考矢量的歐氏距離為電弧故障的特征指標(biāo)，利用KPCA對(duì)故障特征進(jìn)行降維融合，充分利用了各特征指標(biāo)對(duì)不同類型負(fù)載電弧故障檢測(cè)精度的融合互補(bǔ)，提高檢測(cè)方法的泛化能力。

（2） 基于CNN-BiLSTM-Attention模型融合各維度特征，充分保留特征之間的關(guān)聯(lián)性，提高串聯(lián)電弧故障檢測(cè)精度。

（3） IDBO算法優(yōu)化CNN-BiLSTM-Attention的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)、初始學(xué)習(xí)率和正則化參數(shù)，彌補(bǔ)依賴經(jīng)驗(yàn)設(shè)置超參數(shù)的不足，提高故障診斷準(zhǔn)確率。基于IDBO-CNN-BiLSTM-Attention方法的串聯(lián)電弧故障診斷準(zhǔn)確率可達(dá)97.92%，可高效識(shí)別串聯(lián)電弧故障。

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收稿日期： 20240520