基于深度學(xué)習(xí)的配電網(wǎng)故障智能辨識模型研究

中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）13-0024-05

Abstract：With theadvancementof powersystem technologyandequipmentupgrades，theacumulationof poweroperation datahasbecomemoreandmoreregular.Duetothelimitationsoftradionalneuralnetworks，faultsamplescannotbeidetified well.Tothisnd，anintellgentidentificationmodelfordistrbutionnetworkfultsbasedoneeplaingisproposdistthe neuralnetworkarchitectureisdetermined;thenthemodelistrainedbycombiningthecorrspondingparameteroptimization algorithm;finally，thedeeplearningmodelfordistributionnetworkfaultidenificationcanbeobtained.Throughsimulation verification， the verification results prove the effectiveness of the proposed method.

Keyword：neuralnetwork；distributionnetwork；deeplearningmodel;parameteroptimizationalgorithm；inteligentfault identification

在配電網(wǎng)故障研究領(lǐng)域，研究內(nèi)容通常包括故障預(yù)測、故障檢測以及系統(tǒng)恢復(fù)與重構(gòu)等方面。在配電網(wǎng)的故障診斷過程中，關(guān)鍵是搜集檢測設(shè)備所提供的運行數(shù)據(jù)，以便對線路及其組件的故障情況進(jìn)行監(jiān)控。此過程包括故障的定位與性質(zhì)判定-3]。故障檢測作為系統(tǒng)恢復(fù)與重構(gòu)的基礎(chǔ)，對于保障配電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全運行起到了決定性的作用。運用精確且高效的故障檢測技術(shù)，可以大幅提高故障處理的效率，快速恢復(fù)用戶的正常用電，從而減少故障給社會帶來的不良影響4。鑒于此，研究快速且準(zhǔn)確的配電網(wǎng)故障檢測技術(shù)就顯得極為重要。

在智能電網(wǎng)概念興起之前，配電網(wǎng)的故障診斷主要依靠人工進(jìn)行現(xiàn)場檢查，尤其是在變電站區(qū)域。但是，這種檢測方式不僅效率不高，而且人力資源成本極高。隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，配電系統(tǒng)的自動化程度得到了顯著提升，實現(xiàn)了對配電網(wǎng)狀態(tài)的實時監(jiān)測，從而能夠迅速了解系統(tǒng)的運行狀況8-。然而，隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)展，傳統(tǒng)的故障檢測技術(shù)已無法高效應(yīng)對監(jiān)控系統(tǒng)中積累的大規(guī)模數(shù)據(jù)，導(dǎo)致了定位精度不足和診斷速度遲緩等問題

基于以上研究，本文采用GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)模型，運用海量歷史樣本數(shù)據(jù)對基于GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練，并借助所累積的歷史數(shù)據(jù)，持續(xù)地對模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，得到需要的配電網(wǎng)故障辨識深度學(xué)習(xí)模型。

1配電網(wǎng)故障智能辨識深度學(xué)習(xí)模型整體架構(gòu)

電力系統(tǒng)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展與設(shè)備的更新?lián)Q代，使得電力運行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出更加規(guī)律性的積累。同時，監(jiān)測設(shè)備，如PMU的成本持續(xù)下降，使其在配電網(wǎng)中得到廣泛部署，預(yù)示著配電網(wǎng)可獲取的數(shù)據(jù)量將日益增多，數(shù)據(jù)的有效性也會穩(wěn)步提升。

深度學(xué)習(xí)技術(shù)的關(guān)鍵在于自動特征提取與學(xué)習(xí)過程，它通過分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來捕捉層次化的特征信息，有效克服了傳統(tǒng)方法中人工選取特征的需求[13]。

深度學(xué)習(xí)通過構(gòu)建深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來模擬大腦的運作。深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由一個輸入層、多個隱層和一個輸出層組成，每層包含多個神經(jīng)元，這些神經(jīng)元的連接有權(quán)重區(qū)分4。神經(jīng)元仿照人類的神經(jīng)細(xì)胞，而結(jié)點間的連接則模擬了神經(jīng)細(xì)胞間的連接。深度學(xué)習(xí)模型的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文中深度學(xué)習(xí)模型的構(gòu)建主要分為3部分，首先確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，然后再結(jié)合參數(shù)優(yōu)化算法來進(jìn)行訓(xùn)練，最后得到配電網(wǎng)故障辨識深度學(xué)習(xí)模型。

深度學(xué)習(xí)模型的具體思路如圖2所示：該模型分為離線訓(xùn)練和在線決策2部分。在數(shù)據(jù)處理的初始階段，針對不同的類別進(jìn)行聚類預(yù)處理。緊接著，針對每批歷史數(shù)據(jù)，設(shè)計并訓(xùn)練獨立的深度學(xué)習(xí)模型。在進(jìn)行決策時，首先確定輸人數(shù)據(jù)的類別，接著選擇與之匹配的模型進(jìn)行計算分析。

離線訓(xùn)練，也稱為批量學(xué)習(xí)，即在一個封閉的數(shù)據(jù)集上對模型進(jìn)行迭代優(yōu)化。該過程包括對整個數(shù)據(jù)集的多次遍歷，直至模型性能達(dá)到預(yù)定的閾值，如較低的誤差率或較高的準(zhǔn)確度。此方法能夠充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)集的全部信息，以訓(xùn)練出泛化能力較強的模型。然而，其核心缺陷在于無法實時響應(yīng)數(shù)據(jù)分布的變化，因此，當(dāng)遭遇數(shù)據(jù)漂移時，必須定期對模型進(jìn)行重新訓(xùn)練以維持其性能。

在線決策，也稱為在線學(xué)習(xí)，允許模型在數(shù)據(jù)流持續(xù)到達(dá)時進(jìn)行連續(xù)的學(xué)習(xí)和更新。此方法的特點是模型根據(jù)新數(shù)據(jù)的即時反饋調(diào)整其參數(shù)和權(quán)重，從而實現(xiàn)快速適應(yīng)數(shù)據(jù)環(huán)境的變化。盡管在線決策具備高度的實時性和靈活性，但其對數(shù)據(jù)點的敏感性可能導(dǎo)致模型對噪聲或異常值過度反應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)偏差累積問題。

在深度學(xué)習(xí)實踐中，離線訓(xùn)練與在線決策的策略常常被聯(lián)合采用。具體而言，離線訓(xùn)練為模型提供了一個穩(wěn)固的知識基礎(chǔ)，而在線決策則確保了模型能夠與動態(tài)變化的數(shù)據(jù)環(huán)境保持同步。這種混合方法既發(fā)揮了離線訓(xùn)練在模型泛化方面的優(yōu)勢，又利用了在線決策在實時適應(yīng)性上的長處，為深度學(xué)習(xí)模型在復(fù)雜多變的應(yīng)用場景中提供了強大的支撐。

2配電網(wǎng)故障診斷模型

2.1循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RecurrentNeuralNetwork，RNN）作為一種深度學(xué)習(xí)模型，因其短期記憶功能而在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的獨特之處在于，其神經(jīng)元具備雙重接收能力：一方面，它可以接收來自其他神經(jīng)元的輸入信號；另一方面，它也能夠獲取并整合前一時刻自身的輸出信息。網(wǎng)絡(luò)中的信息流動呈現(xiàn)一種獨特的循環(huán)模式，這種模式構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)獨有的循環(huán)性結(jié)構(gòu)[，如圖3所示。

圖3中， δ （ ? ） 為激活函數(shù)，通常激活函數(shù)采用tanh函數(shù)，RNN神經(jīng)元不僅能從外部接收信號，還能從前一時刻的自身輸出中獲取信息，構(gòu)建了一個帶有循環(huán)連接的結(jié)構(gòu)。由圖3可知，RNN的設(shè)計允許它存儲并利用歷史信息。在RNN中，每個神經(jīng)元的當(dāng)前輸出是依賴于之前所有時刻的輸出的，即神經(jīng)元輸出 的計算 是基于歷史輸入的綜合考量，具體公式如下所示

式中： 和 分別代表2個輸入的權(quán)重參數(shù)， b 代表偏置項，隱藏狀態(tài) 由 和 與上一時刻的隱藏狀態(tài) 共同決定， 為神經(jīng)元的輸出。

盡管循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理時間序列數(shù)據(jù)方面具有顯著優(yōu)勢，然而其固有的梯度消失問題嚴(yán)重制約了模型在長序列學(xué)習(xí)任務(wù)中的性能。針對這一問題，研究者們提出了一種引入門控機(jī)制的改進(jìn)型循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，稱之為門控循環(huán)單元（GRU）。

2.2 GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過引入門控機(jī)制，有效地解決了RNN在處理長時間序列時遇到的梯度消失問題，從而顯著增強了其預(yù)測長期序列數(shù)據(jù)的能力。通過引入門控機(jī)制，GRU的循環(huán)單元可以選擇性地保留或遺忘信息，這樣在現(xiàn)有信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行更新，能夠更有效地處理長序列的數(shù)據(jù)。

與傳統(tǒng)的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同，GRU采用了門控循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來取代簡單的tanh等激活函數(shù)，用于構(gòu)建鏈?zhǔn)侥Ｐ?。GRU網(wǎng)絡(luò)通過整合輸入門與遺忘門為單一的更新門，并將遺忘門重組為更新門和重置門，同時簡化了記憶單元的設(shè)計，使其能夠直接進(jìn)行計算并輸出結(jié)果。其結(jié)構(gòu)如圖4所示，GRU在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了簡化，在保證預(yù)測效果的基礎(chǔ)上，訓(xùn)練參數(shù)更少，并且在降低模型復(fù)雜程度的同時還具有較高的預(yù)測精度。

在圖4中， 和 分別象征著重置門和更新門。重置門用于確定前一時刻的狀態(tài)信息在當(dāng)前候選狀態(tài)中的權(quán)重，重置門的值越小，表示前一時刻的信息在當(dāng)前候選狀態(tài)中的寫入比例越低。另一方面，更新門用于決定前一時刻的狀態(tài)信息在當(dāng)前狀態(tài)中保留的比例，更新門的值越大，前一時刻的狀態(tài)信息在當(dāng)前狀態(tài)中保留得就越多。

依據(jù)所提供的GRU模型圖，網(wǎng)絡(luò)的前向傳播過程可以用以下公式來描述

式中： [ a ， b 符號用于表示向量的連接，而 則表示矩陣的乘積。

從前向傳播公式可以看出，需要學(xué)習(xí)的參數(shù)包括

其中，前面3個參數(shù)是通過拼接得到的（輸入向量也由拼接得到），因此在訓(xùn)練過程中需要將它們分開進(jìn)行處理

輸出層的輸入

輸出層的輸出

在計算出輸出層的輸出后，便能夠確定網(wǎng)絡(luò)中的傳播損失。具體而言，某一時刻單個樣本的損失可計算如下

則單個樣本在所有時刻的損失之和為

采用后向誤差傳播算法來學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，首先需計算損失函數(shù)對各參數(shù)的偏導(dǎo)7

式中：各中間參數(shù)為

在求得所有參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)之后，便可以對它們進(jìn)行更新。通過連續(xù)迭代此過程，直至損失值達(dá)到收斂狀態(tài)。

總體而言，GRU通過不同的門函數(shù)來保留重要特征，從而確保在傳播過程中不會丟失關(guān)鍵信息。

3配電網(wǎng)故障智能辨識深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練策略

在電網(wǎng)故障預(yù)測模型中，所使用的輸入數(shù)據(jù)集包括在多個時間點記錄的電氣量以及系統(tǒng)運行狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，這些輸入數(shù)據(jù)構(gòu)成了一個序列，可以用公式（27）來描述

該模型中， ，輸人變量考慮了電壓、電流、有功功率等電氣量數(shù)據(jù)，以及雷雨天氣的指示因素，其中雷雨天氣狀況則是通過獨熱編碼（One-HotEncod-ing）進(jìn)行表征。

該模型的輸出結(jié)果為電網(wǎng)出現(xiàn)故障的概率預(yù)測，而其輸入序列數(shù)據(jù)由式（28）所描述

圖5展示了GRU網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練流程。依據(jù)既有的故障數(shù)據(jù)，比較模型預(yù)測值與實際故障結(jié)果之間的偏差，并通過本文應(yīng)用的隨機(jī)梯度下降算法1對GRU網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重進(jìn)行迭代更新。

本文的故障智能識別深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練過程包括將故障數(shù)據(jù)和類型樣本輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)。使用反向傳播算法作為權(quán)重更新策略，從輸出權(quán)重開始，反向更新網(wǎng)絡(luò)的所有權(quán)重，以擬合故障數(shù)據(jù)和故障類型輸入輸出之間的映射關(guān)系，減小預(yù)測輸出與實際輸出之間的差異，直到達(dá)到精度要求。

均方誤差（MSE）可以用來評價數(shù)據(jù)的變化程度，MSE值越小，表明預(yù)測模型對實驗數(shù)據(jù)的描述更精確19

研究表明，均方誤差作為訓(xùn)練目標(biāo)函數(shù)能夠有效提高深度學(xué)習(xí)模型的收斂性。

本文將均方誤差作為深度學(xué)習(xí)模型的目標(biāo)函數(shù)，旨在訓(xùn)練模型，即

式中 ∴ X 表示真實值； 表示模型決策值； R 表示樣本總個

數(shù)： ?r 表示第 r 個樣本。

平均絕對誤差（MAE）衡量的是預(yù)測值與實際值之間絕對誤差的平均水平，它提供了預(yù)測精度的一個更直接、更精確的指標(biāo)。使用MAE作為深度學(xué)習(xí)模型的評估指標(biāo)，可以有效評估模型的決策精度，即

4系統(tǒng)仿真設(shè)計

4.1 仿真實驗設(shè)計

為評估所設(shè)計的故障智能識別深度學(xué)習(xí)模型的性能，本文采用了隨州電網(wǎng)公司的故障分析報告。實驗數(shù)據(jù)包括電壓、電流及有功功率等多種電氣參數(shù)，有較強的代表性。在參數(shù)更新過程中，采用Adam算法，使參數(shù)更新更穩(wěn)定，使GRU模型的收斂速度和預(yù)測精度方面有了顯著提升。同時，為了降低過擬合風(fēng)險，將500維電力時序數(shù)據(jù)以合適的步長與步數(shù)進(jìn)行分割，并將時序步數(shù)范圍[10，20，30，40，50，60，70，80，90]與時間步長范圍[5，10，15，20，25，30，45，50]進(jìn)行配對，并對每組超參數(shù)訓(xùn)練的模型進(jìn)行性能評估并得到最優(yōu)解。

經(jīng)測試所得的組合最優(yōu)解網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見表1。

圖6展示了GRU模型在訓(xùn)練過程中的損失變化曲線。當(dāng)訓(xùn)練迭代次數(shù)超過10次后，訓(xùn)練集與驗證集的誤差趨于一致，這表明模型未出現(xiàn)過度擬合，并且訓(xùn)練已達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

后將文中結(jié)果與其他主流電力數(shù)據(jù)診斷模型進(jìn)行比較，如：支持向量機(jī)分類模型（SVM）反向傳播網(wǎng)絡(luò)（BPNN）、深度信念網(wǎng)絡(luò)（DBN）循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN），與GRU采用相同訓(xùn)練集與同樣的K-Fold驗證方法，通過檢測準(zhǔn)確率來驗證了模型的優(yōu)越性與實用性。

4.2 實驗結(jié)果與討論

實驗結(jié)果表明，GRU模型的故障檢測性能與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比，由圖7與表2可以看出，GRU模型的預(yù)測準(zhǔn)確率明顯優(yōu)于其他方法，達(dá)到了 9 1 . 9 % ，大大提高了模型的準(zhǔn)確性。

明顯可以看出，SVM、DBN與BPNN在預(yù)測準(zhǔn)確率方面有明顯不足。為提高預(yù)測準(zhǔn)確率，捕捉電氣數(shù)據(jù)的時序特性至關(guān)重要。相比之下，GRU模型建立了當(dāng)前時刻與前一時刻狀態(tài)間的線性依賴關(guān)系，有效緩解了梯度消失對預(yù)測精度的影響，與其他模型相比，準(zhǔn)確性有了顯著提高。此外，基于門控循環(huán)單元網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)故障診斷模型在訓(xùn)練過程中需承擔(dān)顯著的計算負(fù)擔(dān)。因此，在將模型應(yīng)用于新電網(wǎng)區(qū)域時，建議考慮遷移學(xué)習(xí)策略。可以利用在其他電網(wǎng)區(qū)域預(yù)先訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重作為新模型初始化的參數(shù)，這樣做有助于加速訓(xùn)練過程并提升數(shù)據(jù)利用的效率。這樣可以有效減少訓(xùn)練時間，并提升模型在新環(huán)境下的適應(yīng)能力。

5結(jié)論

本文提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的配電網(wǎng)故障智能辨識模型。仿真結(jié)果表明，使用方法可以顯著提高故障的檢測率，有效降低配電網(wǎng)故障發(fā)生頻率，為配電網(wǎng)的安全運行提供了可靠的技術(shù)支撐。

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