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基于多信息融合的变压器运行状态评估模型

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第25卷第4期 2013年8月 电力系统及其自动化学报 Proceedings of the CSU-EPSA V01.25 No.4 Aug. 2013 基于多信息融合的变压器运行状态评估模型 陈发广 ,周步祥 ,曾澜钰 (1.四川大学电气信息学院,成都610065;2.中山市凯能集团有限公司,中山528400) 摘要:变压器状态评估是变压器运行、检修与维护的重要依据,而其状态参数的类型杂、数量多及参数间关 联关系不明确等是该环节工作的瓶颈问题。针对上述问题,文中构建了基于多信息融合的状态综合评估模 型。在深入分析变压器状态评估的需求与研究现状的基础上,利用变压器的试验数据、运行数据、历史数 据,设计了基于粗糙集、层次分析法、多神经网络、证据理论的多信息融合评估模型,且通过算例进行校 验。结果表明:所提模型能有效对变压器状态进行评估,可为当前变压器的运行与维护提供参考。 关键词:状态评估;变压器;粗糙集;层次分析法;神经网络;证据理论 中图分类号:TM732 文献标志码:A 文章编号:1003—8930(2013)04—0140—05 State Evaluation Model of Transformer Operation Based on Multi-information Fusion CHEN Fa-guang ,ZHOU Bu-xiang ,ZENG Lan-yu (1.School of Electrical Engineering and Information,Sichuan University,Chengdu 6 10065,China; 2.The Power Technology Service Branch Company of Kaineng Group Limited Company, ZhongShan 528400,China) Abstract:Condition assessment is important to the operation,repair and maintenance of transformer.However,the complex state parameters and the unclear relationship between the parameters are the bottleneck problems.Therefore, this paper constructs the state evaluation model of transformer operation based on multi-information fusion.Base on the further analysis of demand and present researches for the state evaluation,the test data,the operation data and the history data are used to establish a evaluation model based on the multi—information fusion,which includes the rough set,the analytic hierarchy process,multi-neural network theory and evidence theory.And then,the model is checked by the examples.The results show that the proposed model can effectively evaluate the transformer state,which can be the reference for the operation and maintenance of transformers. Key words:condition assessment;transformer;rough set;analytic hierarchy process;neural network;evidence theory 长期以来,对变压器的研究侧重于故障发生 后,利用故障前后特征量的变化而进行故障诊断。 但在实际运行中,相比故障诊断,更关心变压器的 据的有效结合,提出了对色谱数据进行RBF (radical basis function)分析、对电气试验数据进行 BP(back propagation)分析的多神经网络模式,并结 实时运行状态。另外,现在大力提倡状态检修,对变 压器的状态评估也是状态检修的重要依据_l_2J。 合证据理论进行综合分析。文献【6】提出对于复杂 装备结构和功能的层次性,可运用粗糙集和层次 分析法AHP(analytic hierarchy process)相结合来进 在过去几年,已有不少学者对状态评估进行 了研究。文献[3】针对电力变压器绝缘状态不确定 性以及难以有效评估的问题提出了基于集对分析 行健康特征向量的约简优化和权重系数的确定。 文献[7]建立了多信息状态评估模型,但只融合了 粗糙集、神经网络和证据理论,且未详细阐述。 综上研究,由于每种评估方法的侧重点不一 方法的变压器绝缘状态评估策略。文献[4】提出了 基于模糊综合评判的电力变压器运行状态评估模 型。文献【5】也涉及到对变压器色谱数据和电气数 收稿日期:2013—01—04;修回日期:2013—04—01 样,且比较单一,本文构建基于多信息融合的变压 第4期 陈发广等:基于多信息融合的变压器运行状态评估模型 ・141・ 器运行状态评估模型,各种评估方法有机结合,使 得优势互补,进而提高评估准确性。主要工作包括 有:①运用粗糙集和层次分析法对试验数据(溶解 气体、色谱、电气数据)、运行数据(负荷温度、负 载、短路情况等)、历史数据(检修记录、不良运行 工况、缺陷记录、投运时间等)进行约简;②通过神 经网络进行训练,以及专家评分,实现从状态特征 估指标等。 其中,试验数据分析是变压器状态评估至关 重要的信息,它反映了变压器基本的运行特性。试 验数据一级指标又可以分为溶解气体色谱分析 (U )、绝缘油试验分析(U )、电气试验分析(U ,)3 个二级指标。溶解气体色谱分析包括H:、CH 、 c H 、c2H 、c2H 、CO、CO 、CO产气速率、总烃相对 产气速率等。绝缘油试验分析包括油中微水、油介 损、油击穿电压等。电气试验分析包括绕组直流电 到评估状态的复杂映射;③通过层次分析法确定 各证据体的权重,再将试验数据、运行数据、历史 数据这三种不同的证据体进行有效的融合,形成 阻、绕组绝缘电阻、吸收比、绕组介损、电容型套管 一个新的证据体,从而得到评估决策。 介损、铁心接地电流、铁心接地电阻等。运行数据 1状态评估指标体系 分析在变压器状态评估中也是非常关键的,它表 征了变压器运行的实时参数,更能真实准确体现 表征电力变压器的状态特征类型繁多,为了 变压器的状态。运行数据分析包括负荷水平、运行 全面而真实地反映变压器的实时运行状态,本文 环境、温升水平、继电保护数据、开关运行情况等。 拟构建如图1所示的状态分层评估体系。图中,可 历史数据分析给变压器状态评估提供一个过去运 以从试验数据分析(U )、运行数据分析(u:)、历史 行情况的参考。它包含了检修记录(包括同类对 数据分析(u )3个一级评估指标获得变压器的运 比)、局部放电过热过电压等缺陷情况、短路情况、 行状态。对每个一级指标又有相应的二级、三级评 投运时间、自身系列的设计技术指标等 8l。 图1变压器运行评估指标层次分析图 Fig.1 Hierarchy analysis for evaluation index of transformer operation 2状态评估模型 3)针对每个子网络得到的评估证据体进行权 重确定进而合成,从而得出最终评估决策。 2.1总体模型 依据《国网状态检修试验规程及主设备评价 状态评估整体分为3个部分:基于粗糙集试 检修导则》,将变压器的运行状态划分为良好状 验数据指标约简的初级评估层,多神经网络和专 态、一般状态、注意状态和严重状态四种等级。 家评分的判断评估层,层次分析法权重确定和D—S 2.2初级评估层 证据理论的融合决策评估层。逻辑过程如下: 基于粗糙集理论,首先针对试验数据分析初 1)运用粗糙集对图1中的试验数据指标进行 级特征指标进行离散化处理。最初给出的原始指 属性约简; 标数据都是连续性,所以要对这些连续性的数据 2)结合评估状态对得出的必要属性指标集合 进行离散化处理。离散化处理可以由领域专家根 网络训练和运行数据及历史数据进行专家评估, 据自己相应的经验给出对应的区间。然后,对于离 建立各个子神经网络和专家评估模型; 散化的数据建立状态评估决策表。以初始的状态 ・142・ 电力系统及其自动化学报 第25卷 特征指标作为条件属性,评估状态G作为决策属 性,G={1/良好,2/一般,3/注意,4/严重l。最后,根据 决策表建立区分矩阵,得出属性约简指标,剔除冗 余的、不重要的状态特征指标。 2.3判断评估层 基于多神经网络和专家评分的判断评估层是 整个模型的关键。此评估层针对之前粗糙集约简 后的状态指标进行分类训练或专家评估。 2-3.1多神经网络 1)数据预处理 由于最初的状态特征数据都是连续的,各数 据之间的量值、格式都有很大的差别,因此必须对 原始数据进行预处理。本文采用广泛应用的相对 劣化度 解决这一问题[61,其取值范围为【0,1]。当 为0时,表明特征状态指标处于最优状态,当 为1时,表明处于最劣状态。 l( 二 ) ,/ ̄/nv≤//'m≤Uthr Xm:=1{/ /'thr一/Z/,w (L 1)l  ( ) ,M咖≤M ≤//4nv l /Zira,一//'t& 式中:u 为状态特征指标的正常值(初值);u栅为 指标相应的注意值(阀值),其值的确定参考Q/ CSG1 007—2004((电力设备预防性试验规程》和Q/ GDW 169—2oo8<<油浸式变压器(电抗器)状态评价 导则》;/Z 为指标实际测量值。本文Ot取值为1。 2)构造并训练评估子网络 由相对劣化度进行预处理后的数据可以构造 并训练各神经子网络。此模型中,神经网络主要应 用溶解气体分析、绝缘油试验分析、电气试验分析 和运行数据分析3个子网络中。神经网络很好地 解决了从状态特征信息到评估状态的复杂非线性 映射。迄今为止,RBF网络和BP网络是神经网络 中应用最广、理论最成熟的模型。基于数据本身和 网络的特点,对溶解气体分析、绝缘油试验分析采 用RBF神经网络进行分析,对于电气试验分析采 用BP神经网络进行训练。 2.3.2专家评分法 对于历史数据分析和运行数据分析,无法定 量数据计算,本文采用广泛应用的专家评分法进 行量化评估。 1)专家权重的确定 结合文献[9],采用主观权重( f)和客观权重 ( )结合的群决策层次分析法,构造综合权重Af。 4/表示第i位评估专家对第 项状态特征指标的 综合权重。 A/: f+(1一k f;0≤ ≤1 (2) 式中:k表示主观权重和客观权重的重要程度。 2)综合评估计算 假设有m位评估专家,前面初级评估层粗糙 集约简后得到 项历史数据状态指标。R 表示第i 位评估专家对第. 项状态特征指标的评估分值, 的取值范围为『0,11。从而形成了专家状态特征指 标评估矩阵m ̄n阶矩阵 。 尺l1 …尺1 I R=} ; … i 】I  (3) I尺 …R R =(R l,Rij2 R 3,R ) 式中: 耐为第 个专家对第. 项特征状态关于评估 等级Z的概率估计,且有: R 1+R 2+R卵+R =1 (4) 最后综合评估值曰。第Z个评估等级 的计算 式为 ∑∑Af×R B 上L旦——一f_1,2,…,11,(5) m×n 2.4决策评估层 决策评估层,就之前判断评估层得出的评估 结果进行证据组合,形成更为精确的评估结果。 2.4.1基于层次分析法的变权确定 依据前面判断评估层中溶解气体分析、绝缘 油试验分析和电气试验分析3个神经网络训练得 出的结果进行彼此权重确定,以及试验数据分析、 运行数据分析和历史数据分析三者之间的权重确 定。得出的评估结果指标集进行权重确定。参考文 献【4】采用多位专家群组决策层次分析法,先对各 指标重要度进行两两比较,对不同指标的权重进 行主观确定,建立判断矩阵,然后再客观数学处理, 从而求出常权值权向量 ( ), ( ),…,∞(‰)]。 2.4.2基于证据理论的融合评估 在决策评估层中,用D—s证据理论将之前判 断评估层子网络的评估结果进行融合成一个新的 证据体。融合过程中关键在于如何构造出各个子 证据体的基本概率分配函数。假设第i个子网络对 第 个评估状态的输出值为O ),那么对应的基 本概率分配函数为 m ( ): 姓 (6) O ) j=l m ( )=1一O/ ,(i=1,2,…,P) (7) 第4期 陈发广等:基于多信息融合的变压器运行状态评估模型 -143・ 式中: 为2.4.1节中求出的各子网络权重(理论 上, 是各单证据体的可靠性系数,本例直接运用 各证据体的权重系数代替);m ( )为对应的不确 定性信任度分配;p表示证据体数目。 由上面的基本概率分配函数,计算各子网络 证据体单独评估的信任函数和似然函数,对应各 子网络单独作用的信度区间为 efI,p 最后根据 证据理论正交合成规则,求出所有证据体联合后 的概率分配函数m( ),计算公式如下: m( )=m。( )0 m ( )0…0, ) (8) 3算例分析 参考文献[9]共收集了40组同家族、同类型变 压器试验数据样本,其中包含1O组故障数据样 本。其中3O例进行网络训练,lO例用于检验,并对 文献[9]中实例进行验证。限于篇幅,本文只列出部 分溶解气体数据如表1所示。 表1部分溶解气体数据表 Tab.1 Part of the dissolved gas 1)根据之前介绍的粗糙集将30组数据进行 离散化处理,去除冗余信息,得到必要特征指标。 该实例经过粗糙集约简后得到的数据特征指标如 表2所示。 表2约简后数据特征指标 Tah.2 Characteristic index of the data after the reduction 溶解气体色 H2、C 、C2H4、C0、 C2H C2H4、CIL/H2、C2 谱分析 总烃含量 C H6 绝缘油试验 微水 油介损 油击穿电压 电气试验 介质损耗tan 直流电阻 泄漏电流 2)将以上各指标按照相对劣化度的方法进行 处理。然后通过神经网络进行训练。输出为变压器 状态对于4评估状态等级的概率(贝叶斯)。神经 网络的应用发展已比较成熟,所以这里就不给出 具体过程。本例,对于溶解气体色谱分析RBF1神 经子网络,通过学习算法得网络结构为8x16 ̄4;绝 缘油试验分析网络RBF2结构为3x8x4;电气试验 分析BP网络为4x7x4。将某组数据经过预处理, 输入3个子神经网络后,其输出值转成基本概率 分配。 3)用专家评估的方法评估运行数据分析和历 史数据。本例中运行数据和历史数据分析有5位 专家。经过2.3.1节计算后, 取0.5。得出专家的综 合权重为 0.265 0.183 0.160 0.168 0.145 0.204 0.207 0.253 0.190 0.186 A= 0.166 0.257 0.196 0.173 0.197 0.175 0.189 0.183 0.258 0.225 0.190 0.164 0.208 0.211 0.247 对于历史数据分析,由于专家对历史数据的 了解和分析差别不是很大,所以采用等权重进行 分析,每位专家对每个历史指标的权重均为0.2。 根据5位专家对各评估等级的概率性评估结 果,并结合前面求出的综合权重求出 1和B2。同 样,根据5位专家,利用层次分析法求出各证据体 的权重。见表3所示。 表3专家对各指标的权重分配表 Tab.3 Weight idstribution of each index by hte experts 根据表3数据,求得权重见表4所示。 表4各证据体的权重 Tab.4 Weight of hte evidence body 堂堡 ! !! ! 权重0.498 0.269 0.233 0.422 0.261 0.317 文献【9]中实例,结合神经网络和专家评分法 得出的输出值,经转化成基本概率分配,如表5。 表5各证据体以及融合后的基本概率分配 Tab.5 Basic probability dist ̄bution of the evidence body 0.144 1.899 ̄100 0.087 0.305x10-3 0.004 0 0 O 由表5知,由于忽略使用的权重,而非转化成 可靠性系数导致计算出的融合概率分配很小,但 从各评估状态等级之间的对比可得出,评估结果 为G1(良好)。同时,对比采用单一评估方法的评估 ・144・ 电力系统及其自动化学报 第25卷 结果,如多神经网络的试验数据分析以及专家评 分法的运行数据和历史数据分析,可发现,采用单 一评估方法得到的概率分配在Gl和G2之间,差 别不是很大,状态辨识效果不明显,证据融合后, 评估的状态越明显,评估结果的可靠性和精度随 之提高。另外,对1O组检验样本进行评估得出9 组与实际结果一致,由此可见本文模型是有效的。 4结论 本文在结合已有变压器评估方法基础上,利 用变压器的试验数据、运行数据、历史数据,构建 了基于粗糙集、层次分析法、多神经网络、证据理 论的多信息融合评估模型。实例表明所提模型对 变压器运行状态辨识效果明显,且评估结果的精 度与准度均所有提高,满足当前变压器实际运行 需求。同时,所提模型尚存不足包括: (1)样本数量不充分,以及某些数据不具代表 性导致评估结果出现偏差; (2)证据融合时,直接采用了权重系数,而未 转换成可靠性系数,导致融合出结果概率分配很 小。以后的研究重点解决从权重系数到可靠性系 数的转化; (3)用专家评分法去评估运行数据,没有充分 利用实时运行数据的应有价值,应按照试验数据 分析的方法去研究它的量化处理。 参考文献: 【1】熊浩,孙才新,张昀,等(Xiong Hao,Sun Caixin,Zhang Yun,et o1).电力变压器运行状态的灰色层次评估模型 (A hierarchical grey evaluation model for operation condi— tion ofpowertransformers)[J].电力系统自动化(Automa— tion of Electirc PowerSystems),2007,31(7):55—60. 【2】吴米佳,卢锦玲(Wu Mijia,Lu Jinling).基于改进粒子群 算法与支持向量机的变压器状态评估(Condition as— sessment for power transformer based on improved particle swarm optimization and suppo ̄vector machine)[J].电力 科学与工程(Electirc Power Science and Engineering), 2011,27(3):27—31. 【3】廖瑞金,郑含博,杨丽君,等(Liao Ruijin,Zheng Hanbo, Yang Liiun,et o1).基于集对分析方法的电力变压器绝 缘状态评估策略(A power transformer insulation condi- tion assessment method based on set pair analysis)[J1.电 力系统自动化(Automation of Electirc Power Systems). 2010,34(21):55—60. 【4】廖瑞金,王谦,骆思佳,等(Liao Ruijin,Wang Qian,Luo Sijia,et ).基于模糊综合评判的电力变压器运行状态 评估模型(Condition assessment model for power trans— former in service based on fuzzy synthetic evaluation)[J1. 电力系统自动化(Automation of Electric Power Svs— tems),2008,32(3):70—75. 【5】廖瑞金,廖玉祥,杨丽君,等(Liao Ruijin,Liao Yuxiang, Yang Lijun,et ).多神经网络与证据理论融合的变压 器故障综合诊断方法研究(Study on synthetic diagnosis method of transformer fault using multi-neural network and evidence theory)[J].中国电机工程学报(Proceedings ofthe CSEE),2006,26(3):119—124. 【6】张亮,张凤鸣,杜纯(Zhang Liang,Zhang Fengming,Du Chun).复杂装备健康状态评估的粗糙核距离度量方 法(Research on health condition assessment meth0d for eomplex equipment based on rough set and kernel space distance metirc)【JJ.计算机工程与设计(Computer Engi— neering andDesign),2009,30(18):4269-4271. 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