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第41卷第13期2013年7月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV01.41NO.13July1,2013基于相关系数矩阵和概率神经网络的局部放电模式识别苑津莎,尚海昆,王瑜,靳松(华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003)摘要:针对变压器局部放电模式分类过程中特征参数维数过高的问题,提出了一种基于相关系数矩阵的参数降维方法。利用提取出的变压器局部放电信号的特征参数构造相关系数矩阵,通过分析放电信号18个特征参数问的相关性,删除具有相似分类能力的特征参数,之后引入分离度指标来衡量特征向量的分类能力大小,提取出6个具有较高分类能力的特征向量,最后通过概率神经网络进行模式识别。结果表明该降维方法有效降低了特征参数的维数,简化了分类器结构,在小样本情况下对于概率神经网络模式分类器具有较高的识别率,识别效果优于传统BP神经网络。关键词:相关系数矩阵;概率神经网络;变压器;局部放电;模式识别Patternrecognitionforpartialdischargebasedoncorrelationcoefficientmatrixandprobabilisticneuralnetworks——YUANJinsha,SHANGHaikun,WANGYu,JINSong(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElec ̄icPowerUniversity,Banding071003,China)Abstract:AnewdimensionreductionmethodbasedoncorrelationcoefficientmatrixiSproposedaimedatthehi曲。dimensionofcharacteristicparametersintheprocessofpattemrecognitionforpartialdischargeinpowertransformer.Thecorrelationcoefficient‘matrix(CCM)isconstructedusingparametersextractedfrompartialdischargesignalinpowertransformer.Theparameterswhichhavesimilarclassificationabilitytoeachotheraredeletedwiththehelpofcorrelationanalysisamong18characteristicparametersinCCM.Sixparameterswhichhavehigherclassificationcapabilitiesareextractedusingthecriticalindexandareusedastheinputsforpattemclassifiersofprobabilisticneuralnetworks.Theresultsshowthattheparameterdimensionisreducedandtheclassifierconstructionissimplified,andtherecognitioneffectisbetterthanthatofthetraditionalbackpropagationneuralnetworkintheconditionofsmallsamples.ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.61204027).Keywords:correlationcoefficientmatrix;probabilisticneuralnetworks;powertransformer;partialdischarge;patternrecognition中图分类号:TM85文献标识码:A—文章编号:1674.3415(2013)13-0110060引言变压器是电力系统中的关键设备之一,维护其安全运行至关重要。据统计造成变压器故障的主要…原因来自设备的绝缘劣化。局部放电作为评估设备绝缘状况的重要检测手段,对其模式进行分类得到了广泛的关注。分类过程中放电模式特征的选择非常关键,直接影响识别结果。目前局部放电常用特征提取方法主要有统计特征参数法[2-31、分形特征参数法J、图像矩特征参数法j、波形特征参数基金项目:国家自然科学基金(61204027);中央高校基本科研业务费专项资金资助(13XS26)法及小波分解法『8J等,其中统计特征参数法因其物理意义明确,及较好的谱图区分能力而得到更多的关注。由于上述特征参数的计算复杂,维数较高,而且局部放电各特征参数之间具有的相关性会严重影响识别效果,在实际应用中受到一定的限制。因此降维方法的引入显得非常重要。目前特征空间的降维方法有很多种,常用的有粗糙集理论【9】,主成分分析[10-11及核主成分分析方法l]等。文中通过构造局部放电特征参数的相关系数矩阵对放电参数进行相关性分析,剔除具有较强相关性的特征参量,保留具有较强分类能力且彼此独立的参数,达到降维的目的。该方法原理简单且容易实现。苑津莎,等基于相关系数矩阵和概率神经网络的局部放电模式识别一l11.在模式识别领域中BP神经网络以其固有的模式分类和噪声抑制能力得到了广泛的应用,但存在训练样本需求量大、训练周期长及易陷入局部最小等缺点。概率神经网络[13-14J在分类功能上与最优贝叶斯分类器等价,不像传统神经网络需要用BP算法进行反向误差传播的计算,而是完全前向的计算过程,结构简单,训练简洁,有效避免陷入局部极小,容错能力较强,在小样本情况下也能得到满意的识别精度。本文对采集到的变压器局部放电信号进行特征提取,得到描述放电特性的18个特征参数,然后利用相关系数矩阵降维得到6个具有较强分类能力的特征参数值,将其送入概率神经网络进行模式识别。实验分析验证了该降维方法的有效性。1局部放电特征参数提取本文针对常见的悬浮放电、沿面放电和气隙放电三种局部放电类型,在实验室条件下通过高频传感器和高速数字采集系统获取放电信号,其中传感器采用带宽为0.3~1.5GHz的阿基米德螺旋天线。对每种放电类型采集20组样本用来分析。为了对放电参数进行全面分析,构造高维特征空间,文中根据局部放电脉冲波形特征及统计特征参数提取方法,对采集得到的放电信号进行特征提取,方法见文献[4,16】。得到的18个特征向量如表1所示。表1特征属性变量11ab1e1Featureattributevariable属性基本意义局部放电脉冲上升时间局部放电脉冲下降时间局部放电脉冲50%最大幅值脉冲持续时间局部放电脉冲10%最大幅值脉冲持续时间放电脉冲总持续时间放电脉冲均值放电脉冲方差脉冲突出度或离散程度脉冲的偏斜度即左右不对称程度Weibull尺度参数Weibull形状参数50个工频周期内脉冲最大放电量50个工频周期内脉冲平均放电量5O个工频周期内脉冲方差≯5O个工频周期内(g)分布的放电量因数5O个工频周期内妒(g)分布的相位不对称度5o个工频周期内(g)分布的互相关系数5O个工频周期内O(q)分布的修正相关系数由于提取出的各个特征参数取值范围不同,为了对比方便,对得到的特征参数矩阵的各列分别进行归一化,归一化公式为—jaXlmi其中:为第i个待归一化数据;Xmi为样本中的最小值;X为样本中的最大值;Y即为归一化之后的数据。2基于相关系数矩阵的局部放电特征参数降维方法2.1降维思想两个变量间线性关系的强弱可以利用相关系数来描述,对于多个向量之间的相关程度可以用相关系数矩阵来表示。首先构造放电特征参数矩阵,其中列向量为特征参数,行向量为采集样本。分析两个列向量(即两个不同特征向量)问的变化趋势,假如对于不同的放电类型变化,两向量具有相同或相似的变化趋势,则说明两向量具有相似的分类能力,即两向量具有相关性,从而可以删除其中的一列向量。之后引入分离度指标来衡量特征向量的分类能力大小,将特征向量按分离度指标的大小进行排序,选择指标最大的特征向量,然后判断剩余特征向量哪一个与该向量组合能够取得最佳的分类能力。重复该过程,直到取得满意的分类效果之后,过程结束。2.2降维方法描述首先构造局部放电特征参数矩阵,M=[X,X一,】,其中X为mxl矩阵,m为样本数,/,/为参数个数。可以写成M=X11X12…X21X22…”X12…”m参数矩阵中向量间的相关性可通过计算相关系数得到[,如式(3)。lxlCOV(Xi,,)E(xg一)(一)--——————.......—一=———————————....-------------------一6xoxJoxoxi其中:COV(Xi,xj)为参数与的协方差;为变量Xi的标准差;为样本均值;E()表示数学期望,一般我们用均值代替数学期望。此处的协方差表示不同特征参数与之间的特性,样本数越多,肿电力系统保护与控制则得到的协方差越可靠,向量间的相关性描述更充分。根据相关系数的定义可以得到相关系数矩阵的定义。计算特征参数矩阵中每一列间的相关系数,得到参数矩阵的相关系数矩阵P,表示为P=12r21122r.1/"n2由于两向量间的相关性r/=因此可以得出相关系数矩阵P为对称方阵,而且两个相同向量问的相关性为1,从而对角线元素值全部为1,其中即为提取出特征参数的个数。因为相关系数矩阵具有对称性,分析参数间的相关性只需要分析P的上三角矩阵即可。为了选择分类效果最好的特征向量,定义分离度指标L18J为Ⅳ,、—乙Lc一)(5)砉等(『2一式中:表示不同种类对于m的离散程度;.,为同一种类中特征向量对于m的离散程度;m为样本Ⅳ均值,为种类C的均值;N为样本总数,为c类样本数;为C类样本方差。2.3降维步骤1)构造局部放电特征参数矩阵。2)根据特征矩阵计算相关系数矩阵户。3)判断相关系数矩阵中的元素值与阈值大小关系(对角线元素除外),若>则说明特征参数矩阵中元素和X具有较强相关性,删除矩阵中的第f(或,)列。4)重复3)至遍历完P的上三角矩阵。5)计算矩阵剩余特征元素的分离度指标并将特征元素按值大小进行排序。6)选择中值最大的特征量。7)在余下特征向量中按值大小顺序增加一个特征向量与已选择出的特征量进行搭配,并判断其搭配后的分类效果。8)重复7)直至得到满意的分类效果。上述方法提取出的局部放电特征向量维数可以得到很大程度的降低。降维流程见图1。图1算法流程图Fig.1Flowchartofthealgorithm在实际处理过程中,对于特征参数矩阵中相关性较强的两个特征参数X和X的删减选择问题,可以在分析完相关矩阵P的上三角矩阵后,通过对比各个参数的相关性元素加以解决。特征剔除的原则是,保留与之具有较多相关性参数的特征参数,这样可以保留分类能力的同时删除更多冗余参∈数。具体做法为:若相关系数>丁,则,R,对于集合里相关系数中具有相同个数的元素个数记为tout(i),相同,个数的元素个数记为≤cout(,),其中lf一1,2,n。对cout(i)及cout(,)进行排序,选出最大cout值,即在中与(或)相关的特征参数最多,此时保留(或,)列特征参数,并剔除与之相关的所有列的特征向量,然后分析第二大cout值,并剔除此时与f(或,)相关的特征向量,若此时的f(或,)值已删除,则接下来分析cout第三大值,直至分析完所有cout值,分析结束。2.4降维结果分析文中对实验获取到的60组放电数据,计算出每一组信号的l8个特征参数,归一化之后构造出60×l8特征参数矩阵。本文首先利用SPSS统计分析软件通过归一化后的特征矩阵person相关性分析●●苑津莎,等基于相关系数矩阵和概率神经网络的局部放电模式识别得到18xl8的相关系数矩阵,设定阈值T=0.80,然后在Matlab环境下通过相关系数与阈值比较删除具有较高相关性的特征参数,特征维数降低至9维,通过计算9维特征参数的分离度指标选出最佳分类搭配组合,其分类能力见图2所示。图2分类能力随参数个数变化趋势Fig.2Variationofclassificationcapabilitywithparameternumbers通过图2可以看出,对于两个不同的分类器,选择特征向量个数为6可以最大程度满足分类精度要求,最终保留具有最佳分类能力的6个参数,分别为A6,A7,A8,A9,A11,A17,包括描述放电脉冲波形特征的放电均值和方差,及描述放电相位分布谱图形状差异的偏斜度、陡峭度和表征轮廓差异的互相关系数,以及统计放电脉冲幅值分布特性的Weibull形状参数。对放电参数属性分析可知,放电脉冲的衰减振荡时间与信号在设备内部的传播路径及信号耦合方式密切相关,即参数Al-A5对放电模式影响不大;weibul1分布参数中的尺度参数10与放电量大小有关,并在放电量归一化之后又与形状参数1产生关联:统计出的放电脉冲参数Al214明显与前面的A6、A7意义重叠;描述放电相位分布特征的参数A1517中,互相关系数A17可以很好地表征图谱正负半周的轮廓差异,图形辨识能力较好。通过本文降维方法最终保留的放电特征参数,与上述分析结论一致。6个放电特征参数从不同角度分析放电特性,可以用来区分不同类型的局部放电信号。3基于PNN的局部放电模式识别3.1概率神经网络概率神经网络(ProbabilisticNeuralNetworks)是由径向基函数网络发展而来的一种前馈神经网络,其理论依据是贝叶斯最小风险准则f贝叶斯决策理论)。PNN作为径向基网络的一种,适合于模式分类。基于概率神经网络的故障诊断方法是概率统计学中被普遍接受的决策方法。假设两种已知故障模式A,B,对于待识别的故障特征样本为按贝叶斯最小风险准则,若HALAFA(X)>HBLBFB(X),则XEA;∈若HALAFA(X)<HBLBFB(X),则B;式中HA和HB代表故障模式和B的先验概率,是将属于的故障特征样本错误划分到模式B的代价因子,LB为将属于B的故障特征样本错误划分到模式A的代价因子,,朋是故障模式,的概率密度函数。PNN的层次模型由输入层、模式层、求和层、输出层四层组成,基本结构如图3所示。输入层将输入样本传递给模式层的各个节点,模式层将输入节点传递来的输入向量进行加权求和,经过一个非线性算子运算后传递给求和层;求和层只是简单地将由对应与训练样本中同一类的模式层传来的输入进行求和;输出层选择求和层中输出最大者对应的状态模式为分类结果。输入层模式层求和层输出层图3概率神经网络基本结构Fig.3Structureofprobabilisticneuralnetworks3.2基于PNN的局部放电模式识别3.2.1网络结构设计(1)输入层向量选择对于局部放电信号,网络输入即为表征放电信号的特征参数,包括描述放电特性的18个特征参量,以及经相关系数矩阵方法降维后的6个特征参数。(2)输出层向量选择输出层有3个节点,分别对应三种典型的局部放电类型,即悬浮放电、沿面放电和气隙放电。PNN用来模式分类时,网络的输出即为诊断出的局部放电类型。文中采用BP神经网络与PNN进行对比分析。降维前后BP网络输入层神经元个数分别为18和6,分别对应降维前后的放电特征向量个数。输出层神经元个数为3,对应三种不同放电类型。经反.114.电力系统保护与控制复试验,降维前BP网络隐含层节点个数取l0,降维后取为8。3.2.2结果分析对实验室条件下提取出的三种类型局部放电数据,取30组数据用来训练,3O组用来测试。将提取的18个特征参数及利用相关系数矩阵方法降维得到的6个特征参数,分别送入PNN网络进行分析,识别结果见图4。旺图4PNN分类结果Fig.4PNNclassificationresults将相同训练和测试数据代入传统BP网络分类器进行分析,对比结果如表2所示。表2识别结果对比Table2Recognitionresultscomparison由图4及表2分析可见,降维后的6个特征向量作为模式分类特征具有较好的识别效果,其中概率神经网络分类器优于传统BP神经网络,错判个数仅为1。降维后BP网络识别率有所提高,且两分类器的收敛时间均有不同程度的降低。4结论(1)本文利用脉冲波形特征法与统计特征法提取出变压器局部放电的18个特征参数,通过构造放电参数的相关系数矩阵剔除具有相似分类能力的特征量,然后按分类能力大小匹配出具有最佳分类效果的6个特征参数。(2)文中通过概率神经网络对降维前后的特征参数进行识别对比,结果表明,降维后的特征参数简化了分类器结构,并在小样本的情况下具有较高的识别率,分类效果优于传统BP神经网络。参考文献[1]王国利,郝艳捧,李彦明.电力变压器局部放电检测技术的现状和发展[J].电工电能新技术,2001,20(2):52.57.—WANGGuoli,HAOYan-peng,LIYan-ming.Presentandfuturedevelopmentofpartialdischargedetectioninpowertransformers[J].AdvancedTechnologyof—ElectricalEngineeringandEnergy,2001,20(2):5257.[2]JuddMD,ClearyGBennochCJ.ApplyingUHFpartialdischargedetectiontopowertransformers[J].—IEEEPowerEngineeringReview,2002,22(8):5759.[3]胡文堂,高胜友,余绍峰,等.统计参数在变压器局部放电模式识别中的应用【JJ.高电压技术,2009,35(2):277.281.HUWen-ta——ng,GAOShengyou,YUShaofeng,eta1.Applicationofstatisticparametersinrecognitionofpartialdischargeintransformers[J].HighVoltage—Engineering,2009,35(2):277281.[4]GulskiE,KreugerFH.Computer-aidedrecognitionofdischargesources[J].IEEETransonElectricalInsulation,1992,27(1):82-92.[5]任先文,薛雷,宋阳,等.基于分形特征的最小二乘支持向量机局部放电模式识S0[J].电力系统保护与控制,2011,39(14):143-147.RENXian-wen,XUELei,SONGYang,eta1.Thepa 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