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第40卷第1O期2012年5月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVo1.40No.10May16,2012基于最小二乘支持向量机的载流故障趋势预测张慧源,顾宏杰,许力,许文才(1.浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;2.珠海赛迪生电气设备有限公司,广东珠海519085)摘要:提出基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)的电力设备载流故障趋势的预测算法,并采用粒子群优化(PSO)算法对其参数进行优化。采用主元分析法(PCA)对各触点温度序列进行特征分析,在温度分布异常的情况下提取故障的早期特征;以此时刻为起点,采用PSO与最小二乘支持向量机相结合的方法,并结合实时更新的现场温度信息,对载流故障发展的短期趋势和长期趋势分别进行预测基于实际运行数据的实验结果表明,将长期预测时间裕量大与短期预测精度高的优势相结合,可以对载流故障的发展趋势做出较为准确的预测。关键词:支持向量机;最小二乘法;粒子群优化;载流故障;温度预测—CurrentcarryingfaultpredictionofelectricequipmentbasedonleastsquaressupportvectormachineZHANGHui.yuan,GUHong ̄ie,XULi,XUwn.ca(1.CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.ZhuhaiSatisElec ̄icEquipmentsCo.,Ltd,Zhuhai519085,China)Abstract:TheLeastSquaresSupportVectorMachine(LS-SVM)isappliedtopredictthetrendofcurrent-carryingfaultsofelectricequipments,andtheparticleswarmoptimization(PSO)algorithmisemployedfortheoptimizationofalgorithmparameters.Firstly,thePrincipalComponentAnalysis(PCA)isappliedforthecharacteristicanalyzingoftemperatureseriesofallcontactsintheequipment,andtheearlyfaultfeaturesareabstractedincasethereexistsabnormaltemperaturedistribution.Secondl ̄takingthatmomentasthestartingpoint,andwiththehelpofthereal-timeupdatedtemperatures,thehybridalgorithmofPSOandLS-SVMis——appliedfortheshorttermandlong-termtrendpredictionofcurrentcarryingfaults.Basedonactualoperationdata,theexperimentalresultsshowthat,withthecombinationofla—rgetimemarginfromlong-termpredictionandhighaccuracyfromshorttermprediction,itishelpfultoaccuratelypredictthetrendsofcurrent・carryingfaults.Keywords:supportvectormachine;leastsquares;particleswarlTIoptimization;current・carryingfault;temperatureprediction中图分类号:TM71文献标识码:A———文章编号:16743415(2012)100019050引言载流故障是由于电缆、开关、铜排等连接点因接触不良或氧化引起接触电阻增大而导致接头烧熔甚至短路,可能造成电缆爆炸、大面积停电和企业停产等后果,严重危及电力系统正常运行。因此,非常必要及时地发现故障隐患,并对故障的发展趋势进行预测,以便及时地进行维修以防止事故扩大,保证电网安全运行。由于很多场合无法或不便获得所有触点的负载电流,温度采样值成为电力设备故障预警的有效依据。目前,国内外在电力设备触点温度的在线监测技术已取得长足发展,但是对载流故障的早期预警和趋势预测的研究还很少。文献[1】验证了光纤传感和通信技术用于触头温度在线监测系统的可行性。文献【2】设计了基于红外热像仪的在线监测与诊断系统,实现电力设备故障定位与故障类型判别功能。文献【3]研究了基于差分方程以及灰色理论的预测方法来完成高压开关柜温度故障预警,实现温度的短期预测。文献[4】通过基于RBF神经网络的混沌时间序列方法对温度数据进行预测,研究表明混沌时间序列预测优于神经网络预测,对温度短期预测的平均误差为5%。本文采用基于粒子群优化的最小二乘支持向量机算法对载流故障的发展趋势进行预测。首先采用主元分析(PCA)法发现可能的故障隐患;然后,Ⅷ构造最小二乘支持向量机(LS.s)回归模型,—并利用粒子群(PSO)算法对LSSVM的参数进行一20一电力系统保护与控制优化调整,采用k.折交叉验证方法估计回归模型误差;最后利用得到的回归模型预测触点温度,实现载流故障的早期预警。基于实际运行数据的实验验证了所提方法的有效性。1温度监测系统为了能够及时地对电力设备各个触点的运行状况进行评估分析,利用图1所示的温度在线监测系统来实时地获取各个触头的温度信息。该系统主要由温度采集模块、无线中继模块、温度监测装置、后台管理机等构成,温度传感器安装于重要设备的关键部位,实时温度经由无线传输并通过现场总线传送到监控平台,为故障预测提供数据。图1电力设备温度监测系统Fig.1Blockdiagramoftemperaturemonitoringsystem2PS0一LSSVM算法2.1最小二乘支持向量机支持向量机J(SupportVectorMachine,SVM)建立在统计学习理论的VC维理论和结构风险最小原理基础上,它在解决小样本、非线性及高维模式识别中有许多优势。最小二乘支持向量机[6](LeastⅥSquaresSupportVectorMachine.LS.S)是标准SVM的扩展,采用最小二乘线性系统作为损失函数,将不等式约束条件转变成等式约束,大大简化—算法的复杂程度。LSSVM可描述为如式(1)的优化问题。’minJ(w,)=寺.,T+寺…厶厶i=l1/…s.t.Y=()+b+,=1,2,,∈∈其中:权值向量H;误差变量R;偏置值∈bR;为惩罚参数。利用拉格朗日乘子法将问题转化到其对偶空间中,按照最优解的条件,可得l0elIll0l1.1lI=ll(2)le+IIllIYl其中:e是单位列向量;,是单位矩阵;=…∈[,,,]R是拉格朗日乘子;H=(f),H=K(xg,,)。求解方程组得到和6,于是估计所得的函数模型为I_厂()=o:iK(x,Xf)+b(3)i=1其中,K(x,Xj)=(一)(,)为核函数。常用的核函数有线性核函数、多项式核函数、径向基核函数 ̄HSigmoid核函数。LS.SVM简化了问题的复杂程度,算法收敛速度快,需要的计算资源较少,比较适合于实时性要求较高的场合。2.2粒子群优化算法粒子群优化算法(ParticleSwarmOptimization,PSO)是一种模拟鸟群或鱼群在觅食过程中所表现的群体智能的仿生优化算法,具有结构简单、收敛速度快的优点。群体中的个体(粒子)通过自身的学习和相互之间的信息共享不断调整其飞行速度,最终汇集到最优点。粒子的速度和位置更新为I件=+c1(腓t。。一t)+c2(。一t)1¨:+vt+・…其中:f=1,2,,,M为粒子总数;相关系数包括惯性权重,可使随f增加而线性递减;学习因子c.和c,,和是[0,1]上均匀分布的随机数;。和。表示粒子到时间,时的个体最优解和种群到时间f时的最优解。2.3基于PSO的LSSVM参数优化采用k.折交叉验证法来计算LSSVM参数调整过程所需的PSO适应值。k.折交叉验证法J常用来测试算法的性能,基本过程为:将训练样本集随机地分成k个互不相交的子集,每个子集的大小应大致相等。对于给定一组参数的回归模型,将其中1个子集作为训练样本建立回归模型,剩下的一个子集作为测试样本,记录测试样本的均方误差(MSE)作为模型的性能指标。将以上过程重复k次,每个子集都会作为测试样本进行测试,计算k次迭代后所得MSE的平均值,即适应值,估计回归模型的期望泛化误差。适应值较小的粒子优于适应值较大的粒子。LS.SVM参数的优化调整算法流程如图2所示。张慧源,等基于最小二乘支持向量机的载流故障趋势预测一21一初始化粒子位置及各个参数更新粒子位置与速度利用k,折交叉验证法计算粒子的适应值更新Pb口Gh计算粒子的速度及新位置结束否满足结束条件?=>二\—/Jr是输出优化的LS.SVM参数图2基于PSO的LS.SVM参数优化流程图—Fig.2FlowchartoftheparametersoptimizingofLSSVMbasedonPSO3基于PSO.LSSVM的载流故障趋势预测温度采样值是本文进行故障预警的唯一依据。首先采用主元分析法(PCA)对实时温度信息进行分析,在潜在故障发生的初期就进行预警,在此基—础上,采用PSOLSSVM方法对载流故障发展的总体趋势和短期趋势进行预测,为检修和决策提供依据。-3.1基于PCA的载流故障特征提取如果没有故障,电力设备各个触点的温度应该大致相同,并且随负载电流的变化而同步升降,差异性较小;如果有故障,负载增大时,故障点的温度增速明显加快,导致各监测点之间出现显著差异。图3所示为4舟电容柜各个触点在2010.08.08目的温度变化情况,横坐标表示为00:00到24:00整个时间区间。08:36左右开始,出现一个明显的负载增长过程,各触点温度均升温,5142刀闸下C℃相和B相分别在9:12和9:28因超过80的阈值而使常规监测系统进行报警。图4所示为2}}电容柜在2009.07.13的温度变化情况,5121刀闸下C相温度℃在12:24超过80,常规监测系统进行报警。tYn图34#电容柜2010-08.08的温度Fig.3TemperaturesincapacitorcabinetNo.4inAug.8,2010p图42电容柜2010.07.13的温度Fig.4TemperaturesincapacitorcabinetNo.2inJuly13,2009—利用主成分分析法(PCA)和kmeans聚类算法,可以在温度上升的初期就确定潜在的故障隐患,如图4所示的A点,并确定可能发生故障的触点。详细情况另文介绍。随后,采用LS.SVM对触点温度上升趋势进行预测。—3.2基于LSSVM的载流故障趋势预测—LSSVM采用高斯径向基核函数,并采用PSO优化各个待定参数。LS.SVM回归模型有维输入,即根据d个时刻的温度预测故障的发展趋势。为有效地利用实时更新的温度数据,采用可变的输入维数d,其范围为[i,dm]。对于每一个输入维数d,执行步骤(1)~步骤(5),其流程如图5所示。选取合适的温度值数据构成温度值序列将温度值序列转化为训练样本集利用PSO算法优化LS.SVM参数利用训练样本集训练回归模型利用PCA及k.meaI1s定位需要预测的触点,提供预测初始值利用回归模型预测温度值序列判读触点最高温度以及达到最高温度的时刻,分析故障发展趋势图5PSO.LSSVM流程图—Fig.5FlowchartofthePSOLSSVM(1)利用一段历史时间序列作为训练样本集…G={qlq2,,q)。从原始训练样本集G中取出+1个连续时间序列值,前个作为输入,第+1个作为输出。由此训练样本集转化为…—G={(Xx,Y),(,y2),,(Xm,Ym-a)}…具甲:Xi{qi,qi+1,,+一1};Yiqi+。—(2)本文使用径向基核函数(RBFKeme1)电力系统保护与控制一K(xi,f)=exp(一),具有一个参数:核宽度。根据式(1)、式(2),优化问题还存在另一个参数:惩罚参数。这两个参数对回归模型的性能有较大的影响,利用PSO调整。(3)参数、确定后,利用训练样本G对模型进行训练,求解式(2)中的Lagrange乘子和偏置值b。将参数带入式(3),得到的回归模型∈(),[ami,am]。(4)(),de[dm.n,am]预测温度序列。预测…时,首先要设定预测的起始点Xt={,X2,,},将z作为自变量代入函数模型中,求得起始点下一刻的温度值+。若要继续预测后续的时间序列,将序列值+加入到输入向量中,将新的输入向量…Xt+1:{X2,x3,,xd+1)代入函数模型,依此类推,…求得后续温度序列值+2、+3、+4,。(5)根据预测的温度序列值,分析高压触点的工作情况。判断触点温度的最高值以及达到最高值的时刻,进而分析电力设备故障发展趋势。4实验结果誊:冈冈利用PSO调整核宽度及惩罚参数时,采用l0折交叉验证法。设定粒子数量为50,迭代次数为200次,学习因子为2.0,最大惯性权值为0.9,最小惯性权值为0.4。图7为d:20时PSO粒子的平均速度曲线,当迭代至120代时,粒子的平均速度已经接近于零。由图7可知,迭代次数为200是合理的。图7粒子平均速度曲线Fig.7Meanvelocityoftheparticles利用PSO优化和训练样本集,得到回归模型…(),d=5,6,,2O。当输入维数为20时,惩罚参数=153.9816,核参数=10.1222。4.2触点温度预测电力设备载流故障趋势预测主要完成两个任务:预测触点的最高温度以及达到最高温度的时刻。本文采用以下两种方法实现温度和时间的预测:(1)长期趋势的预测。随着预测初始值的增加,…采用回归模型(),d=5,6,,2O,预测未来100个时间点的温度值序列。得到的温度值序列,分析触点温度发展趋势。(2)短期趋势的预测。充分利用实时更新的温度采样值,对未来较短时间的温度进行比较精确的预测。利用回归模型(),预测未来20个时间点的温度值序列。每过一个采样周期,将当前时刻作为短期预测起始点,利用现场最新温度进行一次短期预测。因此,短期预测的曲线将会是一条动态曲线,预测值与实际值将会愈来愈逼近,可以为故障分析提供更精确的数据。采用2电容柜5121刀闸下C相在2009年7月13目的数据,以10:56为时间起点,如图4所示A点。由方法(1)得到如图8所示的长期预测结果,分别提取d=5,d=10,d=20三条曲线。可以看出:预测的温度序列能正确地反映触点温度的变化趋势;预测温度序列达到最高值的时刻与实际温度—达到最高值的时刻基本吻合。通过LSSVM回归模型预测触点温度,可以在温度达到最高值的前大约150min给出警示,为故障的检修处理带来充裕的时间。张慧源,等基于最小二乘支持向量机的载流故障趋势预测.23.t/min图8长期预测—Fig.8Longtermtemperatureprediction()长期预测的细节图如图9所示,起始时刻为12:54。利用LS.SVM模型预测触点温度序列到最高值的时间与实际温度序列到达最高值的时间非常接近,相差大约为2min。长期预测可以获得故障趋势和大致的时刻,但是预测的最高温度值与℃实际值相差大约1O。p嘣t/min图9温度峰值出现时间对比图Fig.9Comparisonbetweenpredictionandrealpeaktime本文同时采用方法(2)得到如图l0所示的短期温度预测结果。图中显示从11:24到13:34的温度变化情况,分别提取起始时刻为10min(实际时刻为11:34)、34min(11:58)、58min(12:22)的短期预测曲线,可见短期预测曲线与实际温度曲线十分接近,预测精度较长期预测明显提高。010203O405060708090100110120130t/min图10短期预测—Fig.10Shontermtemperatureprediction图11显示了从12:12到14:32的温度变化情况,这段时间内实际温度达到峰值。分别提取10min(12:22)、30min(12:42)、70min(13:22)、90min(13:42)这4个时刻为起始点的短期预测曲线,在实际温度最高处,预测曲线与实际温度曲线相差最℃多为3。根据结果可知,利用LS.SVM模型,将长期预测时间裕量大与短期预测精度高的优势相结合,可以对载流故障的发展趋势做出较为准确的预测。p嘣t/min图11温度峰值短期预测图—Fig.11Shorttermpredictionofmaximumtemperature5结论本文提出一种用于电力设备载流故障发展趋势—预测的LS.SVM模型,采用PSO算法来优化LsSVM的相关参数,对载流故障发展的总体趋势和短期趋势进行预测。通过实际温度数据的验证表明:基于PSO.LSSVM的故障趋势预测方法能够获得较高的预测精度,为载流故障的早期预警提供有效的方法,在电力系统的安全运行和保护方面具有良好的应用前景。参考文献[1]周岩.高压开关柜触头温度在线监测系统研究【D】.成都:西南科技大学,2008:48.50.—ZHOUYan.Studyonrealtimeon-linetemperaturemonitoringofhigh-voltageswitchgear[D].Chengdu:Southwe 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