CN108037378A - 基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其包括步骤：(1)获取与变压器运行状态相关的历史信息；(2)基于所述历史信息评估所述变压器的历史运行状态；(3)构建基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测模型；(4)基于所述历史信息和历史运行状态训练所述变压器运行状态预测模型；(5)基于所述历史信息通过所述变压器运行状态预测模型预测变压器的未来运行状态。此外，本发明还公开了相应的系统。本发明能有效预测变压器的未来运行状态；对变压器运行状态进行预测，有助于及时感知变压器潜在威胁，掌握变压器故障发展趋势；对提高设备运行安全可靠性具有重大意义。

Description

基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法及系统
技术领域
本发明涉及电力设备监控领域，尤其涉及一种变压器运行状态预测方法及系统。
背景技术
在服役过程中，电力变压器遭受热、电及机械等应力长期作用，由完全良好状态逐步劣化直至故障。一旦出现故障，不仅严重损害变压器，也极大地威胁人民正常生产生活。对变压器运行状态进行预测，有助于及时感知变压器潜在威胁，掌握变压器故障发展趋势。
变压器状态全景信息的不断积累，为变压器运行状态评估及预测提供了先决条件。变压器状态全景信息通常包括与变压器运行状态相关的各类信息，例如变压器油中溶解气体浓度、运行巡检信息、技术性能信息等。其中技术性能信息通常包括运行工况、检修记录、运行时间等。
因此，变压器运行状态预测工作切实可行，对提高设备运行安全可靠性具有重大意义。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其能有效预测变压器的未来运行状态。
基于上述目的，本发明提供了一种基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其包括步骤：
(1)获取与变压器运行状态相关的历史信息；
(2)基于所述历史信息评估所述变压器的历史运行状态；
(3)构建基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测模型；
(4)基于所述历史信息和历史运行状态训练所述变压器运行状态预测模型；
(5)基于所述历史信息通过所述变压器运行状态预测模型预测变压器的未来运行状态。
本发明所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法中：
所述历史信息和历史运行状态通常是对应时间序列的一组数据。
长短时记忆网络(LSTM，Long Short-Term Memory)是一种时间递归神经网络，适合于处理和预测时间序列中间隔和延迟相对较长的重要事件。
本发明所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其以与变压器运行状态相关的历史信息为基础评估所述变压器的历史运行状态，例如以变压器运行状态全景信息为基础，选取DGA(变压器油中溶解气体分析)特征气体含量，同时综合运行巡检信息中关键参量及技术性能信息中运行工况、检修记录、运行时间，综合评估所述变压器的历史运行状态；构建并训练基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测模型，充分提取所述历史信息与所述历史运行状态之间蕴含的内在关系，全面反映故障演变与表现特征之间的客观规律，从而有效预测变压器的未来运行状态。
进一步地，本发明所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法中，所述历史信息包括变压器油中溶解气体浓度、运行巡检信息以及技术性能信息中的至少其中之一。
上述方案中，变压器油中溶解气体浓度对应的历史运行状态评估结果可以通过模糊理论评估得到；运行巡检信息以及技术性能信息对应的历史运行状态评估结果可以通过模糊统计实验评估得到。
更进一步地，上述基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法中，所述步骤(2)中，针对所述历史信息中的各类参量信息评估得到对应的历史运行状态评估结果，为所述历史信息中的各类参量信息对应的历史运行状态评估结果赋予相应的权重，加权求得历史运行状态的综合模糊评估结果。
上述方案中，可以采用改进层次分析法确定所述权重，其中层次分析法是现有技术，改进之处为利用最优传递矩阵求解相对权重，使其自然满足一致性需求。所述综合模糊评估结果即作为步骤(2)中的历史运行状态。
更进一步地，上述基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法中，利用模糊理论评估得到变压器油中溶解气体浓度对应的历史运行状态评估结果。
更进一步地，上述基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法中，以变压器油中溶解气体浓度为输入特征参量，以其对应的相对劣化度为输出目标，建立支持向量机模型去拟合三角形半梯形组合隶属函数与所述历史运行状态的分布关系，从而利用模糊理论评估得到变压器油中溶解气体浓度对应的历史运行状态评估结果。
上述方案是为了求变压器油中溶解气体浓度与所述历史运行状态之间的模糊隶属关系。通常首先分别计算各气体浓度的相对劣化度，再求和求平均，得到气体浓度总的相对劣化度，从而评估得到变压器油中溶解气体浓度对应的历史运行状态评估结果。
更进一步地，上述基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法中，所述相对劣化度通过下式得到：
式中，lk表示气体k对应的相对劣化度，a为气体k的浓度最优值或
出厂值，b为注意值，x为当前实测数值。
上述方案中，从自然劣化角度，建立变压器油中溶解气体浓度相对劣化度函数，反映基于DGA表征的变压器运行状态由正常向故障模式的转化程度。
更进一步地，上述基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法中，所述变压器油中溶解气体浓度包括H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、总烃、CO、CO2浓度的至少其中之一。
更进一步地，上述基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法中，所述技术性能信息包括运行工况、检修记录、运行时间的至少其中之一。
更进一步地，上述基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法中，采用改进层次分析法确定所述权重。
进一步地，本发明所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法中，采用沿时间反向传播算法训练所述变压器运行状态预测模型。
上述方案提取关键参量与历史运行状态之间的特征联系，获取预测模型参数。
进一步地，本发明所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法中，取最大置信度对应的所述变压器运行状态预测模型的输出作为所预测的变压器的未来运行状态。
本发明的另一目的是提供一种基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测系统，其能有效预测变压器的未来运行状态。
基于上述目的，本发明提供了一种基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测系统，其采用上述任一方法对变压器的未来运行状态进行预测。
本发明所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测系统，由于其采用了本发明所述的方法，同样能实现对变压器的未来运行状态的预测。具体原理前已描述，在此不再赘述。
所述系统可以是具有对应本发明方法的软件的计算机。
本发明所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其具有以下优点和有益效果：
1)能有效预测变压器的未来运行状态。
2)对变压器运行状态进行预测，有助于及时感知变压器潜在威胁，掌握变压器故障发展趋势。
3)对提高设备运行安全可靠性具有重大意义。
本发明所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测系统，其同样具有上述优点和有益效果。
附图说明
图1为本发明所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例中的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测系统的结构示意图。
图3为本发明实施例中的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测系统的部分工作流程示意图。
图4为三角形半梯形组合隶属函数示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图及实施例进一步说明本发明所述的技术方案。
图1示意了本发明所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法的基本流程。
如图1所示，本发明所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法包括步骤：
(1)获取与变压器运行状态相关的历史信息。
在某些实施方式下，历史信息包括变压器油中溶解气体浓度、运行巡检信息以及技术性能信息中的至少其中之一。
在某些实施方式下，变压器油中溶解气体浓度包括H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、总烃、CO、CO2浓度的至少其中之一。
在某些实施方式下，技术性能信息包括运行工况、检修记录、运行时间的至少其中之一。
(2)基于历史信息评估变压器的历史运行状态。
在某些实施方式下，步骤(2)中，针对所述历史信息中的各类参量信息评估得到对应的历史运行状态评估结果，为所述历史信息中的各类参量信息对应的历史运行状态评估结果赋予相应的权重，加权求得历史运行状态的综合模糊评估结果。
在某些实施方式下，利用模糊理论评估得到变压器油中溶解气体浓度对应的历史运行状态评估结果。
在某些实施方式下，以变压器油中溶解气体浓度为输入特征参量，以其对应的相对劣化度为输出目标，建立支持向量机模型去拟合三角形半梯形组合隶属函数与历史运行状态的分布关系，从而利用模糊理论评估得到变压器油中溶解气体浓度对应的历史运行状态评估结果。
在某些实施方式下，相对劣化度通过下式得到：
式中，lk表示气体k对应的相对劣化度，a为气体k的浓度最优值或出厂值，b为注意值，x为当前实测数值。
在某些实施方式下，采用改进层次分析法确定权重。
(3)构建基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测模型。
(4)基于历史信息和历史运行状态训练变压器运行状态预测模型。
在某些实施方式下，采用沿时间反向传播算法训练变压器运行状态预测模型。
(5)基于历史信息通过变压器运行状态预测模型预测变压器的未来运行状态。
在某些实施方式下，取最大置信度对应的变压器运行状态预测模型的输出作为所预测的变压器的未来运行状态。
下面通过一个具体实施例进一步说明本发明，该实施例采用上述方法和系统预测变压器的未来运行状态。
本发明实施例中所述系统是具有对应上述方法的软件的计算机。
图2示意了本发明实施例中的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测系统的结构。
如图2所示，本发明实施例中的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测系统包括多源输入层、LSTM模型特征提取层以及预测决策依据层，其中：
多源输入层包括长度为n的H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、总烃、CO、CO2浓度序列输入单元、运行巡检信息隶属度计算单元、运行巡检信息隶属度存储单元、技术性能信息隶属度计算单元、技术性能信息隶属度存储单元。
LSTM模型特征提取层包括n个LSTM单元以及Softmax层，其前向计算方向为A，反向传播方向为B。
预测决策依据层包括变压器运行状态信度区间计算单元和变压器运行状态判断单元。
图3示意了本发明实施例中的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测系统的部分工作流程。
参考图3，本发明实施例中的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测系统的工作流程包括：
步骤110：通过多源输入层获取与变压器运行状态相关的历史信息。
该步骤中，收集选取作为与变压器运行状态相关的历史信息的样本，包括变压器油中溶解气体浓度、运行巡检信息以及技术性能信息，其中变压器油中溶解气体浓度包括H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、总烃、CO、CO2浓度，技术性能信息包括运行工况、检修记录、运行时间。将样本划分为训练集和测试集。选取从工程现场搜集整理的206例确认存在异常缺陷/故障的变压器和174例油色谱在线监测装置出现预警/报警后跟踪观察的变压器组成LSTM模型的样本库。变压器运行状态分为正常状态、一般缺陷状态(状态监测量接近或超过注意值)、严重缺陷状态和危急状态。确定对应的状态集为V＝{v1,v2,v3,v4}＝{正常，注意，严重，危急}。
步骤120：通过多源输入层基于历史信息评估变压器的历史运行状态。
该步骤包括：
步骤1201：评估变压器油中溶解气体浓度对应的历史运行状态。
首先进行变压器油中气体浓度相对劣化度f计算：
式中，a为气体浓度的最优值或出厂值，b为注意值，x为当前实测数值。
然后确定变压器油中溶解气体相对劣化度f的隶属函数，基于该隶属函数确定变压器油中溶解气体浓度对应的历史运行状态：
以H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、总烃、CO、CO2浓度为输入特征参量，以相对劣化度为输出目标，采用支持向量机去拟合三角形半梯形的分布函数：首先分别计算各气体浓度的相对劣化度，再求和求平均，得到气体浓度总的相对劣化度，从而评估得到变压器油中溶解气体浓度对应的历史运行状态评估结果。三角形半梯形组合隶属函数形如图4所示，横坐标为相对劣化度，纵坐标为隶属度，三角形半梯形包括正常A、注意B、严重C以及危急D四部分。
从工程现场搜集整理的206例确认存在异常缺陷/故障的变压器色谱数据组成样本库，其中137例用于训练，69例用于测试。经训练检验，测试样本中64例判断准确，准确率达92.8％。变压器油中溶解气体相对劣化度f对应于v1～v4的隶属度函数如下：
步骤1202：对运行巡检信息关键参量及技术性能信息中运行工况、检修记录、运行时间等定性参量根据模糊统计实验确定隶属函数，基于该隶属函数确定上述定性参量对应的历史运行状态。
步骤1203：根据改进层次分析法确定油中气体、运行巡检信息及技术性能信息各定性参量对应的历史运行状态评估结果的权重。
步骤1204：依据步骤1203权数分配对步骤1201、步骤1202中的定性参量对应的历史运行状态评估结果加权求得对应于v1-v4的综合模糊评估结果。
步骤130：构建基于长短时记忆(LSTM)网络的变压器运行状态预测模型，包括LSTM模型特征提取层。
步骤140：基于历史信息和历史运行状态训练变压器运行状态预测模型。
该步骤中，将综合模糊评估结果作为LSTM网络数据标签，将运行巡检信息及技术性能信息中运行工况、检修记录、运行时间的隶属度及油色谱监测数据中H2，CH4，C2H4，C2H6，C2H2，总烃，CO，CO2浓度作为LSTM输入，根据沿时间反向传播算法对LSTM网络模型进行训练，提取关键参量与所预测变压器状态之间的特征联系，获取预测模型参数。上述隶属度指：运行巡检信息及技术性能信息中运行工况、检修记录、运行时间等定性参量与运行状态之间的隶属度，通过模糊统计实验计算而来。
步骤150：通过预测决策依据层基于历史信息通过变压器运行状态预测模型预测变压器的未来运行状态。
该步骤中，利用LSTM预测模型参数对测试集中变压器进行运行状态预测，取最大置信度对应的运行状态为所预测变压器的未来运行状态。
预测实例1
为增加学习速度和效果，降低网络在学习时陷入局部极小值的风险，对LSTM中权重矩阵首先通过服从均值为0方差为1的高斯分布随机初始化，再利用奇异值分解得到正交基矩阵作为初始化值[22]。LSTM偏置项和输出层偏置项初始化为0，输出层权重矩阵为服从均值为0方差为1的高斯分布的随机数乘以0.01。预测模型由一层LSTM网络和Softmax网络层组成。其中输入层规模为100，LSTM中隐层神经元个数为128，为防止过拟合，信号损失率设为0.2，输出层规模为4。
以某500kV#2主变为例，该变压器基本情况为2006年7月出厂，2006年11月投运，2008年3月19日和2011年05月26日例行试验，未发现异常。不良工况记录中过载30％运行时长43分钟。2012年3月14日至3月26日的油色谱在线监测数据如表1所示。
表1.某500kV#2主变油色谱在线监测数据(单位：uL/L)
时间 H2 CH4 C2H4 C2H6 C2H2 总烃 CO CO2
3.14 32.77 10.29 4.56 1.64 0.13 16.62 176.3 693.1
3.15 36.58 10.46 4.87 1.57 0.15 17.05 178.7 698.6
3.16 34.89 9.98 4.33 1.71 0.15 16.17 168.5 704.8
3.17 33.21 10.9 4.72 1.68 0.16 17.46 174 707.9
3.18 35.76 10.32 4.28 1.75 0.17 16.52 185.4 697.1
3.19 38.63 10.65 4.64 1.8 0.14 17.23 171.7 701.7
3.20 40.52 10.44 4.39 1.95 0.18 16.96 180.5 682.3
3.21 37.97 10.88 4.61 1.89 0.17 17.55 183 709.3
3.22 34.51 10.49 5.09 1.71 0.22 17.51 185.9 715.1
3.23 35.39 10.61 4.68 1.74 0.21 17.24 180 724.8
3.24 37.28 10.4 4.44 1.89 0.23 16.96 178.8 715.4
3.25 55.07 15.05 12.71 4.4 0.48 32.64 184.3 720.6
3.26 70.17 18.89 17.04 6.9 0.61 43.44 185.3 717
利用2012年3月14日至3月26日数据去预测一周之后即2012年4月2日的该变压器状态。LSTM模型预测的对应于状态v1～v4的信度为[0，0.0191，0.7308，0.2501]。依据最大信度判定原则LSTM预测结果对应于v3严重状态，辨识效果明显。
实际情况为：2012年4月2日油色谱数据中氢气含量达到185.76uL/L，乙炔含量达到2.98uL/L，在线监测系统报警。停电检修发现，变压器铁心下铁轭部位硅钢片伸出角变形，在磁场中发生较强的振动，伸出的两个尖端在较强振动状态下发生接触引起放电，导致油中溶解气体含量异常。放电未涉及到固体绝缘，一氧化碳、二氧化碳含量无明显变化。LSTM模型预测结果与实际变压器运行状态相符。
预测实例2
以某220kV#1主变为例，该变压器2000年04月出厂，2000年06月23日投入运行。投运后，该主变运行情况基本良好，总体负载率较高，色谱周期检测，发现该主变2010年迎峰过夏后主变油中总烃数值有较大增长，此后主变油中总烃数值逐年缓慢增长，但未超注意值，除总烃外其余特征气体数据均正常。2013年6月至7月的部分油色谱在线监测数据如表2所示。
表2.某220kV#1主变油色谱在线监测数据(单位：uL/L)
时间 H2 CH4 C2H4 C2H6 C2H2 总烃 CO CO2
6.15 2.67 58.35 22.75 23.59 0 104.69 110.2 516.3
6.26 2.37 66.35 23.28 25.14 0 114.76 116.4 522.6
7.07 2.67 78.70 20.6 22.35 0 121.64 117.0 519.8
7.15 2.37 86.05 20.68 22.19 0 128.93 108.1 514.7
7.24 2.37 99.69 20.15 21.89 0 141.73 102.4 510.8
利用2013年6月至7月数据去预测一月之后即2013年8月的该变压器状态。LSTM模型预测的对应于状态v1～v4的信度为[0，0.1835，0.2149，0.6016]。依据最大信度判定原则，模型预测结果对应于v4危急状态。结果显示在不对变压器负荷进行控制的情况下，该变压器在2013年8月将进入危急运行状态。
实际情况为：该站运维人员与调度联系，在运行方式上禁止对该主变满负荷运行，迎峰过夏后停电检修发现，主变下夹件与油箱等电位联接线有较明显过热变色痕迹。在对负荷进行控制的情况下，该主变发生故障后尚未进入危急运行状态。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
另外，还需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案所记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其特征在于，包括步骤：
(1)获取与变压器运行状态相关的历史信息；
(2)基于所述历史信息评估所述变压器的历史运行状态；
(3)构建基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测模型；
(4)基于所述历史信息和历史运行状态训练所述变压器运行状态预测模型；
(5)基于所述历史信息通过所述变压器运行状态预测模型预测变压器的未来运行状态。
2.如权利要求1所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其特征在于，所述历史信息包括变压器油中溶解气体浓度、运行巡检信息以及技术性能信息中的至少其中之一。
3.如权利要求2所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，针对所述历史信息中的各类参量信息评估得到对应的历史运行状态评估结果，为所述历史信息中的各类参量信息对应的历史运行状态评估结果赋予相应的权重，加权求得历史运行状态的综合模糊评估结果。
4.如权利要求3所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其特征在于，利用模糊理论评估得到变压器油中溶解气体浓度对应的历史运行状态评估结果。
5.如权利要求4所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其特征在于，以变压器油中溶解气体浓度为输入特征参量，以其对应的相对劣化度为输出目标，建立支持向量机模型去拟合三角形半梯形组合隶属函数与所述历史运行状态的分布关系，从而利用模糊理论评估得到变压器油中溶解气体浓度对应的历史运行状态评估结果。
6.如权利要求5所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其特征在于，所述相对劣化度通过下式得到：
<mrow> <msub> <mi>l</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>1</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>x</mi> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mi>b</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mfrac> <mrow> <mi>x</mi> <mo>-</mo> <mi>a</mi> </mrow> <mrow> <mi>b</mi> <mo>-</mo> <mi>a</mi> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>a</mi> <mo>&lt;</mo> <mi>x</mi> <mo>&lt;</mo> <mi>b</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>0</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>x</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mi>a</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> </mrow>
式中，lk表示气体k对应的相对劣化度，a为气体k的浓度最优值或出厂值，b为注意值，x为当前实测数值。
7.如权利要求2所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其特征在于，所述变压器油中溶解气体浓度包括H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、总烃、CO、CO2浓度的至少其中之一。
8.如权利要求2所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其特征在于，所述技术性能信息包括运行工况、检修记录、运行时间的至少其中之一。
9.如权利要求3所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其特征在于，采用改进层次分析法确定所述权重。
10.如权利要求1所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其特征在于，采用沿时间反向传播算法训练所述变压器运行状态预测模型。
11.如权利要求1所述的基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测方法，其特征在于，取最大置信度对应的所述变压器运行状态预测模型的输出作为所预测的变压器的未来运行状态。
12.一种基于长短时记忆网络的变压器运行状态预测系统，其采用如权利要求1-11中任意一项权利要求所述方法对变压器的未来运行状态进行预测。
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