CN111523710A - 基于pso-lssvm在线学习的电力设备温度预测方法 - Google Patents
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Abstract
基于PSO‑LSSVM在线学习的电力设备温度预测方法,该方法针对训练样本进行在线评价和筛选:首先将采集的电力设备实时温度数据传输到后台系统,并对采样数据进行预处理;然后根据LSSVM模型的KKT条件,判断是否对新增样本进行增量学习,同时通过可调整的余弦相似度方法,对当前训练样本集特性差别最大的样本进行剔除;然后,由在线训练好的PSO‑LSSVM模型,对t时刻后的电力设备温度进行预测,并对可能超过温度阈值的电力设备进行不同等级的高温预警。本发明更加重视了新增样本的贡献,获得最能反映当前状态的训练样本集,以提高模型的泛化能力的同时提高了预测运行效率,能有效的对下一时刻温度进行预测,提高了使用电气设备的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备故障监测技术领域,具体涉及一种基于PSO-LSSVM在线学习的电力设备温度预测方法。
背景技术
随着现代电力系统向大机组、大容量、高电压等级的趋势发展,对供电可靠性和稳定性的要求也越来越高。温度是运行中的高压电气设备很重要且需严格监测的参数,设备温度变化信息能够正确反映高压设备是否处于正常状态,若温升过高,极易导致设备损坏,造成巨大的经济损失。由于设备升温是一个持续的过程,故可以通过已采集的温度数据变化趋势对下阶段温度进行预测,起到故障预警的作用。
传统的温度监测方式主要是人工间断性的离线监测,并对采集后的数据利用离线学习模型进行预测。由于系统是动态时变的,该方式不仅不能实时获取所有电气设备的温度情况,也不易于预测设备温度的发展趋势。近年来有学者提出在线的方法,但往往忽略对样本的剪枝或者是采用滑动时间窗法来剪枝,这些方法都不能很好解决数据冗余的问题,造成运算效率过高。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种基于PSO-LSSVM在线学习的电力设备温度预测方法,该方法更加重视了新增样本的贡献,获得最能反映当前状态的训练样本集,以提高模型的泛化能力的同时提高了预测运行效率,能有效的对下一时刻温度进行预测,提高了使用电气设备的安全性。
本发明采取的技术方案为:
基于PSO-LSSVM在线学习的电力设备温度预测方法,该方法针对训练样本进行在线评价和筛选:首先将采集的电力设备实时温度数据传输到后台系统,并对采样数据进行预处理;然后根据LSSVM模型的KKT条件,判断是否对新增样本进行增量学习,同时通过余弦相似度方法,对当前训练样本集特性差别最大的样本进行剔除;然后,由在线训练好的PSO-LSSVM模型,对t时刻后的电力设备温度进行预测,并对可能超过温度阈值的电力设备进行不同等级的高温预警。
基于PSO-LSSVM在线学习的电力设备温度预测方法,包括以下步骤:
步骤1:通过传感器将采集的电力设备实时温度数据利用串口通信的方式传送到后台系统上进行数据储存,再对采样数据进行预处理剔除异常数据。后台系统主要包括电脑。
预处理方法为:若当前采集的温度数据超过了已采集的温度值的平均值的3倍,则定义该点为异常点并进行剔除。用公式表示为:
其中,n表示已采集温度数据总数,T表示温度值,Tn+1表示的新采集的温度数值。Flag来判断该点是否为异常点,若Flag大于0,则表示新采集的温度数值异常并进行剔除,反之则为正常点,不做处理。
步骤2:按照采集的时间序列顺序,构建一个初始训练样本,设含有L个训练样本的训练集样本对为{(xi,yi)},i=1,2,…L},其中xi是第i个训练样本的输入列向量,yi为输出值。通过一个非线性映射函数将样本映射到高维特征空间,然后进行线性回归,函数可用以下式表示:
f(x)=wφ(x)+b
式中,w和b分别表示权值向量和偏置量。则LSSVM的优化问题可以描述为:
其中,C和ξi分别表示惩罚因子和松弛变量,w和b分别表示权值向量和偏置量,yi为第i个样本的输出值。由于核函数参数σ和惩罚因子C影响LSSVM对温度的预测,利用粒子群算法PSO对LSSVM模型参数进行优化,核函数采用高斯径向函数计算。参数优化的核函数为:
步骤3:在初始预测模型的基础上,对下一时刻温度数据进行预测,并与步骤1采集到的该时刻实时温度数据进行比较,判断其是否满足KKT条件,即判断预测偏差是否大于误差阈值ε,若满足KKT条件,则进入步骤4进行增量学习;否则直接进入步骤8。
所述步骤3中,
其中,E为错误支持向量集,B为边界支持向量集,R为样本保留集,判断其是否满足KKT条件,即判断预测偏差是否大于误差阈值:|g(xi)|>ε。
定义样本系数偏差和边界函数g(xi)=f(xi)-yi;αi,为函数的对偶参数,f(xi)和yi第i个样本的输出值和预测值。ε为回归函数的误差,设为0.01。E为错误支持向量集,B为边界支持向量集,R为样本保留集。
步骤4:将新增温度数据样本加入训练集;
步骤5:判断训练集样本数是否满足最大样本数,若满足最大样本数,则需要进入到步骤6剔除相似度值较小的样本;否则直接进入步骤8。
步骤6:采用余弦相似度方法进行剪枝操作,计算各训练样本与新增样本的相似度值,具体计算公式为:
剔除掉训练样本中相似度最小的样本,提高模型运行效率。
其中,cos(θ)表示余弦值,余弦值越接近1,就表明夹角越接近0度,也就是两个向量越相似。x,y分别表示新增样本中的温度值和训练集样本中温度值的向量。n表示向量数。
步骤7:在对初始样本{(xi,yi)},i=1,2,…L}进行增量操作和剪枝操作后得到的训练样本为{(Xi,Yi)},i=1,2,…M}。该样本是通过步骤4的增量学习和步骤6中剔除冗余样本后获得的最能反映当前状态样本训练集得到更新后的模型方程为:
f′(X)=wφ(Xi)+b(i=1,2,..M)
w和b分别表示权值向量和偏置量,M为当前训练样本总数。再重复步骤2的过程对更新后的样本训练集进行重新训练,即可实现在线训练。参数优化的核函数为:
步骤8:再利用更新后的模型对下时刻温度进行实时预测,重复步骤3-步骤7,达到在线更新模型的目的。
步骤9:判断预测的下一时刻的温度值是否大于设定的温度阈值T,该温度阈值T能够根据不同场景下人工调节;若小于设定的温度阈值T,则为安全状态;否则予以报警,根据预测温度的不同等级范围,提醒工作人员及时进行不同程度的降温处理。
本发明一种基于PSO-LSSVM在线学习的电力设备温度预测方法,技术效果如下:
1):基于KKT条件检验选择性的对新增样本学习,不仅使样本保留了原有的历史信息且获得了新信息,还减少了模型的更新次数。
2):基于调整的余弦相似度方法,综合考虑了时间序列中数据的变化趋势,较为准确的确定了样本间的相似度值,使剪枝操作更加简便及准确,能有效的剔除掉冗余数据,避免网络重复训练,且获得最能反映当前状态的训练样本集。
3):在线学习和离线训练模型比较,模型具有更好的泛化性能,能提高一定的预测精度及运行效率,在实际时间序列预测模型中具有较高的可行性。
4):本发明提出的在线学习策略,能实现模型在线更新的同时能够最大限度保证其泛化能力;提高了温度预测精度以及运行效率,能有效预防设备高温情况。及时做到故障预警,提高了使用电气设备的安全性。
附图说明
图1为PSO算法对模型最佳参数寻优流程图。
图2为用户使用软件界面示意图。
图3为实际温度曲线与预测温度曲线对比效果图。
图4为本发明基于PSO-LSSVM在线学习的电力设备温度预测方法流程图。
具体实施方式
基于PSO-LSSVM在线学习的电力设备温度预测方法,包括以下步骤:
步骤1:通过光纤传感器,每隔5min将实时收集到的电气设备温度数据传到后台系统,再对数据进行预处理,以去除噪声的影响。
步骤2:按照采集的时间序列顺序构建一个初始训练样本,采用8个温度输入值作为LSSVM模型的输入层,下一时刻温度值作为输出层,且初始样本总数N设定为200组。利用粒子群算法(PSO)对LSSVM模型参数进行优化,得到一个最佳的初始预测模型,如图1所示。
步骤3:在初始预测模型的基础上,对下一时刻温度数据进行预测,并与步骤1采集到的该时刻实时温度数据进行比较,判断其是否满足KKT条件,即判断预测偏差是否大于误差阈值ε。αi,为对偶参数,ε规定了回归函数的误差,设为0.01。定义样本系数偏差和边界函数g(xi)=f(xi)-yi。根据ei和xi的情况可以将样本集分为如下三个子集:
其中E为错误支持向量集,B为边界支持向量集,R为样本保留集。判断其是否满足KKT条件,即判断预测偏差是否大于误差阈值:|g(xi)|>ε。
若满足KKT条件,则进入步骤4进行增量学习;否则直接进入步骤8。
步骤4:将新增温度数据样本加入训练集进行训练。
步骤5:判断训练集样本数是否满足最大样本数N,若满足最大样本数N,则需要剔除特征不足的数据进入到步骤6;否则直接进入步骤8。
步骤6:采用余弦相似度方法计算各训练样本与新增样本的相似度值,具体计算公式为:
剔除掉训练样本中相似度最小的样本,提高模型运行效率。
步骤7:对增量操作和剪枝操作后得到的新的训练样本进行在线训练,得到更新后的模型。
步骤8:再利用更新后的模型对下时刻温度进行实时预测,重复步骤3-步骤7,达到在线更新模型的目的。判断预测的下一时刻的温度值是否大于设定的温度阈值T,该阈值可根据不同场景下人工调节。若小于设定的温度阈值,则为安全状态;否则予以报警,且根据预测温度的不同等级范围,提醒工作人员及时进行不同程度的降温处理。
优选的方案:用户界面如图2所示,以用户界面的形式展示给工作人员,在界面设定好串口,传输波特率,传输数据的数据位以及停止位和校验位。点击打开串口后,即可以开始采集数据,并对下时刻温度数据进行预测,将实际温度值和预测温度值的变化曲线和数值展示在用户界面,实际值与预测值效果图如图3所示。
Claims (7)
1.基于PSO-LSSVM在线学习的电力设备温度预测方法,其特征在于:该方法针对训练样本进行在线评价和筛选:首先将采集的电力设备实时温度数据传输到后台系统,并对采样数据进行预处理;然后根据LSSVM模型的KKT条件,判断是否对新增样本进行增量学习,同时通过可调整的余弦相似度方法,对当前训练样本集特性差别最大的样本进行剔除;然后,由在线训练好的PSO-LSSVM模型,对t时刻后的电力设备温度进行预测,并对可能超过温度阈值的电力设备进行不同等级的高温预警。
2.基于PSO-LSSVM在线学习的电力设备温度预测方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1:通过传感器将采集的电力设备实时温度数据传送到后台系统,再对采样数据进行预处理,去除噪声影响;
步骤2:按照采集的时间序列顺序,构建一个初始训练样本,利用粒子群算法PSO对LSSVM模型参数进行优化,得到一个最佳的初始预测模型;
步骤3:在初始预测模型的基础上,对下一时刻温度数据进行预测,并与步骤1采集到的该时刻实时温度数据进行比较,判断其是否满足KKT条件,即判断预测偏差是否大于误差阈值ε,若满足KKT条件,则进入步骤4进行增量学习;否则直接进入步骤8;
步骤4:将新增温度数据样本加入训练集训练;
步骤5:判断训练集样本数是否满足最大样本数,若满足最大样本数,则需要剔除特征不足的数据进入到步骤6;否则直接进入步骤8;
步骤6:采用余弦相似度计算方法,计算各训练样本与新增样本的相似度值;
步骤7:对增量操作和剪枝操作后得到的新的训练样本,进行在线训练,得到更新后的模型;
步骤8:再利用更新后的模型对下时刻温度进行实时预测,重复步骤3-步骤7,达到在线更新模型的目的;
步骤9:判断预测的下一时刻的温度值是否大于设定的温度阈值T,该温度阈值T能够根据不同场景下人工调节;若小于设定的温度阈值T,则为安全状态;否则予以报警,根据预测温度的不同等级范围,提醒工作人员及时进行不同程度的降温处理。
4.根据权利要求2所述基于PSO-LSSVM在线学习的电力设备温度预测方法,其特征在于:所述步骤2中,按照采集的时间序列顺序,构建一个初始训练样本,设含有L个训练样本的训练集样本对为{(xi,yi)},i=1,2,…L},其中,xi是第i个训练样本的输入列向量,yi为输出值;
f(x)=wφ(x)+b
式中,w和b分别表示权值向量和偏置量,则LSSVM的优化问题描述为:
其中,C和ξi分别表示惩罚因子和松弛变量,w和b分别表示权值向量和偏置量,yi为第i个样本的输出值;由于核函数参数σ和惩罚因子C影响LSSVM对温度的预测,利用粒子群算法PSO对LSSVM模型参数进行优化,核函数采用高斯径向函数计算,参数优化的核函数为:
7.根据权利要求2所述基于PSO-LSSVM在线学习的电力设备温度预测方法,其特征在于:所述步骤7包括:
在对初始样本{(xi,yi)},i=1,2,…L}进行增量操作和剪枝操作后得到的训练样本为:{(Xi,Yi)},i=1,2,…M};该样本是通过步骤4的增量学习和步骤6中剔除冗余样本后获得的最能反映当前状态样本训练集得到更新后的模型方程为:
f′(X)=wφ(Xi)+b(i=1,2,..M)
w和b分别表示权值向量和偏置量,M为当前训练样本总数;再重复步骤2的过程对更新后的样本训练集进行重新训练,即实现在线训练;参数优化的核函数为:
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200811 |
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