CN111723520A - 一种基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置及方法，该装置包括系列数据输入接口，决策树持续机器学习模型实现模块，随机森林持续机器学习模型实现模块，择优数据输出选择器和预测数据输出模块。本发明通过硬件形式将算法封装的训练结果模型封装在模块中，并选用多核心CPU作为硬件支撑，提高了系统运行效率；并且利用择优数据输出选择器根据模型输出结果周期性的对两个模型进行重新训练，从而实现不同变压器的自适应模型调整，实现学习模型的持续学习和自我改进。

Description

一种基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置及方法
技术领域
本发明属于变压器故障诊断技术领域，具体涉及一种基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置及方法。
背景技术
电力变压器是电力系统中至关重要的设备之一，其运行状况直接关系到电力系统的安全稳定运行。变压器状态评估及其分支课题基于时间序列数据的故障检测，一直是业内重点研究的课题，对电网的稳健运行具有重要的意义。
随着能源互联网的发展，传统评估方案以及单一的机器学习变压器评估方案的尝试已经被初步探索，这些方法虽然有一定的效果，但存在着故障判断准确度低，外界环境变化无法及时更新等问题。近些年来学者们提出了一些更层次的机器学习的算法来对诊断方法进行升级，但仍然存在着一些缺点，如：模糊聚类法对于大规模的样本分类效果不理想；SVM同样对大规模训练样本难以适用等。
发明内容
基于现有技术中存在的以上问题，本发明的目的在于提供一种基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置及方法。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置，包括：
系列数据输入接口，用于适配电力系统的通信接口，整合历史状态数据和历史环境数据；
决策树持续机器学习模型实现模块，用于调用内部封装的决策树算法对所述系列数据输入接口模块输入的整合后的历史状态数据和历史环境数据进行处理，自动化更新训练机器学习模型，并生成变压器故障标识数据预测结果；
随机森林持续机器学习模型实现模块，用于调用内部封装的随机森林算法对所述系列数据输入接口模块输入的整合后的历史状态数据和历史环境数据进行处理，自动化更新训练机器学习模型，并生成变压器故障标识数据预测结果；
择优数据输出选择器，用于接收所述决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块输出的变压器故障标识数据预测结果，对预测结果的预测命中率进行评估，选择预测命中率较高模型作为诊断模型，并自动调整预测命中率较低模型参数；
预测数据输出模块，用于将所述择优数据输出选择器选择的预测结果进行输出。
进一步地，所述系列数据输入接口具体用于输入因变量和多列自变量数据，所述因变量数据包括状态因子，所述自变量数据包括环境数据、油色谱采集数据和运行状态数据。
进一步地，所述择优数据输出选择器具体用于对所述决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块在设定周期内输出的变压器故障标识数据预测结果的预测命中率进行评估，选择预测命中率较高模型作为诊断模型；同时接收下一周期的变压器故障标识数据预测结果后，重新评估两个模型的预测命中率，动态调整模型优先级。
进一步地，所述预测数据输出模块具体包括显示单元和/或HTTP接口，所述显示单元用于向用户展示所述择优数据输出选择器选择的诊断模型输出的变压器故障诊断结果，所述HTTP接口用于将所述择优数据输出选择器选择的诊断模型输出的变压器故障诊断结果传输至外部系统。
进一步地，还包括标准嵌入式计算支撑硬件模块，所述标准嵌入式计算支撑硬件模块用于提供支撑所述决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块运行所需的外部计算资源。
基于上述变压器故障诊断装置，本发明还提出了一种基于决策树和随机森林的变压器故障诊断方法，包括以下步骤：
S1、利用系列数据输入接口适配电力系统的通信接口，整合历史状态数据和历史环境数据；
S2、利用决策树持续机器学习模型实现模块调用内部封装的决策树算法对步骤S1整合后的历史状态数据和历史环境数据进行处理，自动化更新训练机器学习模型，并生成变压器故障标识数据预测结果；
S3、利用随机森林持续机器学习模型实现模块调用内部封装的随机森林算法对步骤S1整合后的历史状态数据和历史环境数据进行处理，自动化更新训练机器学习模型，并生成变压器故障标识数据预测结果；
S4、利用择优数据输出选择器接收步骤S2和步骤S3生成的变压器故障标识数据预测结果，对预测结果的预测命中率进行评估，选择预测命中率较高模型作为诊断模型，并自动调整预测命中率较低模型参数；
S5、利用预测数据输出模块将步骤S4选择的预测结果进行输出。
进一步地，所述步骤S1具体利用系列数据输入接口输入因变量和多列自变量数据，所述因变量数据包括状态因子，所述自变量数据包括环境数据、油色谱采集数据和运行状态数据。
进一步地，所述步骤S4具体利用择优数据输出选择器对所述决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块在设定周期内输出的变压器故障标识数据预测结果的预测命中率进行评估，选择预测命中率较高模型作为诊断模型；同时接收下一周期的变压器故障标识数据预测结果后，重新评估两个模型的预测命中率，动态调整模型优先级。
进一步地，所述步骤S5中预测数据输出模块具体包括显示单元和/或HTTP接口，所述显示单元用于向用户展示所述择优数据输出选择器选择的诊断模型输出的变压器故障诊断结果，所述HTTP接口用于将所述择优数据输出选择器选择的诊断模型输出的变压器故障诊断结果传输至外部系统。
进一步地，还包括利用标准嵌入式计算支撑硬件模块提供支撑步骤S3中决策树持续机器学习模型实现模块和步骤S4中随机森林持续机器学习模型实现模块运行所需的外部计算资源。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块通过硬件形式将算法封装的训练结果模型封装在模块中，并选用多核心CPU作为硬件支撑，提高了系统运行效率；
(2)本发明提供的择优数据输出选择器通过根据决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型的输出结果周期性的对两个模型进行重新训练，从而实现不同变压器的自适应模型调整，实现学习模型的持续学习和自我改进。
附图说明
图1为本发明提供的基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置结果示意图；
图2为本发明提供的基于决策树和随机森林的变压器故障诊断方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置，包括：
系列数据输入接口，用于适配电力系统的通信接口，整合历史状态数据和历史环境数据；
决策树持续机器学习模型实现模块，用于调用内部封装的决策树算法对所述系列数据输入接口模块输入的整合后的历史状态数据和历史环境数据进行处理，自动化更新训练机器学习模型，并生成变压器故障标识数据预测结果；
随机森林持续机器学习模型实现模块，用于调用内部封装的随机森林算法对所述系列数据输入接口模块输入的整合后的历史状态数据和历史环境数据进行处理，自动化更新训练机器学习模型，并生成变压器故障标识数据预测结果；
择优数据输出选择器，用于接收所述决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块输出的变压器故障标识数据预测结果，对预测结果的预测命中率进行评估，选择预测命中率较高模型作为诊断模型，并自动调整预测命中率较低模型参数；
预测数据输出模块，用于将所述择优数据输出选择器选择的预测结果进行输出。
在本实施例中，系列数据输入接口用于适配电力系统的通信接口，输入因变量和多列自变量数据，其中因变量数据包括状态因子，自变量数据包括环境数据、油色谱采集数据和运行状态数据，并将输入的因变量和多列自变量数据整合胃历史状态数据和历史环境数据。该功能具体可以采用多组标准物理通信接口实现，如USB接口、网口、Type-C接口、WIFI等，并且支持TCP/IP和串口通信等协议，同时提供数据输入的标准API，规范数据输入格式即可实现。
在本实施例中，本发明按照充分发挥机器学习算法的自我更新能力并且将其硬件化的思路，分别构建决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块。
随机森林RF以K个决策树{h(X，θk)，k＝1，2，…，K}为基本分类器建立组合模型，通过自助法重采样技术，不断生成训练样本和测试样本，由训练样本生成多个决策树组成随机森林，测试数据的分类结果按每颗决策树分类的投票得分来决定。随机森林建立组合分类器，先对原始样本集进行随机有放回的抽取，并保证生成后的K个数据集中的样本个数和原来的一致(K的大小由样本集的具体数据特征和标签数目而定)，原始样本集中大约会有37％的不会出现在新样本集中(这些数据称为袋外数据，可以用来估计泛化误差)，每一棵树的输入样本都不一样而且都不是全部的样本，从而可以一定程度地避免过拟合问题的出现；然后是对分裂属性的随机性抽取，从原来的M个属性中随机抽取m个作为分类器的属性集，当原始数据集中属性较少时，可用多个属性的线性组合生成新的属性，这样可以有效地提高分类器之间的差异。这两个随机采样的过程保证了随机性，不会出现过拟合问题，同时也增强了抗噪声能力和精确度。
决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块分别用于调用内部封装的决策树算法和随机森林算法对系列数据输入接口模块输入的整合后的历史状态数据和历史环境数据进行处理，自动化更新训练机器学习模型，并生成变压器故障标识数据预测结果，即是否可能出现故障或亚健康等。该功能具体可以采用一块机器学习优化硬件+代码实现，如GPU+可编程开发板。在确定了模型代码后，可将可编程开发板固化为标准硬件或者固件，从而实现算法的硬件化实现。本发明通过硬件形式将算法封装的训练结果模型封装在模块中，并选用多核心CPU作为硬件支撑，提高了系统运行效率。
在本实施例中，为了解决传统油色谱及普通机器学习模型评估方案不具有多模型择优选择功能及落后模型自动调整参数功能，本发明利用择优数据输出选择器统计决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块在设定周期内输出的变压器故障标识数据预测结果的预测命中率进行评估，选择预测命中率较高模型作为诊断模型，并将诊断结果返回给预测数据输出模块，从而提升最终输出结果的预测命中率；同时接收下一周期的变压器故障标识数据预测结果后，重新评估两个模型的预测命中率，动态调整模型优先级；择优数据输出选择器针对所选择的决策树算法和随机森林算法，在其中一个模型的预测命中率落后时，自动调整模型相关参数，如随机森林的森林里树个数、随机选择的特征数目、模型训练周期等。
择优数据输出选择器通过根据决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型的输出结果周期性的对两个模型进行重新训练，从而实现不同变压器的自适应模型调整，实现学习模型的持续学习和自我改进。
择优数据输出选择器的上述功能可以采用一块嵌入式可编程开发板实现，其关键在于能够接收决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型的输出数据，并对历史表现进行评估，同时择优输出结果数据。
在本实施例中，本发明的预测数据输出模块具体包括显示单元和/或HTTP接口，其中显示单元用于向用户展示择优数据输出选择器选择的诊断模型输出的变压器故障诊断结果，HTTP接口用于将择优数据输出选择器选择的诊断模型输出的变压器故障诊断结果传输至外部系统。
预测数据输出模块上述功能可以采用显示器+代码实现，其工作环境可以是Python或Java等环境，并调用现有的开源图表系统如G2等进行作图，从而快速方便地实现相应功能。
在本实施例中，为了提高决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块的计算效率，本发明还包括标准嵌入式计算支撑硬件模块，标准嵌入式计算支撑硬件模块用于提供支撑所述决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块运行所需的外部计算资源，如结果缓存、日志记录、设置参数读写等。。
标准嵌入式计算支撑硬件模块上述功能可以采用一块复合主板实现，主板上嵌入存储模块、总线等，从而实现对决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块计算资源的提供和支撑。
本发明通过各个模块相互配合，按照充分发挥机器学习能力并且将其硬件化的思路，将变压器整合后的历史状态数据、历史环境数据等输入到算法模块中，并根据近期的模型表现结果，择优输出结果数据，实现了对变压器近期故障预测。
本发明以将学习模型硬件化为思路，并且将训练模型-预测未来数据的循环过程封装入系统中，同时选取了适合用于预测系统的决策树和随机森林作为搭配算法，实现了创新的变压器设备状态评估方案，进而实现了从基本的表格型评估到智能持续学习型评估的升级，从而能够为我国电力系统生产运维能力的升级贡献了一份创新力。
实施例2
基于上述变压器故障诊断装置，本发明还提出了一种基于决策树和随机森林的变压器故障诊断方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、利用系列数据输入接口适配电力系统的通信接口，整合历史状态数据和历史环境数据；
S2、利用决策树持续机器学习模型实现模块调用内部封装的决策树算法对步骤S1整合后的历史状态数据和历史环境数据进行处理，自动化更新训练机器学习模型，并生成变压器故障标识数据预测结果；
S3、利用随机森林持续机器学习模型实现模块调用内部封装的随机森林算法对步骤S1整合后的历史状态数据和历史环境数据进行处理，自动化更新训练机器学习模型，并生成变压器故障标识数据预测结果；
S4、利用择优数据输出选择器接收步骤S2和步骤S3生成的变压器故障标识数据预测结果，对预测结果的预测命中率进行评估，选择预测命中率较高模型作为诊断模型，并自动调整预测命中率较低模型参数；
S5、利用预测数据输出模块将步骤S4选择的预测结果进行输出。
在步骤S1中，本发明利用系列数据输入接口适配电力系统的通信接口，输入因变量和多列自变量数据，其中因变量数据包括状态因子，自变量数据包括环境数据、油色谱采集数据和运行状态数据，并将输入的因变量和多列自变量数据整合胃历史状态数据和历史环境数据。
在步骤S2和步骤S3中，本发明按照充分发挥机器学习算法的自我更新能力并且将其硬件化的思路，分别构建决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块。
决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块分别用于调用内部封装的决策树算法和随机森林算法对系列数据输入接口模块输入的整合后的历史状态数据和历史环境数据进行处理，自动化更新训练机器学习模型，并生成变压器故障标识数据预测结果，即是否可能出现故障或亚健康等
本发明通过硬件形式将算法封装的训练结果模型封装在模块中，并选用多核心CPU作为硬件支撑，提高了系统运行效率。
在步骤S4中，为了解决传统油色谱及普通机器学习模型评估方案不具有多模型择优选择功能及落后模型自动调整参数功能，本发明利用择优数据输出选择器统计决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块在设定周期内输出的变压器故障标识数据预测结果的预测命中率进行评估，选择预测命中率较高模型作为诊断模型，并将诊断结果返回给预测数据输出模块，从而提升最终输出结果的预测命中率；同时接收下一周期的变压器故障标识数据预测结果后，重新评估两个模型的预测命中率，动态调整模型优先级；择优数据输出选择器针对所选择的决策树算法和随机森林算法，在其中一个模型的预测命中率落后时，自动调整模型相关参数，如随机森林的森林里树个数、随机选择的特征数目、模型训练周期等。
择优数据输出选择器通过根据决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型的输出结果周期性的对两个模型进行重新训练，从而实现不同变压器的自适应模型调整，实现学习模型的持续学习和自我改进。
在步骤S5中，本发明的预测数据输出模块具体包括显示单元和/或HTTP接口，其中显示单元用于向用户展示择优数据输出选择器选择的诊断模型输出的变压器故障诊断结果，HTTP接口用于将择优数据输出选择器选择的诊断模型输出的变压器故障诊断结果传输至外部系统。
此外，为了提高决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块的计算效率，本发明还包括利用标准嵌入式计算支撑硬件模块提供支撑所述决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块运行所需的外部计算资源，如结果缓存、日志记录、设置参数读写等。。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置，其特征在于，包括：
系列数据输入接口，用于适配电力系统的通信接口，整合历史状态数据和历史环境数据；
决策树持续机器学习模型实现模块，用于调用内部封装的决策树算法对所述系列数据输入接口模块输入的整合后的历史状态数据和历史环境数据进行处理，自动化更新训练机器学习模型，并生成变压器故障标识数据预测结果；
随机森林持续机器学习模型实现模块，用于调用内部封装的随机森林算法对所述系列数据输入接口模块输入的整合后的历史状态数据和历史环境数据进行处理，自动化更新训练机器学习模型，并生成变压器故障标识数据预测结果；
择优数据输出选择器，用于接收所述决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块输出的变压器故障标识数据预测结果，对预测结果的预测命中率进行评估，选择预测命中率较高模型作为诊断模型，并自动调整预测命中率较低模型参数；
预测数据输出模块，用于将所述择优数据输出选择器选择的预测结果进行输出。
2.根据权利要求1所述的基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置，其特征在于，所述系列数据输入接口具体用于输入因变量和多列自变量数据，所述因变量数据包括状态因子，所述自变量数据包括环境数据、油色谱采集数据和运行状态数据。
3.根据权利要求1所述的基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置，其特征在于，所述择优数据输出选择器具体用于对所述决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块在设定周期内输出的变压器故障标识数据预测结果的预测命中率进行评估，选择预测命中率较高模型作为诊断模型；同时接收下一周期的变压器故障标识数据预测结果后，重新评估两个模型的预测命中率，动态调整模型优先级。
4.根据权利要求3所述的基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置，其特征在于，所述预测数据输出模块具体包括显示单元和/或HTTP接口，所述显示单元用于向用户展示所述择优数据输出选择器选择的诊断模型输出的变压器故障诊断结果，所述HTTP接口用于将所述择优数据输出选择器选择的诊断模型输出的变压器故障诊断结果传输至外部系统。
5.根据权利要求1至4任一所述的基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置，其特征在于，还包括标准嵌入式计算支撑硬件模块，所述标准嵌入式计算支撑硬件模块用于提供支撑所述决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块运行所需的外部计算资源。
6.一种基于决策树和随机森林的变压器故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用系列数据输入接口适配电力系统的通信接口，整合历史状态数据和历史环境数据；
S2、利用决策树持续机器学习模型实现模块调用内部封装的决策树算法对步骤S1整合后的历史状态数据和历史环境数据进行处理，自动化更新训练机器学习模型，并生成变压器故障标识数据预测结果；
S3、利用随机森林持续机器学习模型实现模块调用内部封装的随机森林算法对步骤S1整合后的历史状态数据和历史环境数据进行处理，自动化更新训练机器学习模型，并生成变压器故障标识数据预测结果；
S4、利用择优数据输出选择器接收步骤S2和步骤S3生成的变压器故障标识数据预测结果，对预测结果的预测命中率进行评估，选择预测命中率较高模型作为诊断模型，并自动调整预测命中率较低模型参数；
S5、利用预测数据输出模块将步骤S4选择的预测结果进行输出。
7.根据权利要求6所述的基于决策树和随机森林的变压器故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S1具体利用系列数据输入接口输入因变量和多列自变量数据，所述因变量数据包括状态因子，所述自变量数据包括环境数据、油色谱采集数据和运行状态数据。
8.根据权利要求6所述的基于决策树和随机森林的变压器故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S4具体利用择优数据输出选择器对所述决策树持续机器学习模型实现模块和随机森林持续机器学习模型实现模块在设定周期内输出的变压器故障标识数据预测结果的预测命中率进行评估，选择预测命中率较高模型作为诊断模型；同时接收下一周期的变压器故障标识数据预测结果后，重新评估两个模型的预测命中率，动态调整模型优先级。
9.根据权利要求8所述的基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置，其特征在于，所述步骤S5中预测数据输出模块具体包括显示单元和/或HTTP接口，所述显示单元用于向用户展示所述择优数据输出选择器选择的诊断模型输出的变压器故障诊断结果，所述HTTP接口用于将所述择优数据输出选择器选择的诊断模型输出的变压器故障诊断结果传输至外部系统。
10.根据权利要求6至9任一所述的基于决策树和随机森林的变压器故障诊断装置，其特征在于，还包括利用标准嵌入式计算支撑硬件模块提供支撑步骤S3中决策树持续机器学习模型实现模块和步骤S4中随机森林持续机器学习模型实现模块运行所需的外部计算资源。
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