CN113253069B - 一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法 - Google Patents

一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法，包括以下步骤：利用弱光检测方法来采集故障位置的局部放电信号；滤除所述局部放电信号中的噪声和电磁干扰；在实验室或现场中采集所述局部放电信号中的光谱信息；提取所述局部放电信号的光谱强度信息特征参数；将所述光谱强度信息特征参数作为训练集，输入Xgboost‑LSTM算法进行训练得到指纹信息库；通过所述指纹信息库得出局部放电种类和局部放电发展阶段；将所述局部放电种类、局部放电的故障位置以及所述局部放电发展阶段输入到根据实际需求预先设置好参数的Xgboost算法中，评估得出所述局部放电的危险度。

Description

一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法
技术领域
本申请涉及电力设备风险评估技术领域，尤其涉及一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法。
背景技术
气体绝缘全封闭开关电器GIS一般由铝合金外壳封闭而成，无外露导电部位，不会受大气条件和污秽杂质的影响，运行的可靠性非常高，并且维护量非常少。GIS发生局部放电的原因很多，如绝缘材料内部存在气泡或裂纹、绝缘设计裕度不足、导体表面存在划痕等尖端、安装或解体引入异物、绝缘老化等，这些都会导致设备内部电场发生严重畸变，从而引发局部放电。初期的局部放电危害性较小，一般可以在设备运行过程中存在几个月乃至几年，不过随着局部放电的加剧，电、热化学效应等会加速材料的进一步老化和劣化，并将最终导致绝缘击穿故障。电力设备由于绝缘自然老化、外力破坏和设计制作工艺和材料质量影响会导致各种绝缘故障，在绝缘击穿前往往会发生明显的局部放电现象。局部放电时造成绝缘劣化的主要原因，能够反映绝缘的潜伏性缺陷及故障，通过检测局部放电信号可以实现对电力设备缺陷、劣化程度及剩余寿命的诊断和评估。
光学检测法是一种进行非接触式检测局部放电的新兴检测方法。电力设备局部放电时常伴随有光辐射，利用光电探测器能够有效的监测局部放电产生的光辐射信号，光电探测器检测到的光信号经光电转换元件转化为电信号，再经过信号放大器的调理放大处理，通过光纤将信号送到监测系统，利用监测系统分析电信号光学检测法采用非接触式测量，不影响设备的运行，有着较强的抗电磁干扰能力，测量的灵敏度也很高。目前，光学检测法在分析局部放电特征和电力设备绝缘劣化原理等方面的研究取得了较大的进展。特别是在光测法实施中，光传感器深入到GIS箱体内，直接测量GIS内部局部放电产生的光信号，检测系统不易受外界干扰，测量的灵敏度较高，而且可以对电力设备的局部放电进行实时检测，因此光测法不仅可以用于电力设备内部局部放电在线监测还可以用于局放的危险度评估。光测法一旦成熟后优于现有局放检测手段,目前还没有针对光测法完善的危险度评估。
随着人工智能的飞速发展，机器学习算法在电力系统绝缘故障诊断中的应用也越来越广泛，正在成为一种越来越流行的绝缘故障诊断方法。机器学习方法有快速，准确的优点，与诊断迅速的光测法相结合，可以真正意义上的实现电力设备局部放电实时状态检测以及风险度评估。因此,本发明针对光测法提出了一种基于多光谱强度与机器学习的局部放电危险度评估的方法,这对于光学检测法的进一步应用，减小电力设备发生故障概率有显著的实际意义。
发明内容
本申请提供了一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法，以解决现有技术中还没有针对光测法比较完善的局部放电危险度评估方法的问题。
本申请采用的技术方案如下：
一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法，包括以下步骤：
利用弱光检测方法来采集故障位置的局部放电信号；
滤除所述局部放电信号中的噪声和电磁干扰；
在实验室或现场中采集所述局部放电信号中的光谱信息；
提取所述局部放电信号的光谱强度信息特征参数；
将所述光谱强度信息特征参数作为训练集，输入Xgboost-LSTM算法进行训练得到指纹信息库；
通过所述指纹信息库得出局部放电种类和局部放电发展阶段；
将所述局部放电种类、局部放电的故障位置以及所述局部放电发展阶段输入到根据实际需求预先设置好参数的Xgboost算法中，评估得出所述局部放电的危险度。
优选地，所述利用弱光检测方法来采集故障位置的局部放电信号，包括：
利用弱光传感器来采集发生局部放电的故障位置和故障位置的局部放电信号。
优选地，所述滤除所述局部放电信号中的噪声和电磁干扰，包括：
采用混合随机搜索的波段选择方法提取特征波段，来滤除噪声和电磁干扰。
优选地，所述采用混合随机搜索的波段选择方法提取特征波段，包括:
先进行全局粗略搜索阶段，即随机选择若干个互不相同的光谱波段，构成光谱集合，利用选择、交叉算子迭代更新所述光谱集合，计算所述光谱集合中每个元素波段组合的性能评估函数，得到不同波段选择方案；
然后进行局部搜索阶段，即变换所述不同波段选择方案中的元素，计算变换后的可分性判据，通过迭代后所述可分性判据最大的则是待提取出来的特征波段。
优选地，所述在实验室或现场中采集所述局部放电信号中的光谱信息，包括：
在实验室设置特定种类的缺陷或是在现场已有的缺陷，用弱光传感器通过升压法采集不同电压下所述局部放电信号中的光谱信息。
优选地，所述提取所述局部放电信号的光谱强度信息特征参数，包括：
提取在不同电压下所述局部放电信号的光谱强度信息特征参数。
优选地，所述将所述光谱强度信息特征参数作为训练集，输入Xgboost-LSTM算法进行训练得到指纹信息库，包括：
将所述光谱强度信息特征参数作为训练集，输入Xgboost算法提取所述局部放电光谱强度信息特征参数的空间特征参数；
输入LSTM算法提取所述局部放电光谱强度信息特征参数的时间特征参数；
将所述局部放电光谱强度信息特征参数的空间特征和时间特征参数在Xgboost-LSTM算法中重复进行训练后得到指纹信息库。
优选地，所述通过所述指纹信息库得出局部放电种类和局部放电发展阶段，包括：
最后利用所述指纹信息库的softmax分类器判断得出局部放电种类和局部放电发展阶段。
采用本申请的技术方案的有益效果如下：
本申请通过对局部放电产生弱光信号的物理机理的分析，提出一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法，通过结合机器学习算法的快速性和光学检测方法的抗干扰性和实时性，对气体绝缘全封闭组合电器内部进行检测，能够实现对气体绝缘全封闭组合电器的实时在线局部放电故障诊断和风险度评估，使GIS设备可以安全稳定地运行。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法流程图。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
参见图1，为本申请一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法流程图。
本申请提供的一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法，包括以下步骤：
利用弱光检测方法来采集故障位置的局部放电信号；
滤除所述局部放电信号中的噪声和电磁干扰；
在实验室或现场中采集所述局部放电信号中的光谱信息；
提取所述局部放电信号的光谱强度信息特征参数；
将所述光谱强度信息特征参数作为训练集，输入Xgboost-LSTM算法进行训练得到指纹信息库；
通过所述指纹信息库得出局部放电种类和局部放电发展阶段；
将所述局部放电种类、局部放电的故障位置以及所述局部放电发展阶段输入到根据实际需求预先设置好参数的Xgboost算法中，评估得出所述局部放电的危险度。
所述利用弱光检测方法来采集故障位置的局部放电信号，包括：
利用弱光传感器来采集发生局部放电的故障位置和故障位置的局部放电信号。
所述滤除所述局部放电信号中的噪声和电磁干扰，包括：
采用混合随机搜索的波段选择方法提取特征波段，来滤除噪声和电磁干扰。
所述采用混合随机搜索的波段选择方法提取特征波段，包括：
先进行全局粗略搜索阶段，即随机选择若干个互不相同的光谱波段，构成光谱集合，利用选择、交叉算子迭代更新所述光谱集合，计算所述光谱集合中每个元素波段组合的性能评估函数，得到不同波段选择方案；
然后进行局部搜索阶段，即变换所述不同波段选择方案中的元素，计算变换后的可分性判据，通过迭代后所述可分性判据最大的则是待提取出来的特征波段。
所述在实验室或现场中采集所述局部放电信号中的光谱信息，包括：
在实验室设置特定种类的缺陷或是在现场已有的缺陷，用弱光传感器通过升压法采集不同电压下所述局部放电信号中的光谱信息。
所述提取所述局部放电信号的光谱强度信息特征参数，包括：
提取在不同电压下所述局部放电信号的光谱强度信息特征参数。
所述将所述光谱强度信息特征参数作为训练集，输入Xgboost-LSTM算法进行训练得到指纹信息库，包括：
将所述光谱强度信息特征参数作为训练集，输入Xgboost算法提取所述局部放电光谱强度信息特征参数的空间特征参数；
输入LSTM算法提取所述局部放电光谱强度信息特征参数的时间特征参数；
局部放电的光谱信息可以被视为空间中的二维信息，对其进行特征波段筛选后的强度信息可以用作判断局部放电种类的标准，将所述局部放电光谱强度信息特征参数的空间特征和时间特征参数在Xgboost-LSTM算法中重复进行训练后得到指纹信息库。
所述通过所述指纹信息库得出局部放电种类和局部放电发展阶段，包括：
最后利用所述指纹信息库的softmax分类器判断得出局部放电种类和局部放电发展阶段。
由于光谱强度信息与实际情况有关，通常需要进行归一化，采用Xgboost算法可以免去归一化的操作，在现场实际检测中，实现实时检测危险度的目标。输入参量为局部放电种类、故障位置以及局部放电发展阶段；
Xgboost算法的具体实施如下：
利用最小化训练数据的损失函数加CART树作为最优模型的目标函数为：
Figure BDA0003074425960000041
其中xi为不同频段下的局部放电光谱信息以及故障位置和局部放电发展阶段，yi为最后的危险度预测值，右边
Figure BDA0003074425960000042
为正则化项，目的是使该目标函数Object达到最小值，L(yi，f(xi))为损失函数，N为损失函数个数；
Figure BDA0003074425960000043
其中，Ω(fk)为正则化项，为了防止算法过拟合，fk为第k轮的残差树，T是CART树的叶子节点个数，ω是fk对xi第k轮残差的预测值，γ和λ分别为叶子节点数以及预测值的权重，γ根据实际情况选取0.4，λ选取0.5；
LSTM用于提取局放光谱强度信息的时间特征，可以增加光谱强度信息的维度，运用下列公式迭代即可输出结果：
ft＝σ(Wf·[ht-1，xt]+bf) (3)
it＝σ(Wi·[ht-1，xt]+bi) (4)
Figure BDA0003074425960000051
Figure BDA0003074425960000052
ot＝σ(Wo·[ht-1，xt]+bo) (7)
ht＝ot*tanh(Ct) (8
其中，ft，it，Ot分别为遗忘门、输入门和输出门的特征函数，Wf、Wi、WC分别为遗忘门、输入门和输出门的权重矩阵，bf，bi，bC分别为遗忘门、输入门和输出门的常数项，xt代表当前时刻输入的光强信息，ht-1代表上一时刻输出的值，ht代表当前时刻输出的值，Ct-1代表上一时刻输入的光强信息的状态，Ct代表当前时刻输入的光强信息的状态，
Figure BDA0003074425960000053
为输入单元的状态，σ表示函数sigmoid(·)；tanh表示函数tanh(·)。
按照图1的流程，最后危险度评估的输出结果为0、1、2，其中0代表轻微放电，1代表中度放电，2代表重度放电，即完成局部放电危险度评估，可以根据结果实施相对应的整改措施。
本申请通过对局部放电产生弱光信号的物理机理的分析，利用弱光传感器检测几个筛选出来的特定波段下的光谱强度信息，通过光谱强度信息和机器学习判断出局部放电种类，最后在结合放电种类，放点位置以及放电发展程度判断出局部放电的危险度，解决了现有技术中还没有针对光测法比较完善的局部放电危险度评估方法的问题，通过结合机器学习算法的快速性和光学检测方法的抗干扰性和实时性，对气体绝缘全封闭组合电器内部进行检测，能够实现对气体绝缘全封闭组合电器的实时在线局部放电故障诊断和风险度评估，使GIS设备可以安全稳定地运行。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用弱光检测方法来采集故障位置的局部放电信号；
采用混合随机搜索的波段选择方法提取特征波段，滤除所述局部放电信号中的噪声和电磁干扰；
在实验室或现场中采集所述局部放电信号中的光谱信息；
提取所述局部放电信号的光谱强度信息特征参数；
将所述光谱强度信息特征参数作为训练集，输入Xgboost-LSTM算法进行训练得到指纹信息库；
通过所述指纹信息库得出局部放电种类和局部放电发展阶段；
将所述局部放电种类、局部放电的故障位置以及所述局部放电发展阶段输入到根据实际需求预先设置好参数的Xgboost算法中，评估得出所述局部放电的危险度；
所述采用混合随机搜索的波段选择方法提取特征波段，包括:
先进行全局粗略搜索阶段，即随机选择若干个互不相同的光谱波段，构成光谱集合，利用选择、交叉算子迭代更新所述光谱集合，计算所述光谱集合中每个元素波段组合的性能评估函数，得到不同波段选择方案；
然后进行局部搜索阶段，即变换所述不同波段选择方案中的元素，计算变换后的可分性判据，通过迭代后所述可分性判据最大的则是待提取出来的特征波段。
2.根据权利要求1所述的一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法，其特征在于，所述利用弱光检测方法来采集故障位置的局部放电信号，包括：
利用弱光传感器来采集发生局部放电的故障位置和故障位置的局部放电信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法，其特征在于，所述在实验室或现场中采集所述局部放电信号中的光谱信息，包括：
在实验室设置特定种类的缺陷或是在现场已有的缺陷，用弱光传感器通过升压法采集不同电压下所述局部放电信号中的光谱信息。
4.根据权利要求3所述的一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法，其特征在于，所述提取所述局部放电信号的光谱强度信息特征参数，包括：
提取在不同电压下所述局部放电信号的光谱强度信息特征参数。
5.根据权利要求4所述的一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法，其特征在于，所述将所述光谱强度信息特征参数作为训练集，输入Xgboost-LSTM算法进行训练得到指纹信息库，包括：
将所述光谱强度信息特征参数作为训练集，输入Xgboost算法提取所述局部放电光谱强度信息特征参数的空间特征参数；
输入LSTM算法提取所述局部放电光谱强度信息特征参数的时间特征参数；
将所述局部放电光谱强度信息特征参数的空间特征和时间特征参数在Xgboost-LSTM算法中重复进行训练后得到指纹信息库。
6.根据权利要求5所述的一种基于多光谱强度的局部放电危险度评估方法，其特征在于，所述通过所述指纹信息库得出局部放电种类和局部放电发展阶段，包括：
最后利用所述指纹信息库的softmax分类器判断得出局部放电种类和局部放电发展阶段。
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