基于神經(jīng)網(wǎng)絡的變壓器故障檢測畢業(yè)論文

1、 畢 業(yè) 論 文（設 計）題 目 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的變壓器故障檢測 姓 名 楊文 學號 0817014004 所在院(系) 電氣工程學院 專業(yè)班級 自控081班 指導教師 侯波 完成地點 陜西理工學院（北區(qū)）501樓 2012年 5 月20日基于神經(jīng)網(wǎng)絡的變壓器故障檢測 楊文 （陜西理工學院電氣工程學院自動化專業(yè)081班，陜西 漢中 723003） 指導教師：侯波 摘要:電力變壓器作為電力系統(tǒng)中最為重要的設備之一，對電力系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟的運行起著決定性作用，因而，必須盡量減少變壓器故障的產(chǎn)生。電力變壓器故障檢測對電力系統(tǒng)的經(jīng)濟安全運行有著重要的意義。油中溶解氣體法，是最有效的發(fā)現(xiàn)和檢測變

2、壓器故障的方法之一。神經(jīng)網(wǎng)絡對外界具有很強的模式識別分類能力和聯(lián)想記憶能力，因此神經(jīng)網(wǎng)絡可以用于變壓器故障檢測?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡的以變壓器油中溶解氣體為特征量的故障檢測方法為變壓器故障檢測提供了新的途徑。 本文將采用三種不同的神經(jīng)網(wǎng)絡（bp網(wǎng)絡、rbf網(wǎng)絡、支持向量機）應用于變壓器故障檢測中，分別介紹這幾種網(wǎng)絡的基本結構和原理，并進行模型設計和仿真。 關鍵詞:變壓器 故障檢測 神經(jīng)網(wǎng)絡 bp算法 rbf算法 支持向量機 based on neural network of transformer fault detection author：yang wen(grade 08， class 01，

3、major automation，department of electrical engineering ，shaanxi university of technology ，hanzhong ，723003，shaanxi )tutor :hou bo abstract : as the most important part of the power system equipment,the power transformer to the safety of the electricity system, reliable and high quality, and the opera

4、tion of the economy plays a decisive role, therefore, we must try to reduce the of transformer faults. power transformer of electric power system fault detection of the economic security has important significances. the dissolved gas method, is one the most effective and found that one of the ways t

5、o detect transformer faults. neural network has a strong pattern recognition classification ability and associative memory ability to the outside world, so neural network can be used for the transformer fault detection. based on neural network to gases dissolved in transformer oil for the characteri

6、stic features of fault detection method for transformer fault detection offers a new way. therefore. this article will use three different neural network (bp network, rbf network, support vector machine) used in transformer fault detection, are introduced the basic structure of the network and the p

7、rinciple and design and simulation model. key words : transformer ,fault detection ,neural network ,bp algorithm ,rbf algorithm ,support vector machine.目錄1 緒論11.1課題研究的目的和意義11.2國內(nèi)外發(fā)展狀況11.3變壓器故障種類11.4目前變壓器故障診斷的主要方法31.5本文研究的主要內(nèi)容42 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的變壓器故障檢測機理和基本理論52.1 故障診斷技術52.2神經(jīng)網(wǎng)絡52.3 變壓器故障與油中溶解氣體的關系73 基于bp神經(jīng)網(wǎng)絡的

8、變壓器故障檢測模型93.1 bp網(wǎng)絡93.2 bp網(wǎng)絡模型設計133.2.1 bp網(wǎng)絡參數(shù)的確定133.2.2基于bp神經(jīng)網(wǎng)絡變壓器故障檢測模型153.2.3數(shù)據(jù)歸一化處理153.3 系統(tǒng)仿真，訓練與測試163.3.1網(wǎng)絡訓練163.3.2網(wǎng)絡測試184 基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡的變壓器故障檢測模型204.1 rbf網(wǎng)絡204.1.1 rbf網(wǎng)絡概述204.1.2 rbf網(wǎng)絡原理204.2 rbf網(wǎng)絡模型設計214.2.1 rbf網(wǎng)絡模型214.2.2 rbf網(wǎng)絡參數(shù)的選取224.2.3 rbf網(wǎng)絡訓練方法的確定224.3 仿真結果225 基于支持向量機的變壓器故障檢測模型245 .1 支持向量機（

9、svm）245 .1.1 支持向量機（svm）基本理論245.1.2 支持向量機在故障診斷中的應用現(xiàn)狀285.1.3 基于支持向量機變壓器故障多分類算法285.2 變壓器故障特征診斷模型設計295.2.1 變壓器故障特征診斷參數(shù)選取295.2.2 故障診斷流程295.3系統(tǒng)仿真295.3.1 故障模型訓練和參數(shù)尋優(yōu)295.3.2 測試結果與分析336 結論與展望35致謝36參考文獻37英文文獻391 緒論1 .1課題研究的目的和意義現(xiàn)代設備技術水平不斷提高，生產(chǎn)率、自動化要求越來越高，相應地，故障也隨之增加。變壓器作為電力系統(tǒng)中非常復雜而且非常重要的設備，其工作狀態(tài)對電力系統(tǒng)、企事業(yè)單位及居民

10、生活具有十分重要的影響。由于種種原因，變壓器故障時有發(fā)生，事故率仍相當?shù)母摺Ｒ晕覈?10kv及以上變壓器事故來看，1994年110-sookv變壓器事故率為0.76次/百臺.年，95年為0.65次/百臺.年，96年為0.56次/百臺.年1, 2001年國家電網(wǎng)的變壓器共發(fā)生非計劃停運達216次2，其故障最大的部位是變壓器的內(nèi)絕緣，主要的故障點是絕緣老化嚴重、運行環(huán)境惡劣、變壓器質(zhì)量有問題3。只有正確地評估、準確地診斷、可靠地預測變壓器的運行狀態(tài)，才能指導現(xiàn)場對缺陷變壓器開展狀態(tài)檢修，提高檢修質(zhì)量，避免檢修人力、物力和財力的浪費。如何提前對變壓器故障進行預測和在故障發(fā)生后迅速判斷故障原因是提高

11、工作效率、減少經(jīng)濟損失的一個重要途徑。所以采用智能方法建立相應模型，研究變壓器狀態(tài)與運行工況、歷史運行記錄的關系及其規(guī)律，利用變壓器的信息準確地診斷、預測和評估變壓器運行狀態(tài)對實施變壓器狀態(tài)維修，對保證系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟運行，提高經(jīng)濟效益具有重要意義。變壓器故障檢測的作用是4判斷運行設備否處于正常狀態(tài)；如若有故障，判斷故障的類型，性質(zhì)及原因；根據(jù)故障信息或者信息處理結果，預測故障可能的發(fā)展，即對故障的故嚴重程度和發(fā)展趨勢做出判斷；提出控制，防止和消除故障的方法，設備維修的措施；對設備的設計、制造、裝配等提出改進意見，對設備現(xiàn)代化管理提供更好方法建議。1.2國內(nèi)外發(fā)展狀況 診斷理論作為狀態(tài)識別

12、方法的基礎，在工程與技術、生物與醫(yī)學及經(jīng)濟與社會領域里都有著廣泛的應用。從各個診斷技術的分支來看，美國有著領先的地位。美國的很多權威機構，如美國機械工程師協(xié)會，美國宇航局等都參與了在這一領域的研究，也有很多高校和企業(yè)都設立了診斷技術的研究中心。美國一些公司研制的檢測產(chǎn)品不僅能檢測還具有很好的診斷功能，在宇航、化工、醫(yī)藥、軍事等方面都具有廣泛的應用。其他的國家診斷技術也各有特色，如英國在摩擦診斷，丹麥在振聲診斷，日本在應用方面都具有優(yōu)勢5。 我國的診斷技術發(fā)展于70 年代末，起步比較晚，但經(jīng)過不懈努力，特別是最近幾年的追趕，已經(jīng)基本跟上了國外的步伐，在有的理論研究方面已和國外不相上下。目前我國在

13、一些特定的診斷研究領域很有特色，形成了自己的檢測故障產(chǎn)品，如西安交通大學的“大型旋轉(zhuǎn)機械計算機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)”，哈爾濱工業(yè)大學的“機組振動微機監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)”等?？v觀我國的設備故障檢測診斷技術現(xiàn)狀，其應用范圍集中在化工、冶金、電力等方面，科研則主要集中在高校和研究所。1.3變壓器故障種類變壓器通常由許多部件構成，其復雜的結構會導致各種各樣的故障發(fā)生。變壓器的故障按變壓器本體劃分可分為內(nèi)部故障和外部故障。內(nèi)部故障主要有各相繞組間的相間短路、繞組的線匝之間的匝間短路、繞組或引出線與油箱外殼接地等故障。外部故障主要有油箱外部發(fā)生的絕緣套管短絡、絕緣套管損壞或破碎引起的外殼接地、引出線間的

14、相間短路故障。若按變壓器的部位劃分，變壓器故障可分為鐵芯故障、分接開關故障、繞組故障和套管故障6-8等。 變壓器故障主要有以下幾種9:（1）鐵芯故障鐵芯是變壓器實現(xiàn)能量傳遞和電壓變換的主要部件。統(tǒng)計資料表明鐵芯故障是變壓器事故發(fā)生比較多的故障之一。變壓器鐵芯故障的原因主要包括兩個方面，一方面是由于鐵芯本身的夾件松動或損傷而與接地鐵芯碰接使鐵芯發(fā)熱。另一方面主要是因為施工工藝不良造成短路以及鐵芯多點接地、鐵芯接地不良等。變壓器正常運行時，變壓器鐵芯只有一點接地才是正確可靠的正常接地。（2）繞組故障繞組是電力變壓器的中心部件，它也是變壓器涉及電氣量的主要部件。變壓器的繞組故障約占整個變壓器故障總數(shù)

15、的百分之六十左右。繞組故障發(fā)生的原因主要是繞組絕緣老化、繞組受潮、各相繞組之間發(fā)生的相間短路、單相繞組部分線匝之間發(fā)生的匝間短路、單相繞組通過外殼發(fā)生的單相接地、繞組斷裂、繞組擊穿、繞組過熱燒壞、系統(tǒng)短路和沖擊電流造成繞組機械損傷以及電磁力引起的繞組變形等。（3）分接開關故障分接開關是變壓器的重要部分，其可靠性直接影響著變壓器的可靠性。分接開關是變壓器高壓回路中的運動部件，其故障相對較高。分接開關故障的種類主要有：無載分接開關故障和有載分接開關故障。無載分接開關常見的故障有：變壓器滲油是無載分接開關裸露在空氣中受潮，導致絕緣性能下降，產(chǎn)生放電短路，損壞變壓器；無載分接開關的設計和制造質(zhì)量差，結

16、構不合理，引起動靜觸頭絕緣擊穿，使兩抽頭間短路或?qū)Φ囟搪贩烹?，燒壞抽頭線圈；變壓器油的老化引起分接開關觸頭出現(xiàn)碳化膜和油垢，使導電部位接觸不良，接觸電阻增大，產(chǎn)生發(fā)熱和電弧而燒壞開關。有載開關的故障主要有：過渡電阻串連接螺栓松脫：輔助觸頭中的過渡電阻在切換過程中被擊穿或燒壞；分接開關由于密封不嚴而進水，導致絕緣性能降低造成相間短路；由于觸頭滾輪卡死使分接開關停在過渡位置，造成匝間短路而燒壞；選擇開關承受不了變壓器線圈分接引線的長期荷載而發(fā)生形變等。（4）變壓器油絕緣故障在變壓器運行過程中，由于高溫、強電場以及光合作用的共同作用下，絕緣油會不斷地進行氧化。由于油中氣體、雜質(zhì)和金屬會加速油的氧化過

17、程，會使油中水分、過氧化物、酸價、灰分、油泥等組分含量增加，從而使油質(zhì)逐步地發(fā)生污染和劣化，使變壓器油生成油泥，粘附在變壓器箱殼內(nèi)固體表面妨礙了散熱，并導致絕緣電阻降低和絕緣水平下降，加速了絕緣材料的老化。（5）固體絕緣故障油浸式變壓器采用的固體絕緣材料主要包含絕緣紙、絕緣板、絕緣墊、木塊等。這些絕緣材料的主要成分為纖維素，其在變壓器長期運行中會因發(fā)生分解而老化，甚至喪失絕緣強度，造成絕緣故障。當故障點涉及固體絕緣時，在故障點釋放能量的作用下，油紙絕緣將發(fā)生裂解，纖維素要發(fā)生解環(huán)、斷鏈，水分從纖維素中脫離后將加速纖維材料脆裂，釋放出co和co2和糠醛，使油紙絕緣的擊穿電壓和體積電阻率降低，介質(zhì)

18、損耗增大，聚合度和抗張強度都將逐步降低。而故障必然因絕緣油的分解產(chǎn)生各種低分子烴和氫氣，同時會引起一氧化碳和二氧化碳含量的明顯增長。所以可通過分析各種特征氣體與co和co2間的伴生增長情況，來判斷固體絕緣故障的原因。（6）放電故障通常根據(jù)放電的能量密度的大小將變壓器的放電故障分為局部放電、火花放電和電弧放電三種類型。放電對絕緣有很強的破壞作用。電弧放電產(chǎn)生的熱使變壓器油發(fā)生分解，產(chǎn)生甲烷、乙炔、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙烷等多種特征氣體，并使介質(zhì)損耗增大，使局部絕緣受熱損壞。放電時產(chǎn)生的高壓氣體引起絕緣體開裂并形成新的放電點，產(chǎn)生惡性循環(huán)；同時放電產(chǎn)生的雜質(zhì)堆積和沉積在固體絕緣上使散熱

19、困難，使放電增強和出現(xiàn)過熱。促使固體局部絕緣損壞，引發(fā)新的變壓器故障。對于局部放電、火花放電和電弧放電三種放電形式，它們相互之間不是獨立的，而是相互聯(lián)系和交織在一起的。通常局部放電是其他兩種放電的最初形式。隨著故障的發(fā)展和擴大，常常會變成火花放電和電弧放電。 （7）油流帶靜電故障 在強迫油循環(huán)冷卻的大型電力變壓器中，由于變壓器油流過絕緣紙及絕緣紙板的表面時，會發(fā)生油流帶靜電的現(xiàn)象，簡稱油流帶電。變壓器的絕緣紙和紙板的組成成分主要是纖維素和木質(zhì)素，對于強迫油循環(huán)冷卻的大型變壓器，變壓器油經(jīng)油泵加速傳到繞組內(nèi)的冷卻油道時，油與絕緣紙板發(fā)生摩擦，在油與絕緣紙和絕緣紙板界面上產(chǎn)生靜電電荷的分離。纖維素

20、和木質(zhì)素分子就被正極性的氫原子所覆蓋，并吸附油中負離子，使負電荷附在紙板表面，而油中的正電荷隨油流動。這樣油就帶正電而紙板表面帶負電。隨著油的循環(huán)流動油中正電荷越積越多，場強增強。當某處電荷積累超過某一程度時，就有可能向絕緣紙板放電，使絕緣紙板絕緣受損傷，并最終導致絕緣故障。1.4目前變壓器故障診斷的主要方法 現(xiàn)在變壓器故障診斷的常用方法有如下幾種10：（1）基于神經(jīng)網(wǎng)絡技術的電力設備故障診斷人工神經(jīng)網(wǎng)絡(artificial neural network，簡稱ann)是一種模仿人腦行為及其活動過程的推理分析方法。在神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)中，信息的存儲和處理是合為一體的，能從不完全的，不精確的信息聯(lián)想出

21、完整的信息，神經(jīng)網(wǎng)絡具有很強的學習能力、信息處理能力和學習過程中的完善性能。它能從一系列的數(shù)據(jù)中綜合出規(guī)律性的知識。其應用已滲透到各個領域，并在智能控制、模式識別、計算機視覺、自適應信號處理、知識處理、傳感技術與機器人等方面得到廣泛的應用。其在電氣設備在線監(jiān)測、故障診斷、負荷預報、智能控制等方面也取得很好的成就 11。近年來很多國內(nèi)外研究學者都致力于運用神經(jīng)網(wǎng)絡進行變壓器故障診斷的研究。（2）基于模糊理論cfuzzy theory)的故障診斷1965年美國加州大學l. a. zadeh教授首次提出了表達事物模糊性的重要概念:隸屬函數(shù)，從而奠定模糊理論的基礎。1974年，英國的e .h. mam

22、dani首次用模糊規(guī)則和模糊邏輯實現(xiàn)了蒸汽機的運行過程控制，取得了比傳統(tǒng)控制算法更好的效果，從而宣告模糊控制的誕生。模糊理論是以模糊集為基礎，以處理模糊事物為目標，并將其嚴格數(shù)字量化后進行計算機處理的應用研究。模糊理論作為一種精確描述不確定性關系的方法，在解決變壓器故障診斷的問題具有著獨特的優(yōu)勢。它為變壓器的絕緣故障診斷提供了一種新的途徑12。 (3)專家系統(tǒng)診斷法 專家系統(tǒng)(expert system es)是一種具有大量專門知識的程序系統(tǒng)，它根據(jù)多個專家提供的專業(yè)知識進行推理，解決通常需要專家才一能解決的復雜問題。變壓器故障診斷專家系統(tǒng)是一個基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，它通常由知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理

23、機、知識獲取系統(tǒng)、解釋系統(tǒng)和人機接口等6部分組成。專家系統(tǒng)在解決難以建立數(shù)學模型，較多依賴人類專家經(jīng)驗知識的問題上有獨特的優(yōu)勢，在信息不完整或不確定的情況下仍能給出較為合理的結論，因此國內(nèi)外有不少學者從專家系統(tǒng)的角度去研究變壓器故障診斷13-14，與此同時，很多學者將專家系統(tǒng)與其它智能方法結合，進行變壓器的故障診斷研究15-17。這些研究成果推動了專家系統(tǒng)的實用化，但同時也應看到專家系統(tǒng)存在著兩個主要問題:知識獲取的“瓶頸”問題。一方面由于專家知識的不完備，另一方面由于專家知識表述規(guī)則化有相當?shù)碾y度，兩者造成了診斷系統(tǒng)知識庫的不完備，表現(xiàn)為當遇到一個沒有相應規(guī)則與之對應的新故障現(xiàn)象時，系統(tǒng)顯得

24、無能為力。診斷推理不確定性問題。對于一些數(shù)學相關性不確定的故障現(xiàn)象的診斷，其準確性難以保證。這些問題大大影響了其故障診斷的準確性。（4）基于遺傳算法的故障診斷遺傳算法簡稱ga(genetic algorithm)，是由生物進化思想啟發(fā)而得出的一種具有全局搜索能力的算法。它通過選擇、交叉和變異等操作，產(chǎn)生新一代適應力更強的群體。1967年bagley j. d最早提出遺傳算法的概念。1975年michigan大學的j. h. holland開始了遺傳算法的理論和方法的系統(tǒng)性研究。目前遺傳算法在模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡、圖像處理、機器學習、工業(yè)優(yōu)化控制、自適應控制、生物科學、社會科學等方面都得到了廣泛的

25、應用。 另外還有灰色理論、支持向量機(svm)算法、bayes推理法、證據(jù)組合法以及粒子群優(yōu)化算法(pso)等多種人工智能方法，亦各有其自身的特性和優(yōu)點。隨著各種智能方法的應用研究，將多種智能方法融合起來進行故障診斷也成為智能診斷方法新興發(fā)展起來的一個方向。1.5本文研究的主要內(nèi)容神經(jīng)網(wǎng)絡方法可以從變壓器油中溶解氣體數(shù)據(jù)中獲取隱含的故障診斷規(guī)律，而不用深入了解變壓器故障檢測的相關知識，便可以進行變壓器故障檢測診斷。同時能根據(jù)實際變壓器油中溶解氣體的數(shù)據(jù)進行自適應調(diào)整。所以，本文的內(nèi)容就是運用神經(jīng)網(wǎng)絡對變壓器狀態(tài)監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)進行分析處理，從而對變壓器狀態(tài)進行監(jiān)測，故障進行檢測診斷。 具體內(nèi)容包

26、括： 1)選擇合適的神經(jīng)網(wǎng)絡算法，本文采用bp神經(jīng)網(wǎng)絡、rbf神經(jīng)網(wǎng)絡和支持向量機。 2）對于故障油浸變壓器，其主要表現(xiàn)形式為變壓器導熱油發(fā)生一定的溶解，導致變壓器腔內(nèi)存在不同的氣體，ch4、c2h6、c2h4、c2h2、h2、co 和 co2等。同時，實踐表明不同氣體含量能夠從一定程度上說明變壓器的故障類型。為此，課題的故障數(shù)據(jù)為上述氣體數(shù)據(jù)。 3）分析故障數(shù)據(jù)的分布情況，對故障樣本和故障數(shù)據(jù)進行分析歸類，確定輸入向量和輸出向量，建立故障模型。 4）利用matlab 神經(jīng)網(wǎng)絡軟件包，建立網(wǎng)絡模型。用新的故障數(shù)據(jù)，檢驗故障模型的準確性和可靠性，得出相應的指標數(shù)據(jù)。2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的變壓器故障檢

27、測機理和基本理論 本文的主要特點是將神經(jīng)網(wǎng)絡用于變壓器故障檢測。所以，故障診斷技術和神經(jīng)網(wǎng)絡的基本理論是研究的基礎和重點。2.1 故障診斷技術故障診斷是研究設備狀態(tài)運行的變化，進而識別設備狀態(tài)運行的一門科學。本質(zhì)而言，故障診斷是個模式識別與分類的問題，通常把機器的運行分為正常與異常。異常又屬于哪種故障，又是一個模式識別與分類的問題。其運作流程如圖2.1所示: 圖2.1 故障診斷運作流程由圖2.1可知，設備診斷過程主要有信號采集，信號分析處理，故障診斷三個過程階段。具體如下：信號采集技術。設備的診斷技術從設備的癥狀入手進行研究分析。設備的癥狀主要是指設備運行時所產(chǎn)生的能體現(xiàn)其狀態(tài)的信號。因而，信

28、號采集是設備故障診斷的前提。信號分析處理階段是故障診斷的關鍵，該階段實際上就是診斷技術的特征因子提取技術。原始信號為傳感器采集的信號，像溫度、位移等部分信號可以直接利用，但有的信號則不能，如振動信號，雖然經(jīng)過放大，但含有噪聲，所以不能準確地反映問題，必須利用信號分析處理技術，才能得到敏感的能夠反映設備狀態(tài)的特征因子。 傳統(tǒng)的信號分析處理技術有濾波技術、頻譜分析技術。新興的數(shù)字濾波技術、自適應濾波技術、小波分析技術等大大提高了信號處理技術。故障診斷是設備故障診斷技術的核心，識別設備狀態(tài)異常與否，異常后再分析原因，此為診斷的實質(zhì)。目前，診斷技術按信號類型的不同分為振聲診斷、溫度診斷、油液診斷、光譜

29、分析等。在診斷技術發(fā)展初期，由于技術條件不夠成熟，占主導地位的是人，儀器處理后的信號主要由人去分析。隨著人工智能的發(fā)展，診斷的自動化，智能化逐漸成為現(xiàn)實。2.2神經(jīng)網(wǎng)絡人工神經(jīng)網(wǎng)絡是由簡單的處理單元所組成的大量并行分布的處理機，這種處理機具有存儲和應用經(jīng)驗知識的自然特性，它與人腦的相似之處概括為兩個方面：一是通過學習過程，利用神經(jīng)網(wǎng)絡從外部環(huán)境中獲取知識；二是內(nèi)部神經(jīng)元可以用來存儲獲取的知識信息。人工神經(jīng)網(wǎng)絡又被稱為連接機制模型或者稱為并行分布處理模型，是由大量神經(jīng)元廣泛連接而成的，它是在現(xiàn)代神經(jīng)科學研究的基礎上提出來的，反映了人腦的基本特征。但它并不是人腦的真實描寫，而只是它的某種抽象、簡化

30、和模擬。網(wǎng)絡的信息處理是由神經(jīng)元之間的相互合作來實現(xiàn)，知識和信息的存儲表現(xiàn)為網(wǎng)絡元件互連，網(wǎng)絡的學習和識別取決于各神經(jīng)元連接權值的動態(tài)演化過程。 一般而言，神經(jīng)元模型應具備三個要素：1、具有一組突觸或連接常用wij表示神經(jīng)元i和神經(jīng)元j之間的連接強度，或稱之為權值。與人腦的神經(jīng)元不同，人工神經(jīng)元的權值的取值可在正值和負值之間；2、具有反映生物神經(jīng)時空整合功能的輸入信號累加器。3、具有一個激勵函數(shù)用于限制神經(jīng)元輸出。激勵函數(shù)將輸出信號限制在一個允許范圍內(nèi)，將其成為有限值，通常神經(jīng)元輸出的擴充范圍在(0,1)或（-1,1）閉區(qū)間。 一個典型的人工神經(jīng)元模型如圖2.2所示圖2.2人工神經(jīng)元模型圖 人

31、工神經(jīng)元是人工神經(jīng)網(wǎng)絡的基本單元，從圖2.2中可以看出，它相當于一個多輸入單輸出的非線性閾值器件。定義表示其他神經(jīng)元的輸出，亦即該神經(jīng)元的輸入向量；表示其他神經(jīng)元與該神經(jīng)元 r個突觸地連接強度，亦即權值向量；其每個元素的值可正可負，分別表示為興奮性突觸和抑制性突觸； 為神經(jīng)元的閾值，如果神經(jīng)元輸入向量的加權和大于 ，則該神經(jīng)元被激活，所以輸入向量的加權和也稱為激活值；f 表示神經(jīng)元的輸入輸出關系函數(shù)，亦即傳輸函數(shù)。傳輸函數(shù)一般為單調(diào)升函數(shù)，但它又是一個有限值函數(shù)，神經(jīng)元的輸出可以表示為 （2.1） 神經(jīng)網(wǎng)絡具有高速并行處理、分布存儲信息等特性，它符合人類視覺系統(tǒng)的工作原則具有很強的學習能力、自

32、組織能力、容錯性、非線性映射、高魯棒性、聯(lián)想記憶功能、分類和識別、知識處理、推理意識功能強等特點。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是在現(xiàn)代神經(jīng)科學研究領域成果的基礎上提出來的，信息的分布存儲和并行協(xié)同能力是其特點，很適用于像故障診斷類的多變量非線性問題。神經(jīng)網(wǎng)絡是一種具有學習功能的非線性映射器。其學習過程如圖2.3。圖2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡學習過程一般而言，訓練集只占到整個知識空間的一極少部分，訓練完成以后，通過對測試集的測試來評價其學習效果，從而來考察神經(jīng)網(wǎng)絡對未知的知識的推廣學習能力。神經(jīng)網(wǎng)絡還具有在線學習的能力，這種通過對少數(shù)已知樣本的學習來獲取未知的知識能力，也叫做泛化能力。而且在學習之前它無需在事先獲取系統(tǒng)的

33、任何相關參數(shù)。這種泛化能力就其本質(zhì)而言相當于是對函數(shù)的一種外推和內(nèi)插。這些學習之后具有外推和內(nèi)插的能力使得神經(jīng)網(wǎng)絡有著非常廣泛的應用，包括函數(shù)逼近（高維曲面擬合、自適應控制）、模式識別與分類、預測和預報等。其中對模式識別與分類能力使神經(jīng)網(wǎng)絡可用于故障的檢測診斷。神經(jīng)網(wǎng)絡用于故障診斷時，相當于把每一類型的故障視為一個模式類，通過網(wǎng)絡的學習，找出該模式類的內(nèi)在規(guī)律與特點并區(qū)別于其他類型，以實現(xiàn)故障診斷。網(wǎng)絡的每一個訓練樣本和測試樣本都是由“癥狀”與“原因”構成?！鞍Y狀”為輸入，“原因”為輸出18-19。2.3 變壓器故障與油中溶解氣體的關系 對于大型電力變壓器，目前幾乎都是用油來絕緣和散熱，變壓器

34、油與油中的固體有機絕緣材料在運行電壓下隨運行時間的增加，因放電和熱的作用會逐漸老化和分解，產(chǎn)生少量的各種低分子烴類及co,co2氣體，而變壓器的內(nèi)部絕緣故障卻伴隨著局部過熱和局部放電現(xiàn)象，使油或紙或油和紙分解產(chǎn)生ch4、c2h6、c2h4、c2h2、h2、co 和 co2等氣體。當故障不太嚴重，產(chǎn)氣量較少時，所產(chǎn)生的氣體形成的氣泡在油里經(jīng)對流、擴散，不斷地溶解于絕緣油中。當設備內(nèi)部存在潛伏性過熱，或放電故障時，就會加快這些氣體的產(chǎn)生。當產(chǎn)生速率大于溶解速率時，在變壓器里會有一部分氣體進入氣體繼電器。此外，發(fā)熱和放電的產(chǎn)生程度不同，所產(chǎn)生的氣體種類、油中溶解氣體的濃度、各種氣體的比例關系也不相同

35、。因而，油中溶解氣體的成分和含量在一定程度上反映了變壓器故障的程度，通過對油中溶解氣體進行分析，便可發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的發(fā)熱和放電性故障種類20。新投運的變壓器，特別是國產(chǎn)的充油電力變壓器，由于制造工藝以及所使用的絕緣材料等原因，運行初期往往有氫氣、一氧化碳和二氧化碳氣體組分增加較快的現(xiàn)象，但達到一定極限含量后會逐漸降低。絕緣油在精煉過程中會形成少量氣體，脫氣時不可能完全去除。如果變壓器以前發(fā)生過故障，那么故障產(chǎn)生的氣體即使經(jīng)過脫氣處理后，仍然會有少量被纖維材料吸附，再慢慢釋放于油中，因而變壓器在投運前就可能含有少量故障特征氣體，正常運行中的變壓器油中也會含有某些故障特征氣體。 我國現(xiàn)行的變壓器油

36、中溶解氣體分析和判斷導則中對新變壓器的氣體含量極限值給出了明確規(guī)定21，如表2.1所示，對于新投運的變壓器還要求出廠試驗前后的兩次分析結果，以及投運前后的兩次分析結果不能有明顯區(qū)別。正常運行中的變壓器其注意值如表2.2所示，當氣體濃度達到注意值時，應該對變壓器進行追蹤分析，查明原因。 表2.1 出廠和投運前電氣設備氣體含量的極限值氣體 變壓器和電抗器 互感器 套管 氫氣 30 50 150乙炔 0 0 0總烴 20 10 10表2.2 運行中電氣設備氣體含量的注意值 設備氣體組分含量 330kv及以上 220kv及以下 乙炔 1 5 變壓器和電抗器 總烴150 150 氫氣150 150 甲烷

37、100 100 套管 乙炔1 2 氫氣500 500 當變壓器發(fā)生故障時不同故障類型所產(chǎn)生的主要特征氣體有所差異，將其歸納為表2.3.表2.3 不同故障產(chǎn)生的氣體差異故障類型 主要氣體成分 次要氣體成分 油過熱 甲烷、乙烯 氫氣、乙烷 油和紙過熱 甲烷、乙烯、一氧化碳、二氧化碳 氫氣、乙烷油紙絕緣中局部放電 氫氣、甲烷、一氧化碳 乙炔、乙烷、二氧化碳油中火花放電 氫氣、乙炔 - 油中電弧放電 氫氣、乙炔 甲烷、乙烯、乙烷 油和紙中電弧放電 氫氣、乙炔、一氧化碳、_氧化碳 甲烷、乙烯、乙烷3 基于bp神經(jīng)網(wǎng)絡的變壓器故障檢測模型3.1 bp網(wǎng)絡（1）bp網(wǎng)絡機理圖3.1 bp網(wǎng)絡結構 bp（反向

38、傳播算法）是多層感知器的一種有效學習算法，它把一組樣本的輸入輸出問題變成非線性優(yōu)化問題，使用了最優(yōu)化問題和其中最普遍的梯度下降算法，用迭代算法求解權值，加入隱節(jié)點使優(yōu)化問題的可調(diào)參數(shù)增加，從而可得到精確解。典型的bp神經(jīng)網(wǎng)絡結構，是由輸入層、隱含層和輸出層構成的,如圖3.1。（2）bp網(wǎng)絡算法bp算法模型為前向多層網(wǎng)絡，網(wǎng)絡不僅有輸入、輸出層節(jié)點，還有隱含層節(jié)點，經(jīng)過作用函數(shù)后，再把隱節(jié)點的輸出信息傳播到輸出節(jié)點，最后給出結果。此算法的學習過程可以描述如下：工作信號正向傳播：輸入信號從輸入層經(jīng)過隱含層單元，傳向輸出層，在輸出端產(chǎn)生輸出信號，這就是工作信號的正向傳播。在信號的前向傳遞過程中網(wǎng)絡的

39、權值是固定不變的，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響到下一層神經(jīng)元的狀態(tài)。如果在輸出層得到的輸出信號不是理想的輸出信號，則轉(zhuǎn)入誤差信號反向傳播。誤差信號反向傳播：網(wǎng)絡的實際輸出與理想輸出之間的差值即為誤差信號，誤差信號由輸出端開始逐層向前傳播，這是誤差信號的反向傳播。在這一過程中，網(wǎng)絡的權值和閾值由誤差反饋進行調(diào)節(jié)，使輸出接近期望。系統(tǒng)不斷地循環(huán)這兩個過程，重復學習，一直到輸出值和期待值的誤差減小到規(guī)定范圍內(nèi)，系統(tǒng)停止學習。此刻將新樣本輸入到已經(jīng)訓練好的網(wǎng)絡，就可以得到相應的輸出值。在三層前饋網(wǎng)絡中，假設輸入向量為x=（x1,x2,xn）t，如加入b1=1 ，可為隱層神經(jīng)元引入閥值；隱層輸出向量為y=(

40、y1,y2, ym) t，如加入b2=1,可為輸出神經(jīng)元引入閥值；輸出層向量為o=(o1,o2,ol)t，期望輸出向量為d=(d1,d2,dl) t，輸入層到隱層之間的權值矩陣用v來表示，v=(v1,v2, vm) t ，列向量vj表示隱層第j個神經(jīng)元對應的權向量；隱層到輸出層間的權矩陣用w來表示，w=(w1,w2,w)t ，列向量wk表示輸出層第k個神經(jīng)元對應的權向量。下面為各層信號之間的數(shù)學關系22：對于輸入層，輸入輸出均為x：對于隱層有輸入： ，j=1，2， ,m； (3.1)輸出： ，j=1，2， ,m； (3.2)對于輸出層有：輸入： ，k=1，2，,l； (3.3)輸出： ，k=1

41、，2，,l； (3.4)在上式中，f(*)為激勵函數(shù)，在此采用s型函數(shù)： (3.5)f(a)具有連續(xù)性、可導性，且 在網(wǎng)絡的實際應用中，其實際輸出往往與期望輸出有一定的差距，二者之間存在誤差，用e來表示，定義如下： (3.6)將上述誤差公式展開至隱層，有 (3.7)進一步展開至輸入層，有 (3.8)由此可見，網(wǎng)絡的輸入誤差是各權值的函數(shù)。因而調(diào)節(jié)各權值便可改變誤差e。而調(diào)節(jié)權值的目的是使誤差減小，所以應該使權值的調(diào)節(jié)量與誤差的負梯度成正比，亦即 ，j=1，2， ,m；k=1，2， ,l； (3.9) ，i=1，2， ,n；j=1，2， ,m； (3.10)負號表示梯度在下降，常數(shù))表示比例系數(shù)

42、，也稱學習率。為了進一步得出明確的權值調(diào)整公式，我們做以下推導，在此過程中始終有j=0,1,2,m;k=1,2 ,l;對隱含層始終有i=0,1,2 ,n;j=1,2,m。 (3.11)若令，稱為輸出層誤差信號，則 (3.12)同樣可推導得 (3.13)若令 ，稱為隱層的誤差信號，則 (3.14)容易看出，輸出層的誤差信號與網(wǎng)絡的期望輸出同實際輸出之差有關，而且反映了輸出誤差，而各隱層的誤差信號與前面各層的誤差信號都有關，是從輸出層開始逐層反傳過來的。由上可推導出整，各層權值的調(diào)整公式： (3.15)以此為依據(jù)可對權值進行調(diào)，完成對神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練。（3）bp網(wǎng)絡程序?qū)崿F(xiàn)23 神經(jīng)網(wǎng)絡的具體實現(xiàn)需

43、要計算機編程來完成。具體編程步驟如下：1）、初始化 對權值w、v隨機賦值，樣本模式計數(shù)器p和訓練次數(shù)計數(shù)器q置1，誤差e置0.學習率和網(wǎng)絡訓練誤差精度emin設為（0,1）的小數(shù)；2）輸入訓練樣本，計算隱層、輸出層的輸出；3）計算網(wǎng)絡輸出誤差 設共有p對訓練樣本，對應不同的樣本具有不同的誤差ep，總誤差為/p2；4）計算各層誤差信號 即；5）調(diào)整各權值 用公式調(diào)整；6）檢查是否對所有樣本完成了一次輪訓，若 pp，p、q加1，,返回（2），否則繼續(xù)步驟（7）；7）檢查網(wǎng)絡總誤差是否達到要求，是，訓練結束；否則e置0，p置1，返回（2）其流程圖如圖3.2。圖3.2 bp算法流程圖3.2 bp網(wǎng)絡模

44、型設計 3.2.1 bp網(wǎng)絡參數(shù)的確定本試驗是通過檢測變壓器內(nèi)部的氣體濃度來確定變壓器是否發(fā)生故障，以及發(fā)生那一類型的故障。檢測的氣體濃度為ch4、h2、c1+c2、c2h2四種，故障分5級：一般過熱、嚴重過熱、局部放電、火花放電、電弧放電，分別用15表示。給定訓練集和測試集如表3.1和表3.2所示。 表3.1 訓練集ch4h2c1+c2c2h2故障等級58.998421238314.96915312.5724489.77871046.519226851084740.81016.410457.5415546.4510251.061818001201.8763708.81611951914446

45、70233.8482125130.8243021071274962245 表3.2 測試集 ch4h2c1+c2c2h2故障等級4376.1889.01050.010220.050.090.045.04104.05125.0490.0223.55 1）輸入向量的確定 網(wǎng)絡中輸入節(jié)點等于模式的維數(shù)。這里我們利用ch4、h2、c1+c2、c2h2的含量的數(shù)據(jù)作為輸入向量來判定變壓器發(fā)生故障的類型。網(wǎng)絡對較小的數(shù)據(jù)不敏感，在選擇輸入向量時，輸入模式選擇太少的特征向量不能足夠的分類變壓器故障；而太多不相關的特征向量又會使網(wǎng)絡的收斂性變差。而且不能直接將各類氣體的含量作為輸入，因為如果原始數(shù)據(jù)數(shù)量級差別

46、較大的話，一些重要的信息會無法獲得，判別精度會不高，同時輸入空間還會過大，網(wǎng)絡規(guī)模進而增大。影響正常的訓練和診斷。因此需要將樣本歸一化處理。 2）輸出向量的確定 網(wǎng)絡的輸出節(jié)點數(shù)等于故障類型數(shù)。輸出向量采用一般過熱、嚴重過熱、局部放電、火花放電、電弧放電五個輸出神經(jīng)元。輸出量為0或1的五位故障編碼，對應于上述五類故障類型，故障編碼如表3.3所示。 表3.3 故障編碼 故障類型 1 2 3 4 5故障編碼 10000 01000 00100 00010 000013）網(wǎng)絡層的設計 三層的bp網(wǎng)絡就可以任意精度逼近任何非線性物理對象。增加層數(shù)的目的在于進一步的降低誤差，同時也使網(wǎng)絡更為復雜，增加了

47、網(wǎng)絡的權閥值訓練時間。而增加隱含層的神經(jīng)元數(shù)目亦可以使誤差精度得到提高，其訓練效果也比增加層數(shù)更容易觀察和調(diào)整。因此一般情況下，我們都用最少的網(wǎng)絡層來構建神經(jīng)網(wǎng)絡。本文bp網(wǎng)絡采用三層。4）隱層節(jié)點數(shù)的設計一個具有無限隱層節(jié)點數(shù)的兩層bp神經(jīng)網(wǎng)絡可以實現(xiàn)任意輸入到輸出的非線性映射。但對于有限個輸入模式到輸出模式的映射，并不需要無限個隱層節(jié)點，輸入層、輸出層數(shù)目一般根據(jù)實際問題來確定，但是隱層的設計卻至今都沒有確定的指導思想和解析解，只能依經(jīng)驗設制。而隱層的結構（包括隱層層數(shù)，隱層單元數(shù)）極大地影響網(wǎng)絡的性能，過少無法達到需要的誤差，過多則又可能造成過渡擬合，訓練效果會不好。一般可以按照下面的一

48、些經(jīng)驗公式選取，再根據(jù)實際訓練效果進行調(diào)整（設輸入n個，輸出m個）。 單層隱層，隱層單元數(shù)為。 單層隱層，隱層單元數(shù)為。 單層隱層，隱層單元數(shù)為，a是一個010之間的數(shù)。5）激活函數(shù)的確定在本設計中要用到matlab神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱函數(shù)，現(xiàn)主要介紹其中的激勵函數(shù)，如表3.4所示。通過激活函數(shù)對輸入和輸出進行函數(shù)轉(zhuǎn)換，可以將無限域的輸入變成指定的有限范圍內(nèi)的輸入。 表3.4 bp神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱中的激活函數(shù)激活函數(shù) 函數(shù)描述 函數(shù)原形 返回值區(qū)間logsig s型的對數(shù)函數(shù) y=2/(1+exp(-2x) (0,1)dlogsig logsig的導函數(shù) y=x*(1-x) tansig 雙曲正切s型傳遞函數(shù) y=2/(1+exp(-2x)-1 (-1,1)dtansig tansig的導函數(shù) y=1-x2purelin 線形傳遞函數(shù) y=xdpurelin