基于数字孪生技术的变压器故障诊断方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于数字孪生技术的变压器故障诊断方法及系统，属于变电设备故障诊断技术领域。

背景技术

变压器是电力系统中的重要组成部分，其是否正常工作是整个电力系统能否稳定运行的重要保证之一，电压器故障的诊断对提高电力系统运行的安全性和可靠性具有决定性意义。

现有的基于数字孪生技术的变压器故障诊断方法，主要通过两个步骤实现，一是建立变压器的数字孪生体，而是利用人工智能算法建立变压器故障诊断模型，但在利用人工智能算法建立变压器故障诊断模型时，需要大量如“变压器运行信息的数字孪生体数据、诊断结果”的历史数据作为训练样本，其中诊断结果分为“故障”和“非故障”两种，而在实际工程场景中，变压器通常在正常状态下工作，“故障”状态出现的频率远远小于“非故障”状态，收集到的“故障”数据有限，导致训练样本的类型不均衡，在训练样本的类型过于单一的情况下，训练得到的故障诊断模型将出现过拟合问题，即对“非故障”类场景的诊断准确性高，对“故障”类场景的诊断准确性偏低，这对于变压器故障诊断的应用是风险极高的。因此如何解决变压器实时故障诊断分析出现的过拟合情况已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于数字孪生技术的变压器故障诊断方法及系统，能够克服由于训练样本不均衡导致的模型过拟合问题，从而提高诊断模型的准确性。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一方面，本发明实施例提供的一种基于数字孪生技术的变压器故障诊断方法，包括以下步骤：

收集变压器实体参数和变压传感器采集的变压器运行数据，建立变压器数字孪生体；

利用变压器数字孪生体历史数据，建立基于加权距离倒数支持向量机的变压器故障诊断模型；

输入变压器数字孪生体实时数据至变压器故障诊断模型，实时输出变压器状态。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述变压器数字孪生体，包括：几何模型、物理模型、行为模型、规则模型。

作为本实施例一种可能的实现方式，在建立所述模型的过程中，通过特征提取算法，提取变压器故障特征，去除冗余信息。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述利用变压器数字孪生体历史数据，建立基于加权距离倒数支持向量机的变压器故障诊断模型，包括：

根据变压器数字孪生体历史数据建立加权向量机模型；

引入修正函数距离倒数作为加权系数，得到优化目标函数；

对所述优化目标函数进行优化求解，获得变压器故障诊断模型。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述优化目标函数为：

st.y

ξ

r

η

其中，x

作为本实施例一种可能的实现方式，对所述优化目标函数进行优化求解，包括：

通过所述公式求解距离加权惩罚参数C

其中，x′为样本的均值；

采用交叉验证法确定惩罚参数C

通过梯度下降法求解剩余参数，实现优化求解。

另一方面，本发明实施例提供的一种基于数字孪生技术的变压器故障诊断系统，包括：

数字孪生模块，用于收集变压器实体参数和变压传感器采集的变压器运行数据，建立变压器数字孪生体；

模型建立模块，用于根据变压器数字孪生体历史数据，建立基于加权距离倒数支持向量机的变压器故障诊断模型；

故障诊断模块，用于输入变压器数字孪生体实时数据至变压器故障诊断模型，实时输出变压器状态。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述模型建立模块，包括：

向量机模型建立模块，用于根据变压器数字孪生体历史数据建立加权向量机模型；

加权模块，用于引入修正函数距离倒数作为加权系数，得到优化目标函数；

优化求解模块，用于对所述优化目标函数进行优化求解，获得变压器故障诊断模型。

第三方面，本发明实施例提供的一种计算机设备，包括处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当所述AGV仿真装置运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，以执行如上述任意所述的基于数字孪生技术的变压器故障诊断方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供的一种可读存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如上述任意所述的基于数字孪生技术的变压器故障诊断方法的步骤。

本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：

本发明建立了变压器的数字孪生体，实现了变压器数据实时传输和对变压器运行状态的模拟，并结合支持向量机模型进行实时故障诊断分析，采用加权距离倒数法运用于支持向量机的模糊隶属度中，克服了由于训练样本不均衡导致的模型过拟合问题，提高了诊断模型的准确性，能够进行更快速、高精度的变压器实时故障诊断分析。

附图说明

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于数字孪生技术的变压器故障诊断方法的流程图；

图2是根据一示例性实施例示出的仿真分析结果示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种基于数字孪生技术的变压器故障诊断系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所述，本发明实施例提供的一种基于数字孪生技术的变压器故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤一：收集变压器实体参数和变压传感器采集的变压器运行数据，建立变压器数字孪生体。

所述变压器数字孪生体，包括：几何模型、物理模型、行为模型、规则模型。其中几何模型表示设备尺寸、形状与空间位置等数据；物理模型完成在冲击电压作用下对变压器各部件的损伤测试；行为模型是利用电磁感应原理工作，模拟变压器运行状态，使数字孪生体能够超写实的模拟实际运行情况；规则模型则是存放变压器领域相关行业标准与准则、变压器使用手册、专家知识以及用数据挖掘技术获取的规则等。

在建立所述模型的过程中，通过特征提取算法，提取变压器故障特征，去除冗余信息，特征提取完成后，输送给数字孪生体，保证了建立的数字孪生体具有高保真、高可靠、高精度的特征。

步骤二：利用变压器数字孪生体历史数据，建立基于加权距离倒数支持向量机的变压器故障诊断模型。

根据变压器数字孪生体历史数据作为训练变压器故障诊断模型的训练样本建立加权向量机模型；本发明采用支持向量机模型作为变压器故障诊断模型的基础模型，支持向量机具有针对小样本数据的良好适应性。同时针对工程场景中，变压器“故障”状态少，训练样本类型单一的问题，采用加权距离倒数法运用于支持向量机的模糊隶属度中，能够克服由于训练样本不均衡导致的模型过拟合问题。

引入修正的函数距离倒数作为加权系数，得到优化目标函数，所述优化目标函数为：

s.t.y

ξ

r

η

其中，x

将修正的函数距离倒数1/r

对所述优化目标函数进行优化求解，通过所述公式求解距离加权惩罚参数C

其中，x′为样本的均值；

采用交叉验证法确定惩罚参数C

通过梯度下降法求解剩余参数，实现优化求解，获得变压器故障诊断模型。

步骤三：输入变压器数字孪生体实时数据至变压器故障诊断模型，实时输出变压器状态。

在本实施例中，以变压器油内气体含量百分比为例进行本专利提出的变压器故障诊断的仿真分析。共收集200组经检修后确定的故障变压器油中溶解气体分析数据，包含变压器油中产生的氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔五种气体，确定的五种故障类型。将收集数据中的五种气体含量占比作为模型输入信息，即变压器数字孪生体历史数据，模型的输出为故障类型编号(1号：低能放电，2号：电弧放电兼过热，3号：高能放电，4号：高温过热，5号：中低温过热)。样本如表1所示：

表1变压器故障数据样本

利用160个样本进行模型训练，Csvm经交叉验证法计算为1.032，Cdwd经计算为0.428，利用剩余的40个样本进行验证，得到利用本专利所提方法计算得到的40个样本的故障类型，计算输出的故障类型编号与实际故障类型编号的对比如图3所示，由图2可知，40个样本中，仅第173号样本出现误差，即本专利所提方法准确率可达97.5％。

如图3所示，本发明实施例提供的一种基于数字孪生技术的变压器故障诊断方法，包括：

数字孪生模块，用于收集变压器实体参数和变压传感器采集的变压器运行数据，建立变压器数字孪生体；

模型建立模块，用于根据变压器数字孪生体历史数据，建立基于加权距离倒数支持向量机的变压器故障诊断模型；

故障诊断模块，用于输入变压器数字孪生体实时数据至变压器故障诊断模型，实时输出变压器状态。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述模型建立模块，包括：

向量机模型建立模块，用于根据变压器数字孪生体历史数据建立加权向量机模型；

加权模块，用于引入修正函数距离倒数作为加权系数，得到优化目标函数；

优化求解模块，用于对所述优化目标函数进行优化求解，获得变压器故障诊断模型。

本发明实施例提供的一种计算机设备，包括处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当所述计算机设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，以执行如上述任意所述的一种基于数字孪生技术的变压器故障诊断方法的步骤。

本发明实施例还提供了一种存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如上述任意所述的一种基于数字孪生技术的变压器故障诊断方法的步骤。

另外，在本申请提供的实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。