基于改进WOA的输电线路故障分析_俞天富.pdf

第 卷 第 期北华大学学报（自然科学版）年 月 （）文章编号：（）：基于改进 的输电线路故障分析俞天富，杨冀堃，王 旭，肖涵麒，杜艳丽（北华大学电气与信息工程学院，吉林 吉林）摘要：针对传统支持向量机数据识别分类准确率较低的问题，设计一个改进鲸鱼算法，优化支持向量机识别输电线路故障通过 仿真搭建电网模型，提取输电线路故障特征，进而使用支持向量机识别故障；利用立方混沌映射初始化种群，引入自适应惯性权重，并把对数螺旋方程中的 设置为动态值以改进鲸鱼算法，并与传统算法进行比较结果表明：改进鲸鱼算法对输电线路故障分类的鲁棒性强、计算效率高、寻优能力强关键词：鲸鱼优化算法；高压输电线路；故障分析；特征提取；支持向量机中图分类号：文献标志码：收稿日期：基金项目：吉林省教育厅科学技术研究项目（）；吉林省科技发展计划项目（）作者简介：俞天富（），男，硕士研究生，主要从事智能巡检机器人与故障诊断研究，：；通信作者：杜艳丽（），女，博士，副教授，主要从事机器人建模及智能控制研究，：，（，）：，：；近年来，电力系统网络与电力传输线路的范围不断增加高压输电线路保证了电力系统运行的稳定性，而复杂的电力传输线路故障类型识别成为现代智能电网的新课题，因此，分析高压输电线路、诊断故障具有重要意义目前，在识别分类输电线路故障原因方面的研究较少，并且方法较为单一神经网络算法常被用于识别分类，但其固有缺陷是学习效率低、收敛速度慢，并且只能凭借经验设置参数，没有相关的理论指导 通过鲸鱼捕猎行为，等于 年提出了鲸鱼优化算法（，），不仅结构较为简单，而且需要调节的参数也较少，对优化支持向量机（，）很适用；但 也有明显缺陷，其收敛性较差，并且易导致局部最优因此，本文提出一种改进鲸鱼优化算法（，），从种群初始化、自适应惯性权重及动态螺旋更新 个方面加以改进；基于改进的，利用 对输电线路故障原因进行识别分类结果显示：该算法不仅提升了收敛速度，而且提高了故障识别率，通过大量仿真和训练验证了该算法的有效性 电网故障数学模型基于分布参数仿真搭建一个电网模型在三相电路两端设置两个数据采集模块，两模块间安装 个故障图 电网仿真模型结构 模块，用来仿真输电线路故障，设计方案见图 该电网仿真模型分别由、电源供电，并且其中一条线路上由 和 作为检测点 和 构成了 与 之间的输电线路，可以更好地调节 的位置电网模型结构可以通过改变 和 闭合进行控制根据图 输电线路电网模型结构绘制电网模型 仿真图，可以模拟生成线路发生雷击、凝冰、异物和外力破坏故障的录波波形由于发生不同故障的输电线路电压、电流波形直观上很难区别，所以为了对故障原因进行预测和分类，应首先找到故障录波数据与故障原因间的关系，然后应用基于支持向量机的优化算法进行辨识 雷 击高压输电线路主要受到雷电直击、雷电绕击和雷电反击闪络 种雷击方式其中，对输电线路危害最大的是雷电直击雷击故障后的线路相电流、电压波形见图 图 雷击故障后故障相电流、电压波形 凝 冰温度低、湿度大、风力大、冷暖空气对流等天气条件都有可能使输电线路发生凝冰故障凝冰故障后的线路相电流、电压波形见图 图 凝冰故障后故障相电流、电压波形 第 期俞天富，等：基于改进 的输电线路故障分析 异 物输电线路上经常会看到塑料袋、风筝、鸟巢、耕地用塑料膜等异物，这些异物都可能使输电线路发生瞬间跳闸故障，甚至会导致大面积停电异物导致故障后的线路相电流、电压波形见图 图 异物故障后故障相电流、电压波形 外力破坏一般来说，外力破坏是多发事故，并且不可预测，所以大多数情况下是永久性故障，重合闸不会成功，造成的经济损失也比较大外力破坏导致故障后的线路相电流、电压波形见图 图 外力破坏故障后故障相电流、电压波形 由以上录波图形可见，雷击、凝冰、异物故障的电流波形、电压波形都很接近，因此，需要提取输电线路故障的性质特征 输电线路故障特征提取在由电网模型中提取连续电流、电压信号的同时，获取发散的数字信号发生故障时，相电流的差突变量比例系数有较大差别，因该比例系数受过渡电阻和故障位置变化的影响较小，而广泛应用于对输电线路故障类型的诊断中因此，输电线路故障的特征向量可由该系数计算得出输电线路发生故障时，相电流差突变量：?（?）（?），?（?）（?），?（?）（?），式中：?、?、?为相电流差突变量；?、?、?为故障后的相电流；?、?、?为故障前的相电流北华大学学报（自然科学版）第 卷为了实现在多种环境下对故障类型的精准识别，电流突变量由故障后第 个周期内的各相电流突变量有效值计算得出电流突变量离散化后的有效值为 （），式中：为采样序次；（）为 时刻的电流值；为采样时间间隔在故障发生后 个周期内，三相电流差突变量有效值为 输电线路各相电流差突变量的比例系数：，故障特征向量的元素为故障发生后 个周期内的各相电流差突变量比例系数，则特征向量：，将由仿真生成的雷击、凝冰、异物、外力破坏故障得到的录波数据保存到电网模型的数据空间模块中，并生成数据集，提供给算法进行仿真分类优化算法基本原理支持向量机原理作为一种机器学习分类算法，可以把两个类别或多个类别分割开来，更好地预测分类新的样本 的核心思想是基于核函数，把低维非线性问题转变为高维线性可分问题给定训练样本 （，），（，），（，）（为训练样本总数），输出向量 ，（，），建立分类函数：（）（，（，），式中：、为特征输入向量；为拉格朗日乘子；（，）为核函数；为惩罚因子；为阈值对于非线性分类问题，核函数起着核心作用 的泛化能力比其他核函数更好，所以选作 的核函数，表达式为（，）|，式中：为核函数的参数鲸鱼优化算法 的功能主要基于包围收缩、游荡捕食和螺旋式更新实现在以数量为，维度为 的搜索空间中，第 只鲸鱼位置可表示为（，），其中：，；，包围捕食当发现猎物位置时，鲸鱼会迅速包围，并且当猎物处于目标位置或者接近最优位置时，鲸鱼群也会迅速包围捕食根据下式进行位置更新：（）（），（）（），式中：为当前迭代次数；、为系数向量；为当前空间位置中的最优解；为当前位置，并且随着阶段性迭代，更新最佳空间位置第 期俞天富，等：基于改进 的输电线路故障分析寻找猎物鲸鱼在寻找猎物阶段能够在其范围内任意搜索，数学模型为（），式中：为更新时种群中的随机一头鲸鱼螺旋位置更新 在进行螺旋捕猎时的数学模型：（）（）（），式中：（）（）为第 头鲸鱼捕猎范围的最优解；为在 内选取的随机数；对数螺线的形状以常数 定义将该种围猎机制螺旋模型的概率（）设置为，并以此建模，可以使鲸鱼的位置在优化过程中不断进行更新数学模型为（）（）（），（），改进鲸鱼优化算法初始化种群算法中初始解的位置是影响寻优效果与收敛性的重要指标因此，为了获取整个鲸鱼种群随机分布的解空间，要在鲸鱼算法初始时利用随机数生成不同个体位置，但这样会产生部分区域密集度过大的种群不均匀分布问题混沌理论为把种群均匀分布在整个搜索空间里，初始化种群使用立方混沌映射：（）（）（），（）（）混沌初始化步骤：）在边界为 的空间随机生成一个维度为 的个体；）根据式（）把第 个 维个体迭代生成其他个体混沌序列；）迭代完所有的鲸鱼个体后，根据下式在初始搜索空间中投射结果：（），式中：设置个体维度在、之间；为映射的混沌变量基于正、余弦变化的自适应惯性权重分析改进粒子群算法，在中引入自适应惯性权重，如果能够合理地设计惯性权重，不仅能够提升算法的收敛速度，还可以提高算法精度为了提升鲸鱼算法的搜索效率，要在迭代进程中调整自适应惯性权重权重策略：|，式中：为最大迭代次数改进算法可进行强全局搜索，需要采用较大的初始值进行初期运算该算法前期利用非线性衰减的特性可以迅速高精度收敛，后期 非线性逐渐减小，最优解将出现在高局部搜索能力的螺旋更新阶段为了避免前期由于过快运算而陷入局部最优的问题，应使惯性权重系数 以较小值开始衰减当 的取值在后期足够小时，可以提升局部的寻优效率，位置为（）（），（）（）（），（）（）动态螺旋更新鲸鱼以螺旋的方式进行捕猎是算法进入螺旋更新阶段的标志螺旋方程是由标准的鲸鱼算法建立的，北华大学学报（自然科学版）第 卷 之所以只能以固定的螺旋线路进行捕猎是因为为常数然而，这种过于简单的寻优方式不仅极易陷入局部最优解，而且使该算法的全局搜索能力大大削弱所以，为了解决这问题，将 设置为一个动态值，并随着迭代次数的变化而变化，这就使个体鲸鱼在螺旋搜索后期可以对其螺旋形状进行动态调整，更重要的是使算法的全局搜索能力得到明显增强，同时提高了收敛精度动态 的取值：|，式中：为螺旋更新系数，设置为；设置为 通过改进使混沌系统具有了正则性和半随机性，不仅使鲸鱼算法的性能有了明显提高，而且可以使特征选择数量有效减少，分类精度也明显提高 仿真分析在故障录波数据中选择 个录波样本，其中，个数据样本作为训练集，其余的 个数据样本作表 算法识别率对比 算法名称识别率 为预测集，根据所提方法进行数据采集与预处理试验选取鲸鱼种群规模（）为，为，在，区间设置惩罚因子系数（）与核函数参数（）本文分别采用传统、和 对训练集进行训练以 为试验平台进行仿真，试验结果见图，标准 、和 诊断准确率见表 图 测试结果 图 测试结果 图 测试结果 图 算法迭代对比 由表、图 可见：算法的分类效果明显强于 和 仅用 次迭代便达到了 的适应度，而 则迭代了 次才达到 的适应度由此可知，改进后的 鲁棒性强、诊断效率高、寻找最优解的准确率高，具有实用性第 期俞天富，等：基于改进 的输电线路故障分析 小 结本文针对 和 故障诊断识别率低、易陷入局部最优等固有缺陷，提出了一种混沌鲸鱼优化算法采用立方混沌映射进行种群初始化，以提高算法初始解的质量为了更好地实现算法全局搜索和局部搜索平衡，采用了自适应惯性权重和动态螺旋更新，算法的收敛精度有了明显改善仿真结果表明：在识别故障准确率和收敛精度方面有显著提升，识别率由 提升到 对比 算法和 算法可知，算法在输电线路故障识别方面具有优越性，但该算法优化下的故障识别率仍有提升空间，未来可以对鲸鱼算法的惯性权重做进一步调整，以提高算法的分类能力，使其具有更高的工程应用价值参考文献：黄烨鑫，万振刚，程琛基于改进鲸鱼算法寻优 的船用柴油机燃油系统故障诊断方法研究计算技术与自动化，（）：，（）：，（）：，（）：吐松江卡日，高文胜，张紫薇，等基于支持向量机和遗传算法的变压器故障诊断清华大学学报（自然科学版），（）：，：肖涵麒，俞天富，冯志亮，等基于鲸鱼算法改进下垂控制的微电网平滑切换策略北华大学学报（自然科学版），（）：，：童林，官铮改进鲸鱼优化支持向量机的交通流量模糊粒化预测计算机应用，（）：，：，：刘沛津，胡冀飞，贺宁，等改进鲸鱼算法优化 的短期电力负荷预测研究现代电子技术，（）：，（）：，（）：，（）：石春花，刘环基于广义反向学习的改进鲨鱼算法自抗扰参数整定科学技术与工程，（）：，（）：【责任编辑：郭 伟】北华大学学报（自然科学版）第 卷