本發(fā)明涉及變壓器,具體涉及一種基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)和梯度下降的變壓器壽命預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、配電網(wǎng)變壓器是連接配電網(wǎng)與用戶用電側(cè)的核心設(shè)備，變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。目前，針對(duì)運(yùn)行的配電網(wǎng)變壓器一般采用定期檢修與事后檢修的兩種方式，但兩種方式會(huì)造成“過(guò)修”和“失修”的問(wèn)題，一方面會(huì)浪費(fèi)大量的人力和物力，另一方面可能會(huì)使變壓器出現(xiàn)非計(jì)劃退出運(yùn)行的情況，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對(duì)變壓器剩余壽命的預(yù)測(cè)是配電網(wǎng)變壓器安全、穩(wěn)定運(yùn)行的必要環(huán)節(jié)，同時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)也能有效地延長(zhǎng)配電網(wǎng)變壓器生命周期，提高使用性能和經(jīng)濟(jì)效益。

2、目前，圍繞變壓器壽命預(yù)測(cè)技術(shù)主要分為失效物理模型方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法兩類(lèi)。失效物理模型方法對(duì)隨機(jī)退化模型的依賴性較高，當(dāng)設(shè)備數(shù)量較多時(shí)，個(gè)體差異性會(huì)使模型的復(fù)雜度增加。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法從現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)中使用人工智能技術(shù)來(lái)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的退化模式，但缺乏透明度，結(jié)果很難解釋?zhuān)瑹o(wú)法表征運(yùn)行過(guò)程中不確定性的剩余壽命分布。上述兩種方法各有優(yōu)劣，為了解決模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)，發(fā)明一種通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化模型參數(shù)的配電網(wǎng)變壓器剩余壽命預(yù)測(cè)方法對(duì)于保證配電網(wǎng)變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)和梯度下降的變壓器壽命預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

2、步驟1：根據(jù)配電網(wǎng)變壓器歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)集，對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化預(yù)處理；

3、步驟2：對(duì)預(yù)處理的數(shù)據(jù)集各項(xiàng)指標(biāo)加權(quán)融合構(gòu)建復(fù)合健康指標(biāo)；

4、步驟3：建立非線性維納過(guò)程的變壓器隨機(jī)退化過(guò)程模型；

5、步驟4：通過(guò)復(fù)合健康指標(biāo)的當(dāng)前時(shí)刻首次達(dá)到失效閾值的時(shí)間實(shí)現(xiàn)壽命和剩余壽命預(yù)測(cè)；

6、步驟5：基于預(yù)測(cè)剩余壽命與實(shí)際剩余壽命建立均方誤差目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)；

7、步驟6：采用梯度下降算法優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)集加權(quán)系數(shù)與模型參數(shù)進(jìn)行反向優(yōu)化調(diào)整；

8、步驟7：基于優(yōu)化后的模型參數(shù)和加權(quán)系數(shù)預(yù)測(cè)變壓器的剩余壽命。

9、在優(yōu)選實(shí)施例中，所述變壓器歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)集包括如下一級(jí)數(shù)據(jù)集，氣體數(shù)據(jù)集，絕緣油數(shù)據(jù)集，電氣數(shù)據(jù)集；所述氣體數(shù)據(jù)集包括如下二級(jí)數(shù)據(jù)集：氫氣含量、甲烷含量、乙炔含量、乙烯含量、乙烷含量、碳氧化物含量；所述絕緣油數(shù)據(jù)集包括如下二級(jí)數(shù)據(jù)集：絕緣油介損、絕緣電阻吸收比、油擊穿電壓、油中含水量、油中含氣量、糠醛含量；所述電氣數(shù)據(jù)集包括如下二級(jí)數(shù)據(jù)集：絕緣電阻值、局部放電量、介質(zhì)損耗、泄露電阻值、絕緣電阻吸收比、體積電阻率。

10、在優(yōu)選實(shí)施例中，所述數(shù)據(jù)集歸一化預(yù)處理方法包括：

11、令xi,j(t)為配電網(wǎng)變壓器數(shù)據(jù)集的第i{1≤i≤n}臺(tái)變壓器的第j{1≤j≤s}個(gè)二級(jí)歷史數(shù)據(jù)集在t(t＝0,1,2,…,ki)時(shí)刻的性能退化歷史數(shù)據(jù)，歸一化處理后的變壓器歷史數(shù)據(jù)x'i.j(t)如下式：

12、

13、其中，min(xi,j)、max(xi,j)分別為第i臺(tái)配電網(wǎng)變壓器第j個(gè)二級(jí)歷史數(shù)據(jù)集中的性能退化歷史數(shù)據(jù)的最小值和最大值。

14、在優(yōu)選實(shí)施例中，所述步驟2中，根據(jù)配電網(wǎng)變壓器歷史數(shù)據(jù)集，融合多種二級(jí)數(shù)據(jù)集后的復(fù)合健康指標(biāo)zi(t)如下式：

15、

16、其中aj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

17、在優(yōu)選實(shí)施例中，建立退化模型的隨機(jī)退化函數(shù)，考慮標(biāo)準(zhǔn)布朗運(yùn)動(dòng)的非線性wiener過(guò)程建模與變壓器復(fù)合健康指標(biāo)zi(t)的隨時(shí)間變化的退化過(guò)程，構(gòu)建復(fù)合健康指標(biāo)隨機(jī)退化函數(shù)包括：

18、

19、其中，b(t)為標(biāo)準(zhǔn)的布朗運(yùn)動(dòng)，θi、βi、σi為模型參數(shù)，用si(t)表示第i個(gè)隨機(jī)退化系統(tǒng)在時(shí)間t的對(duì)數(shù)變換，其公式為：

20、

21、令θ'i＝lnθi，得到公式為：

22、si(t)＝θ′i+β′it+σib(t)。

23、在優(yōu)選實(shí)施例中，所述步驟4中，定義配電網(wǎng)變壓器隨機(jī)退化的壽命值ti：

24、ti＝inf{ti:si(ti)≥b|si,0＜b}

25、si,0＝lnzi,0

26、其中ti為第i臺(tái)變壓器記錄的歷史數(shù)據(jù)集時(shí)刻，si,0為第i臺(tái)變壓器初始復(fù)合健康指標(biāo)的自然對(duì)數(shù)，b為復(fù)合健康指標(biāo)對(duì)應(yīng)的臨界閾值；

27、定義配電網(wǎng)變壓器隨機(jī)退化的剩余壽命值li，k：

28、li,k＝inf{li,k:si(ti,k+li,k)≥b|si,k＜b}

29、si,k＝lnzi,k

30、其中si,k為第i臺(tái)變壓器在k時(shí)刻的復(fù)合健康指標(biāo)的自然對(duì)數(shù)，ti,k為第i臺(tái)變壓器在k時(shí)刻的壽命值，li,k為第i臺(tái)變壓器在k時(shí)刻的剩余壽命值,b為復(fù)合健康指標(biāo)的自然對(duì)數(shù)對(duì)應(yīng)的臨界閾值；

31、計(jì)算壽命值的預(yù)測(cè)期望包括，

32、

33、其中，ti,0第i臺(tái)變壓器的初始時(shí)刻，ti,ki第i臺(tái)變壓器的最終時(shí)刻，si,ki為第i臺(tái)變壓器在最終時(shí)刻的變壓器復(fù)合健康指標(biāo)的自然對(duì)數(shù)；

34、計(jì)算配電網(wǎng)變壓器剩余壽命的預(yù)測(cè)期望包括，

35、

36、在優(yōu)選實(shí)施例中，基于預(yù)測(cè)剩余壽命與實(shí)際剩余壽命構(gòu)建的均方誤差目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)包括，

37、

38、其中a為指標(biāo)權(quán)重aj的集合；和li,k為第i臺(tái)變壓器在k時(shí)刻的預(yù)測(cè)剩余壽命值和實(shí)際剩余壽命值。

39、在優(yōu)選實(shí)施例中，采用梯度下降算法優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)集加權(quán)系數(shù)與模型參數(shù)進(jìn)行反向優(yōu)化調(diào)整包括：

40、

41、其中a’為最優(yōu)指標(biāo)權(quán)重集，b’為最優(yōu)臨界閾值；argmin表示函數(shù)在其定義域中取得最小值的參數(shù)值。

42、在優(yōu)選實(shí)施例中，采用梯度下降算法對(duì)目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其參數(shù)更新過(guò)程用迭代方式表示為：

43、

44、其中υ表示需要更新的參數(shù)(a，b),η表示學(xué)習(xí)率，r表示迭代步驟。迭代過(guò)程在參數(shù)收斂或者迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)定值時(shí)才會(huì)停止。

45、在優(yōu)選實(shí)施例中，所述步驟7中，第i個(gè)隨機(jī)退化系統(tǒng)在時(shí)間t的對(duì)數(shù)變換更新為s′i(t)，

46、

47、配電網(wǎng)變壓器剩余壽命的預(yù)測(cè)期望更新為

48、

49、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益技術(shù)效果：

50、根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)和梯度下降的變壓器壽命預(yù)測(cè)方法，該方法將變壓器歷史數(shù)據(jù)與類(lèi)指數(shù)型隨機(jī)退化模型相結(jié)合，形成數(shù)據(jù)與模型之間的閉環(huán)交叉聯(lián)動(dòng)機(jī)制，提高了配電網(wǎng)變壓器剩余壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

技術(shù)特征：

1.一種基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)和梯度下降的變壓器壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)和梯度下降的變壓器壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述變壓器歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)集包括如下一級(jí)數(shù)據(jù)集，氣體數(shù)據(jù)集，絕緣油數(shù)據(jù)集，電氣數(shù)據(jù)集；所述氣體數(shù)據(jù)集包括如下二級(jí)數(shù)據(jù)集：氫氣含量、甲烷含量、乙炔含量、乙烯含量、乙烷含量、碳氧化物含量；所述絕緣油數(shù)據(jù)集包括如下二級(jí)數(shù)據(jù)集：絕緣油介損、絕緣電阻吸收比、油擊穿電壓、油中含水量、油中含氣量、糠醛含量；所述電氣數(shù)據(jù)集包括如下二級(jí)數(shù)據(jù)集：絕緣電阻值、局部放電量、介質(zhì)損耗、泄露電阻值、絕緣電阻吸收比、體積電阻率。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)和梯度下降的變壓器壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述數(shù)據(jù)集歸一化預(yù)處理方法包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)和梯度下降的變壓器壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述步驟2中，根據(jù)配電網(wǎng)變壓器歷史數(shù)據(jù)集，融合多種二級(jí)數(shù)據(jù)集后的復(fù)合健康指標(biāo)zi(t)如下式：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)和梯度下降的變壓器壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于：建立退化模型的隨機(jī)退化函數(shù)，考慮標(biāo)準(zhǔn)布朗運(yùn)動(dòng)的非線性wiener過(guò)程建模與變壓器復(fù)合健康指標(biāo)zi(t)的隨時(shí)間變化的退化過(guò)程，構(gòu)建復(fù)合健康指標(biāo)隨機(jī)退化函數(shù)包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)和梯度下降的變壓器壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述步驟4中，定義配電網(wǎng)變壓器隨機(jī)退化的壽命值ti：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)和梯度下降的變壓器壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于：基于預(yù)測(cè)剩余壽命與實(shí)際剩余壽命構(gòu)建的均方誤差目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)包括，

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)和梯度下降的變壓器壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于：采用梯度下降算法優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)集加權(quán)系數(shù)與模型參數(shù)進(jìn)行反向優(yōu)化調(diào)整包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)和梯度下降的變壓器壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于：采用梯度下降算法對(duì)目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其參數(shù)更新過(guò)程用迭代方式表示為：

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)和梯度下降的變壓器壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述步驟7中，第i個(gè)隨機(jī)退化系統(tǒng)在時(shí)間t的對(duì)數(shù)變換更新為s′i(t)，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于數(shù)模聯(lián)動(dòng)和梯度下降的變壓器壽命預(yù)測(cè)方法，涉及變壓器技術(shù)領(lǐng)域，根據(jù)配電網(wǎng)變壓器歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)集，對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化預(yù)處理；對(duì)預(yù)處理的數(shù)據(jù)集各項(xiàng)指標(biāo)加權(quán)融合構(gòu)建復(fù)合健康指標(biāo)；建立非線性維納過(guò)程的變壓器隨機(jī)退化過(guò)程模型；通過(guò)復(fù)合健康指標(biāo)的當(dāng)前時(shí)刻首次達(dá)到失效閾值的時(shí)間實(shí)現(xiàn)壽命和剩余壽命預(yù)測(cè)；基于預(yù)測(cè)剩余壽命與實(shí)際剩余壽命建立均方誤差目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)；采用梯度下降算法優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)集加權(quán)系數(shù)與模型參數(shù)進(jìn)行反向優(yōu)化調(diào)整；基于優(yōu)化后的模型參數(shù)和加權(quán)系數(shù)預(yù)測(cè)變壓器的剩余壽命。本發(fā)明靈活運(yùn)用歷史數(shù)據(jù)與隨機(jī)退化模型，優(yōu)化各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，提高指標(biāo)權(quán)重的準(zhǔn)確性，加強(qiáng)壽命預(yù)測(cè)的有效性。

技術(shù)研發(fā)人員：李紹強(qiáng),李儀佳,肖榮洋,陳明禮,陳方,安樹(shù)懷,魏振,李峰,彭博,孫騰飛,張劍,張偉玲,劉洋,李丹
受保護(hù)的技術(shù)使用者：國(guó)網(wǎng)山東省電力公司青島市黃島區(qū)供電公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15