一種基於支持向量機的油紙絕緣系統擊穿電壓預測方法與流程
2023-09-12 04:39:40
本發明涉及一種變壓器內部油紙絕緣結構設計，尤其涉及一種基於支持向量機(svm)的油紙絕緣系統擊穿電壓預測方法。
背景技術：
電力變壓器作為電力系統中的重要設備，其運行可靠性直接關係到整個電網的安全運行。隨著我國電力系統的優化升級，變壓器的電壓等級逐漸提高，容量逐漸增大，電力部門對變壓器運行穩定性提出了越來越高的要求。然而近年來，變壓器在運行中頻繁出現故障，造成了巨大損失。根據數據統計，超半數的變壓器故障是由絕緣問題引起的。因此，在設計階段對其絕緣結構進行計算分析是非常關鍵的一個步驟。
超特高壓電力變壓器大多採用油紙複合絕緣，變壓器內部結構複雜，因而形成了圓筒形和板型等絕緣結構。目前對變壓器絕緣裕度的計算，大多利用採用油隙擊穿場強實驗值作為參考，比對變壓器電場計算結果相應的得出絕緣裕度，而油隙及紙板擊穿電壓受多方面因素影響，同時變壓器內絕緣結構形式多樣，因此用單一閾值作為油紙絕緣評估的依據過於簡單，採用準確且高效的方法預測不同結構油紙絕緣系統的擊穿電壓是變壓器絕緣設計和計算亟待解決的問題。
技術實現要素：
因此，本發明的目的就在於為了解決上述問題而提出的一種基於支持向量機的油紙絕緣系統擊穿電壓預測方法。
本發明通過以下技術方案實現上述目的：
本發明是通過以下技術方案實現的：
一種基於支持向量機的油紙絕緣系統擊穿電壓預測方法，包含以下步驟：
(1)選取變壓器中典型油紙絕緣結構，確定其擊穿電壓影響因素，制定影響因素執行表；
(2)根據上述影響因素執行表，選用乾燥無雜質油進行擊穿電壓實驗，記錄擊穿電壓實驗數據；也即根據所選取的影響因子，選取實驗樣本空間，制定影響因數執行表，並依據執行表中組合進行多次油紙絕緣擊穿實驗，記錄在不同影響因素下的擊穿電壓，用以確定svm模型結構；
(3)建立svm回歸預測模型，利用影響因素執行表和實驗數據訓練，確定svm模型結構；
(4)將待預測油紙絕緣系統拆分不同形式絕緣結構的組合，通過計算獲得各絕緣結構的電氣參數，建立用於計算電壓作用下各絕緣結構的承受電壓值的等效電路模型；
(5)利用svm回歸預測模型計算拆分後各絕緣結構的擊穿電壓；
(6)將步驟(5)中計算所得的擊穿電壓比對不同外施電壓下各絕緣結構的等效電路模型的承受電壓，進而得到該油紙絕緣系統的預測擊穿電壓。
進一步地，步驟(1)中所述典型油紙絕緣結構包括變壓器中常用的圓筒和平板兩種絕緣類型；所述擊穿電壓影響因素包括所述絕緣結構類型、尺寸以及油紙絕緣厚度和外施電壓類型。
影響油紙絕緣擊穿電壓的因素很多，如絕緣包裹的電極形式，油隙及絕緣紙厚度、變壓器油中水分和氣泡含量、溫度和承受電壓類型等等。在實際運行中變壓器油溫度、水分和氣泡等難以人為控制，而電極形狀和絕緣結構卻是能根據需求在設計階段進行調整的，且考慮到變壓器的結構特徵，其內部中大部分油紙絕緣結構都可簡化成球型、筒型或板型等絕緣結構的組合。因此典型油紙絕緣結構選取球型、圓筒和平板3種絕緣類型；忽略溫度、水分和氣泡對變壓器油擊穿電壓的，選取影響因子為前述絕緣結構類型、幾何尺寸以及油紙絕緣厚度和外施電壓類型。
進一步地，所述步驟(3)具體包括：
(31)將步驟(1)中擊穿電壓影響因素作為輸入數據集，擊穿電壓作為輸出數據；
(32)選擇rbf函數為svm核函數，即：
其中，x是n維輸入向量；xi是基函數中心，與x具有相同維數；σ是感知的變量，決定了該基函數圍繞中心點的寬度；
(33)用步驟(1)中制定的影響因素執行表和步驟(2)中得到的擊穿電壓實驗數據訓練svm回歸預測模型，獲得相應的支持向量，並據此確定該svm回歸預測模型的結構。
進一步地，步驟(4)中將待預測油紙絕緣系統拆分為圓筒、平板和球型3種絕緣結構的組合來分析絕緣系統的絕緣特性。
進一步地，所述步驟(6)具體包括：
(61)對所述各等效電路模型逐步增加外施電壓，同時計算對應輸入電壓下各絕緣結構的承受電壓；
(62)當某一絕緣結構的承受電壓達到該絕緣結構的擊穿電壓時，記錄當前輸入電壓，所述當前輸入電壓即為所述油紙絕緣系統的預測擊穿電壓。
相比現有技術，本發明預測方法簡單、高效，有助於解決變壓器油紙絕緣分析中的不確定性，減少變壓器油電氣特性研究中油隙擊穿試驗的試驗量，降低試驗成本。
附圖說明
圖1是本發明實施例的方法的流程示意圖。
圖2是本發明實例中紙筒絕緣系統結構示意圖。
圖3是本發明實例中各層紙板等效電路示意圖。
具體實施方式
下面通過具體實施例對本發明的目的作進一步詳細地描述，實施例不能在此一一贅述，但本發明的實施方式並不因此限定於以下實施例。
如圖1所示，一種基於支持向量機的油紙絕緣系統擊穿電壓預測方法，包含以下步驟：
s1、選取變壓器中典型油紙絕緣結構，確定其擊穿電壓影響因素，制定影響因素執行表；
本實例以變壓器繞組外油紙筒絕緣系統作為預測對象，如圖2所示。因油紙筒絕緣為多層圓筒結構，因而選取圓筒形絕緣結構，影響因素包括絕緣紙筒高度、半徑、厚度，油隙厚度，電壓類型等，制定如下影響因素執行表。
表1為擊穿電壓實驗影響因素執行表
s2、根據上述影響因素執行表，選用乾燥無雜質油進行擊穿電壓實驗，分別記錄擊穿電壓實驗數據。
本實例中，根據上述影響因子執行表，設計絕緣結構擊穿實驗，並分別記錄各組序號下的擊穿電壓。
s3、建立svm回歸預測模型，利用影響因素執行表和實驗數據訓練，確定svm模型結構，具體包括：
s31、將步驟(1)中擊穿電壓影響因素作為輸入數據集，擊穿電壓作為輸出數據，根據前述分析，本實施例選取擊穿電壓影響因素如紙板高度、半徑、紙板厚度、油隙厚度和電壓類型作為輸入數據集；
s32、svm核函數包括線性函數、徑向基函數(rbf)、sigmoid函數等，選擇徑向基函數(rbf)為svm核函數，即：
其中，x是n維輸入向量；xi是基函數中心，與x具有相同維數；σ是感知的變量，決定了該基函數圍繞中心點的寬度；
s33、用步驟(1)中制定的影響因素執行表和步驟(2)中得到的擊穿電壓實驗數據訓練svm回歸預測模型，獲得相應的支持向量，並據此確定該svm回歸預測模型的結構。
s4、將待預測油紙絕緣系統拆分不同形式絕緣結構的組合，通過計算獲得各絕緣結構的電氣參數，建立用於計算電壓作用下各絕緣結構的承受電壓值的等效電路模型。
將本實例中的多層圓筒絕緣結構拆分為單個油紙筒間隙絕緣結構，並根據預測目標，計算相應的等效電路模型。本實例預測目標為交流擊穿電壓，所以僅考慮各紙板及油隙的等效容抗，建立各層絕緣結構的等效電路模型，如圖3所示。
s5、利用svm回歸預測模型計算拆分後各絕緣結構的擊穿電壓，即利用步驟s3中建立的svm回歸預測模型，分別預測經過步驟s4中拆分後各層絕緣結構的擊穿電壓ub。
s6、將步驟(5)中計算所得的擊穿電壓比對不同外施電壓下各絕緣結構的等效電路模型的承受電壓，進而得到該油紙絕緣系統的預測擊穿電壓，具體包括：
s61、對所述各等效電路模型逐步增加輸入電壓ui，同時計算對應輸入電壓ui下各油紙筒間隙絕緣結構的承受電壓us；
s62、當某一油紙筒間隙絕緣結構的承受電壓us達到該油紙筒間隙絕緣結構的擊穿電壓時ub，記錄當前輸入電壓ui，所述當前輸入電壓ui即為所述油紙絕緣系統的預測擊穿電壓。
本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護範圍之內。