基于随机森林的油纸绝缘老化诊断方法及热化罐技术

基于随机森林的油纸绝缘老化诊断方法及热化罐，包括以下步骤：模拟变压器老化状态，获取油纸比例不同、老化状态不同的油纸绝缘样本，并采集油纸绝缘样本的拉曼谱图；建立油纸绝缘拉曼谱图数据库；基于随机森林提取拉曼谱图数据库中与老化状态相关度高的拉曼光谱特征量；建立拉曼光谱特征量与老化状态的关系模型，判断未知老化状态的油纸绝缘的老化程度。本发明专利技术所提供的方法大幅度减小了后续建模的的输入参量、模型的训练时间，提高了对不同油纸绝缘类型老化样本的诊断能力，为实现对油纸绝缘设备不同油纸绝缘类型、不同老化状态的老化阶段的有效、准确提供了一种新的方法。准确提供了一种新的方法。准确提供了一种新的方法。

【技术实现步骤摘要】
基于随机森林的油纸绝缘老化诊断方法及热化罐


[0001]本专利技术属于电力设备安全状态评估领域，具体涉及基于随机森林的油纸绝缘老化诊断方法及热化罐。

技术介绍

[0002]准确、有效的运行油纸绝缘设备老化状态诊断评估对保障电力设备安全、稳定运行具有重要意义。目前可以根据绝缘纸的聚合度对油纸绝缘设备进行老化评估，但是该方法受设备影响较大且操作复杂，难以在工程实际中得到应用。因此，在实际运行中，往往是通过对绝缘油进行检测，从而间接对油纸绝缘设备进行老化评估。我国相关标准中规定了绝缘纸聚合度、油中糠醛浓度、一氧化碳浓度/二氧化碳浓度3种独立的老化程度判断指标。其中绝缘纸聚合度测试较为准确、直接，但却需要变压器停电、吊罩等操作，且为破坏性试验，非必要情况下一般不采取此种方法；标准中规定，油中糠醛浓度在测量时建议采用高效液相色谱仪器，需配置流动相，完成萃取等一系列复杂工序，耗时较长；使用一氧化碳浓度/二氧化碳浓度进行老化程度判定时，由于气体来源的多样性，标准中也明确表明此种方法准确度不高，仅作为参考。此外，上述3种方法中，聚合度测试需要用到振荡器、粘度测试仪等大型设备，糠醛浓度测量时需要用到高效液相色谱仪等大型设备，一氧化碳浓度、二氧化碳浓度测定时也需要使用气相色谱仪、脱气装置等大型设备。因此，现有的成熟技术大都仅能在实验室内完成，且具有一定的局限性，尚不具备现场快速、准确诊断的能力。研究一种快速、有效并适用于现场的油纸绝缘老化评估方法十分必要。
[0003]现有技术文件1(CN 112485609 B)公开了一种变压器油纸绝缘老化拉曼光谱诊断方法，现有技术文件1的不足之处在于：没有对油纸绝缘老化拉曼光谱进行有效的老化特征提取，直接将整张光谱数据作为诊断模型的输入，当测试样本的种类、数量等变多时，若再进行样本的老化诊断时，会导致诊断模型的性能将减弱，即模型的预测能力下降。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于，提供基于随机森林的油纸绝缘老化诊断方法及热化罐，以建立的拉曼图谱数据库为基础，利用随机森林对拉曼特征进行提取，能够有效、准确地评估油纸绝缘设备的老化状态。
[0005]本专利技术采用如下的技术方案。
[0006]基于随机森林的油纸绝缘老化诊断方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，模拟变压器老化状态，获取油纸比例不同、老化状态不同的油纸绝缘样本，并采集油纸绝缘样本的拉曼谱图；
[0008]步骤2，利用步骤1所得拉曼图谱建立油纸绝缘拉曼谱图数据库；
[0009]步骤3，基于随机森林筛选拉曼谱图数据库中与油纸绝缘老化状态相关的多个拉曼光谱特征量；
[0010]步骤4，建立拉曼光谱特征量与老化状态的关系模型，判断未知老化状态的油纸绝
缘的老化程度。
[0011]步骤1中油纸比例包括10:1、15:1、20:1；老化状态包括绝缘良好、老化前期、老化中期和老化末期；
[0012]步骤1中，分别获取老化时间1，3，5，10，15，20，25，30天的油纸绝缘样本以获得老化状态不同的油纸绝缘样本。
[0013]步骤1还包括对所述拉曼谱图进行预处理；
[0014]预处理包括基于导数光谱的尖峰识别、基于三次曲线的尖峰去除方法、基于三点循环快速傅里叶变换中值的平滑去噪方法和基于最大最小值的图谱归一化。
[0015]步骤3包括：
[0016]步骤3.1，使用第n棵决策树对OOB数据集中的数据进行分类，得到扰动前老化状态分类正确率
[0017]步骤3.2，对OOB数据集中拉曼光谱特征量X
j
的值进行扰动，其中j为拉曼光谱维度个数，j＝1，2，
……
1024，并再次用第n棵决策树对OOB数据集中数据进行分类，得到扰动后老化状态分类正确率
[0018]步骤3.3，重复步骤3.1和步骤3.2，计算出每棵决策树的拉曼光谱特征量X
j
被扰动前后的老化状态分类正确率，将该拉曼光谱特征量X
j
对老化状态分类的重要性定义为
[0019]步骤3还包括根据的计算结果对每个拉曼光谱特征量对老化状态分类的重要性排序，筛选重要性的拉曼光谱特征量。
[0020]M取值为0.3。
[0021]步骤4包括：将步骤1所获得的油纸绝缘样本划分为训练样本和测试样本；构建拉曼光谱特征量与老化状态的关系模型；将训练样本对所述关系模型进行训练，并通过测试样本测试训练后的关系模型；采集未知老化状态的油纸绝缘。
[0022]关系模型包括输入层、隐藏层和输出层；其中输入层输入的数据为步骤3筛选出的拉曼光谱特征量；输出层为油纸绝缘老化状态；隐藏层数量等于训练样本数。
[0023]隐藏层采用函数ψ(X)＝exp(
‑
‖X
‑
X
p
‖/2σ2)，其中X为筛选出的拉曼光谱特征量，X
p
为基函数φ的中心；σ为基函数φ的宽度参数；输出层表示为：其中L为隐藏层数量。
[0024]基于随机森林的油纸绝缘老化诊断热化罐，用于基于随机森林的油纸绝缘老化诊断方法，
[0025]热化罐顶部设置进油泵、出油泵、油阀、气阀，热化罐外部浸泡在二甲基硅油中，内部填充物由下而上依次为绝缘油和氮气，热化罐内悬挂多个铜条，热化罐内底部为绝缘纸，铜条和绝缘纸完全浸泡在绝缘油中。
[0026]本专利技术的有益效果在于，与现有技术相比，可以有效且准确地实现不同油纸类型的老化阶段的分类，并且对不同油纸类型的预测结果较高，本专利技术识别多个阶段的样本的老化状态，因此可以很好的用于不同油纸类型的油纸绝缘老化状态诊断。此外本专利技术选择
了油纸质量比10:1、15:1和20:1共3种油纸绝缘类型，基于油纸绝缘加速热老化实验平台完成对不同绝缘类型老化样本的获取，与现有技术研究普遍研究的10:1油纸质量比绝缘类型相比，本专利技术扩充了油纸绝缘老化原有样本的种类，扩大了对不同油纸绝缘类型设备的诊断对象。为提高对不同油纸绝缘类型的老化诊断能力，本专利技术通过随机森林算法在大量的拉曼谱图数据中有效提取出多个能够反映油纸绝缘老化状态的拉曼光谱特征量。因此，本专利技术所提供的方法大幅度减小了后续建模的的输入参量、模型的训练时间，提高了对不同油纸绝缘类型老化样本的诊断能力，为实现对油纸绝缘设备不同油纸绝缘类型、不同老化状态的老化阶段的有效、准确提供了一种新的方法。
附图说明
[0027]图1是本专利技术的基于随机森林的油纸绝缘老化诊断方法的流程图；
[0028]图2是本专利技术的油纸绝缘热老化预处理流程图；
[0029]图3是本专利技术的油纸绝缘热化罐结构示意图；
[0030]图4是本专利技术的三种不同油纸比例下绝缘纸聚合度随时间变化规律图；
[0031]图5是本专利技术的基于OBB随机森林所计算的每个特征变量的重要性；
[0032]图6是本专利技术的油纸比为10:1的不同老化阶段样本特征点的三维分布图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于随机森林的油纸绝缘老化诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，模拟变压器老化状态，获取油纸比例不同、老化状态不同的油纸绝缘样本，并采集油纸绝缘样本的拉曼谱图；步骤2，利用步骤1所得拉曼图谱建立油纸绝缘拉曼谱图数据库；步骤3，基于随机森林筛选拉曼谱图数据库中与油纸绝缘老化状态相关的多个拉曼光谱特征量；步骤4，建立拉曼光谱特征量与老化状态的关系模型，判断未知老化状态的油纸绝缘的老化程度。2.根据权利要求1所述的基于随机森林的油纸绝缘老化诊断方法，其特征在于，步骤1所述油纸比例包括10:1、15:1、20:1；所述老化状态包括绝缘良好、老化前期、老化中期和老化末期；步骤1中，分别获取老化时间1，3，5，10，15，20，25，30天的油纸绝缘样本以获得老化状态不同的油纸绝缘样本。3.根据权利要求2所述的基于随机森林的油纸绝缘老化诊断方法，其特征在于，步骤1还包括对所述拉曼谱图进行预处理；所述预处理包括基于导数光谱的尖峰识别、基于三次曲线的尖峰去除方法、基于三点循环快速傅里叶变换中值的平滑去噪方法和基于最大最小值的图谱归一化。4.根据权利要求1所述的基于随机森林的油纸绝缘老化诊断方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤3.1，使用第n棵决策树对OOB数据集中的数据进行分类，得到扰动前老化状态分类正确率步骤3.2，对OOB数据集中拉曼光谱特征量X
j
的值进行扰动，其中j为拉曼光谱维度个数，j＝1，2，
……
1024，并再次用第n棵决策树对OOB数据集中数据进行分类，得到扰动后老化状态分类正确率步骤3.3，重复步骤3.1和步骤3.2，计算出每棵决策树的拉曼光谱特征量X
j
被扰动前后的老化状态分类正确率，将该拉曼光谱特征量X
j
对老化状态分类的重要性定...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹智贤，张鑫源，彭宇涵，赵一晖，田皓元，陈伟根，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：