【正文】 編號(hào)： 中文 4986 字 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師單位： 機(jī)電工程學(xué)院 姓 名： 職 稱(chēng)： 題目類(lèi)型 ： ?理論研究 ?實(shí)驗(yàn)研究 ? 工程設(shè)計(jì) ?工程技術(shù)研究 ?軟件開(kāi)發(fā) 2020 年 3 月 18 日 調(diào)試人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)區(qū)分勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障 出處： IEEE Transactions on Power Delivery, , No1, January 1994 摘要 經(jīng)過(guò)調(diào)試的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ FFNN）區(qū)分電力變壓器勵(lì)磁涌流和故障電流。所用的調(diào)試算法是反向傳播，假定最初的 S 型傳遞函數(shù)為網(wǎng)絡(luò)處理單元（“神經(jīng)元”）。那么網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 訓(xùn)練單位的傳遞函數(shù)改為硬限幅器的閾值等于在調(diào)試中的 S 形偏差。本文展示一個(gè) FFNN 可被視為一種替代方法，使數(shù)字繼電器在浪涌和故障電流之間實(shí)現(xiàn) 判別 。 關(guān)鍵詞 ： 浪涌電流，變壓器保護(hù)，數(shù)字式繼電器，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 簡(jiǎn)介 任何電源變壓器保護(hù)方案，都要考慮到勵(lì)磁涌流的影響， 因?yàn)檫@種效應(yīng)可能導(dǎo)致繼電器的誤操作 [1]。避免由于浪涌電流跳閘兩個(gè)經(jīng)典的方法是： 1）實(shí)施保護(hù)裝置中的延遲， 2）根據(jù)所測(cè)量的電流的諧波含量 ,抑制或阻斷繼電器動(dòng)作。第一個(gè)解決方案已被用于初級(jí)過(guò)電流保護(hù)和在差分格式中。然而，這是不理想的，因?yàn)檠舆t內(nèi)部故障跳閘時(shí)間存在潛在危險(xiǎn)。第二個(gè)解決方案是基于浪涌電流的第二次高次諧波分量明顯地大于典型的故障電流 [2]，在此基礎(chǔ)上檢測(cè)到第二（有時(shí)第五次）諧波，提出并實(shí)現(xiàn)了模擬和數(shù)字兩種差動(dòng)繼電器，并取得良好的效果 [3,4,5,6,7]。在最近的論文 [8]報(bào)道，在某些情況下，高 次諧波產(chǎn)生變壓器的內(nèi)部故障期間，如果測(cè)得的過(guò)電流是一個(gè)浪涌或內(nèi)部故障，那么所述的第二或第五諧波檢測(cè)是不充分的指標(biāo)。 該論文中，在提出的方法的基礎(chǔ)上使用一個(gè)主相電壓作為控制信號(hào)。也有隱式勵(lì)磁涌流的變壓器保護(hù)方法 [9,10]和提出其他一些有效的方法檢測(cè)浪涌 [11,12]。 本文中所描述的是在檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上確認(rèn)其波形，更確切地說(shuō)，在鑒別其波浪形是故障波形還是浪涌電流?？梢砸圆煌姆绞絹?lái)完成這種調(diào)試，最常用的方法之一，使用信號(hào)的諧波分析，而有些則是基于使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這里闡述的是在演示實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一 種替代方法，用來(lái)區(qū)分浪涌電力變壓器中的磁化電流和內(nèi)部故障的網(wǎng)絡(luò)和它的調(diào)試過(guò)程中。適于在數(shù)字式保護(hù)繼電器實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 概述 一個(gè)前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一般結(jié)構(gòu)在圖 1 中示出。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最重要的特征是： 1）用層的分組處理單元。 圖 1 一般的 FFNN 架構(gòu) 2） 處理器互連 isorganized 的所有輸入到一個(gè)層來(lái)專(zhuān)門(mén)在 之前 的一些層（所使用的特定 FFNN 沒(méi)有跳過(guò)層的連接）的輸出?；痉匠潭x這種 FFNN 方式計(jì)算其輸出給定的輸入向量列于附錄 1。 FFNN 調(diào)試 過(guò)程包 括確定的權(quán)重 W（ “ ）和單位的施力 B（ M），以便在給定的方式，使網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)。在這項(xiàng)工作中所使用的 調(diào)試 方法是眾所周知的反向傳播算法 [13， 14,15,16]。使用反向傳播的 調(diào)試 過(guò)程中，附錄 2給出了一個(gè)基本的描述和定義的 調(diào)試 矩陣。 輸入 輸出 使用的 FFNN 執(zhí)行部分被約束在當(dāng)前分類(lèi)問(wèn)題 中 ，也有一部分是由現(xiàn)有的數(shù)字繼電器系統(tǒng)組 成。以下標(biāo)準(zhǔn)在此基礎(chǔ)上，可以說(shuō)： 1）數(shù)字繼電器基于其操作的樣品測(cè)得的量（電流，在這種情況下）。采樣率和數(shù)據(jù)窗口的變化取決于這種應(yīng)用。對(duì)于這種特殊情況，使用一個(gè)周期的長(zhǎng)度窗口，似乎是合 乎邏輯的，因?yàn)?NN 能識(shí)別到它的波形。 圖 PERMISSIVE 的涌流檢測(cè) 圖 抑制涌流檢測(cè)操作 圖 2 使用兩種可能的實(shí)現(xiàn)的浪涌檢測(cè)功能的保護(hù)繼電器的簡(jiǎn)化框圖 2）如在圖 2 中所示，識(shí)別浪涌的功能是附件，即，假定它具有不同功能的數(shù)字繼電器，來(lái)實(shí)現(xiàn)電源變壓器的保護(hù)（例如，初級(jí)過(guò)流或差分原理），浪涌檢測(cè)可以被用作用于中繼的許可操作，或抑制繼電器動(dòng)作。這樣的組合的方式是獨(dú)立的，這兩個(gè)函數(shù)（浪涌檢測(cè)和保護(hù)），可能會(huì)使用相同的采樣率。每個(gè)周期 12個(gè)樣本（ 720 赫茲），被選為樣本，在不同的數(shù)字繼電器設(shè) 計(jì)的采樣率。 3） 事實(shí)上上述界限的問(wèn)題作為設(shè)計(jì) FFNN 之一 ，給定的變壓器電流的樣本的序列，它可以區(qū)分兩個(gè)波形問(wèn)題。一個(gè)好的方法允許有一個(gè)確定的網(wǎng)絡(luò)，如果輸入電流是或不是一個(gè)浪涌，這意味著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出端的數(shù)目（在輸出層中的單位數(shù)） NN必須是 1，必要的指示“真”，“假”或“ 1”，“ 0”，如在 節(jié)中。在這種情況下，它被選擇網(wǎng)絡(luò)的輸出為 0時(shí)，所施加的電流是一個(gè)的浪涌電流，輸出為 1 時(shí)，它不是一個(gè)浪涌。 基本架構(gòu) 圖 3中所示的功能塊用于實(shí)現(xiàn)上節(jié)中所述的目標(biāo)。這種網(wǎng)絡(luò)有時(shí)也被稱(chēng)為時(shí)間延遲神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) [16]，最 近已在另一個(gè)電力系統(tǒng)中應(yīng)用 [18]。前饋網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)用到高阻抗故障檢測(cè)，成效顯著 [19,20]。注意，圖 3 中給出的方案是相當(dāng)于圖 1 的方案，如果輸入 xk 是thk 等于輸入 x（ t）的樣本，換言之，網(wǎng)絡(luò)將接收每個(gè)窗口中的 12個(gè)樣品的每一個(gè)采樣周期，而且必須是這 12 個(gè)樣本（即一個(gè)周期），這意味著必須確定為 12的輸入的數(shù)量。在 （完全定義在這一點(diǎn)上，是唯一的層，輸出層）的數(shù)目和在每一層上的單元的數(shù)目是由啟發(fā)式過(guò)程確定的。 圖 3 延時(shí)網(wǎng)絡(luò) 培養(yǎng)策略研究 調(diào)試實(shí)例 由于網(wǎng)絡(luò)上有區(qū)分兩種信號(hào)，為此目的準(zhǔn)備了兩套例子：勵(lì)磁涌流情況下和故障情況下。 浪涌情況下，在實(shí)驗(yàn)室中， 50 VA， 120~240V，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)試，采取隨機(jī)的小功率變壓器通電，得到可允許范圍內(nèi)的浪涌電流的形狀（ 6 例采樣速率為浪涌信號(hào)，測(cè)得周期每 60赫茲的最初 84個(gè)樣本，然后重新取樣（ 7倍的速率），以獲得所需一個(gè)周期的12 個(gè)樣本。圖 4 示出的一些調(diào)試?yán)擞啃盘?hào)。 故障的情況下，由計(jì)算機(jī)生成的，其中一些使用電磁瞬態(tài)程序 [23]，其他的故障的信號(hào)由簡(jiǎn)單的故障 信號(hào)（一個(gè) RL 電路的響應(yīng)），第三組故障類(lèi)似第二，第三和第五次諧波組成。 圖 4 四個(gè)浪涌實(shí)例 浪涌 由 兩種特殊情況下的零電流（指示變壓器斷電）和負(fù)載電流（與變壓器的負(fù)載電流等于一個(gè)簡(jiǎn)單的正弦波）組合在一起。 對(duì)于每一個(gè)情況下，在每個(gè)周期的 12 個(gè)樣品采樣信號(hào)（與窗口長(zhǎng)度等于一個(gè)周期）和樣品的總量是有限的，有大約 100 個(gè) 窗口（即每個(gè)情形下， 秒）。 數(shù)據(jù)窗口和培訓(xùn)矩陣 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 調(diào)試 ， 當(dāng) 產(chǎn)生一個(gè) 0的輸出時(shí)，所提出的信號(hào)是一個(gè)的浪涌電流，一個(gè)零電流或滿負(fù)載條件下 用 這樣的方式構(gòu)建的 調(diào)試 矩陣 。其他情況下 1 輸出（作者不否定該方法可以用來(lái)做所有的保護(hù)功能，這將需要更多的研究來(lái)證明這一點(diǎn)）。 載體 PJ 建立在以下的情況下，這些向量的定義（見(jiàn)附錄 2）。假設(shè)信號(hào)的第一個(gè)特征是由序列： ? ?1 1 221 , iiiii k ??????? （ 1） 這意味著，一個(gè)序列 有 112 個(gè)樣本。第一矢量 p 1 的元素對(duì)應(yīng)于第 12 個(gè)樣品的 i，矢量的 p2的條目是來(lái)自 i2到 I13 的 12個(gè)樣品，等等，直到完成第 100 列的矩陣 P的例子中定義 EQN。 （ A11）和（ A13）。重復(fù)同樣的過(guò)程，每個(gè)信號(hào)，直到具有 936 列（實(shí)施例中，定義的數(shù)目）的示例矩 陣。這個(gè)矩陣，使得構(gòu)建的第一 600 例子是對(duì)應(yīng)于浪涌的例子（所需輸出 = O），和其他 336 例子對(duì)應(yīng)于故障（所需輸出 =1）。由于 FFNN 只有一個(gè)輸出，矩陣 D 成為水平的 936 個(gè)元素的向量， 600 條目是 “0” ，其他 336 均為 1。在實(shí)踐中，使用的是 ，這意味著 調(diào)試 產(chǎn)生的反應(yīng)為 或更大 ， 或更少代表其他類(lèi)的網(wǎng)絡(luò)。這是必要的，因?yàn)榉蔷€性的 偏差 函數(shù)的性質(zhì)是這樣的，它不能假設(shè) 的精確值 訓(xùn)練過(guò)程 調(diào)試 矩陣 P和 D的定義，反向傳播算法 就 應(yīng)用 于 問(wèn)題 中 。 MATLAB 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱是應(yīng)用于 [24]此 目的 的 。 Trainbp 功能是 采用 Sigmoid 函數(shù)和學(xué)習(xí)率 在 和 之間可變 。容許誤差（總和的時(shí)代中的平方誤差）為 ，它是必要的，目前在 200 和 60萬(wàn)次之間，這取決于網(wǎng)絡(luò)的大小（單位 的數(shù)目 ）和學(xué)習(xí)速率的訓(xùn)練矩陣。 提高網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試和修剪 正如在第 節(jié)中提到的，它是希望將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在數(shù)字繼電器實(shí)現(xiàn)。這意味著速度和精度之間的折衷。正如眾所周知的， FFNN 分類(lèi)時(shí)間（所需的時(shí)間，以產(chǎn)生一個(gè)輸出，給出一個(gè)輸入）依賴(lài)于在網(wǎng)絡(luò)中的單元的數(shù)目，所以它是非常重要的，具有最低的單位數(shù)，但 在 不 危及的質(zhì)量的情況下分類(lèi)。圖 5示出了用于此目的的架構(gòu)的測(cè)試。 圖 5 測(cè)試架構(gòu) 訓(xùn)練過(guò)程中，第一次嘗試，如在圖 5a 所示的一個(gè) 3 層的（ 2 隱藏）， 12+2+1 FFNN。另一組實(shí)施例（用于訓(xùn)練比設(shè)定的不同），這給了成功測(cè)試的結(jié)果 。 其結(jié)果為了達(dá)到這 個(gè)網(wǎng)絡(luò)的誤差范圍，只有約 200 時(shí)代是必要的，鼓勵(lì)作者嘗試更小的網(wǎng) 絡(luò) 。事實(shí)上， 在修剪網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，圖 5所示 ，調(diào)試 硬件架構(gòu)，直到 出現(xiàn) 不 允許 的結(jié)果為 2 層（ 1隱藏）， 4+1 FFNN 圖 5f。 從 不 允許 的結(jié)果 看 ，作者的 認(rèn)為 ， 通過(guò) 停止訓(xùn)練 來(lái)達(dá)到降低 錯(cuò)誤的目的 幾乎是不可能的 。 硬限幅器單 元 一旦網(wǎng)絡(luò)與 s形 單 元調(diào)試得到 了良好的效果（見(jiàn)圖 6a）， 那么 單位轉(zhuǎn)換函數(shù)改為硬限幅器（見(jiàn)附錄 1）。這種變化 提高 了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算速度，因?yàn)樗?S形 單元 （見(jiàn)方程（ A6）和（ A7））需要更少的計(jì)算時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)硬限幅器（單位階躍）。事實(shí)上，一個(gè)硬限制器是相當(dāng)于一個(gè) IF 語(yǔ)句。在這變化 中存在 隱性風(fēng)險(xiǎn)，在某些情況下的近似 S 形的單 元 階躍可能產(chǎn)生不 允許 的錯(cuò)誤。 通過(guò) 硬限幅器，得到一個(gè)單 元 的輸出，通過(guò)比較單元的輸入： )(1)( mkLmkmik xwh ??? （ 2） 得到 本機(jī)的偏置量 b。 結(jié)果 圖 6和圖 7顯示的結(jié)果后得到的與 合理 的測(cè)試的例子（即實(shí)施例中是不同的從用于調(diào)試 的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，但具有相同的形式）。 圖 6 不同的測(cè)試結(jié)果 . 兩個(gè)測(cè)試矩陣（類(lèi)似于矩陣 P）的形成： 在 矩陣的結(jié)束 時(shí)， 只有涌流情況下，含有勵(lì)磁涌流 的實(shí)例和 用于訓(xùn)練的故障實(shí)例加上人工創(chuàng)造的浪涌信號(hào) 是 不同的。這最后一 組的例子可以被認(rèn)為是惡意的，因?yàn)殄e(cuò)誤的例子是一組從一個(gè)類(lèi)似于勵(lì)磁涌流波形獲得的例子混合， 它是 由一個(gè)數(shù)學(xué)方程 構(gòu)成的。 事實(shí)上，勵(lì)磁涌流為 6 + 2 + 1 網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)的正確率為 100%，故障和人工涌流的例子 %是正確的，勵(lì)磁涌流的例子為 6 + 1 網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)正確率 %，對(duì)于故障和人工涌流實(shí)例 %是正確的。這個(gè)百分比是通過(guò)實(shí)例計(jì)算實(shí)例（每個(gè)樣品的測(cè)量時(shí)間），這并不意味著網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障。使用該算法，如果繼電器的誤操作，可避免繼電器立即輸出，采用積分器交替，浪涌檢測(cè)。該方案已經(jīng)應(yīng)用在模擬和數(shù)字繼電器，以確保正確的操作。 表 1顯示了一些 與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的 重要的數(shù) 據(jù) ，如圖 5 所示。網(wǎng)絡(luò)被歸類(lèi)為好或差的性能（性能好意味著網(wǎng)絡(luò)可以 對(duì) 錯(cuò)誤的目標(biāo)和測(cè)試 作 充分回應(yīng)）。從表中的說(shuō)明，該網(wǎng)絡(luò)具有良好的性能 ， 最小的單 元 數(shù)是 2 層 6+1 圖 5e 中所示的網(wǎng)絡(luò)。這意味著，考慮的 偏差 固定（可以被預(yù)先加載在系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中），一個(gè)數(shù)字繼電器執(zhí)行（ 12樣本每個(gè)周期），將具有能夠 78 的標(biāo)量乘法， 71 和 7 比較，以便識(shí)別的浪涌電流（ IF 語(yǔ)句）。因此，繼電器應(yīng)該能夠執(zhí)行所有這些操作和保護(hù)功能 在 一個(gè)周期的十二分之一 內(nèi) ， 也就 是 毫秒。這 對(duì)于以 現(xiàn)代微處理器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)是合理的 。 圖 7 不同條件下的測(cè)試結(jié)果 討論 質(zhì)量泛化 質(zhì)量泛化 是任何神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的關(guān)鍵點(diǎn)。在這種情況下出現(xiàn)信號(hào) 的 問(wèn)題。浪涌實(shí)施例中，訓(xùn)練和測(cè)試實(shí)施例中，這兩個(gè)套 方法 測(cè)定變壓器 是 相 同種 類(lèi)的 。這可能會(huì)產(chǎn)生不確定的結(jié)果，是不切實(shí)際的，因?yàn)樗鼛в欣擞可蠝y(cè)量的特定的變壓器，其中該網(wǎng)絡(luò)是將要施加的例子對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 調(diào)試 。然而，如前所述，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)，人為制造的浪涌信號(hào)了，實(shí)驗(yàn)表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推廣了基于勵(lì)磁涌流的形狀，超過(guò)對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)。作為一個(gè)初步的 調(diào)試 不需要如此特殊，在這里提出用具有相似特征的勵(lì)磁涌流 的 繼電保護(hù)變壓器