無監督設備運行軌跡模型建立方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電網故障研究領域，尤其是一種無監督設備運行軌跡模型建立方法。
【背景技術】
[0002] 電力系統的安全穩固運行對于我國經濟的持續發展以及社會民生的安定具有十 分重要的意義。在實際的電網運行中，由于環境氣候等客觀因素以及電氣設備發生故障或 老化、運行人員疏忽等主管因素的存在，電網故障時有發生，如何盡快實現故障預測、故障 診斷將直接關系到電網的穩定運行以及經濟損失的挽回，在此背景下，電網故障預測診斷 成為當前電力領域的研究熱點之一。目前，電網雖已應用了電氣設備在線監測系統，但設備 運行的好壞情況的掌握主要還是靠人員定期到變電所現場進行檢查、檢測，花費了大量的 人力物力。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于克服現有技術中存在的不足，提供一種無監督設備運行軌跡模 型建立方法，實現對設備的運行軌跡進行建模，通過間斷的監測獲得的指標數據進行分析 處理獲取每個設備完整的運行軌跡，根據各類指標的變化判斷設備是否已產生某些異常現 象且進入下一個狀況更加嚴重的階段，可以為避免設備進一步惡化而進行事前控制，若設 備已經產生了故障，則可定位到具體的組件部位。本發明采用的技術方案是：
[0004] 無監督設備運行軌跡模型包括三層，建立方法具體包括：
[0005] 建立模型第一層:馬爾可夫跳躍過程，描述設備狀況的轉變，需計算出設備初始所 處階段的概率，及設備在某個時間跨度由一個階段轉換到另一個階段的可能性，設備所處 階段轉換的可能性依賴于當前設備所處的階段和時間跨度
[0006] 建立模型第二層:建立一組馬爾可夫鏈，用來捕獲設備狀態階段轉換和出現異常 現象之間的聯系；當一組新的異常現象的出現則表示設備的運行狀況變得更差，甚至設備 所處的階段已經發生了變化，進入了下一個更差的階段；
[0007] 建立模型第三層:建立雙向的noisy-or貝葉斯網絡，捕獲設備異常現象(如具體的 異常組件和故障部位)與監測的指標數據之間的聯系；當某種指標數據發生變化時則可以 判斷設備的某個具體的組件和部位發生了故障；
[0008] 本發明的優點在于:對設備運行軌跡的建模主要是在設備間斷的監測指標數據、 異常現象的基礎上實現的，將設備運行過程中指標數據或現象的異常與設備的組件對應起 來，只要設備運行軌跡中指標發生偏差，就可預測設備的哪個組件即將出現某種問題，通過 該預測即可實施事前控制防范，避免故障的發生，減少損失。同時，若設備已出現故障，相關 人員也可從故障發生前后設備的運行軌跡中定位到具體的組件或部分出現問題。通過該模 型大大降低了工作人員的工作量，提高了工作效率。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發明的無監督設備運行軌跡模型示意圖。
[0010] 圖2為本發明的模型第三層noisy-or貝葉斯網絡示意圖。
【具體實施方式】
[0011]下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0012] 電網設備在由好變壞的轉變過程中可以分為幾個階段，每個階段都會存在相對應 的異常現象，而異常現象分為顯性和隱性兩種，隱性異常現象需通過相關的指標數據進行 判別。本發明提出了一個無監督的設備運行軌跡模型，對設備運行軌跡進行建模，根據監測 到的有限的指標數據判斷設備出現哪些異常現象，現處于哪個階段，為防止設備的進一步 損壞老化進入下一個更差的階段而采取有效的維護措施，如進行零件的修理或更換。同時， 對已經發生故障的設備的異常部位組件進行定位，幫助工作人員制定出修理方案。
[0013] 以下對無監督設備運行軌跡模型的建立具體說明。
[0014] ( - )前提假設；
[0015] 假設變電站中有N個設備，設備η在時間段m，…^共觀察了t次，設備由好轉壞 的過程中存在Μ個階段，K種異常現象，d個指標；
[0016] (二)相關公式設計；
[0017] 1、計算設備初始所處階段的概率分布3U，在時間跨度△內設備所處階段由階段i 轉變為階段j的可能性A^( △);計算方法分別由公式(1)和公式(2)所示；
[0018] 全 /d = /)，/ = 公式（1)
[0019]
[0020] 其中：S表示設備所處的狀態，Q表示設備階段轉換的Μ*Μ的轉換矩陣，Α^( Δ )表示 時間跨度Α內設備所處階段轉換的概率矩陣；
[0021] 2、計算異常現象發生的概率Bk,m,a，計算方法如公式(3)所示;異常現象Xk, n,te{〇， 1}是二元隨機變量，表示在第η個設備在第t次觀察中異常現象k是否出現;進一步限制異常 現象k只有在設備的狀態由轉換到S n,t時才會出現;Xk,n,t的值取決于當前設備所處的 階段S n,t，且必須滿足在第t-Ι次觀察時異常現象k未出現，即Xk.miO;
[0022]
[0023] 其中:aE{〇，l}，當 t = 0時，〇 | S".0 = W);
[0024] 3、計算異常現象激發指標數值發生改變的可能性?(0d,n,t I X)，計算方法如公式 (4)所示；
[0025]
公式 (4)
[0026]其中，0d,n,t表示觀察得到的指標數據，ZM表示異常現象k的發生必定會造成指標 數據d的出現，4 H li； ?產0>表示異常現象遺漏概率，即是指標數據發生異常 不是由該現象引起的，而是由其他隱藏因素導致。
[0027](三)應用上述模型
[0028]首先為模型設置Bk,m,a，Ld和Zk,d參數，采用吉布斯抽樣并計算潛在參數和模型參數 的邊際值，接著計算參數的最大似然估計值，通過最大期望值找到局部最優解。首先輸入指 標數值集，初始化參數S，X，Q，jt，B，Z，L，接著重復進行以下操作直至收斂。從P(S，X，B，L，Z 〇^，Q)進行吉布斯采樣直至收斂，使用抽樣得到的樣本估計設備初始狀態分布的可能性值 p(Sn,o = i |〇;JT，Q)和設備所在階段轉換的可能性值p(Sn,t-i = i，Sn,t = j |〇;JT，Q)，將時間跨度 A設為任意值，為計算
的值，其中f，Q'為當 前η，Q所取的值，更新巧
的值，最后重復計算以下操作，直至 Q值收斂，計算期望值和￡[、.Η,(Δ)μ,/,ρ]，\(Δ)表示在時間跨度Δ從設 備狀態i到狀態j中間經歷的轉變的次數，?,(Δ)表示在時間跨度Α內設備處于狀態i的時 間，更新Q的值，
>通過以上的算法設計，即可得到 完整的設備運行軌跡，可以明確設備所處階段與異常現象出現之間的關系，異常現象與指 標數據之間的關系。根據監測獲得的異常指標數據即可追朔到設備已發生哪些異常現象， 從而定位到設備具體的部位和組件。同時根據設備運行的軌跡，監測的指標數據的發展趨 勢可以判斷設備在未來事件內可能會出現的異常現象或故障，從而可以進行早期預防，制 定保護措施。
【主權項】
1. 一種無監督設備運行軌跡模型建立方法，其特征在于，包括下述步驟： 步驟S1，建立模型第一層：馬爾可夫跳躍過程，描述設備狀況的轉變，需計算出設備初 始所處階段的概率，及設備在某個時間跨度由一個階段轉換到另一個階段的可能性； 步驟S2,建立模型第二層:建立一組馬爾可夫鏈，用來捕獲設備狀態階段轉換和出現異 常現象之間的聯系； 步驟S3,建立模型第三層:建立雙向的noisy-or貝葉斯網絡，捕獲設備異常現象與監測 的指標數據之間的聯系。2. 如權利要求1所述的無監督設備運行軌跡模型建立方法，其特征在于， 步驟S1具體包括： 設存在N個設備，設備η在時間段11，12，一^共觀察了七次，設備由好轉壞的過程中存在1 個階段，Κ種異常現象，d個指標； 計算設備初始所處階段的概率分布W，在時間跨度A內設備所處階段由階段i轉變為階 段j的可能性A^( △);計算方法分別由公式(1)和公式(2)所示； ^=p(S：0=i)J = l,.,.,M· 公式⑴ 4/(Δ)蘭 =./ I《I =Γ, - Γ, I = Δ; 0 = exP公式(2) 其中：S表示設備所處的狀態，Q表示設備階段轉換的Μ*Μ的轉換矩陣，Α^( △)表示時間 跨度A內設備所處階段轉換的概率矩陣。3. 如權利要求2所述的無監督設備運行軌跡模型建立方法，其特征在于， 步驟S2具體包括： 計算異常現象發生的概率Bk,m,a，計算方法如公式(3)所示;異常現象Xk,n,{〇，1}是二 元隨機變量，表示在第η個設備在第t次觀察中異常現象k是否出現;進一步限制異常現象k 只有在設備的狀態由轉換到Sn, t時才會出現;Xk,n,t的值取決于當前設備所處的階段 S n,t，且必須滿足在第t-Ι次觀察時異常現象k未出現，即Xk.miO; ^.k,m,a = = 1 I = ^ m-> ^k,n,t-\ = U) 公式(3 ) 其中：ae{0，l}，當 t = 0時，〇 戶(々".。=1 H =樹）。4. 如權利要求3所述的無監督設備運行軌跡模型建立方法，其特征在于， 步驟S3具體包括： 計筧異常現象激發指標數倌發牛改奪的可能件cD(0riinit Ιχ),計筧方法如公式（4)所示；公 式⑷ 其中，〇d,n,t表示觀察得到的指標數據，ZM表示異常現象k的發生必定會造成指標數據d 的出現，J =())表示異常現象遺漏概率。
【專利摘要】本發明提供一種無監督設備運行軌跡模型建立方法，包括下述步驟：步驟S1，建立模型第一層：馬爾可夫跳躍過程，描述設備狀況的轉變，需計算出設備初始所處階段的概率，及設備在某個時間跨度由一個階段轉換到另一個階段的可能性；步驟S2，建立模型第二層：建立一組馬爾可夫鏈，用來捕獲設備狀態階段轉換和出現異常現象之間的聯系；步驟S3，建立模型第三層：建立雙向的noisy-or貝葉斯網絡，捕獲設備異常現象與監測的指標數據之間的聯系。本發明可用于根據各類指標的變化判斷設備是否已產生某些異常現象且進入下一個狀況更加嚴重的階段，可以為避免設備進一步惡化而進行事前控制。
【IPC分類】G06F19/00
【公開號】CN105608308
【申請號】CN201510919646
【發明人】宣偉錫, 顧水福, 張春明, 張晨, 任許麟, 丁罕
【申請人】江蘇省電力公司無錫供電公司, 國家電網公司
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2015年12月11日