耿伊雯，芮逸凡，范 路，王亞林，尹 毅

（上海交通大學(xué)a. 電子信息與電氣工程學(xué)院；b. 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 引言

氣體絕緣組合電器（gas insulated switchgears，GIS）以其占地面積小、可靠性高和電磁污染低等優(yōu)點(diǎn)在城市電網(wǎng)中得到廣泛運(yùn)用。局部放電（partial discharge，PD）是絕緣介質(zhì)中局部區(qū)域擊穿導(dǎo)致的放電現(xiàn)象，是絕緣劣化的初始現(xiàn)象，也對(duì)設(shè)備絕緣起著加速劣化的作用[1]。六氟化硫（SF6）絕緣中，局部放電輻射出的電磁波可達(dá)數(shù)GHz 的特高頻范圍[2]，明顯區(qū)別于低頻電磁干擾，因此特高頻（ultrahigh frequency，UHF）法廣泛應(yīng)用于GIS 局放檢測(cè)。M D JUDD 等[3]對(duì)GIS 中特高頻電磁波輻射產(chǎn)生機(jī)理及相應(yīng)的檢測(cè)方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究；丁登偉等[4]采用特高頻法對(duì)絕緣缺陷進(jìn)行聚類(lèi)分析。然而現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中常有難以預(yù)測(cè)的嚴(yán)重電磁干擾發(fā)生，此時(shí)UHF 法由于其靈敏度高的特性，極易發(fā)生誤檢的情況[5-6]。

光學(xué)檢測(cè)法是近年來(lái)興起的一種非接觸式局部放電檢測(cè)方法。電氣設(shè)備在局部放電時(shí)會(huì)使SF6氣體分子發(fā)生電離產(chǎn)生光子，光電傳感器檢測(cè)到光輻射信號(hào)后將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，具有極高的靈敏度和抗干擾能力。靳貴平等[7]利用光學(xué)成像法制作的紫外成像儀成本昂貴，且靈敏度相對(duì)較低，不能體現(xiàn)放電強(qiáng)弱；黃曉博[8]提出傳統(tǒng)的光電倍增管工作電壓高，且采譜速度慢，受強(qiáng)光影響大。GIS腔體內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)局放缺陷發(fā)光源處于檢測(cè)死角時(shí)，光傳感器與光源之間的遮擋物會(huì)嚴(yán)重影響光傳感器的檢測(cè)效果，這些因素都會(huì)影響光局放的檢測(cè)效果[9-10]。因此兩種局部放電測(cè)量方法均存在固有缺陷，但是在測(cè)量時(shí)從靈敏度和抗干擾能力上具有互補(bǔ)的可能性。然而，目前很少有學(xué)者針對(duì)局部放電進(jìn)行光-電聯(lián)合測(cè)量開(kāi)展研究。

此外，針對(duì)GIS中局放模式的識(shí)別，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究[11]，唐炬等[12]提出了一種計(jì)算局放光信號(hào)灰度圖像的多重分形譜概率算法，對(duì)GIS 內(nèi)4種典型絕緣缺陷進(jìn)行了有效模式識(shí)別；劉永剛[13]采用改進(jìn)共軛梯度算法優(yōu)化后的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為識(shí)別器對(duì)GIS 內(nèi)部光信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別；王彩雄[14]基于UHF 法建立了放電模式譜圖庫(kù)及特征指紋信息庫(kù)，從與放電相位相關(guān)和無(wú)關(guān)的特征量進(jìn)行分層辨識(shí)。但是針對(duì)GIS典型絕緣缺陷的光電融合模式識(shí)別的研究較少。

本文提出基于Goubau 天線(xiàn)和硅光電倍增管（silicon photomultiplier，SiPM）聯(lián)合的GIS 光-電聯(lián)合局部放電檢測(cè)方法，搭建GIS 內(nèi)部典型絕緣缺陷下局部放電光電聯(lián)合測(cè)量平臺(tái)，同步采集SF6氣體中4種典型絕緣缺陷下光-電聯(lián)合檢測(cè)局部放電數(shù)據(jù)，分析比較不同缺陷下UHF法和光測(cè)法的局部放電相位分布圖譜（PRPD）特性。對(duì)UHF 法和光測(cè)法測(cè)得的PRPD 圖譜進(jìn)行特征量提取，利用多層感知機(jī)與D-S 證據(jù)融合理論對(duì)4種絕緣缺陷樣本進(jìn)行模式識(shí)別。

1 局部放電光電聯(lián)合測(cè)量系統(tǒng)

1.1 Goubau特高頻傳感器

UHF 法使用天線(xiàn)作為傳感器的載體，天線(xiàn)性能的優(yōu)劣會(huì)直接影響信號(hào)的采集與后續(xù)處理[15]。由于局部放電信號(hào)頻譜主要分布在300～1 500 MHz[14]，需要采用寬帶特高頻天線(xiàn)作為傳感器監(jiān)測(cè)局部放電。因此本文設(shè)計(jì)具有較寬頻段的Goubau 天線(xiàn)作為UHF傳感器進(jìn)行局放測(cè)量研究。

本文設(shè)計(jì)的Goubau 天線(xiàn)是由加頂單極天線(xiàn)優(yōu)化后得到[16-18]，頂部有兩對(duì)共4個(gè)盤(pán)型導(dǎo)體，分為A對(duì)導(dǎo)體和B對(duì)導(dǎo)體。其中較大的A對(duì)導(dǎo)體用來(lái)接收電磁輻射信號(hào)，導(dǎo)體下方通過(guò)扁銅條進(jìn)行連接；較小的B 對(duì)導(dǎo)體用于接地。設(shè)計(jì)使用的Gaobau 天線(xiàn)和駐波比實(shí)測(cè)結(jié)果如圖1 所示。從圖1 可以看出，在400～1 000 MHz 的頻段內(nèi)天線(xiàn)駐波比小于2，兩個(gè)諧振點(diǎn)位于500 MHz 和1 000 MHz，具有較強(qiáng)的信號(hào)接受能力。仿真結(jié)果還表明，該天線(xiàn)的增益在子午面上隨著角度的增大而增加，在赤道面上的方向角為30°～150°和-150°～-30°，方向角區(qū)間較寬，具有較好的方向性。

圖1 Goubau天線(xiàn)實(shí)物圖和駐波比實(shí)測(cè)圖Fig.1 Goubau antenna and test result of VSWR

1.2 SiPM局部放電傳感器

固態(tài)光電半導(dǎo)體技術(shù)在近年來(lái)得到了快速發(fā)展，SiPM 由于增益高、靈敏度高、偏置電壓低等優(yōu)點(diǎn)，在微弱光探測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。SiPM是由數(shù)個(gè)工作在蓋革模式下的雪崩二極管單元組成，當(dāng)有光子入射時(shí)便輸出對(duì)應(yīng)幅值的電脈沖。與傳統(tǒng)的光電倍增管（photomultiplier tube，PMT）相比，SiPM 僅需30 V 工作電壓即可獲得約106的信號(hào)增益[19-21]。

本文基于SiPM 陣列設(shè)計(jì)了一種局部放電光電傳感器。光電傳感器主要由4×4 的雪崩二極管陣列、供電模塊、信號(hào)處理3個(gè)模塊構(gòu)成。硅光電陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電發(fā)出的弱光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，供電模塊為SiPM 施加工作電壓，信號(hào)處理單元通過(guò)I-U轉(zhuǎn)換電路將光電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)放大單元放大后輸出，調(diào)理電路圖和傳感器實(shí)物如圖2 所示。采用3D 打印外殼將SiPM 電路整合成一個(gè)完整的模塊。

圖2 SiPM傳感器調(diào)理電路及實(shí)物圖Fig2 Conditioning circuit and structure of SiPM sensor

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文搭建基于光測(cè)法與UHF 法的光電聯(lián)合測(cè)量平臺(tái)，可以同步采集GIS 內(nèi)部絕緣缺陷局部放電時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射和光輻射信號(hào)，如圖3 所示。測(cè)量平臺(tái)主要包括：局部放電測(cè)試回路、試驗(yàn)腔體、缺陷試樣、硅光電倍增局放傳感器、特高頻局放傳感器和信號(hào)采集系統(tǒng)。

圖3 局部放電光電聯(lián)合測(cè)量平臺(tái)示意圖Fig.3 Partial discharge optical-electrical combined testing platform

試驗(yàn)時(shí)，對(duì)GIS 腔體充入氣壓為0.3 MPa 的SF6氣體，通過(guò)Tektronix 4034C 型示波器及自主設(shè)計(jì)的Labview 數(shù)字采集系統(tǒng)同時(shí)采集光輻射信號(hào)與UHF電磁輻射信號(hào)，采集頻率為1 GHz。使用1 000∶1分壓比的電容分壓器采集工頻正弦信號(hào)作為相位參考。其中硅光電傳感器偏置電壓為28.5 V，輸出模式為標(biāo)準(zhǔn)輸出，光信號(hào)強(qiáng)度與放電電流脈沖成對(duì)應(yīng)關(guān)系，檢測(cè)波長(zhǎng)范圍為200～900 nm，中心波長(zhǎng)為420 nm，光子檢測(cè)效率為50%，增益為4×106。本文對(duì)UHF 傳感器添加前置放大電路與濾波電路以提高UHF 信號(hào)信噪比，其中前置放大電路帶寬為0.1～1 000 MHz，平均增益為23.5 dB，噪聲系數(shù)為3 dB；帶通濾波電路帶寬為400～1 200 MHz。光電聯(lián)合檢測(cè)的局部放電典型時(shí)域波形如圖4 所示，UHF信號(hào)波形呈現(xiàn)衰減振蕩，衰減波形峰值的極性能反映局部放電的極性；光信號(hào)波形始終為正極性單個(gè)脈沖信號(hào)，這是由光信號(hào)的檢測(cè)機(jī)理決定的，采樣電阻及內(nèi)部結(jié)電容大小決定脈沖寬度。

圖4 局部放電時(shí)域波形Fig.4 Time domain waveform of PD

1.4 GIS典型放電缺陷模型

GIS 設(shè)備中的絕緣缺陷按照部位和性質(zhì)可以分為：金屬導(dǎo)桿以及殼體內(nèi)壁的金屬毛刺、導(dǎo)電和不導(dǎo)電的自由微粒、盆式絕緣子表面凹凸或裂紋、盆式絕緣子內(nèi)部的微孔等。本文制作了氣隙放電、懸浮放電、沿面放電及尖端放電4種典型的GIS 絕緣缺陷模型，如圖5所示。

圖5 4種典型絕緣缺陷模型Fig.5 Four typical insulation defect models

1.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文采集4種典型絕緣缺陷在1.1 倍起始放電電壓下的UHF 電磁輻射和光輻射信號(hào)。沿面放電缺陷和尖端放電缺陷在400 ms 內(nèi)的UHF 局放脈沖波形與光局放脈沖波形的對(duì)比分別如圖6 和圖7 所示。從圖6 和圖7 可以看出，兩種信號(hào)在相位上有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但在放電脈沖個(gè)數(shù)上存在差異。沿面放電時(shí)，UHF 脈沖個(gè)數(shù)多于光脈沖個(gè)數(shù)，這是由于沿面放電發(fā)生在缺陷的各個(gè)角度，當(dāng)光信號(hào)有遮擋時(shí)，SiPM 傳感器容易發(fā)生漏檢現(xiàn)象，此時(shí)UHF傳感器的檢測(cè)效果優(yōu)于SiPM 傳感器；尖端放電時(shí)，主要產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，在初始電離階段，光輻射已能被單光子級(jí)別的SiPM 捕捉，而此時(shí)UHF 電磁輻射較弱，未能被采集，因此針對(duì)光輻射現(xiàn)象明顯的局部放電，SiPM 傳感器檢測(cè)效果優(yōu)于UHF 傳感器。由此可以看出，對(duì)于不同缺陷的局部放電，兩種檢測(cè)方式進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)可以形成互補(bǔ)的效果。

圖6 沿面放電下UHF信號(hào)與光信號(hào)對(duì)比Fig.6 Comparison of UHF signal and optical signal under surface discharge

圖7 尖端放電下UHF信號(hào)與光信號(hào)對(duì)比Fig.7 Comparison of UHF signal and optical signal under tip discharge

各類(lèi)缺陷在UHF 法與光測(cè)法下的PRPD 圖譜如圖8～11所示，放電的密集程度用顏色表示，顏色越紅表示該相位和幅值的放電越密集。

圖8 氣隙缺陷局部放電PRPD圖Fig.8 PRPD patterns of void defects

圖9 懸浮缺陷局部放電PRPD圖Fig.9 PRPD patterns of floating defects

圖10 沿面缺陷局部放電PRPD圖Fig.10 PRPD patterns of surface defects

圖11 尖端缺陷局部放電PRPD圖Fig.11 PRPD patterns of point defects

從4種缺陷局部放電PRPD 圖譜可以看出，在相同缺陷模型下，UHF 法和光測(cè)法采集得到的PRPD 圖譜形狀類(lèi)似，但存在微小不同。從圖8～11可以看出，氣隙放電主要發(fā)生在正負(fù)半周電壓上升的相位，即42°～90°、220°～264°兩個(gè)區(qū)間范圍，正負(fù)半周放電脈沖基本上對(duì)稱(chēng)；懸浮放電相位分布相對(duì)較廣而分散，在0°～90°、180°～270°相位均有分布，呈現(xiàn)微弱的極性效應(yīng)，正半周放電脈沖密度大于負(fù)半周；沿面放電呈現(xiàn)較強(qiáng)的極性效應(yīng)，負(fù)半周放電脈沖大而少，正半周放電脈沖平均幅值小而多，放電相位分布在32°～90°、210°～282°；尖端放電呈現(xiàn)明顯的極性效應(yīng)，正負(fù)半周極不對(duì)稱(chēng)，且放電脈沖位于正負(fù)半周90°相位附近，較為對(duì)稱(chēng)分布于90°左右。

2 基于多層感知機(jī)的局部放電模式識(shí)別

由上節(jié)可以看出，4種典型絕緣缺陷局部放電的PRPD 圖譜有相似也有不同之處，單憑PRPD 圖譜直接判斷放電類(lèi)型容易產(chǎn)生誤判，因此需對(duì)圖譜進(jìn)一步分析研究，本文提出使用多層感知機(jī)模型對(duì)局部放電進(jìn)行模式識(shí)別。

2.1 多層感知機(jī)原理

多層感知機(jī)（multilayer perceptron，MLP）適用于更為廣泛的各類(lèi)回歸與分類(lèi)的應(yīng)用場(chǎng)景。多層感知機(jī)原理如圖12所示。

圖12 多層感知機(jī)原理圖Fig.12 Schematic diagram of multilayer perceptron

多層感知機(jī)在單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入了一至多層隱藏層（hidden layer），每層之間是全連接的，且每個(gè)隱藏層的輸出通過(guò)激活函數(shù)進(jìn)行變換。在計(jì)算完每層隱層各隱單元（hidden unit）的加權(quán)求和之后，對(duì)結(jié)果應(yīng)用激活函數(shù)（activation function）將非線(xiàn)性因素引入神經(jīng)元，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以任意逼近任何非線(xiàn)性函數(shù)。激活函數(shù)通常為正切雙曲線(xiàn)函數(shù)（tanh），tanh 函數(shù)可以將元素的值變換到-1和1之間，在輸入值較小時(shí)接近-1，在輸入值較大時(shí)接近1。在引入隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中加入激活函數(shù)tanh，對(duì)隱藏變量使用非線(xiàn)性函數(shù)進(jìn)行變換，如式（1）所示

式（1）中：w是輸入層x與隱層h之間的權(quán)重；k為第t層隱單元標(biāo)號(hào)；h是計(jì)算的中間結(jié)果。將函數(shù)結(jié)果用于加權(quán)求和，最終計(jì)算得到輸出y?，如式（2）所示。

式（2）中：v是隱層h與輸出y?之間的權(quán)重。權(quán)重w和v從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)得到。隱層中的結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)可根據(jù)數(shù)據(jù)集的復(fù)雜程度自由設(shè)置。

2.2 PRPD特征量提取

PRPD 的偏斜度Sk、陡峭度Ku、局部峰點(diǎn)數(shù)Pe、互相關(guān)系數(shù)Cc、不對(duì)稱(chēng)度φ、Weibull 分布參數(shù)等，可以用來(lái)描述PRPD 二維圖譜的形狀差異及正負(fù)半周的輪廓區(qū)別。利用PRPD 圖譜統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)進(jìn)行模式識(shí)別，可以降低局部放電在放電時(shí)間上隨機(jī)分布特性帶來(lái)的影響，同時(shí)體現(xiàn)局部放電工頻周期內(nèi)的重復(fù)性特征。

（1）偏斜度Sk

偏斜度Sk描述了絕緣內(nèi)部缺陷局部放電在每個(gè)工頻周期內(nèi)分布分不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)與程度，偏斜度為正時(shí)，分布正偏；偏斜度為負(fù)值時(shí)，分布負(fù)偏。其計(jì)算如式（3）所示。

式（3）中：xi為局放脈沖幅值；μ為局放脈沖幅值均值；N為局放脈沖數(shù)量；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

（2）陡峭度Ku

陡峭度Ku描述了局部放電圖譜形狀相對(duì)于正態(tài)分布的凸起程度，正態(tài)分布時(shí)，Ku一般為3。其計(jì)算如式（4）所示。

式（4）中：xi為局放脈沖幅值；μ為局放脈沖幅值均值；N為局放脈沖數(shù)量；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3 基于多層感知機(jī)的模式識(shí)別

本文選取偏斜度Sk及陡峭度Ku作為多層感知機(jī)識(shí)別輸入?yún)⒘?，以整個(gè)工頻周期的Ku和Sk作為特征向量l1～l2，以工頻負(fù)半周的Ku和Sk作為特征向量l3～l4，以工頻正半周的Ku和Sk作為特征向量l5～l6，即UHF 法PRPD 模式識(shí)別的特征向量為A=[l1,l2,l3,l4,l5,l6]，光測(cè)法PRPD 模式識(shí)別的特征向量為B=[l1,l2,l3,l4,l5,l6]。

本文設(shè)計(jì)兩層感知機(jī)模型，輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)i=6，輸入節(jié)點(diǎn)X1～X6對(duì)應(yīng)l1～l6特征向量，第一層隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為30個(gè)，第二層隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為20個(gè)，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為4，對(duì)應(yīng)4種絕緣缺陷的概率。UHF 法和光測(cè)法樣本總數(shù)N1、N2各為240個(gè)，為保持樣本數(shù)平衡，每種缺陷類(lèi)型均為60組樣本，從每種缺陷類(lèi)型放電樣本中隨機(jī)各取15 組樣本作為測(cè)試樣本，剩余45組樣本作為訓(xùn)練樣本。UHF 法和光測(cè)法局放PRPD圖譜模式識(shí)別結(jié)果如表1所示。

表1 UHF法與光測(cè)法局放模式識(shí)別率Tab1 Recognition rate of PD patterns by UHF method and optical method

從表1 中可以看出，UHF 法和光測(cè)法均有較高的識(shí)別率，UHF 法平均識(shí)別率為79.75%，對(duì)于氣隙缺陷和沿面放電有較高的識(shí)別率；光測(cè)法平均識(shí)別率為89.50%，對(duì)于氣隙缺陷、懸浮缺陷、尖端缺陷均具有較高的識(shí)別率。兩種方法對(duì)于不同缺陷有不同的識(shí)別精度，這是由于不同缺陷模型的放電模式各有不同，產(chǎn)生的光信號(hào)與高頻電磁信號(hào)有強(qiáng)弱差別。由此可以看出UHF 法與光測(cè)法在模式識(shí)別上具有一定的互補(bǔ)性，可以采用信息融合理論進(jìn)行聯(lián)合識(shí)別。

3 基于D-S證據(jù)理論的光電聯(lián)合識(shí)別

3.1 D-S證據(jù)理論原理

D-S 證據(jù)（Dempster-Shafer）理論是一種進(jìn)行不確定性推理的算法，引入了概率分配函數(shù)、置信函數(shù)、似然函數(shù)等，降低了傳統(tǒng)概率論需要完整的先驗(yàn)、條件概率及統(tǒng)一識(shí)別框架等要求，不僅能夠有效表達(dá)隨機(jī)不確定性，更能表達(dá)不完全信息以及主觀不確定性信息。理論中的Dempster 組合規(guī)則滿(mǎn)足交換律和結(jié)合律的特性，可以在不具備先驗(yàn)條件的情況下，融合證據(jù)，有效降低系統(tǒng)的不確定性[22]。

（1）建立模式識(shí)別框架

在D-S 證據(jù)理論中，一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行判決的所有可能結(jié)果的集合被稱(chēng)為識(shí)別框架。本文的識(shí)別框架為氣隙放電、懸浮放電、沿面放電和針尖放電4類(lèi)典型絕緣缺陷，為便于表述，識(shí)別框架Φ用A1、A2、A3、A4表示，不確定度為θ，如式（5）所示。

（2）選取證據(jù)并構(gòu)建基本概率指派

識(shí)別框架Φ的冪集構(gòu)成命題集合2Φ，?A?Φ，若函數(shù)m:2Φ→[0,1]滿(mǎn)足式（6）條件，則函數(shù)m被稱(chēng)為基本概率指派（basic probability assignment，BPA），m(A)是命題A的基本概率數(shù)，即準(zhǔn)確分配給A的信度。

本文以光測(cè)法和UHF 法下測(cè)得的局部放電數(shù)據(jù)經(jīng)多層感知機(jī)模式識(shí)別后的輸出值作為2個(gè)獨(dú)立的證據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為滿(mǎn)足D-S證據(jù)理論的BPA。

（3）信息融合

D-S證據(jù)理論提供Dempster組合規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)證據(jù)的融合，本質(zhì)上是證據(jù)的正交和。本文設(shè)m1和m2分別為光信號(hào)和UHF信號(hào)的基本概率指派，用m表示m1和m2組合后的新證據(jù)，則Dempster組合規(guī)表示為式（7）。

式（7）中：A1～A4為UHF 法下各類(lèi)放電缺陷類(lèi)型；B1～B4為光測(cè)法下放電缺陷類(lèi)型；k稱(chēng)為沖突系數(shù)，用于衡量證據(jù)之間的沖突程度，k越大，則沖突越大。當(dāng)k=1 時(shí)，會(huì)導(dǎo)致“Zadeh”悖論問(wèn)題，即各證據(jù)體高度沖突時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與常理相悖的結(jié)果。

（4）證據(jù)決策

當(dāng)計(jì)算出全部證據(jù)下識(shí)別框架Φ下所有可能結(jié)果的BPA 后，采用相關(guān)規(guī)則來(lái)判定絕緣缺陷的分類(lèi)。

規(guī)則1：m(Amax1)= max {m(Ai),Ai?Φ)

規(guī)則2：m(Amax1)>m(θ)

規(guī)則3：m(Amax1)-m(Amax2)>ε

其中，規(guī)則1 表示應(yīng)選擇具有最大可信度的命題作為輸出，規(guī)則2 表示判定結(jié)果的BPA 須大于不確定度的BPA，規(guī)則3中，m(Amax1)為某判定結(jié)果類(lèi)型的最大BPA，m(Amax2)為第二大BPA，ε為閾值，即判定結(jié)果BPA 與其他命題BPA 之差應(yīng)大于設(shè)定閾值。同時(shí)滿(mǎn)足上述3 條規(guī)則，才能輸出系統(tǒng)判定結(jié)果[23-26]。基于光電方法聯(lián)合測(cè)量的多層感知機(jī)與DS證據(jù)理論融合局部放電模式識(shí)別算法流程如圖13所示。

3.2 基于D-S證據(jù)理論的融合模式識(shí)別

對(duì)UHF 法及光測(cè)法獲取的絕緣缺陷局部放電數(shù)據(jù)進(jìn)行多層感知機(jī)訓(xùn)練后，按照流程圖13采用DS 證據(jù)理論進(jìn)行信息融合。對(duì)于每組局部放電數(shù)據(jù)樣本，UHF 電磁信號(hào)與光信號(hào)數(shù)據(jù)作為兩種獨(dú)立證據(jù)體，經(jīng)多層感知機(jī)訓(xùn)練后獲得每種缺陷類(lèi)型的基本概率賦值函數(shù)BPA。

圖13 基于多層感知機(jī)的D-S證據(jù)理論融合圖Fig.13 D-S evidence theory fusion graph based on multi-layer perceptron

以一組光電聯(lián)合檢測(cè)數(shù)據(jù)為例，由式（7）計(jì)算兩種信號(hào)輸出BPA 的融合BPA，結(jié)果如表2 所示。由表2 數(shù)據(jù)可知，使用UHF 法局部放電PRPD 圖譜作為單一證據(jù)進(jìn)行模式識(shí)別時(shí)，對(duì)于懸浮缺陷和尖端缺陷，BPA 分別為0.38 和0.36，不確定度為0.18，識(shí)別結(jié)果為懸浮缺陷，但懸浮缺陷和尖端缺陷類(lèi)型BPA 十分相近，易出現(xiàn)誤判。使用光測(cè)法局部放電PRPD 圖譜作為單一證據(jù)進(jìn)行模式識(shí)別時(shí)，懸浮缺陷類(lèi)型的BPA 遠(yuǎn)大于其他類(lèi)型，但不確定度仍然較高。經(jīng)過(guò)Dempster 組合規(guī)則進(jìn)行融合后，懸浮缺陷的BPA 達(dá)到0.682，不確定度下降至0.030 5，可確定識(shí)別結(jié)果為懸浮缺陷。

表2 一組典型數(shù)據(jù)的基本概率賦值結(jié)果Tab2 Results of BPA in different methods of a set of typical data

基于D-S證據(jù)理論對(duì)兩種測(cè)量方法下獲得的全部樣本進(jìn)行GIS典型絕緣缺陷局部放電光電融合檢測(cè)，最終識(shí)別結(jié)果如表3所示。

表3 基于D-S證據(jù)理論的局放模式識(shí)別結(jié)果Tab.3 Recognition results of D-S evidence theory

由表3 可知，經(jīng)過(guò)D-S 證據(jù)理論進(jìn)行信息融合后的GIS內(nèi)部典型絕緣缺陷局部放電模式識(shí)別準(zhǔn)確率均有所提升，每種缺陷識(shí)別率均達(dá)到86.7%以上。沿面放電缺陷仍是識(shí)別率最低的缺陷。D-S證據(jù)理論較好地融合了UHF法與光測(cè)法的優(yōu)勢(shì)，改善了單種測(cè)量方法進(jìn)行模式識(shí)別的識(shí)別率不平衡現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文提出了基于Goubau 天線(xiàn)和SiPM 聯(lián)合的GIS光電聯(lián)合局部放電檢測(cè)方法，對(duì)GIS中4種典型絕緣缺陷局部放電進(jìn)行光電聯(lián)合測(cè)量。對(duì)兩種測(cè)量方法下的PRPD 圖譜進(jìn)行特征量提取，采用多層感知機(jī)建立了局部放電模式識(shí)別模型，并通過(guò)D-S證據(jù)理論進(jìn)行信息融合后對(duì)4種缺陷進(jìn)行模式識(shí)別再?zèng)Q策，解決了不同缺陷類(lèi)型在同種測(cè)量方法下的模式識(shí)別不準(zhǔn)確的問(wèn)題，得出如下結(jié)論：

（1）測(cè)量GIS 中不同缺陷局部放電時(shí)，Goubau天線(xiàn)與SiPM 傳感器均有較好的靈敏度，且在不同缺陷局放測(cè)量上具有一定的互補(bǔ)性。

（2）與采用單一證據(jù)體進(jìn)行局部放電模式識(shí)別相比，采用D-S證據(jù)理論信息融合后進(jìn)行模式識(shí)別，各類(lèi)缺陷平均識(shí)別率達(dá)到86.7%以上，缺陷識(shí)別結(jié)果不平衡問(wèn)題得到改善，結(jié)果更穩(wěn)定與可靠。