基于粗糙集理論的電力變壓器絕緣故障診斷新方法

本文提出了一種基于粗糙集理論的電力變壓器絕緣故障診斷新方法，它能夠根據(jù)不完整征兆信息對(duì)電力變壓器故障進(jìn)行診斷。該方法不但可直接從完備的故障征兆樣本集中導(dǎo)出正確的診斷結(jié)論,而且還能從不完備的故障征兆樣本集中導(dǎo)出滿意的診斷結(jié)論,它揭示了故障征兆信息的冗余性。實(shí)例診斷結(jié)果證實(shí)了該方法的有效性。
關(guān)鍵詞：粗糙集；決策表；故障診斷；電力變壓器

Diagnosis of Insulation Malfunction in Power Transformer Based on Rough Set Theory

Wang Shao-fang， Cai Jin-ding， Liu Qing-zhen

( Dept.of E.E,Fuzhou University Fuzhou 350002)

Abstract: In this paper,a new method applied for identifying power transformer insulation malfunction based on rough set theory is proposed,which can identify power transformer malfunction based on incomplete symptom information.The accurate diagnosis results can be obtained directly from the set of complete fault samples,and the satisfactory diagnosis results can also be got from the set of incomplete fault samples by using the approach.The inherent redundancy in the fault information is revealed.The validity of the approach has been verified by the diagnosis rerults of practical examples.
Key words:Rough Set,Decision table,Faulte diagnosis, Power Transformer

0 引言
隨著電力系統(tǒng)朝著超高壓、大容量的方向發(fā)展，對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行可靠性的要求不斷提高。如大型電力變壓器作為電力系統(tǒng)中重要的變電設(shè)備,其運(yùn)行狀態(tài)將直接影響到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。所以,如能迅速而準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行故障診斷,防患于未然,將是保障供電可靠性的重要手段之一。
電力變壓器的故障實(shí)質(zhì)上是一個(gè)模式分類問(wèn)題，即根據(jù)各種各樣的故障征兆，判斷出故障發(fā)生的部位或區(qū)域。由于電力變壓器故障征兆與故障原因之間存在著很多不確定因素，所以一種故障可能會(huì)引起多個(gè)征兆，而一種征兆又可能由幾種故障引起。本文用粗糙集理論，考慮故障征兆信息的不準(zhǔn)確、不完備性，提出一種電力變壓器常見(jiàn)絕緣故障的診斷模型。

1 粗糙集理論
粗糙集理論(Rough Set Theory, RST)是Pawlak Z.及其合作者于1982年提出的一種處理模糊性和不精確問(wèn)題的新型數(shù)學(xué)工具^[1，2]。它的最大特點(diǎn)是不需要提供求解問(wèn)題時(shí)所需處理的數(shù)據(jù)集合之外的任何先驗(yàn)信息，如統(tǒng)計(jì)中要求的先驗(yàn)概率和模糊集中要求的隸屬度，即能有效地分析和處理不精確、不一致、不完整等各種不完備數(shù)據(jù),并從中發(fā)現(xiàn)隱含的知識(shí)，揭示潛在的規(guī)律^[3]。
1.1 粗糙集的上、下近似集^[3]
在RST中，用等價(jià)關(guān)系代替分類，設(shè)U≠Φ是論域,R為U上的一族等價(jià)關(guān)系,二元對(duì)K=(U,R)構(gòu)成一個(gè)近似空間(Approximation space)。R將論域U分成一族等價(jià)類E_i(i=1,…,n)，E_i和空集Φ 稱為R的基本集。如果U上的一個(gè)子集X不能用基本集的并集準(zhǔn)確表示出來(lái)，則稱X為粗糙集，粗糙集是用上近似集和下近似集兩個(gè)精確集來(lái)描述的，其數(shù)學(xué)定義如下：

其中x為U中的一個(gè)對(duì)象,[x]_R表示所有與x不可分辨的對(duì)象組成的集合,即由x決定的等價(jià)類。實(shí)際上R_(X)是U中包含在X中的最大可定義集，R^-(X)是U中包含在X中的最小可定義集。

1.2 決策表^[4]
信息系統(tǒng)IS(Information System)可表示為IS=〈U,A,V_a,f_a〉,其中U是對(duì)象的非空有限集合，稱為論域；A是對(duì)象屬性的非空有限集合，稱為屬性集合；Va=∪_a∈AVa_a是屬性值的集合，Va_a表示屬性a∈A的值域；f:U×A→Va稱為信息函數(shù)。信息系統(tǒng)也稱為知識(shí)表達(dá)系統(tǒng).由這樣的“屬性—值”對(duì)就構(gòu)成了一張二維表,稱之為信息表(Information table)。
如果A由條件屬性C和結(jié)論屬性D組成，且C,D滿足：
C∪D=A, C∩D=ø
則稱IS為決策系統(tǒng)(Decision System,簡(jiǎn)稱DS)。
實(shí)際使用時(shí)，決策系統(tǒng)一般表示成一張決策表(Decsion table)的形式，每一列表示一個(gè)屬性，每一行表示一個(gè)對(duì)象。
例1：假設(shè)一個(gè)由7個(gè)對(duì)象的簡(jiǎn)單決策系統(tǒng)，有4個(gè)條件屬性c₁,c₂,c₃,c₄，一個(gè)決策屬性d，如表1所示：

1.3 決策表的化簡(jiǎn)及分類規(guī)則的提取
決策表中的一個(gè)屬性對(duì)應(yīng)一個(gè)等價(jià)關(guān)系，一個(gè)決策表可看作是定義的一族等價(jià)關(guān)系。決策表中并非所有的條件屬性都是必要的，有些是多余的，去除這些屬性不會(huì)影響原有的表達(dá)效果。決策表的化簡(jiǎn)就是化簡(jiǎn)表中多余的條件屬性,即去除冗余的條件屬性，在刪除這些屬性后不會(huì)影響原有的表達(dá)效果，化簡(jiǎn)后的決策表具有更少的條件屬性但具有化簡(jiǎn)前的決策表的功能。
決策表的簡(jiǎn)化步驟如下:
(1) 刪除條件屬性集合的冗余屬性，找到所有約簡(jiǎn)。首先定義決策規(guī)則的協(xié)調(diào)性:相同的規(guī)則前代(即屬性部)必然有相同的后繼(即結(jié)論部);不同的規(guī)則前代允許有不同或者相同的后繼;相同的后繼允許相同或不同的前代。判斷某一個(gè)條件屬性冗余或可省的準(zhǔn)則是:若去掉條件屬性集中某屬性后,算法中所有規(guī)則仍然協(xié)調(diào),則該屬性冗余而可省去;若有一個(gè)規(guī)則不協(xié)調(diào),則該屬性不可省。同理,依次單獨(dú)去掉其他條件屬性來(lái)考察規(guī)則的協(xié)調(diào)與否,去掉所有冗余條件屬性。例如逐一除去表1中條件屬性c₁,c₂,c₃,c₄，看看沒(méi)有該列決策表是否協(xié)調(diào)。檢查后發(fā)現(xiàn)c₃是多余的,而c₁,c₂,c₄是必需的屬性。{c₁,c₂,c₄}稱為原條件屬性集{c₁,c₂,c₃,c₄}的一約簡(jiǎn)。一個(gè)決策表的條件屬性集可能存在多個(gè)約簡(jiǎn)。本例中只有一個(gè),見(jiàn)表2。