北京交通大学 刘畅宇等:如何在少样本情况下实现有源配电网故障馈线识别?

科技   2024-11-27 16:53   北京  

本期精选

2024年第7


基于域自适应迁移学习的有源配电网故障选线方法

刘畅宇,王小君,尚博阳,罗国敏,刘曌

DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20230521

浏览全文







研究背景




基于数据驱动的人工智能模型,特别是卷积神经网络在配电网故障诊断领域取得了优异的表现。然而卷积神经网络严重依赖海量数据,模型性能会因数据量的减少而严重下降。为此,现有基于迁移学习的故障选线方法大多是从通过历史数据或海量仿真数据进行训练,然后使用同一学习任务下的数据在训练好的网络中进行预测或分类。在此过程中假设源域数据和目标域数据的分布相同,然而这一假设并不总是成立。为此,本文提出基于域自适应迁移学习的有源配电网故障选线方法,可在少样本情况下实现高精度、鲁棒性的有源配电网故障馈线识别。






重点内容




2.1 融合注意力机制的故障选线模型

由于传统CNN模型的池化操作丢失了特征的位置信息,这将对敏感的时间序列特征提取产生影响。为此,本文利用卷积注意力模块来实现关键特征和数据维数的提取和降维,不仅能够加快模型收敛速度,同时精度也稍有提升。从原理上看,获得上述结果的原因在于:通道注意力机制的引入,能够将各馈线零序电流之间的隐含相关性进行特征提取;而空间注意力机制的引入,让模型更加聚焦于特征图上的有效信息位置,使模型加速收敛。


图1  含注意力机制的卷积神经网络模型结构



2.2 域自适应迁移学习

现有基于迁移学习的故障选线方法大多是从通过历史数据或海量仿真数据进行训练,然后使用同一学习任务下的数据在训练好的网络中进行预测或分类。在此过程中假设源域数据和目标域数据的分布相同,然而这一假设并不总是成立。在实际应用过程中,需要通过域自适应使源域和目标域的数据分布更接近。其基本思想是,对于任务相同但在特征空间中分布不一致的源域和目标域,域自适应通过求解一个最优的投影矩阵,将两域数据投影到新的特征空间中,将不同的数据分布的距离拉近。本文选用最大均值差异(maximum mean discrepancy,MMD) 来度量源域和目标域样本之间的分布距离。

图2  域自适应迁移学习示意图



2.3 不同故障选线方案的效果对比

从下表可以看出,方案1通过多次迭代仍无法高质量完成目标域选线任务,主要原因在于目标域与源域的数据存在不同,导致模型在目标域上的泛化能力较低。在此基础上,方案2对源模型添加注意力机制,模型收敛速度加快,但在目标域上的选线精度仍无法有较大提升。方案3和4分别在方案1和2的基础上,对全连接层的超参数进行微调处理,能够提升一定的精度,但仍然无法达到较高水平。而本文所提方法(方案5)通过嵌入注意力机制和域自适应迁移学习,加快模型收敛速度的同时,泛化能力也维持在高水平。因此,所提方法能够实现高精度、强鲁棒性的故障馈线识别,可为故障选线模型从源域迁移到目标域应用提供一种有效方法。

表1 不同故障选线方案的效果对比







总结



1) 通过在卷积神经网络中嵌入注意力机制,提高模型对关键信息的敏感程度,实现有源配电网故障特征增强。

2) 提出基于域自适应迁移学习的故障选线方法,将源域选线模型迁移到目标域中,提升基于深度学习的故障选线方法在无标签小样本条件下的适应能力。

3) 在配电网不同运行环境下,对比测试了所提方法的有效性,同时采用t-SNE算法可视化算例测试结果,为算法提供可解释性分析。






后续研究内容




虽然人工智能技术已经在电力系统稳定评估、优化调度、故障诊断等多个领域广泛应用,但由于其“端到端”的“黑箱”属性,存在模型透明度低、决策可解释依据弱等问题,而缺乏可解释性已成为限制机器学习在配电网故障诊断等安全敏感任务中的主要障碍之一。因而后续研究将从可解释性出发,探索基于机器学习的故障诊断方法。


引文信息:

刘畅宇 , 王小君 , 尚博阳 , 等. 基于域自适应迁移学习的有源配电网故障选线方法[J]. 高电压技术. 2024, 50(7): 3050-3059 

作者及团队介绍

刘畅宇,博士研究生,主要研究方向为:配电网故障诊断、人工智能在电力系统中的应用;



王小君,博士、教授、博导,北京交通大学电气学院党委副书记、副院长。主要研究方向包括新型电力系统优化运行、人工智能在电力系统中的应用等。近年主持国家自然科学面上项目2项、国家重点研发计划3项,发表SCI/EI收录论文80余篇,申请发明专利20余项。获中国电力科学优秀科技工作者,作为骨干获省部级和学会奖励3项。


北京交通大学电力系统保护与控制团队现有教授5名(含IEEE Fellow 1名),副教授8名,高级工程师1名,师资博士后1名,在读博士/硕士研究生140余名。团队长期从事智能电网与能源互联网的运行、保护、控制和恢复相关研究。主持/参加科研项目80余项,包括国家863计划5项、国家重点研发计划12项、国家自然科学基金项目15项;累计发表学术论文500余篇,专利70余项;组织/参与编制IEEE标准3项,均已颁布。





团队学术氛围浓郁、国际交流密切、课余活动丰富、就业选择多样,欢迎国内外有志人士加入!


北京交通大学电力系统保护与控制团队2025年拟招收硕士研究生40名,博士研究生10名,欢迎广大优秀同学报名。


点击连接查看详细信息:

https://mp.weixin.qq.com/s/vMSBM-KaI6FVv_ZG_fP8Kw



责编:程子丰



- 【 END 】 -

传播知识 · 分享成果 · 交流经验



声明:本文为原创作品,所涉文字及图片版权均属《高电压技术》编辑部所有,根据国家版权局最新规定,纸媒、网站、微信公众号转载、摘编我编辑部的作品,务必请提前联系我编辑部。个人请按本微信原文转发、分享




热搜合集

#热文#热点报告#征稿启事#会议讯息#网络首发#论文精选


官网

http://hve.epri.sgcc.com.cn/


视频号

《高电压技术》《High Voltage》视频号



联系我们



高电压技术
推送《高电压技术》精选论文信息,传播高电压相关重要科研进展
 最新文章