基于BP神经网络的电缆及其附件老化检测方法及系统与流程

本发明涉及一种高压电缆系统绝缘检测技术，尤其涉及一种基于bp神经网络的电缆及其附件老化检测方法及系统。

背景技术：

1、电缆及其附件在电缆线路中起着承接、恢复和过渡的作用，是输电网络的重要组成部分。然而，由于电缆本体与电缆附件之间复合界面的存在以及安装施工环境的不可控性，电缆及其附件是整个电缆系统故障发生率最高的部位。实际运行的高压电缆及其附件会受多种环境因素的影响，进而发生老化现象，减少其使用寿命，甚至威胁到电力系统安全运行。因此，采用可靠的评估方法对电缆及其附件进行老化评估具有重要意义。

2、目前评估电缆及其附件老化程度的方法大多基于arrhenius方程，通过获取某个与老化相关的参数，利用其与温度倒数的线性关系来推导电缆老化程度，这些参数包括电缆绝缘的断裂伸长率保留率、热重曲线求出的活化能和差式扫描量热测试的功率差等，或者通过介质损耗角正切值来推断电缆材料的老化程度。然而，以上方法仅针对电缆或者附件的绝缘材料的体特性，用来评估电缆系统老化程度时经常失效。

技术实现思路

1、发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于bp神经网络的电缆及其附件老化检测方法及系统，能够获得精准的电缆及其附件寿命评估结果。

2、技术方案：本发明所采用的技术方案是一种基于bp神经网络的电缆及其附件老化寿命预测方法，包括：根据正常运行电缆及其附件间的界面温度、界面压力和服役时间，通过电缆及其附件老化模型，得到电缆及其附件的界面泄漏电流；根据所述电缆及其附件的界面泄漏电流，以及电缆及其附件失效时对应的界面泄漏电流阈值，判断电缆及其附件的老化情况；所述电缆及其附件老化模型采用bp神经网络架构，通过电缆及其附件老化数据集训练得到；所述电缆及其附件老化数据集包括电缆及其附件试样在加速热老化试验中的界面温度、界面压力、老化时间和界面泄漏电流，所述电缆及其附件老化模型以电缆及其附件试样在加速热老化试验中的界面温度、界面压力和老化时间作为输入，界面泄漏电流作为输出。

3、所述加速热老化试验，包括：测试电缆及其附件试样在不同界面温度和界面压力条件下，每隔一段时间的界面泄漏电流，到达设定老化时间后，将电缆及其附件试样取出进行界面泄漏电流的测试。

4、将老化试验腔体内的环境温度作为电缆及其附件试样在加速热老化试验中的界面温度；电缆及其附件试样在加速热老化试验中的界面压力通过老化电极中的弹簧来控制，利用压力传感器进行实际测量。

5、所述的电缆及其附件失效时对应的界面泄漏电流阈值，计算方法包括：对电缆及其附件试样进行不同界面温度和界面压力下的闪络试验，确定沿面闪络电压；然后，对电缆及其附件试样施加不同电压进行界面泄漏电流的测量，直到施加的电压值逐渐增大至接近闪络电压；分析界面泄漏电流变化规律，拟合界面泄漏电流-电压曲线，该曲线上电缆及其附件闪络电压对应的界面泄漏电流值作为电缆及其附件失效时的界面泄漏电流阈值。

6、bp神经网络的训练步骤包括：

7、(1)根据输入向量向后传播计算出隐藏层的输出信号，计算式为：

8、

9、其中，yk表示隐藏层第k个神经元的输出信号，fk(·)表示隐藏层对输入层的激活函数；表示输入信号xi对隐藏层第k个神经元的权重系数，i＝1,2,3；l为隐藏层神经元总数；

10、(2)计算bp神经网络输出信号，计算式为：

11、

12、其中，y表示bp神经网络的输出信号，神经网络的输出层编号为l+1，f(l+1)(·)表示输出层对隐藏层的激活函数，wk(l+1)表示隐藏层第k个神经元对输出层的权重系数；

13、(3)对比输出值与实际测试值，获得误差：

14、δ＝θi,j-y

15、其中，δ表示误差，y表示bp神经网络的输出信号，θi,j表示实际测试值；

16、(4)将误差向前传播计算出隐藏层每个神经元的误差：

17、δk＝wk(l+1)δ,k＝1,2,3…l

18、其中，δk表示隐藏层第k个神经元的误差；

19、(5)修正神经元的权重系数，修正式为：

20、

21、其中，为修正后的输入信号xi对隐藏层第k个神经元的权重系数；η为学习率，δk表示隐藏层每个神经元的误差，表示隐藏层第k个神经元的输出信号对输入信号线性加权的导数，xi表示第i个输入信号；

22、(6)修正从隐藏层到输出层的权重系数，修正式为：

23、

24、其中，w′k(l+1)为修正后的隐藏层第k个神经元对输出层的权重系数，η为学习率，δ表示神经网络输出层的误差，表示神经网络输出信号对隐藏层信号线性加权的导数，yk表示隐藏层第k个神经元的输出信号；

25、(7)重复步骤(1)～(6)直到输出误差满足要求。

26、本发明提出一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的基于bp神经网络的电缆及其附件老化检测方法。

27、本发明提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于bp神经网络的电缆及其附件老化检测方法。

28、本发明提出一种计算机程序产品，包括计算机程序和/或指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现所述的基于bp神经网络的电缆及其附件老化检测方法。

29、本发明提出一种基于bp神经网络的电缆及其附件老化检测系统，包括：

30、数据采集模块，用于获取正常运行电缆及其附件的界面温度和界面压力；

31、数据存储模块，用于储存正常运行电缆及其附件的界面温度和界面压力数据，以及电缆及其附件老化数据集；所述电缆及其附件老化数据集包括电缆及其附件试样在加速热老化试验中的界面温度、界面压力、老化时间和界面泄漏电流；

32、电缆及其附件老化模型训练模块，用于训练和存储电缆及其附件老化模型，所述电缆及其附件老化模型采用bp神经网络架构，通过电缆及其附件老化数据集训练得到；所述电缆及其附件老化模型以电缆及其附件试样在加速热老化试验中的界面温度、界面压力和老化时间作为输入，界面泄漏电流作为输出；

33、数据分析模块，用于根据正常运行电缆及其附件的界面温度和界面压力，通过电缆及其附件老化模型，得到电缆及其附件的界面泄漏电流；根据所述电缆及其附件的界面泄漏电流，以及电缆及其附件失效时对应的界面泄漏电流阈值，判断电缆及其附件的老化情况。

34、加速热老化试验的界面泄漏电流测试装置，包括：若干个电缆及其附件试样对，电缆及其附件试样对包括堆叠的电缆和电缆附件，电缆和电缆附件之间设有高压电极和测量电极，每个电缆及其附件试样对设有不同弹性模量的弹簧装置，弹簧装置用于给每个电缆及其附件试样对提供不同的界面压力；加速热老化试验的界面泄漏电流测试装置还包括压力传感器，用于测量每个电缆及其附件试样对的界面压力值。

35、采用光纤光栅传感器测量采集电缆及其附件的界面温度；采用预埋柔性薄膜状电阻式压力传感器的方式测量采集电缆及其附件界面压力。

36、所述加速热老化试验，包括：测试电缆及其附件试样在不同界面温度和界面压力条件下，每隔一段时间的界面泄漏电流，到达设定老化时间后，将电缆及其附件试样取出进行界面泄漏电流的测试。

37、将老化试验腔体内的环境温度作为电缆及其附件试样在加速热老化试验中的界面温度；电缆及其附件试样在加速热老化试验中的界面压力通过老化电极中的弹簧来控制，利用压力传感器进行实际测量。

38、所述的电缆及其附件失效时对应的界面泄漏电流阈值，计算方法包括：对电缆及其附件试样进行不同界面温度和界面压力下的闪络试验，确定沿面闪络电压；然后，对电缆及其附件试样施加不同电压进行界面泄漏电流的测量，直到施加的电压值逐渐增大至接近闪络电压；拟合界面泄漏电流-电压曲线，该曲线上电缆及其附件闪络电压对应的界面泄漏电流值作为电缆及其附件失效时的界面泄漏电流阈值。

39、bp神经网络的训练步骤包括：

40、(1)、根据输入向量向后传播计算出隐藏层的输出信号，计算式为：

41、

42、其中，yk表示隐藏层第k个神经元的输出信号，fk(·)表示隐藏层对输入层的激活函数；表示输入信号xi对隐藏层第k个神经元的权重系数，i＝1,2,3；l为隐藏层神经元总数；

43、(2)、计算bp神经网络输出信号，计算式为：

44、

45、其中，y表示bp神经网络的输出信号，神经网络的输出层编号为l+1，f(l+1)(·)表示输出层对隐藏层的激活函数，wk(l+1)表示隐藏层第k个神经元对输出层的权重系数；

46、(3)、对比输出值与实际测试值，获得误差：

47、δ＝θi,j-y

48、其中，δ表示误差，y表示bp神经网络的输出信号，θi,j表示实际测试值；

49、(4)、将误差向前传播计算出隐藏层每个神经元的误差：

50、δk＝wk(l+1)δ,k＝1,2,3…l

51、其中，δk表示隐藏层第k个神经元的误差；

52、(5)、修正神经元的权重系数，修正式为：

53、

54、其中，为修正后的输入信号xi对隐藏层第k个神经元的权重系数；η为学习率，δk表示隐藏层每个神经元的误差，表示隐藏层第k个神经元的输出信号对输入信号线性加权的导数，xi表示第i个输入信号；

55、(6)、修正从隐藏层到输出层的权重系数，修正式为：

56、

57、其中，w′k(l+1)为修正后的隐藏层第k个神经元对输出层的权重系数，η为学习率，δ表示神经网络输出层的误差，表示神经网络输出信号对隐藏层信号线性加权的导数，yk表示隐藏层第k个神经元的输出信号；

58、(7)、重复步骤(1)～(6)直到输出误差满足要求。

59、有益效果：相比于现有技术，本发明具有以下优点：本发明基于实际工程中电缆及其附件失效多发生在附件界面的发现，构建与电缆及其附件的界面特性密切相关的老化检测模型。本发明以电缆及其附件界面泄漏电流作为电缆及其附件寿命表征参数，利用bp神经网络构建电缆及其附件老化模型，获取服役电缆及其附件的界面泄漏电流值，再根据电缆失效阈值判断电缆及其附件的老化情况，能够获得精准的电缆及其附件寿命评估结果。为获得精确的老化检测模型，本发明设计了加速热老化试验的界面泄漏电流测试装置，将电缆+电缆附件作为整体试样对进行加速热老化试验。本发明为电缆及其附件老化评估提供了一种新的理论依据，可实现工程化应用，具有显著的技术效益和经济效益。