2多頻超聲波信號與界面張力之間的相關性分析

2.1多頻超聲波信號的幅頻響應分析

實驗共選取175組不同界面張力的變壓器油進行實驗。圖4為超聲波接收器接收到的三相信號的幅頻響應圖，所選取的5組變壓器油樣的界面張力值分別為27.8、32.3、36.1、41.1、55.9mN/m.

圖4多頻超聲波幅頻響應圖

圖4（a）為超聲波接收器T1接收到的信號L1的幅頻響應，可以觀察到在同一檢測頻率下，界面張力值越大的變壓器油樣對應的超聲波幅值越大，即變壓器油樣的界面張力值與L1相信號幅值存在正相關關系。所選取的5組油樣的L1相信號幅值變化趨勢大致相同，即隨著超聲波檢測頻率的增加，L1相的幅值逐漸增大，且L1相幅值的增幅較為明顯的檢測頻率段為中頻段700——850kHz,低頻段590——700kHz和高頻段850——1000kHz的幅值增幅較為平穩(wěn)（不同界面張力值的變壓器油樣的L1相超聲波信號幅值差較大的頻率段為高頻段）。L1相信號為超聲波信號在待測介003質變壓器油界面反射傳播被接收到的信號，可以作為分析變壓器油界面張力時的基準信號。圖4（b）所示的L2相超聲波信號的幅值隨檢測頻率的變化趨勢與L1相一致，但變壓器油樣的界面張力值與L2相信號幅值存在負相關關系。圖4（c）所示的L3相超聲波信號的幅值變化趨勢和幅值、界面張力之間的關系都與L1相有所不同。通過觀察可以得到，L3相超聲波信號的幅值響應曲線呈現(xiàn)出比較明顯的“凹”字形，即在中頻段呈現(xiàn)“凹槽”狀，低頻段和高頻段較為平緩，且在整個檢測頻率范圍內，不同界面張力的變壓器油樣對應的L3相超聲波信號幅值差值變化不明顯。

2.2多頻超聲波信號的相頻響應分析

圖5為超聲波接收器T1和T2接收的5組不同界面張力的變壓器油樣的L1、L2和L3三相超聲波信號的相頻響應圖。從圖5（a）中可以觀察到，由超聲波接收器T1接收的信號L1的相位變化趨勢大致相同，且均在707.9、843.4kHz和696.6、832.1kHz處相位分別出現(xiàn)2次的谷值和峰值。如圖5（b）所示，與基準信號L1相信號相比，雖然不同界面張力的油樣對應的L2信號的相位圖皆分別存在2個谷值和峰值，但各相位所對應的頻率點分布由于界面張力的不同而各有不同。由圖5（c）可以觀察到L3相信號的相位變化趨勢，在檢測頻率范圍內，不同界面張力的油樣在相位頻譜上出現(xiàn)峰值和谷值的次數(shù)也不盡相同。

這是由于2個超聲波接收器所接收到的三相超聲波信號傳播所經(jīng)過的路徑和周期不同，導致對應的相角不同。L2和L3的相頻響應圖變化趨勢無相對明顯的變化規(guī)律，但超聲波信號在傳播過程中由于發(fā)生超聲弛豫、吸收、散射等現(xiàn)象導致相角的不同，其信息包含在相位頻譜中，對于分析變壓器油界面張力具有重要作用。

綜合以上對幅頻響應和相頻響應所做的分析可知，在不同檢測頻率下，超聲波信號的幅值和相位信息都能夠體現(xiàn)超聲波信號在待測介質變壓器油中傳播時的聲衰減情況，即通過分析超聲波信號在變壓器油中傳播的幅值、相位等信息可分析變壓器油的品質信息。

圖5多頻超聲波相頻響應圖

3基于神經(jīng)網(wǎng)絡的變壓器油界面張力預測模型的建立

3.1多頻超聲波數(shù)據(jù)的降維預處理

多頻超聲平臺檢測175組油樣后得到的超聲波信號數(shù)據(jù)為包含超聲波信號的幅值、相位、聲速和飛行時間在內的242維數(shù)據(jù)，為避免在回歸預測時由于高維度數(shù)據(jù)造成的“維度災難”等問題，在建立變壓器油的界面張力預測模型前，采取KPCA對采集到的242維數(shù)據(jù)進行降維處理。

不同特征值個數(shù)對應的累計方差貢獻率如圖6所示，在能夠保留原始多維數(shù)據(jù)的最大信息的基礎上，得到累計方差貢獻率為99%的103維數(shù)據(jù)，作103姚遠，等：基于KPCASSAENN的變壓器油界面張力預測為回歸預測模型的輸入。

3.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡和參數(shù)優(yōu)化算法

3.2.1ENN

通過分析采集到的多頻超聲數(shù)據(jù)可知變壓器油樣的界面張力值同超聲波信號幅值、相位等存在非線性關系。ElmanJL提出的動態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡——ENN,包括輸入層、隱含層、承接層和輸出層。承接層可作短期存儲，作為延時算子，進行內部反饋和存儲歷史數(shù)據(jù)，使得ENN具有記憶功能。ENN中連接權重的隨機設置對于回歸預測的結果造成誤差，使神經(jīng)網(wǎng)絡在訓練的過程中難以達到全局最優(yōu)。圖7展示了神經(jīng)網(wǎng)絡的均方誤差隨隱含層神經(jīng)元數(shù)量增加的變化情況，可得當神經(jīng)元數(shù)量為15時，ENN的均方誤差最小，為0.08,所以隱含層和承接層的神經(jīng)元的數(shù)量為15.

3.2.2SSASSA是模擬麻雀群體覓食和反捕食行為提出的群智能優(yōu)化算法。圖8展示了SSA優(yōu)化ENN連接權重的流程。

圖8SSA優(yōu)化ENN連接權重的流程

其步驟如下：

1）對實驗的175組油樣數(shù)據(jù)集進行訓練集和測試集的劃分。對175組變壓器油樣的超聲波數(shù)據(jù)集進行劃分，隨機劃分為140組的訓練集和35組的測試集。

2）確定輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行歸一化處理。其中，將經(jīng)過KPCA降維得到的103維數(shù)據(jù)作為ENN預測模型和SSAENN預測模型的輸入，輸出為145組變壓器油樣的界面張力值。

歸一化方法用于消除幅值、相位、聲速等不同指標數(shù)據(jù)之間的量綱影響，將其量化在[0,1]的區(qū)間內。歸一化方法的公式為：

x′=a+x-xmin

xmax-xmin

×（b-a）（6）

式中：x′代表在[0,1]區(qū)間內量化后的數(shù)據(jù)，x、xmin、xmax分別代表樣本的原始數(shù)據(jù)及原始數(shù)據(jù)的最小值和最大值，a和b分別代表歸一化后的最大值和最小值；

3）確定ENN的拓撲結構并對神經(jīng)網(wǎng)絡的權值和閾值進行初始化；

4）根據(jù)ENN的神經(jīng)網(wǎng)絡結構，計算出需要優(yōu)化的變量元素個數(shù)；

5）SSA參數(shù)的初始化。具體參數(shù)分別為初始麻雀數(shù)，麻雀初始位置，發(fā)現(xiàn)者和加入者的占比情況，迭代次數(shù)上限值，上、下邊界值，種群警戒值和安全值等參數(shù)；

6）SSA優(yōu)化ENN的權值和閾值，適應度函數(shù)設置為ENN預測的均方誤差，循環(huán)SSA優(yōu)化過程，不斷更新麻雀群中發(fā)現(xiàn)者、加入者和警戒者的位置等參數(shù)直至最大迭代次數(shù)，終止SSA;

7）將SSA優(yōu)化后得到的最優(yōu)權值和閾值參數(shù)輸出傳遞至ENN,以最優(yōu)的SSAENN模型訓練和預測數(shù)據(jù)。

3.3預測模型的預測效果分析

圖9給出了以140組樣本為訓練集對ENN和SSAENN預測模型進行訓練后，其余未參加訓練的35組樣本的界面張力預測值。與測試集的界面張力實測值相比，ENN預測模型的預測值整體差值較大，預測差值最大為14.58mN/m,最小為1.38mN/m;SSAENN預測模型的整體預測差值較小，個別變壓器油測試樣本的預測差值較大，預測差值最大為6.08mN/m.

圖9預測值與實測值

圖10為35組變壓器油測試集樣本相對預測誤差折線圖，觀察可得ENN預測模型的相對預測誤差起伏較大，最高達到39.52%,平均相對預測誤差為16.67%,而經(jīng)過SSA優(yōu)化后的SSAENN模型預測誤差起伏相對較小，大多分布在相對預測誤差為0的分界線的附近，平均相對預測誤差為6.53%.對比SSA優(yōu)化ENN前后對界面張力的預測效果，ENN預測模型的準確率為83.33%,SSAENN神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型的準確率達到了9347%,達到了通過多頻超聲檢測對變壓器油界面張力的有效預測效果。

圖10測試集樣本的相對預測誤差

通過觀察SSAENN預測模型測試集各樣本的相對預測誤差，有5組樣本的預測誤差相對較大，超過15%,分別為17.35%、17.50%、15.91%、1602%和19.06%.為分析SSAENN預測模型中誤差異常高的5組樣本，對油樣進行其他油務常規(guī)實驗指標的檢測，分別為微水含量、擊穿電壓、介質損耗因數(shù)。表2為GB/T7595—2017對運行中變壓器油的質量要求。表3為預測誤差較大的油樣參數(shù)。由表2和表3可知，雖然5組變壓器油樣的界面張力和介質損耗因數(shù)滿足國標要求，但微水含量和擊穿電壓均不滿足國標要求，其中5組油樣的微水含量分別超標9.42、16.11、1283、10.94、42.83mg/L,擊穿電壓離達標分別還差17.4、27.5、21.2、13.3、18.6kV,說明預測相

對誤差較大的5組變壓器油樣都發(fā)生了劣化，導致預測誤差相對較大。

表2GB/T7595—2017規(guī)定的運行中變壓器

表3預測誤差較大的油樣參數(shù)

4結論

基于多頻超聲波檢測技術和人工神經(jīng)網(wǎng)絡對變壓器油的界面張力進行了分析和研究，對實驗中選取的175組變壓器油樣進行界面張力的測定和多頻超聲波檢測，通過對比5組不同界面張力的幅頻響應和相頻響應，分析了超聲波信號同界面張力之間的關系，對實驗采集到的242維數(shù)據(jù)運用KPCA降維至103維后，結合人工神經(jīng)網(wǎng)絡建立了基于ENN和SSAENN的2種界面張力預測模型。對比SSA優(yōu)化前后預測模型的準確率，結果顯示SSA優(yōu)化后的SSAENN神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型的準確率達到93.47%,預測效果優(yōu)于ENN神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型。與界面張力傳統(tǒng)檢測方法相比，多頻超聲波檢測方法檢測時間短，且檢測重復性好，因此基于多頻超聲波檢測技術和KPCASSAENN神經(jīng)網(wǎng)絡建立的預測模型對界面張力的識別具有可行性，為電力行業(yè)變壓器油的品質檢測提供了新的思路。