基于支持向量回归的空气间隙击穿电压预测

摘 要：受我国能源分布和负荷中心地理位置的制约，必定实行西电东送，南北互供，全国联网的电力发展战略。这就导致输电线路及变电站不可避免要修建在复杂大气条件地区，而空气间隙的绝缘性能是输电线路设计、杆塔的选型及变电站空气间隙绝缘距离的选择的一个关键因素。本文根据不同气压、绝对空气湿度、温度、水蒸气压、相对空气密度下的空气间隙击穿电压试验数据，提出了一种基于支持向量回归的空气间隙击穿电压的预测模型。模型的预测结果表明：基于支持向量回归模型的预测结果与试验结果温和很好，表明该方法为复杂大气条件下空气间隙击穿电压的获得提供了一条可能的途径。

关键词：支持向量回归；空气间隙；击穿电压；气压；湿度；温度

中图分类号：TH165.3

气体常作为电力系统和电气设备中的绝缘介质，也是应用最广泛、最廉价的绝缘材料。空气间隙的击穿电压直接关系到架空输电线路相与相之间、架空线与杆塔之间、架空线与避雷线之间的空气间隙距离的选择，这直接决定杆塔的选择、设计以及线路走廊的宽度，同时也决定变电站很多带电体与地面之间的距离。实际的架空输电线路及电站坐等利用空气绝缘的地方不能一味的追求大的空气间隙距离，使得绝缘度较大，线路运行安全，这样会大幅度增加输电线路的投资成本；同时，又不能使空气间隙距离过小，埋下安全隐患，必须结合技术经济指标，避免大幅度成本增加，又能使输电线路及电站安全的运行。这就需要准确的预测不同气象条件下空气间隙的击穿电压，为架空输电线路杆塔等的选择、设计提供技术参考。因此，开展复杂大气条件下空间间隙击穿电压的研究具有重要的社会经济效益及理论、工程实际意义。

支持向量回归（Support Vector Regression，SVR）是Vapnik等人根据统计学习理论提出的一种新的机器学习方法，是统计学习理论中最年轻的内容，也是最实用的部分。它采用结构风险最小化（Structural Risk Minimization Principle，SRM）原理，同时最小化训练样本的经验风险和置信范围来保证学习的推广性，对小样本情况有较好的泛化性能。在求解预测模型的过程中SVM最终转化成了线性条件的凸二次优化问题，从理论上说，找到的极值点是全局最优解，不会陷入局部最优解。SVM通过引进核函数和特征空间的概念，将实际的非线性问题映射到高维空间当作线性问题处理，可以得到较为满意的结果。本文拟采用支持向量回归，结合不同大气条件下空气间隙击穿电压实验数据，来准确预测复杂条件下的空气间隙击穿电压。

1 试验数据

由于影响空气间隙50%击穿电压U50的因素主要为气压、绝对湿度、温度等，研究开展了不同气压P、绝对湿度h、温度t、水蒸气压PW、空气相对密度δ下空气间隙的50%击穿电压U50的试验研究。气压P的范围在57.51-98.5之间，对应的海拔高度介于4500-232m之间，温度介于10.5-24℃之间，绝对湿度介于4.24-19.9g/m3之间，这些影响因素的范围较广，基本可以代表自然条件下的出现的气象条件。

2 50%击穿电压U50支持向量回归模型的建立

2.1 支持向量回归原理简介

2.2 支持向量回归模型的训练与预测

训练过程支持向量回归模型时核函数选用径向基核函数。惩罚因子C取为1000000。根据训练后得到的支持向量及b值，输入剩下的8个试验数据中的空气间隙50%击穿电压U50的影响因素，就可以得到预测的空气间隙50%击穿电压U50。

2.3 结果分析与讨论

通过分析可知，复杂气象条件下空气间隙50%击穿电压U50的支持向量回归预测结果与试验结果的最大绝对误差为-14.36kV，最小绝对误差为0，平均绝对误差为5.2kV；预测结果与试验结果的最大相对误差为-4.12%，最小相对误差为0，平均相对误差为1.34%；有些预测结果与试验结果几乎完全一致。通过对比支持向量回归预测的结果与试验可知，预测结果与试验结果吻合的很好，完全能够满足实际工程的需要。

采用支持向量回归可以准确的预测复杂大气条件下空气间隙的50%击穿电压U50，可为实际工程中采用空气绝缘的地方提供技术参考，可为复杂气象条件下输电线路、变电站的空气间隙的选择提供技术依据。同时，还可以减少复杂气象条件下空气间隙50%击穿电压U50的试验量，节省大量的人力物力资源。

3 结论

本文采用气压、空气绝对湿度、温度、水蒸气压、相对空气密度5个变量作为输入变量，应用支持向量回归方法预测了复杂大气条件下空气间隙的50%击穿电压U50，建立了空气间隙50%击穿电压U50的预测模型。预测结果表明，预测的50%击穿电压U50与试验结果吻合的很好，完全能够满足工程实际的需要。

参考文献：

[1]陆宠惠.高海拔外绝缘及电晕特性的研究报告[R].武汉高压研究所，1990.

[2]杨津基.气体放电[M].北京：科学出版社，1983.

[3]高树香，陈宗柱.气体导电[M].南京：南京工学院出版社.

作者单位：重庆市送变电工程有限公司，重庆 400051；

重庆市南岸供电公司，重庆 400051