考虑多因素的变压器过负荷性能评价模型建模方法与流程

本发明涉及变压器运行可靠性建模技术领域，特别是涉及考虑多因素的变压器过负荷性能评价模型建模方法。

背景技术：

随着社会经济的高速发展，城乡用电负荷连连攀升，供电形势日益严峻。鉴于电网建设用地成本、设备成本的压力，以及电网规划滞后的问题，输变电设备会在确保系统安全稳定的前提下，进行适当的过负荷运行。

目前，已有大量针对输电线路过负荷性能的研究。但油浸式变压器由于其受环境因素影响不大，以及考虑的附件装置更为繁复，现有成果较少。

已有的关于变压器过负荷性能评价的国内外研究主要仅从热点温度建模和顶层油温建模等几方面进行。热点温度建模常用的有热传导模型和热电类比模型。热电类比模型，由于两者方程的实验解可通用，将传热量类比为电流、温度类比为电压、热电导热电容类比为电路中的电导电容，进而得出变压器热分布等效电路模型，最终求得绕组热点温度。但是，热点温度或顶层油温建模不能全面准确地评价过负荷性能。

综上所述，现有技术中对于变压器过负荷性能评价的问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了考虑多因素的变压器过负荷性能评价模型建模方法，本发明考虑了影响变压器过负荷运行的性能指标包括绕组热点温度限制、设备故障率限制以及经济盈亏指标。通过模型基础分析、模型搭建并介绍建模流程以及各因素建模方式。确立了基于多因素能评价变压器过负荷性能影响的模型，为电网风险评估及工程应用提供理论支撑。

考虑多因素的变压器过负荷性能评价模型建模方法，包括以下步骤：

步骤一：基于调度运行与生产管理信息平台进行数据的采集：获取变压器的环境信息，变压器负载率，变压器设备当前状态，变压器的历史记录，变压器所在电网系统运行工况、变压器售价、售电及上网价格；

步骤二：基于多因素指标的模型建立：将采集的数据代入基于热点温度建模及顶层油温建模的传统热传导模型公式中，获得变压器给定时间内稳定运行最大负载率k1，针对传统热传导模型加入修正因子，得到修正后的热点温度模型；

建立变压器故障率awh模型，将采集的数据作为参量输入变压器故障率公式，获得变压器限定时间内稳定运行最大负载率k2，k1与k2相互独立；

将采集的数据作为参量输入经济损失、经济收入公式中，两者叠加获得变压器经济盈亏模型；

步骤三：模型的性能评价：针对修正后的热点温度模型判断变压器热点温度是否小于限值，若否，则减小k1值，重新修正传统热传导模型，若是，则选择最大负载率k1及最大负载率k2的最小值；

针对变压器故障率awh模型，判断故障率是否小于限值，若否，则减小k2值，重新得到变压器故障率awh模型，若是，则选择最大负载率k1及最大负载率k2的最小值；

取前述确定的最大负载率k1、最大负载率k2两者的较小值k，将k作为自变量输入经济盈亏模型中的经济损失、经济收入公式，实现从经济盈亏角度对变压器过负荷性能评价。

其中，步骤一中，采集的数据包括：获取变压器的环境信息，变压器负载率，变压器设备当前状态，变压器的历史记录，变压器所在电网系统运行工况、变压器售价、售电及上网价格；

具体的，变压器的环境信息包括覆冰、山火、雷电、微气象等信息，变压器设备当前状态包括产气速率及绕组热点温度等，变压器的历史记录包括变压器的检修、事故记录等，变压器所在电网系统运行工况指变压器潮流、电压、频率、温度等所在电网系统运行工况。

进一步的，利用变压器热点温度综合修正因子m，对绕组热点温度进行修正，改进后的热点温度θh(t)表示为：

θh(t)＝m·θh(t)。

进一步的，变压器的热点温度综合修正因子m的计算公式为：

式中，m1为环境信息情况的修正因子，m2为故障预测修正因子，m3为历史统计数据的修正因子。

进一步的，所述环境信息情况的修正因子m1所包括的具体因素为：地理信息、极端天气、冷却类型；

历史统计数据的修正因子m3所包括的具体因素为：家族缺失、历史缺陷、历史故障。

进一步的，所述变压器故障率awh模型考虑了健康程度和负载率，具体表达式为：

式中，b、c和θh是计算期望寿命的参数，根据实际查询行业标准(iec60076-7—2005powertransformers-part7)可得具体参数值；形状参数β和指数关系e表达式系数n通过非序贯montecarlo方法对历史数据抽样拟合得出；η为特征寿命参数，θh为修正后的热点温度；健康指数γhi和时间t为自变量，γhi与θh的关系可由统计数据确定。

进一步的，所述变压器经济盈亏模型的过负荷运行经济盈亏性指标由过负荷运行一段时间内经济收入和经济损失叠加情况来定量判断。

进一步的，所述过负荷运行的经济损失包括过负荷运行产生偶发故障导致系统临时停运的概率损失ca，概率损失ca由设备停运后的电费损失ce及设备临停联合损失cf组成，即：

ca＝ce+cf。

进一步的，电费损失ce表达式如下：

式中，sn变压器额定容量，ki为负载率，cosθ为功率因数，rout为标准售电价格，rin为标准上网价格。

进一步的，经拟合统计数据的设备临停联合损失数据，得出设备临停联合损失cf表达式为：

cf＝f·k·sn·cosθ

f＝e^0.0083t-0.01246t-1

式中，f为设备临停联合损失函数，t的单位是分钟，f的单位是元/千瓦。

进一步的，变压器的过负荷运行总损失call为：

其中：

式中，rt为变压器的价格，pk、p0为变压器的负载及空载损失。

进一步的，避免部分重要设备停运断供的机会收入iw，其表达式根据历史数据拟合如下：

iw＝(k-1)·(-0.0015t²+3.3432t+849.8)·sn·cosθ

式中，t的单位为分钟。

进一步的，变压器的过负荷运行总收入iall为：

式中，sn为额定容量，k为负载率，cosθ为功率因数，rout为标准售电价格，rin为标准上网价格，t的单位是分钟，过负荷运行的收入主要源于高负载率下的额外电费ie。

进一步的，经济盈亏指标z表达式为：

z＝iall-call。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所建立的模型综合考虑了影响变压器过负荷性能的热点温度限制、故障率限制以及经济盈亏指标等多元因素，相较于已有的过负荷评价模型约束条件更为全面。改进的热点温度模型相较于传统热传导模型，在评估变压器热点温度方面精度能得到有效提升。考虑概率损失的经济盈亏指标可更为全面精确地评价变压器过负荷性能，在工程应用中可实用性大。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的总体建模架构流程图；

图2是本发明的热点温度修正框架图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在变压器过负荷性能评价模型不够全面的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种考虑多因素的变压器过负荷性能评价模型建模方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了考虑多因素的变压器过负荷性能评价模型建模方法，影响变压器过负荷运行的性能指标包括绕组热点温度限制、设备故障率限制以及经济盈亏指标。通过模型基础分析、模型搭建并介绍建模流程以及各因素建模方式。确立了一种基于多因素能评价变压器过负荷性能评价的方法，为电网风险评估及工程应用提供理论支撑。

收集影响变压器过负荷运行的相关数据。当变压器热点温度高于常规值时，变压器内部会产生气泡，降低其机械强度；而变压器故障率高于限定值时，会影响既定区域内电网的运行稳定。模型在传统热传导模型的基础上，加入修正因子，使得改进的热点温度模型可量化多因素下的变压器热点温度。通过故障率建模确定故障率限制。对于热点温度和故障率约束，需要设定一个上限。而热点温度与负载率通过修正的热点温度模型联系，故障率与负载率由设备故障率模型关联，因此两个指标均可用负载率的值来等价量化表征。

过负荷运行经济盈亏指标由过负荷运行一段时间内的经济收入及损失叠加来定量判断。过负荷运行的损失不仅取决于高负载率下加速设备老化产生的寿命损失，铜耗、铁耗等其它损耗而导致的阻抗损失。模型还提出在过负荷运行时全部设备临时偶发中断运行，进而造成社会经济损失的概率损失概念。过负荷运行的收入主要来自高负载率下收取的额外电费，以及防止重要用户停电而产生的机会收入。采用利润最大和盈亏平衡两项指标来对过负荷性能进行评价。

本方法解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤(1)设备绕组热点温度模型改进

变压器实际运行中，其绕组热点温度θh不仅取决于传统热传导模型中的温度θa、负载率k和各种参量大小，且与变压器的环境信息、故障预测和历史统计结果等要素相关。结合《iec60076-7-2005》导则、《ieeec57.104》导则、《gb/t7252-2001变压器油中溶解气体分析和判断》导则，以及某电力公司输变电设备状态评估系统接入的包括ems和pms在内的多源异构数据，整理多因素下变压器热点温度的样本，对比传统热传导模型计算的热点温度与《gb/t1094.7-2008》导则差异，提出变压器热点温度综合修正因子m(modifyingfactor)概念，对绕组热点温度进行修正。改进后的热点温度θh(t)表示为：

θh(t)＝m·θh(t)(1)

变压器的热点温度综合修正因子m的计算公式为：

式中，m1为环境信息情况的修正，m2为故障预测修正，m3为历史统计数据的修正。

如图2所示，下面就具体因素进行预评估：

(1)地理信息：室内或室外变电站会作用于其运行温度，进而使其热点温度发生变化，变压器的地理信息主要考虑了变电站的类型。室内变电站附带了散热排风装置，比常年暴露在外部的室外变电站更少地受环境温度影响，根据《iec60076》导则，给出区分二者差异的地理信息修正如表1所示。

表1地理信息修正值

(2)极端天气：绕组热点温度与环境温度相关，后者的升高直接导致前者迅速升高，当处于极端天气(过冷或过热)时，环境温度会比常温时更大程度地影响绕组热点温度。为区分差异，根据《iec60076》导则给出极端环境温度影响修正，如表2所示。

表2极端天气修正值

(3)冷却类型：变压器油的散热情况取决于变压器容量及冷却类型，散热程度影响绕组热点温度的高低，根据《gb/t7252-2001变压器油中溶解气体分析和判断》导则规范，表3修正了冷却类型参数。

其中，ofaf为强迫油循环，onan是油浸自冷，onaf为油浸风冷方式。

表3冷却类型修正值

(4)故障预测：变压器常见故障由放电和过热引起，其中过热故障包括低温、中温、高温过热；放电故障含局部、低能以及电弧放电。发热故障对热点温度的影响一般大于放电故障，依据《gb/t7252-2001变压器油中溶解气体分析和判断》导则规定，表4进行了不同故障预测的修正。

表4故障预测修正值

(5)家族缺失：为体现变压器生产厂商、型号差别导致的质量、分布运行性能差异，针对海量厂商信息，确定不同的可靠性等级划分标准如下：

1-质量合规，未发生任何问题；

2-质量较合规，有过几次缺失，对设备安全运行无影响；

3-质量不合规，有反复性缺失，影响安全运行。

根据等级确定相应的修正如表5所示。

表5家族缺失修正值

(6)历史缺陷与故障：变压器的状态可划分为4个阶段：①良好，无殊且不需检修；②注意，短期运行可靠性无明显影响，长期运行前需适时维修；③严重，可运行，但短期运行可靠性下降，经维修也不一定能改善；④故障，退出运行后经过检修可恢复工作，但成本高昂建议更换。变压器历史缺陷记录越多，对变压器的影响越大，间接造成热点温度变化。根据《ieeec57.104》导则，对于历史缺陷记录及历史故障次数，给出修正值如表6和表7所示。

表6历史缺陷修正值

表7历史故障修正值

步骤(2)设备故障率建模

已有的故障率建模研究多采用基于老化的weibull模型，未考虑设备运行期间的健康状况。设计考虑健康程度和负载率的变压器故障率awh模型，其表达式如下：

式中，b、c和θh是计算期望寿命的参数，根据情况查表所得；形状参数β和指数关系表达式系数n通过非序贯montecarlo方法对历史数据抽样拟合得出；健康指数γhi和时间t为自变量，γhi与θh的关系可由统计数据确定。

步骤(3)经济盈亏性指标分析

考虑变压器过负荷运行的经济盈亏性指标时，只能在保障系统安全稳定前提的负载率下，进行短期过负荷运行。本发明认为此负载率由热点温度模型及故障率模型综合判断给出，模型的过负荷运行经济盈亏性指标由过负荷运行一段时间内经济收入和经济损失叠加情况来定量判断。

通常过负荷运行的经济损失仅考虑表征设备加速设备老化产生的寿命损失cl，以及铜耗、铁耗等其它损耗而导致的阻抗损失cp。

但过负荷运行时可能会由于其健康状况下降，产生变压器临时停运的偶然故障现象，造成社会经济的损失。本发明提出基于过负荷运行产生偶发故障，导致系统临时停运的概率损失ca概念。概率损失ca由设备停运后的电费损失ce及设备临停联合损失cf组成，即：

ca＝ce+cf(4)

其中电费损失ce表达式如下：

式中，sn变压器额定容量，ki为负载率，cosθ为功率因数，rout为标准售电价格，rin为标准上网价格。

特别说明，经拟合统计数据的设备临停联合损失数据，得出设备临停联合损失cf表达式为：

cf＝f·k·sn·cosθ(6)

f＝e^0.0083t-0.01246t-1(7)

式中，f为设备临停联合损失函数，t的单位是分钟，f的单位是元/千瓦。据此，变压器的过负荷运行总损失call为：

其中：

式中，rt为变压器的价格，pk、p0为变压器的负载及空载损失。

过负荷运行的收入主要源于高负载率下的额外电费ie。本发明还提出避免部分重要设备停运断供的机会收入iw概念，其表达式根据历史数据拟合如下：

iw＝(k-1)·(-0.0015t²+3.3432t+849.8)·sn·cosθ(10)

式中，t的单位为分钟。

变压器的过负荷运行总收入iall为：

式中，sn为额定容量，k为负载率，cosθ为功率因数，rout为标准售电价格，rin为标准上网价格，t的单位是分钟。

经济盈亏指标z表达式为：

z＝iall-call(12)

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。