变压器节能降损适应性评估方法与流程

本发明涉及变压器节能评估、容量规划领域，具体地说是一种从节能降损角度综合评估变压器运行适应性情况的方法。

背景技术：

目前，公知的变压器经济性评价一般单从其全周期成本来看，以LCC方法(全寿命周期成本)为例，其以周期成本低为唯一目标，将出现以下问题：同样能满足一个供区供电要求，一个周期成本较高、但是能耗较低新型变压器与一个周期成本较低、但是损耗较高的变压器，在考虑我国节能减排，需有效抑制碳排放量的背景下，选择困难。依照传统对电力设备的经济性评价方法：1.非可见参数对能耗的影响均采用估计值或者是平均值，没有量化方案；2.单一成本指标将有可能导致对低价、高耗的变压器具有更高的评价，而具备新技术的低耗能、优结构的高价变压器被淘汰。

此外，传统变压器全寿命周期成本计算中对于负载、运行时间均采用估计值或平均值，忽略重载或负荷高峰时所造成的额外损耗；同时对运行中产生的操作损耗及环网损耗一般忽略，造成变压器损耗的漏算。其统计跨度在全寿命周期(一般为20年)，电费、电量、也一般采用均值，对于日后形成较为完善的电力市场来说，可能出现计算偏离实际较多的情况。

技术实现要素：

为克服传统变压器评价方法由于时间窗过长导致的概数、平均过多，非参数信息被忽略，节能性能在评价中遭到淹没的缺陷，本发明提供一种变压器节能降损适应性评估方法，该方法的时间窗以小时为单位，统计跨度为全年，建立完善细化的损耗模型及节能角度的评价二维指标，以解决对变压器适应性的评价问题。

为此，本发明采用如下的技术方案：变压器节能降损适应性评估方法，其特征在于，采用经济指标及节能指标分级评估作为变压器适应性评估手段，对于变压器损耗以小时为时间窗提出改进的分项损耗计算方法，以年为综合指标评价时间窗，形成一种从节能降损角度评估变压器运行适应性的二维方法。

进一步地，所述经济指标采用的评估模型为：

上式中，η_i为经济指标，表示成本量对利润占比；CI_i为变压器一次性费用折至第i年的折旧成本，CM_i为第i年例行维护成本，CD_i为报废成本平摊至第i年，C_g为基础上网电费，C_p为单位电价平均利润，H_Δ,H_C,H_cr分别为变压器运行损耗、环流损耗及安全损耗，∑H表示变压器用电总量，CO_i为第i年运行成本；

所述节能指标采用的评估模型为：

其中，η_loss为节能指标，表示整体损耗费用占利润的比例；C_g为基础上网电费，C_p为单位电价平均利润，H_Δ,H_C,H_cr分别为变压器运行损耗、环流损耗及安全损耗，∑H表示变压器用电总量，CO_i为第i年运行成本；

以计算得到的η_i，η_loss为横坐标，适应性等级为纵坐标，绘制得到二维的变压器适应性分级依据图，按照变压器适应性分级依据图对变压器适应性进行评价，适应性等级越低，表示适应性越好。

进一步地，所述变压器运行损耗的计算公式如下：

上式中，H_Δ为一年内变压器铁损、铜损综合损耗电量，P₀为空载有功损耗，K为无功当量，指单位无功损耗引起的有功损耗，Q₀为空载无功损耗，T为全年运行小时数；f(t)＝S表示变压器负荷功率在一天内的变化函数，t为最小时间单位，此处为1小时；P_k、Q_k分别为额定短路有功、无功损耗，S_e为变压器额定容量。

进一步地，所述变压器安全损耗的计算公式如下：

式中，f(t)＝S为变压器负荷功率在一天内的变化函数，t为最小时间单位，此处为1小时；α为负荷损失价值系数，代表损失负荷的赔偿比例；λ为安全性损失代价系数；C_f/C_e为维修费用与电力上网费用之比，将维修费用折算至电量损失，T为全年运行小时数，P′_cr为修正后的故障概率，S_e为变压器额定容量。

进一步地，变压器基础故障率采用如下表达：

上式中，P_cr为故障概率，其为在同一供区内，过去长时期故障容量总量与故障处理时间的积，比上全部容量与总时间的积；m为故障的变压器数量；n为供区内变压器数量；S_i为单座变压器容量；t_cr为单台故障处理时间；T为总时间；

综合考虑故障概率影响因素，采用模糊离散化方式将相关因素量化，采用BP神经网络方法对综合概率进行修正，采用matlab中newff函数用作神经网络计算，输入向量为分别表示基础概率、接缝紧密度、毛刺、噪声、监测量、内部改善；

输出量为修正的故障概率P'_cr，样本侧取得采用在局部放电监测中针对新旧变压器相关属性及故障概率进行确定。

P'_cr＝f_bp(P_cr,G_f,M_c,N_r,O_on,I_in)，

其中f_bp代表经样本训练后采用BP神经网络计算方式修正函数。

进一步地，所述变压器环流损耗的计算公式如下：

上式中，I_C代表二次侧电磁环流，U_C表示二次侧母线电压，H_C表示环流功率损耗电量，Tj表示合环时间，由于影响环流的负荷情况是变化量，对其离散情况进行积分。

进一步地，二次侧电磁环流的计算公式如下：

I_C＝|U_MV1-U_MV2|_∞/(Z_k1+Z_k2)，

上式中，U_MV1、U_MV2代表两台变压器的二次侧电压，Z_k1、Z_k2为两台变压器的阻抗电压值。

进一步地，所述变压器二次侧电压的相关计算公式如下：

ε％＝F(t)＝f(t)/S_e·(U_R％·cosφ+U_x％·sinφ)

U_MV＝U₀·(k₀/k')·(1-ε％)

上式中，ε％为电压调整率，f(t)＝S为变压器负荷功率在一天内的变化函数，U_R％为电阻电压百分数，U_x％为电抗电压百分数，S_e为变压器额定容量，I_f为相应分接头下对应的电流值，cosφ为功率因数，φ表示功角，Z_k为阻抗电压值，U₀为额定电压，U_MV为二次侧实际输出电压值，k₀为额定变比，k'为实际变比。

进一步地，所述的变压器适应性分级依据图中，等级在0-1之间评定为A级，对于节能指标表示对工况下节能适应性极好，能耗占比极低，对于经济指标来说，表示经济适应性极高；等级在1-2之间评定为B级，对于节能指标表示对工况下节能适应性较好，能耗占比较低，对于经济指标来说，表示经济适应性较高；等级在2-3之间评定为C级，对于节能指标表示对工况下节能适应性一般，对于经济指标来说，表示经济适应性一般；等级在3-4之间评定为D级，对于节能指标表示对工况下节能适应性较低，在选型的各个方面存在至少一项对节能性能有不利影响的情况，对于经济指标来说，表示经济适应性较低；等级在4-6之间评定为E级，对于节能指标或经济指标来说，表示有几项对相关指标具有不利影响的情况；等级在6以上评定为F级，对于节能指标或经济指标来说，损耗明显大于可接受范围，耗损及成本占比极高，可能存在危害变压器正常运行的情况或容量与负载严重不符。

工程应用中，A级表示适应性非常好，是合理优选的情况；B级表示中等偏上的合理方案；C级表示该变压器选型或评测基本负荷运行要求，使用负荷经济性或节能性；D级表示运行中出现了影响经济性或节能性的问题，需要研究改善运行条件，但可以勉强接受运行结果；E级表示运行变压器已出现了较大运行问题，虽在继续运行但是需要严格监控排除问题，并及时检修维护，若是变压器规划需重新选型；F级表示经济性或节能性已经超出了运行可接收条件，运行的变压器应及时安排更换，变压器规划需重新选型。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：考虑了变压器非参数特征对安全损耗的修正，采用小时为时间窗提高了周期成本、损耗的计算精度，从经济、节能二维标准对变压器适应性进行评价，对现有变压器及变压器规划选型提供了节能适应性评估依据。

附图说明

图1为110kV变压器适应性分级依据图，横坐标为计算得到的指标值，纵坐标为适应性评定等级。

图2为某110kV(50MVA)变压器典型日负荷曲线样例。

图3为某110kV(50MVA)变压器全年最高负荷曲线样例。

图4为本发明经济指标、节能性指标的组成及关联图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

1.初始投资折算

初始投资折算记及变压器购置费、安装、建设费及初次安装及试运行发生的一次性费用(简称初次运行费，即测试费)，由于变压器具有较长使用年限，为与其他费用同步，该一次性费用折算至每一年。考虑安装、建设费及其他费用为单笔支付，设备购置为借、贷分期偿还性质，折算如下：

上式中，CI_i为变压器一次性费用折至第i年的折旧成本，T为变压器全寿命时间，一般取为20年，C_d为购置费，σ为银行利率，C_b,C_e,C_t分别为建设费、安装费及测试费。

2.运行方式损耗

变压器损耗主要分为空载损耗及短路损耗，包括：空载有功损耗、短路有功损耗、空载无功损耗、短路无功损耗。变压器铭牌上一般标记空载有功损耗及额定负载下的短路有功损耗，空载无功损耗及额定负载下的短路无功损耗按下式计算：

Q₀＝I₀％·S_e·10^-2 (2)

Q_k＝U_k％·S_e·10^-2 (3)

上式中，Q₀为空载无功损耗，I₀％为空载电流百分比，S_e为变压器额定容量，Q_k为短路无功损耗，U_k％为短路电压百分比。

对于空载损耗来讲，其为恒定值且和负载无关；对于短路损耗，其与负载相关，一般文献采用平均负载系数来表述，也可使用实际工作功率与额定功率比值的平方来计算：

P'_k＝β²·P_k＝(S/S_e)²·P_k (4)

Q'_k＝β²·Q_k＝(S/S_e)²·Q_k (5)

上式中，S_e为变压器额定容量，S表示变压器实际负荷值，P'_k、Q'_k分别为在某负荷下的短路有功、无功损耗，β为平均负载系数，P_k、Q_k分别为额定负载下的短路有功、无功损耗。

考虑铁损在变压器运行时一直存在，而铜损在变压器运行时需要根据负载情况变化，如式4、5，所以按照年负荷情况根据每小时负载状况对铜损进行计算，铁损、铜损电量由下式计算全年运行损耗。

上式中，H_Δ为一年内变压器铁损、铜损综合损耗电量；P₀为空载有功损耗，K为无功当量，一般取0.1，指单位无功损失引起的有功损失；T为全年运行小时数；f(t)＝S为变压器负荷功率在一天内的变化函数，根据现有实测数据可细化至每小时一个离散值，根据实际工程需求，采用一个值代表一小时内的负荷水平基本可满足精度要求；t为最小时间单位，此处为1小时。

3.检修维护成本

检修维护成本为日常维护检修发生的成本，该成本可认为每年时基本相同的，表述如下：

CM_i为当年例行维护成本，一年维护次数n次，C_pmj为每次维护所开销的费用，C_re为当年检修费。

4.变压器并列运行环流损耗

考虑部分变压器在运行过程中由于调度需要及负载不平衡需要，产生并列运行的情况，在相关设备符合并列运行条件的前提下，记及变压器损耗时也需考虑该部分损耗。相关损耗计算方式如下：

ε％＝F(t)＝f(t)/S_e·(U_R％·cosφ+U_x％·sinφ) (8)

U_MV＝U₀·(k₀/k')·(1-ε％) (10)

上式中，ε％为电压调整率，f(t)＝S为变压器负荷功率在一天内的变化函数，U_R％为电阻电压百分数，U_x％为电抗电压百分数，I_f为相应分接头下对应的电流值，cosφ为功率因数，φ表示功角，Z_k为阻抗电压值，U₀为额定电压，U_MV为二次侧实际输出电压值，k₀为额定变比，k'为实际变比。对于电磁环流造成的功率损耗如下：

I_C＝|U_MV1-U_MV2|_∞/(Z_k1+Z_k2) (11)

上式中，I_C代表电磁环流(二次侧)，U_MV1、U_MV2代表2台变压器的二次侧电压，Z_k1、Z_k2为两台变压器的阻抗电压值，U_C表示二次侧母线电压，H_C表示环流功率损耗电量，Tj表示合环时间，由于影响环流的负荷情况是变化量，对其离散情况进行积分。

5.变压器报废折算

变压器报废或置换情况下，费用包括处置、残值、扩建差额三类费用；其中，扩建差额表示变压器因容量不足等问题需要置换时当年一次折旧费与新换变压器当年一次折旧费的差额。

CD_i＝(C_dis+C_c+ΔC_epd)/T (13)

CD_i为报废成本平摊至当年，C_dis为变压器处置费，C_c为变压器残值，ΔC_epd为扩建差额，T为变压器全寿命年限。

6.变压器安全损耗模型

考虑影响变压器及其相关供电安全性的问题主要由2点出发：1.变压器自身安全属性；2.停运对负载的影响。考虑在目前继电保护较为完善的情况下，当发生变压器故障时，继保设备及时跳开变压器各侧开关，不发生变压器整体报废或重大损失。

变压器故障概率主要与以下属性相关：(1)硅钢片或非晶合金片和阶梯接缝；(2)剪切毛刺情况；(3)运行噪声，风扇噪声；(4)变压器在线监测情况；(5)内部工艺改善。

变压器基础故障率采用如下表达：

上式中，P_cr为故障概率，其为在同一供区内，过去长时期故障容量总量与故障处理时间的积，比上全部容量与总时间的积；m为故障的变压器数量；n为供区内变压器数量；S_i为单座变压器容量；t_cr为单台故障处理时间；T为总时间。

综合考虑故障概率影响因素，采用模糊离散化方式将相关因素量化，采用BP神经网络方法对综合概率进行修正。采用matlab中newff函数用作神经网络计算，输入向量为分别表示基础概率，接缝紧密度，毛刺，噪声，监测量，内部改善。对相关修正量安等级量化，在线监测情况举例，O_on∈[-3,3]；当监测情况极佳，超声局部放电监测值小于背景噪声时，说明变压器内部绝缘完好，运行安全，取值为3；当监测到巨大局部放电信号，变压器内部绝缘出现高频高幅值放电时，变压器故障几率明显提高，取值为-3；在中间运行区间，根据相关局部放电情况评估制定相应取值。接缝紧密度G_f∈[0,2]，接缝十分紧密取值为0，略有间隙取值为1，缝隙较大肉眼可见明显缝隙时取值为2。毛刺情况M_c∈[0,3]为变压器外部油漆处及底部附拼接处近毛刺情况，若无毛刺，取值为0，若存在小毛刺，如上漆不均造成的毛刺或剪切毛刺取值为1，若毛刺数量较多且为金属毛刺，取值为2，若金属毛刺长度较长，严重影响局部构造，取值为3。噪声情况N_r直接采用变压器运行时1m处噪声测试仪所测噪声分贝数值，该数值测取时应尽量远离其他设备，减小干扰。

输出量为修正的故障概率P'_cr，样本侧取得采用在局部放电监测中针对新旧变压器相关属性及故障概率进行确定。

P′_cr＝f_bp(P_cr,G_f,M_c,N_r,O_on,I_in) (15)

其中f_bp代表经样本训练后采用BP神经网络计算方式修正函数。

在得到修正故障概率得到后，考虑容载比，负荷丢失，重负荷损耗，检修需求等情况，综合电量损耗模型如下：

上式中，H_cr为变压器故障损耗电量，f(t)＝S为变压器负荷功率在一天内的变化函数，容载比在正常情况下均大于1，对同一变电站来讲，即使一台变压器故障全停，部分或全部负荷可由剩余变压器转带，所以在计算负荷安全性损失时考虑容量因素；α为负荷损失价值系数，代表损失负荷的赔偿比例；λ为安全性损失代价系数，当一台变压器故障停电时对整体供电可靠性造成了影响，该影响在容载比大于2时造成的安全影响相对较小，在容载比不断增加(负荷不断加重)时变压器安全损失加速上升；C_f/C_e为维修费用与电力上网费用之比，将维修费用折算至电量损失。

7.双指标评估模型

为细化变压器运行情况评估方法，通过改进和多侧面描述来完善对变压器损耗及成本的描述，本发明采用以下综合周期成本占比来评估变压器节能情况。

上式中，η_i为成本指标，表示成本量对利润占比，体现经济性，CI_i为变压器一次性投入折至当年的折旧费用，CM_i为当年例行维护成本，CD_i为报废成本平摊至当年，C_g为基础上网电费，C_p为单位电价平均利润，H_Δ,H_C,H_cr分别为变压器运行损耗、环流损耗及安全损耗，∑H表示该变压器用电总量，CO_i为运行成本。η_i越低表示单位成本所能造成的利润越高，其效益越好。

其中，C_g为基础电价，C_p为单位电价平均利润，H_Δ,H_C,H_cr分别为变压器运行损耗、环流损耗及安全损耗，ΣH表示该变压器用电总量，CO_i为第i年运行成本。η_loss表示整体损耗费用占收益的比例，该比例越低说明变压器效率越高，是从变压器节能方面改进的评估指标。

将计算值η_loss，η_i分别代入分级图得到二维的适应性等级，按照损耗等级对变压器运行适应性进行评价，适应性等级越低，表示适应性越好。

应用例：相关计算及实现步骤如下：

1.收集待测变压器、变电站点及电网的相关参数，包括：电压等级，寿命周期(一般为20年)，变压器铭牌标注的空载有功损耗，空载无功损耗，短路有功损耗，短路无功损耗，容量，变压器全年带电时间，网络功率因数，前三年内上一等级供区内变压器故障停电总容量及对应时间，及变压器外部属性：(1)硅钢片或非晶合金片和阶梯接缝；(2)剪切毛刺情况；(3)运行噪声，风扇噪声；(4)变压器在线监测情况；(5)内部工艺改善。

2.对变压器所带负荷情况进行细化至小时级，取得全年变压器负荷日高峰，依照典型负荷日24小时负荷分布情况按比例缩放24小时负荷至每天，获得全年每小时变压器负荷量。采集量如图2所示。

3.对于图4中C1-C6部分，按照前述计算公式进行计算，得到各分项成本或损耗。

4.用公式17，18计算节能可变损耗与利润比值作为评价指标得到终值后代入图1找到对应的分级区间，确认区间后，按照附图说明中评价方式进行评价。图1的分级图依据大量计算值及现有110kV变压器分级情况综合绘制。