一种基于状态监测和可靠性准则的变压器备用方法与流程

本发明涉及变压器备用领域，具体是一种基于状态监测和可靠性准则的变压器备用方法。
背景技术：
：变压器是保证电网正常运行的核心设备之一，承担着能量转换和传输功能，对电力系统的可靠运行具有重要作用，变压器的失效包括可修复失效和老化失效，当变压器发生可修复失效时，通常需要较长的修复时间才能够恢复供电，老化失效是不可修复失效，意味着变压器寿命的终止，当变压器突然发生老化失效时，如果通过购置新的变压器进行更换失效设备则需要更长的时间。因此，变压器发生失效时可能导致严重的停电事故，进而造成严重的经济损失。当变压器发生失效时，备用变压器的安装使用能够有效缩短故障时间，减少停电损失，但是备用变压器的采购、贮备和维护也需要大量的资本投入，如果备用变压器的数量过多，则会增加资本投入，造成不必要的资金浪费，如果备用变压器的数量过少，则会带来不必要的系统风险，难以满足系统运行的可靠性。因此，合理的变压器备用方法能够有效提高系统运行的可靠性和经济性。然而，现有的变压器备用方法缺点在于：1)依据历史故障的统计数据，认为变压器组中的各台变压器具有相同的失效率，忽略了各台变压器的使用时间、运行状况和运行环境的差异；2)备用方法能够确定备用变压器的数量，但并不能确定备用变压器的就位时间；3)只依据变压器的服役年龄评估变压器的老化失效率，并没有考虑各台变压器的实际状态，因而不能准确评估变压器的可靠性和系统的风险性。比如，现有方法提出，设定各台变压器的失效率均为0.015次/年，所确定的备用变压器数量是1台，没有确定备用变压器的就位时间，也有研究是依据变压器的服役年龄计算变压器的老化失效率，忽略了变压器的实际状态。技术实现要素：本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于状态监测和可靠性准则的变压器备用方法，主要包括以下步骤：1)获取变压器数据。所述变压器数据主要包括变压器状态监测量实测数据、变压器状态监测量加权系数、变压器老化失效参数、变压器平均修复时间和变压器平均失效频率。所述变压器老化失效参数主要包括变压器的服役年龄参数、老化失效率模型参数和退役年龄参数。2)计算变压器老化指数。计算变压器老化指数的主要步骤如下：2.1)记第i台变压器状态监测量实测数据集为x＝[xi1，xi2，…，xij，…，xif]。记第j种状态监测量加权系数集为w＝[w1，w2，…，wj，…，wf]。2.2)第i台变压器的老化指数idpi如下所示：式中，xij和wj分别表示第i台变压器的第j个状态监测量的实测数据和加权系数。i＝1,2，…，n。n为变压器台数。j＝1,2,…,f。f为状态监测量个数。i、n、f和j均为自然数。2.3)根据公式1，n台变压器老化指数集合i＝[i1，i2，…，idpi，….，in]。3)计算规划时段t内退役备用的变压器数量和所有变压器的就位时间，规划时段t的周期记为t。计算规划时段t内退役备用的变压器数量和就位时间的主要步骤如下：3.1)计算第i台变压器的绝缘年龄lci，即：3.2)计算第i台变压器在规划时间段t内第k年的绝缘年龄lfik，即：式中，i＝1,2,…,n。n为变压器的台数。k＝1,2,…,t。t为规划时间段。ii为变压器服役年龄参数。3.3)计算第i台变压器在规划时间段t内第k个周期的老化失效率λaik，即：式中，pj为规划时间段t的1个周期内的第j个子时间段的失效概率。其中，规划时间段t的1个周期内的第j个子时间段的失效概率pj如下所示：式中，n为规划时间段t的1个周期内以δx等分的子时间段数。α为变压器老化失效率模型的尺度参数。β为变压器老化失效率模型的形状参数。3.4)对比变压器的退役年龄参数lmax和第i台变压器在规划时间段t内第k个周期的绝缘年龄lfik。若lfik>lmax，则第i台变压器在第k个周期发生退役。4)计算1个周期内变压器的总失效率。计算1个周期内变压器对应的总失效率的主要步骤如下：4.1)计算变压器的可修复失效率λr，即：式中，tr为变压器平均修复时间。fy为变压器平均失效频率。4.2)计算第i台变压器在规划时间段t内第k个周期对应的总失效率λik，即：λik＝λaik+λr-λaikλr(7)式中，λaik为第i台变压器在规划时间段t内第k个周期的老化失效率。5)计算1个周期内变压器处于第m种失效状态的概率。m＝1,2,3，…，nm。nm为失效状态总数。计算周期t内变压器处于第m种失效状态的概率的主要步骤如下：5.1)设定失效变压器的数量，记为nfailure。5.2)枚举出nfailure台失效变压器在发生失效时，所对应的失效状态和失效状态数量nm。式中，和表示不同的失效状态。5.3)计算变压器在规划时间段t的第k个周期内处于第m种失效状态时对应的概率pmk，即：式中，nm为第m种失效状态所对应的失效变压器数量。nm＝0,1,…,nfailure。m＝1,2,…,nm。nm为失效状态数。λbk和λdk分别为第b台变压器和第d台变压器在第k个周期所对应的总失效率。b＝1,2,…,nm。d＝1,2,…,n-nm。5.4)计算第s个失效状态在规划时间段t内第k个周期发生失效时对应的概率psk，即：式中，ns为具有失效变压器数量为x的失效状态数。x＝0,1,…,nfailure。6)计算规划时段t内变压器启用第y种备用方案的可靠性水平，y＝1,2,3，…，ny。ny为备用方案总数。计算时段t内变压器启用备用方案的可靠性水平的主要步骤如下：6.1)设定失效备用的变压器数量，记为nspare。nspare<nfailure。6.2)统计变压器组中依次启用0至nspare台失效备用变压器时所具有的备用方案数ny，即：ny＝nspare+1(11)6.3)计算出变压器组启用各个备用方案在所述规划时间段t内每年分别对应的可靠性水平pyk，即：式中，y＝1,2,…,ny。ny表示备用方案数。7)选取最优备用方案，即选择可靠性水平最高的备用方案，并计算规划时段t内最优备用方案的就位时间和失效备用的变压器数量。计算规划时段t内备用方案的就位时间和失效备用的变压器数量的主要步骤如下：7.1)获取系统可接受的停电持续小时数at，并根据所述变压器的台数n，计算出变压器组设定的可靠性水平re，即：7.2)在规划时间段t内，将第k个周期变压器组的第y个备用方案所对应的可靠性水平pyk和变压器组设定的可靠性水平re进行对比，筛选出pyk＞re所对应的备用方案。7.3)根据所筛选出的备用方案，在规划时间段t内，统计各个备用方案所对应的失效备用的变压器数量和就位时间。8)计算最优备用方案所需贮备的变压器数量。本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明提供了一种基于状态监测和可靠性准则的变压器备用分析方法，通过利用各台变压器的状态监测信息，准确评估各台变压器的实际状态，从而为变压器组制定合理的备用策略，确保电力系统运行的可靠性，避免不必要的资金浪费。本发明能够充分利用变压器状态监测量的实测数据，准确评估变压器的实际状态。本发明所建立的模型考虑了各台变压器的实际状态和失效率，能够准确评估变压器组的可靠性。本发明所提出的方法不仅可以确定备用变压器的数量，也可以确定备用变压器的就位时间，有助于完善电力公司的备用管理体系。附图说明图1为基于状态监测和可靠性准则的变压器备用方法的流程图。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。实施例1：参见图1，一种基于状态监测和可靠性准则的变压器备用方法，主要包括以下步骤：1)获取变压器数据。所述变压器数据主要包括变压器状态监测量实测数据、变压器状态监测量加权系数、变压器老化失效参数、变压器平均修复时间和变压器平均失效频率。所述变压器老化失效参数主要包括变压器的服役年龄参数、老化失效率模型参数和退役年龄参数。2)计算变压器老化指数。计算变压器老化指数的主要步骤如下：2.1)记第i台变压器状态监测量实测数据集为x＝[xi1，xi2，…，xij，…，xif]。记第j种状态监测量加权系数集为w＝[w1，w2，…，wj，…，wf]。2.2)第i台变压器的老化指数idpi如下所示：式中，xij和wj分别表示第i台变压器的第j个状态监测量的实测数据和加权系数。i＝1,2，…，n。n为变压器台数。j＝1,2,…,f。f为状态监测量个数。i、n、f和j均为自然数。2.3)根据公式1，n台变压器老化指数集合i＝[i1，i2，…，idpi，….，in]。3)计算规划时段t内退役备用的变压器数量和所有变压器的就位时间。规划时段t的周期记为t。本实施例周期t为一年。计算规划时段t内退役备用的变压器数量和就位时间的主要步骤如下：3.1)计算第i台变压器的绝缘年龄lci，即：变压器自然年龄是指变压器正常运行的实际年龄，绝缘年龄是指变压器的绝缘老化状态监测量对应的基准年龄。3.2)计算第i台变压器在规划时间段t内第k年的绝缘年龄lfik，即：式中，i＝1,2,…,n。n为变压器的台数。k＝1,2,…,t。t为规划时间段。ii为变压器服役年龄参数。3.3)计算第i台变压器在规划时间段t内第k个周期的老化失效率λaik，即：式中，pj为规划时间段t的1个周期内的第j个子时间段的失效概率。其中，规划时间段t的1个周期内的第j个子时间段的失效概率pj如下所示：式中，n为规划时间段t的1个周期内以δx等分的子时间段数。α为变压器老化失效率模型的尺度参数。β为变压器老化失效率模型的形状参数。3.4)对比变压器的退役年龄参数lmax和第i台变压器在规划时间段t内第k个周期的绝缘年龄lfik。若lfik>lmax，则第i台变压器在第k个周期发生退役。变压器的退役年龄参数lmax为变压器出厂时自带的参数。4)计算1个周期内变压器的总失效率。计算1个周期内变压器对应的总失效率的主要步骤如下：4.1)计算变压器的可修复失效率λr，即：式中，tr为变压器平均修复时间。fy为变压器平均失效频率。4.2)计算第i台变压器在规划时间段t内第k个周期对应的总失效率λik，即：λik＝λaik+λr-λaikλr(7)式中，λaik为第i台变压器在规划时间段t内第k个周期的老化失效率。5)计算1个周期内变压器处于第m种失效状态的概率。m＝1,2,3，…，nm。nm为失效状态总数。计算周期t内变压器处于第m种失效状态的概率的主要步骤如下：5.1)设定失效变压器的数量，记为nfailure。5.2)枚举出nfailure台失效变压器在发生失效时，所对应的失效状态和失效状态数量nm。式中，和表示不同的失效状态。5.3)计算变压器在规划时间段t的第k个周期内处于第m种失效状态时对应的概率pmk，即：式中，nm为第m种失效状态所对应的失效变压器数量。nm＝0,1,…,nfailure。m＝1,2,…,nm。nm为失效状态数。λbk和λdk分别为第b台变压器和第d台变压器在第k个周期所对应的总失效率。b＝1,2,…,nm。d＝1,2,…,n-nm。5.4)计算第s个失效状态在规划时间段t内第k个周期发生失效时对应的概率psk，即：式中，ns为具有失效变压器数量为x的失效状态数。x＝0,1,…,nfailure。6)计算规划时段t内变压器启用第y种备用方案的可靠性水平。y＝1,2,3，…，ny。ny为备用方案总数。计算时段t内变压器启用备用方案的可靠性水平的主要步骤如下：6.1)设定失效备用的变压器数量，记为nspare。nspare<nfailure。6.2)统计变压器组中依次启用0至nspare台失效备用变压器时所具有的备用方案数ny，即：ny＝nspare+1(11)6.3)计算出变压器组启用各个备用方案在所述规划时间段t内每年分别对应的可靠性水平pyk，即：式中，y＝1,2,…,ny。ny表示备用方案数。7)选取最优备用方案，即选择可靠性水平最高的备用方案，并计算规划时段t内最优备用方案的就位时间和失效备用的变压器数量。计算规划时段t内备用方案的就位时间和失效备用的变压器数量的主要步骤如下：7.1)获取系统可接受的停电持续小时数at，并根据所述变压器的台数n，计算出变压器组设定的可靠性水平re，即：7.2)在规划时间段t内，将第k个周期变压器组的第y个备用方案所对应的可靠性水平pyk和变压器组设定的可靠性水平re进行对比，筛选出pyk＞re所对应的备用方案。7.3)根据所筛选出的备用方案，在规划时间段t内，统计各个备用方案所对应的失效备用的变压器数量和就位时间。8)计算最优备用方案所需贮备的变压器数量。实施例2：一种验证基于状态监测和可靠性准则的变压器备用方法的实验，主要包括以下步骤：1)输入所有需要的参数，具体包括：输入某电力公司x变压器组的变压器台数n＝22，以及第i台变压器f＝6个状态监测量的实测数据xij和加权系数wj，其中i＝1,2,…,n，n为变压器台数，j＝1,2,…,f，f为状态监测量个数，其中，加权系数wj如表1所示：表1状态监测量的加权系数wjjj＝1j＝2j＝3j＝4j＝5j＝6加权系数wj62.6952.0240.5330.6156.1753.56输入n＝22台变压器的服役年龄参数ii，如表2所示：表2变压器的服役年龄参数ii输入变压器的老化失效率模型参数α＝6.90和β＝31.40。输入变压器的退役年龄参数lmax＝35。输入规划时间段t＝10。输入n台变压器的平均修复时间tr＝168和平均失效频率fy＝0.65。输入系统可接受的停电持续小时数at＝2.1。2)计算n＝22台变压器的老化指数根据公式(1)，计算n＝22台变压器的老化指数idpi，如表3所示：表3变压器的老化指数idpi3)计算n＝22台变压器在规划时间段t＝10内分别对应的绝缘年龄和老化失效率，并统计退役备用的变压器数量和就位时间根据公式(2)和公式(3)，计算n＝22台变压器在规划时间段t＝10内分别对应的绝缘年龄lfik，如表4所示：表4绝缘年龄lfik绝缘年龄lfikk＝1k＝2k＝3k＝4k＝5k＝6k＝7k＝8k＝9k＝10i＝115.9416.8717.8018.7319.6620.5921.5222.4523.3824.31i＝214.7615.9017.0418.1819.3320.4721.6122.7523.9025.04i＝326.3127.5528.7930.0331.2832.5233.7635.0036.2537.49i＝425.4126.6127.8229.0230.2231.4232.6233.8235.0236.22i＝56.967.818.679.5310.3911.2412.1012.9613.8214.68i＝69.0910.2111.3312.4513.5714.6915.8116.9318.0519.17i＝75.696.557.418.279.1310.0010.8611.7212.5813.44i＝87.608.749.8911.0312.1713.3114.4515.5916.7417.88i＝95.526.587.648.709.7610.8211.8812.9414.0115.07i＝105.346.277.208.129.059.9810.9011.8312.7613.68i＝114.575.646.727.798.869.9311.0012.0713.1514.22i＝123.874.785.696.607.518.419.3210.2311.1412.04i＝1316.5017.6518.8019.9421.0922.2423.3824.5325.6826.82i＝1412.8113.6414.4815.3116.1516.9817.8218.6519.4920.32i＝1520.5821.7222.8523.9825.1226.2527.3828.5229.6530.78i＝1624.2925.4926.6927.8829.0830.2831.4832.6733.8735.07i＝172.693.614.535.456.377.288.209.1210.0410.95i＝182.743.684.615.556.487.428.359.2810.2211.15i＝193.814.895.977.058.129.2010.2811.3612.4313.51i＝203.234.155.065.986.897.808.729.6310.5511.46i＝211.702.653.594.535.486.427.378.319.2510.20i＝221.953.044.125.206.297.378.459.5410.6211.70根据公式(4)和公式(5)，计算n＝22台变压器在规划时间段t＝10内分别对应的老化失效率λaik，如表5所示：表5老化失效率λaik老化失效λaikk＝1k＝2k＝3k＝4k＝5k＝6k＝7k＝8k＝9k＝10i＝10.0020.0030.0040.0050.0070.0090.0120.0160.0200.025i＝20.0010.0020.0030.0050.0070.0090.0130.0170.0220.029i＝30.0390.0500.0640.0810.1020.1250.1530.1850.2210.260i＝40.0320.0410.0530.0670.0840.1040.1270.1540.1850.220i＝50.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0010.001i＝60.0000.0000.0000.0010.0010.0010.0020.0030.0040.006i＝70.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.001i＝80.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0010.0020.0030.004i＝90.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0010.002i＝100.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.001i＝110.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.001i＝120.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000i＝130.0030.0040.0060.0080.0110.0150.0200.0260.0340.043i＝140.0010.0010.0010.0020.0020.0030.0040.0050.0070.009i＝150.0090.0130.0170.0230.0300.0380.0480.0610.0760.093i＝160.0250.0320.0420.0540.0680.0850.1050.1290.1560.186i＝170.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000i＝180.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000i＝190.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.001i＝200.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000i＝210.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000i＝220.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000对比第k年第i台变压器所对应的绝缘年龄lfik和退役年龄参数lmax，当lfik＞lmax＝35时，变压器发生退役，统计退役备用的变压器数量和就位时间如表6所示：表6退役备用的变压器数量和就位时间退役备用的变压器数量第1台备用第2台备用第3台备用退役备用的变压器就位时间k＝8k＝9k＝104)计算n＝22台变压器的可修复失效率以及在规划时间段t＝10内分别对应的总失效率根据公式(6)，计算变压器的可修复失效率λr＝1.25×10-4。根据公式(7)，计算n＝22台变压器在规划时间段t＝10内分别对应的总失效率λik，如表7所示：表7总失效率λik总失效率λikk＝1k＝2k＝3k＝4k＝5k＝6k＝7k＝8k＝9k＝10i＝10.0020.0030.0040.0060.0070.0100.0120.0160.0200.025i＝20.0020.0020.0030.0050.0070.0090.0130.0170.0220.029i＝30.0390.0500.0640.0810.1020.1260.1530.1850.2210.260i＝40.0320.0410.0530.0670.0840.1040.1280.1550.1850.220i＝50.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0010.0010.001i＝60.0000.0000.0000.0010.0010.0010.0020.0030.0050.006i＝70.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.001i＝80.0000.0000.0000.0000.0010.0010.0010.0020.0030.004i＝90.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0010.0010.002i＝100.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0010.001i＝110.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0010.001i＝120.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.001i＝130.0030.0040.0060.0080.0110.0150.0200.0260.0340.043i＝140.0010.0010.0010.0020.0020.0030.0040.0050.0070.009i＝150.0100.0130.0170.0230.0300.0380.0490.0610.0760.093i＝160.0250.0320.0420.0540.0680.0850.1050.1290.1560.187i＝170.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000i＝180.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000i＝190.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0010.001i＝200.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000i＝210.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000i＝220.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0005)计算变压器组发生不同失效状态时所对应的概率设定变压器的失效台数nfailure＝5，根据公式(8)，计算变压器组中依次具有0至5台变压器失效时所对应的失效状态数，得到nm＝35443。根据公式(9)和(10)，计算变压器组在规划时间段t＝10内每年依次具有0至5台变压器发生失效时分别对应的失效状态的概率psk，如表8所示：表8变压器发生失效时分别对应的失效状态的概率psk规划时间0台失效1台失效2台失效3台失效4台失效5台失效k＝10.890360.105410.004170.000070.000000.00000k＝20.857950.134810.007090.000150.000000.00000k＝30.818680.169260.011740.000330.000000.00000k＝40.772010.208360.018920.000700.000010.00000k＝50.717720.251140.029680.001440.000030.00000k＝60.656010.295830.045230.002860.000070.00000k＝70.587630.339810.066870.005500.000180.00000k＝80.636720.311140.049020.003050.000070.00000k＝90.703830.264700.030090.001350.000020.00000k＝100.795830.188970.014710.000480.000010.000006)计算变压器组启用不同备用方案时所对应的可靠性水平设定失效备用的变压器数量nspare＝4，根据公式(11)，计算变压器组中依次启用0至4台失效备用变压器时所对应的备用方案数，得到ny＝5。根据公式(12)，计算变压器组在规划时间段t＝10内每年依次启用ny个备用方案时分别对应的可靠性水平pyk，如表9所示：表9可靠性水平pyk规划时间无备用1台备用2台备用3台备用4台备用k＝10.890360.995760.999931.000001.00000k＝20.857950.992760.999851.000001.00000k＝30.818680.987930.999671.000001.00000k＝40.772010.980370.999290.999991.00000k＝50.717720.968860.998530.999971.00000k＝60.656010.951840.997070.999931.00000k＝70.587630.927440.994320.999821.00000k＝80.636720.947860.996880.999931.00000k＝90.703830.968540.998620.999981.00000k＝100.795830.984800.999510.999991.000007)计算变压器组设定的可靠性水平，并统计失效备用的变压器数量和就位时间根据输入的系统可接受的停电持续小时数at＝2.1，以及根据变压器的台数n＝22，用公式(13)，计算变压器组设定的可靠性水平re：将ny个备用方案在第k年的可靠性水平pyk和变压器组设定的可靠性水平re进行对比，当pyk＞re＝0.9947时，备用方案是可靠的，统计失效备用的变压器数量和就位时间如表10所示。表10失效备用的变压器数量和就位时间失效备用的变压器数量1台备用2台备用3台备用失效备用的变压器就位时间k＝1k＝2k＝78)根据第三步统计的退役备用的变压器数量和就位时间，以及第七步统计的失效备用的变压器数量和就位时间，进一步统计各个年份需要贮备的备用变压器总台数，如表11所示。表11各个年份需要贮备的备用变压器总台数备用变压器的就位时间备用变压器的贮备台数k＝11台失效备用k＝22台失效备用k＝32台失效备用k＝42台失效备用k＝52台失效备用k＝62台失效备用k＝73台失效备用k＝83台失效备用，1台退役备用k＝93台失效备用，1台退役备用k＝103台失效备用，1台退役备用综上所述，可以看出，本发明具有如下有益效果：1)本发明能够充分利用变压器状态监测量的实测数据，准确评估变压器的实际状态。2)本发明所建立的模型考虑了各台变压器的实际状态和失效率，能够准确评估变压器组的可靠性。3)本发明所提出的方法不仅可以确定备用变压器的数量，也可以确定备用变压器的就位时间，有助于完善电力公司的备用管理体系。当前第1页12