一种变压器运行能力评估系统和方法与流程

1.本发明涉及电力设备监测技术领域，尤其涉及一种变压器运行能力评估系统和方法。


背景技术：

2.长期以来，电力系统的容量规划与国民经济的发展规划、电网建设的发展速度与负荷需求的增长速度、供电电源的布点建站与经济开发区的划片建设之间，一直存在着供需矛盾和需求差距，造成部分局域电网供电不足、网架个别通道负荷阻塞、部分设备重过载运行。尤其在负荷高峰期间(迎峰度夏或迎峰度冬)，会出现短时、经常性的重过载运行场景，不得不通过技术管理和人工干预实现关键设备短时超铭牌定额运行，以保障供电的连续性和可靠性。
3.电力变压器是连络不同电压等级电网、承担动态负载、实现电能上传/下载的关键设备。只有电力变压器等设备安全可靠连续运行，才能保障电力网的安全稳定运行。作为带负载电力设备，其运行能力不仅与其设计制造工艺、设备运行工况密切相关，而且与运行环境紧密相关。
4.电力网覆盖全国，经度和维度空间跨越较大，气候环境随时间空间尺度的变化而出现较大差异。如同一时间尺度不同空间尺度形成典型的南北气候、同一空间尺度不同的时间尺度构成季节性气候；同时，电力变压器的户内或户外布置、主体与散热系统的整体或分体设计，均与其周围微气象环境密切关联，而这将因素又将对电力变压器内部热场、绕组及绝缘介质的温度产生明显的影响，进而影响变压器的带负载能力。
5.热点温度是限制变压器带载能力的最重要因素。《电力变压器第7部分：油浸式电力变压器负载导则》(gb/t 1094.7-2008)规定了正常周期性负载、长期急救负载和短期急救负载3种运行方式下的大(中小)型变压器安全过载能力，即在初始负荷率为0.8、年平均气温为20℃的运行条件下，正常周期性负载在1.3(1.5)倍额定容量时，变压器可以运行30分钟，电力运行单位通常按照此标准安排变电设备的运行方式，确定变压器正常及急救带载能力。但是，该规程设定的初始运行条件存在一定的局限性，且不具备广普指导性：
6.1)变压器正常运行时的负荷率是一个动态参数，且处于0.8左右的概率极小；
7.2)电网覆盖范围存在地域和季节的差异性，户外环境温度在-50℃～50℃之间，按20℃调控负荷，可能导致低温条件下变压器运行能力评估不足，而高温条件下变压器绕组热点温度可能过高，甚至危及绝缘安全；
8.3)主体或散热系统户外布置，直接受太阳光的照射，成为电力变压器的附加外热源，按正午1000～1500w/m2日照强度计，一台三相变压器外表面附加热源功率达30～50kw；
9.4)大多数变压器散热外媒体是空气，采用空气自冷方式，在有风和无风的环境下，散热效果明显不同。
10.因此，微气象影响因子(如环境温度、日照强度、风速大小)对电力变压器的实时带负载能力所产生的影响不容忽视。


技术实现要素：

11.基于上述问题，本发明提供一种变压器运行能力评估系统和方法，旨在解决现有技术中变压器运行能力评估准确度低等技术问题。
12.一种变压器运行能力评估系统，包括：
13.模型建立模块，用于：基于第一参数建立变压器的静态热路模型，第一参数包括变压器的试验参数；基于第一参数和第二参数建立变压器的第一动态热路模型，第二参数包括变压器的结构参数；基于第一参数、第二参数和微气象影响因子建立变压器的第二动态热路模型；
14.模型选择模块，连接模型建立模块，用于从静态热路模型、第一动态热路模型和第二动态热路模型中选择其中一个作为变压器运行能力评估的模型；
15.能力评估模块，连接模型选择模块，用于：当选择的模型为静态热路模型时，使用静态热路模型以及变压器运行时的第一检测数据计算得到变压器的第一运行能力评估结果；当选择的模型为第一动态热路模型时，使用第一动态热路模型以及变压器运行时的第二检测数据计算得到变压器的第二运行能力评估结果；当选择的模型为第二动态热路模型时，使用第二动态热路模型以及变压器运行时的第三检测数据计算得到变压器的第三运行能力评估结果；
16.其中，第一运行能力评估结果、第二运行能力评估结果和第三运行能力评估结果均包括变压器的绕组热点温度。
17.进一步的，静态热路模型由第一单元、第二单元和第三单元融合而成；
18.试验参数为在额定试验条件下得到的参数，包括绕组热点温度、绕组平均温度、环境温度、额定空载损耗和额定负载损耗；
19.第一单元包括第一热源和第一热阻，第一热源为负载损耗和空载损耗的相加值，第一热阻的计算公式如下所示：
[0020][0021]
其中，r
hot-coil
为第一热阻，t
hot(n)
为额定试验条件下的绕组热点温度，t
coil(n)
为额定试验条件下的绕组平均温度，q
coil(n)
为额定试验条件下的额定负载损耗，q
core(n)
为额定试验条件下的额定空载损耗；
[0022]
第二单元包括第二热阻，第二热阻的计算公式如下所示：
[0023][0024]
其中，r
coil-tank
为第二热阻，t
tank(n)
为额定试验条件下变压器箱体的温度；
[0025]
第三单元包括第三热阻，第三热阻的计算公式如下：
[0026][0027]
其中，r
tank-amb
为第三热阻，t
amb(n)
为额定试验条件下的环境温度。
[0028]
进一步的，第一动态热路模型由第四单元、第五单元和第六单元融合而成；
[0029]
变压器的结构参数包括：铁芯质量、绕组质量、变压器油的质量、变压器箱体的质量；
[0030]
第四单元包括第一热源和第一热阻，第四单元还包括第一热容，第一热容的计算公式如下所示：
[0031]chot-coil
＝c
coilmcoil
+c
coremcore
；
[0032]
其中，c
hot-coil
为第一热容，c
coil
为绕组的比热容，m
coil
为绕组质量，c
core
为铁芯的比热容，m
core
为铁芯质量；
[0033]
第五单元包括第二热阻，第五单元还包括第二热容，第二热容的计算公式如下所示：
[0034]ccoil-tank
＝c
oilmoil
；
[0035]
其中，c
coil-tank
为第二热容；c
oil
为变压器油的比热容，m
oil
为变压器油的质量；
[0036]
第六单元包括第三热阻，第六单元还包括第三热容，第三热容的计算公式如下所示：
[0037]ctank-amb
＝c
tankmtank
+c
air
；
[0038]
其中，c
tank-amb
为第三热容，c
tank
为变压器箱体的比热容，m
tank
为变压器箱体的质量，c
air
为变压器箱体周围空气层的热容。
[0039]
进一步的，第二动态热路模型由第七单元、第八单元和第九单元融合而成；
[0040]
变压器的结构参数还包括：变压器箱体长度、变压器箱体宽度以及变压器箱体高度；
[0041]
微气象影响因子包括日照强度、风速；
[0042]
第七单元包括第一热源、第一热阻和第一热容；
[0043]
第八单元包括第二热阻和第二热容；
[0044]
第九单元包括第三热容，第九单元还包括第二热源和第四热阻；
[0045]
第二热源的计算公式如下所示：
[0046]qsun
＝q
sunstank
；
[0047]
其中，q
sun
为第二热源，q
sun
为日照强度，s
tank
为箱体的表面积，箱体的表面积根据变压器箱体长度、变压器箱体宽度和变压器箱体高度计算得到；
[0048]
第四热阻的计算公式如下：
[0049][0050]
其中，r
tank
为第四热阻，r
wind
为风速对应的散热热阻。
[0051]
进一步的，能力评估模块包括：
[0052]
第一评估单元，用于基于第二动态热路模型和预设时刻的第三检测数据计算预设时刻的绕组热点温度；
[0053]
第二评估单元，用于基于第二动态热路模型和预设时刻的第三检测数据计算预定时间段内绕组热点温度的变化曲线，预定时间段以预设时刻为起始时刻，以预设时刻经过预设时长之后的时刻为终点时刻。
[0054]
进一步的，能力评估模块还包括：
[0055]
第三评估单元，用于基于第二动态热路模型和预设时刻的第三检测数据计算给定运行负荷下的安全运行时间。
[0056]
进一步的，能力评估模块还包括：
[0057]
第四评估单元，用于基于第二动态热路模型和预设时刻的第三检测数据计算给定运行时间下的安全运行负荷。
[0058]
进一步的，还包括：
[0059]
报警模块，分别连接能力评估模块，用于：
[0060]
当基于静态热路模型、或者第一动态热路模型、或者第二动态热路模型计算出的预设时刻的绕组热点温度超出告警阈值时，产生第一告警信息；
[0061]
当基于第二动态热路模型计算出的绕组热点温度的变化曲线上的非预设时刻的绕组热点温度超出告警阈值时，产生第二告警信息。
[0062]
进一步的，微气象影响因子还包括环境湿度。
[0063]
一种变压器运行能力评估方法，使用前述的一种变压器运行能力评估系统，包括：
[0064]
步骤a1，基于第一参数建立变压器的静态热路模型，第一参数包括变压器的试验参数，基于第一参数和第二参数建立变压器的第一动态热路模型，第二参数包括变压器的结构参数，基于第一参数、第二参数和微气象影响因子建议变压器的第二动态热路模型；
[0065]
步骤a2，从静态热路模型、第一动态热路模型和第二动态热路模型中选择其中一个作为变压器运行能力评估的模型：
[0066]
当选择的模型为静态热路模型时，执行步骤a3；
[0067]
当选择的模型为第一动态热路模型时，执行步骤a4；
[0068]
当选择的模型为第二动态热路模型时，执行步骤a5；
[0069]
步骤a3，使用静态热路模型以及变压器运行时的第一检测数据计算得到变压器的第一运行能力评估结果；
[0070]
步骤a4，使用第一动态热路模型以及变压器运行时的第二检测数据计算得到变压器的第二运行能力评估结果；
[0071]
步骤a5，使用第二动态热路模型以及变压器运行时的第三检测数据计算得到变压器的第三运行能力评估结果；
[0072]
其中，第一运行能力评估结果、第二运行能力评估结果和第三运行能力评估结果均包括变压器的绕组热点温度。
[0073]
本发明的有益技术效果是：本发明通过分层级构建三种类型的热路模型，实现变压器绕组热点温度的实时计算。尤其适用于户外的第二动态热路模型能够有效提高绕组热点温度计算的准确性，确保变压器的运行安全。
附图说明
[0074]
图1为本发明一种变压器运行能力评估系统的模块示意图；
[0075]
图2为本发明一种变压器运行能力评估系统的静态热路模型示意图；
[0076]
图3为本发明一种变压器运行能力评估系统的第一动态热路模型示意图；
[0077]
图4为本发明一种变压器运行能力评估系统的第二动态热路模型示意图；
[0078]
图5为本发明一种变压器运行能力评估系统的能力评估模块示意图；
[0079]
图6为本发明一种变压器运行能力评估方法的步骤流程图；
具体实施方式
[0080]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0081]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0082]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0083]
参见图1，本发明提供一种变压器运行能力评估系统，包括：
[0084]
模型建立模块(1)，用于：基于第一参数建立变压器的静态热路模型，第一参数包括变压器的试验参数；基于第一参数和第二参数建立变压器的第一动态热路模型，第二参数包括变压器的结构参数；基于第一参数、第二参数和微气象影响因子建立变压器的第二动态热路模型；
[0085]
模型选择模块(2)，连接模型建立模块(1)，用于从静态热路模型、第一动态热路模型和第二动态热路模型中选择其中一个作为变压器运行能力评估的模型；
[0086]
能力评估模块(3)，连接模型选择模块(2)，用于：
[0087]
当选择的模型为静态热路模型时，使用静态热路模型以及变压器运行时的第一检测数据计算得到变压器的第一运行能力评估结果；
[0088]
当选择的模型为第一动态热路模型时，使用第一动态热路模型以及变压器运行时的第二检测数据计算得到变压器的第二运行能力评估结果；
[0089]
当选择的模型为第二动态热路模型时，使用第二动态热路模型以及变压器运行时的第三检测数据计算得到变压器的第三运行能力评估结果；
[0090]
其中，第一运行能力评估结果、第二运行能力评估结果和第三运行能力评估结果均包括变压器的绕组热点温度。
[0091]
本发明构建了三个层级的热路模型进行绕组热点温度计算，第一层级为静态热路模型，使用第一参数建立的静态热路模型，比较适用于在户内环境下进行绕组热点温度的计算。第二层级为第一动态热路模型，基于第一参数和第二参数建立，比静态热路模型相比，增加更多的参数参与模型的建立，除了可以用于计算某一时刻例如当前时刻的绕组热点温度之外，还能够预测预设时间段内的绕组热点温度变化曲线，具有预测功能，比较适用于在户内环境下绕组热点温度计算以及预设时间段内的绕组热点温度的预测。第三层级为第二动态热路模型，基于第一参数、第二参数和微气象影响因子建立，相比第一动态热路模型，引入了微气象影响因子，同样具有计算某一时刻例如当前时刻的绕组热点温度以及预测预设时间段内的绕组热点温度的变化曲线两个功能，由于引入微气象影响因子，对于户外环境的绕组热点温度计算非常适合。
[0092]
这三种层级的热路模型，用户可以根据需要选择合适的模型进行计算，例如如果变压器在户内环境并且在额定条件下运行，用户可以选择静态热路模型也可以选择第一动态热路模型。如果变压器的在户内环境并且在非额定条件下运行，用户可以选择第一动态热路模型进行。如果变压器在户外环境，用户可以选择第二动态热路模型。
[0093]
本发明通过三种层级的热路模型的建立，用户可以根据需要选择适当的热路模型
作为绕组热点温度的计算模型，在户外使用引入微气象影响因子的第二动态热路模型，使得对于户外的绕组热点计算更加准确可靠。
[0094]
参见图2，进一步的，静态热路模型由第一单元、第二单元和第三单元融合而成；
[0095]
试验参数为在额定试验条件下得到的参数，包括绕组热点温度、绕组平均温度、环境温度、额定空载损耗和额定负载损耗；
[0096]
第一单元包括第一热源和第一热阻，第一热源为负载损耗和空载损耗的相加值，第一热阻的计算公式如下所示：
[0097][0098]
其中，
[0099]rhot-coil
为第一热阻；
[0100]
t
hot(n)
为额定试验条件下的绕组热点温度；
[0101]
t
coil(n)
为额定试验条件下的绕组平均温度；
[0102]qcoil(n)
为额定试验条件下的额定负载损耗；
[0103]qcore(n)
为额定试验条件下的额定空载损耗；
[0104]
第二单元包括第二热阻，第二热阻的计算公式如下所示：
[0105][0106]
其中，
[0107]rcoil-tank
为第二热阻；
[0108]
t
tank(n)
为额定试验条件下变压器箱体的温度；
[0109]
第三单元包括第三热阻，第三热阻的计算公式如下：
[0110][0111]
其中，
[0112]rtank-amb
为第三热阻；
[0113]
t
amb(n)
为额定试验条件下的环境温度。
[0114]
根据热电类比理论，将热学参量类比电学参量，利用热路等效原理建立热路模型，热力学理论中的傅里叶定律和电路的欧姆定律表示式的结构相同，边界条件和几何形态相似，在大多数情形下，热量的传递和电荷的转移非常相似，因此可以将热学参量类比电学参量。
[0115]
变压器在运行时会产生负载损耗和空载损耗等，这些损耗转变成热能，导致变压器各个部分存在温度差，从而产生热传递过程，因此，可以将这些损耗看作是理想热流源，类比电路中的理想电流源，外界的温度可以看作是理想温度源，类比电路中的理想电压源，热传递过程中的热容和热阻可以类比电路中电容和电阻。
[0116]
热电类比参数如下所示：
[0117]
热量(q/w)类比电流(i/a)；
[0118]
温度(t/k)类比电压(u/v)；
[0119]
热阻(r
th
/℃
·
k-1
)类比电阻(r/ω)；
[0120]
热容(c
th
/℃
·
k-1
)类比电容(c/f)。
[0121]
具体的，通过建立第一通用热路模型，将上述第一参数输入第一通用热路模型形成静态热路模型。根据静态热路模型，基于检测到变压器运行过程中的预设时刻的第一检测数据和静态热路模型便可以计算预设时刻的绕组热点温度。第一通用热路模型利用第一参数中的额定试验参数得到静态热路模型中的第一热源、第一热阻、第二热阻和第三热阻等参量，从而构建静态热路模型。
[0122]
具体的，第一参数还包括电气铭牌参数，电气铭牌参数包括：高压侧额定电压、中压侧额定电压、低压侧额定电压、高压侧额定电流、中压侧额定电流、低压侧额定电流。
[0123]
具体的，第一参数还包括不同冷却方式下的冷却系统参数，例如冷却器启停台数。
[0124]
具体的，第一参数来自变压器出厂试验报告和预防性试验报告，通过查阅电力变压器出厂文件，获取变压器的试验参数、变压器电气铭牌参数以及不同冷却方式下的冷却系统参数。
[0125]
具体的，对于运行时间较长、电压波动大或者具有远端短路故障历史的电力变压器，第一参数以周期性预防性试验的最新数据最为合适。
[0126]
具体的，使用静态热路模型计算预设时刻的绕组热点温度时，第一检测数据包括在预设时刻实际检测到的环境温度值、负载损耗、空载损耗和冷却器启停台数。
[0127]
具体的，预设时刻为当前时刻。
[0128]
通过将第一单元、第二单元和第三单元融合形成静态热阻模型。第一单元为绕组热点温度相对于绕组平均温度的热路模型，第二单元为绕组平均温度相对于变压器箱体温度的热路模型，第三单元为变压器箱体温度相对于环境温度的热路模型。
[0129]
参见图3，进一步的，第一动态热路模型由第四单元、第五单元和第六单元融合而成；
[0130]
变压器的结构参数包括：铁芯质量、绕组质量、变压器油的质量、变压器箱体的质量；
[0131]
第四单元包括第一热源和第一热阻，第四单元还包括第一热容，第一热容的计算公式如下所示：
[0132]chot-coil
＝c
coilmcoil
+c
coremcore
；
[0133]
其中，
[0134]chot-coil
为第一热容；
[0135]ccoil
为绕组的比热容；
[0136]mcoil
为绕组质量；
[0137]ccore
为铁芯的比热容；
[0138]mcore
为铁芯质量；
[0139]
第五单元包括第二热阻，第五单元还包括第二热容，第二热容的计算公式如下所示：
[0140]ccoil-tank
＝c
oilmoil
；
[0141]
其中，
[0142]ccoil-tank
为第二热容；
[0143]coil
为变压器油的比热容；
[0144]moil
为变压器油的质量；
[0145]
第六单元包括第三热阻，第六单元还包括第三热容，第三热容的计算公式如下所示：
[0146]ctank-amb
＝c
tankmtank
+c
air
；
[0147]
其中，
[0148]ctank-amb
为第三热容；
[0149]ctank
为变压器箱体的比热容；
[0150]mtank
为变压器箱体的质量；
[0151]cair
为变压器箱体周围空气层的热容。具体的，第一动态热路模型在静态热路模型的基础上引入第二参数。第四单元为绕组热点温度相对于绕组平均温度的热路模型，第五单元为绕组平均温度相对于变压器箱体温度的热路模型，第六单元为变压器箱体温度相对于环境温度的热路模型。区别在于，在第一动态热路模型中引入了变压器的结构参数，从而增加热容参量。第一动态热路模型中的第一热阻、第二热阻和第三热阻的计算公式和第一静态热路模型中的第一热阻、第二热阻和第三热阻的计算公式相同且一一对应。
[0152]
变压器的结构参数包括：铁芯质量、绕组质量、变压器油的质量、变压器箱体的质量；
[0153]
具体的，第二检测数据包括变压器的电气运行参数和非电气运行参数。
[0154]
电气运行参数包括：高压侧运行电压、中压侧运行电压、低压侧运行电压、高压侧运行电流、中压侧运行电流以及低压侧运行电流等等。
[0155]
非电气运行参数包括：油顶层温度以及冷却器启停台数等。
[0156]
具体的，第二检测数据还包括：环境温度值。
[0157]
基于第一动态热路模型和预设时刻的第二检测数据可以计算预设时刻的绕组热点温度。除此之外，还可以基于第一动态热路模型和预设时刻的第二检测数据预测预设时间段内的绕组热点温度形成绕组热点温度随时间的变化曲线。预定时间段以预设时刻为起始时刻，以预设时刻经过预设时长之后的时刻为终点时刻。也就是说，第一动态热路模型具有预测未来绕组热点温度变化趋势的功能。
[0158]
参见图4，进一步的，第二动态热路模型由第七单元、第八单元和第九单元融合而成；
[0159]
变压器的结构参数还包括：变压器箱体长度、变压器箱体宽度以及变压器箱体高度；
[0160]
微气象影响因子包括日照强度、风速；
[0161]
第七单元包括第一热源、第一热阻和第一热容；
[0162]
第八单元包括第二热阻和第二热容；
[0163]
第九单元包括第三热容，第九单元还包括第二热源和第四热阻；
[0164]
第二热源的计算公式如下所示：
[0165]qsun
＝q
sunstank
[0166]
其中，
[0167]qsun
为第二热源；
[0168]qsun
为日照强度；
[0169]stank
为箱体的表面积；
[0170]
箱体的表面积根据变压器箱体长度、变压器箱体宽度和变压器箱体高度计算得到；
[0171]
第四热阻的计算公式如下：
[0172][0173]
其中，
[0174]rtank
为第四热阻；
[0175]rwind
为风速对应的散热热阻。
[0176]
对于第三层级的第二动态热路模型，在第一动态热路模型的基础上引入微气象影响因子，即加入环境影响因素，尤其适用于户外运行的变压器的绕组热点温度计算。
[0177]
在建立第二动态热路模型的过程中，第七单元和第一动态热路模型的第四单元相同，也包括第一热源、第一热阻和第一热容。第一热阻和第一热容的计算公式和第一动态热路模型中的一致。第八单元和第一动态热路模型中的第五单元相同，包括第二热容和第二热阻。第二热阻、第二热容和第一动态热路模型中的计算公式一致。第九单元相比第六单元，为变压器箱体温度相对于环境温度热路模型，同样包括第六单元的热容。只是，由于考虑到日照辐射对变压器箱体的加热效应，因此在第九单元新增了第二热源和第四热组。
[0178]
参见图4，具体的，r
wind
为风速对应的散热热阻，第四热阻r
tank
是第三热阻r
tank-amb
和风速对应的散热热阻r
wind
的并联。
[0179]rwind
的计算公式如下所示：
[0180][0181]
其中，nu努塞尔数；
[0182]kair
为空气的导热系数；
[0183]stank
为箱体的表面积；
[0184]
d为变压器箱体的特征长度；
[0185]
努塞尔数nu的计算公式如下所示：
[0186][0187]
其中，pr是普朗特数；re是雷诺数；
[0188]
其中，普朗特数pr的计算公式如下所示：
[0189][0190]
其中，c
air
为空气的比热容，μ
air
为空气的粘性系数；
[0191]
其中，雷诺数re的计算公式如下所示：
[0192][0193]
其中，ρ
air
为空气的密度，v
wind
为风速。
[0194]
即，
[0195]
具体的，第三检测数据包括上述的变压器的电气运行参数和非电气运行参数。
[0196]
具体的，第三检测数据还包括：环境温度值。
[0197]
具体的，第三检测数据还包括日照强度、风速。
[0198]
基于第二动态热路模型和预设时刻的第三检测数据可以计算预设时刻的绕组热点温度。除此之外，还可以基于第二动态热路模型和预设时刻的第三检测数据预测预设时间段内的绕组热点温度形成绕组热点温度随时间的变化曲线。预定时间段以预设时刻为起始时刻，以预设时刻经过预设时长之后的时刻为终点时刻。也就是说，第二动态热路模型具有预测未来绕组热点温度变化趋势的功能。第二动态热路模型尤其适用于户外环境下运行的变压器。
[0199]
具体的，在变压器周围主流风向和日照位置布置微气象监测传感器，实时获取微气象影响因子。
[0200]
在本发明中，在使用第一动态热路模型和第二动态热路模型进行变压器运行能力评估的过程中，如果变压器在非额定状态下运行，需要带入实际检测到的负载损耗和实际检测到空载损耗。实际检测的负载损耗q
coil
的计算公式如下所示：
[0201]qcoil
＝k2q
coil(n)
；
[0202]
实际检测的空载损耗q
core
的计算公式如下所示：
[0203]qcore
＝q
core(n)
kv；
[0204]
其中，
[0205]
k为变压器负载率，为当前运行电流与额定电流的比值；
[0206]
kv为电压比，为当前运行电压与额定电压的比值；
[0207]qcoil(n)
为额定负载损耗，q
core(n)
为额定空载损耗。
[0208]
分别计算高压绕组、中压绕组、低压绕组的负载损耗和空载损耗，然后进行求和，得到第一热源。
[0209]
具体的，在使用第一动态热路模型和第二动态热路模型进行变压器运行能力评估的过程中，第三热阻需要根据冷却器实际打开的台数进行修正。经修正的第三热阻的计算公式如下：
[0210][0211]
其中，r
tank-amb(n)
为额定试验条件下的热阻，n
cool(n)
为额定试验条件下冷却器开启台数，n
cool
为预设时刻的冷却器开始台数。预设时刻是指使用预设时刻的检测数据结合相应的热路模型执行绕组热点温度计算的时刻，例如当前时刻，使用当前时刻的检测数据计算当前时刻的绕组热点温度。此时，r
tank-amb(n)
为额定试验条件下的热阻的计算公式为：
[0212][0213]
参见图5，具体的，能力评估模块(3)包括：
[0214]
第五评估单元(35)，用于基于第一动态热路模型和预设时刻的第二检测数据计算预设时刻的绕组热点温度；
[0215]
第六评估单元(36)，用于基于第一动态热路模型和预设时刻的第二检测数据计算预定时间段内绕组热点温度的变化曲线，预定时间段以预设时刻为起始时刻，以预设时刻
经过预设时长之后的时刻为终点时刻；
[0216]
第七评估单元(37)，用于基于第一动态热路模型和预设时刻的第二检测数据计算给定运行负荷下的安全运行时间；
[0217]
第八评估单元(38)，用于基于第一动态热路模型和预设时刻的第二检测数据计算给定运行时间下的安全运行负荷。
[0218]
所述第二运行能力评估结果包括：预定时刻的绕组热点温度、预定时间段内绕组热点温度的变化曲线、安全运行时间和安全运行负荷。进一步的，能力评估模块(3)包括：
[0219]
第一评估单元(31)，用于基于第二动态热路模型和预设时刻的第三检测数据计算预设时刻的绕组热点温度；
[0220]
第二评估单元(32)，用于基于第二动态热路模型和预设时刻的第三检测数据计算预定时间段内绕组热点温度的变化曲线，预定时间段以预设时刻为起始时刻，以预设时刻经过预设时长之后的时刻为终点时刻；
[0221]
第三评估单元(33)，用于基于第二动态热路模型和预设时刻的第三检测数据计算给定运行负荷下的安全运行时间；
[0222]
第四评估单元(34)，用于基于第二动态热路模型和预设时刻的第三检测数据计算给定运行时间下的安全运行负荷。
[0223]
所述第二运行能力评估结果包括：预定时刻的绕组热点温度、预定时间段内绕组热点温度的变化曲线、安全运行时间和安全运行负荷。
[0224]
具体的，在给定运行负荷下，变压器内部绕组热点温度达到告警阈值所需的时间为给定运行负荷下的安全运行时间。给定运行负荷可以为一个或者多个。具体的，在给定运行时间下，变压器内部绕组热点温度恰好达到告警阈值所对应的安全运行负荷为给定运行时间下的安全运行负荷。给定运行时间可以为一个或者多个。
[0225]
具体的，所述能力评估模块(3)包括：
[0226]
第九评估单元(39)，用于基于静态热路模型和预设时刻的第一检测数据计算预设时刻的绕组热点温度。
[0227]
进一步的，还包括：
[0228]
报警模块(4)，分别连接能力评估模块(3)，用于：
[0229]
当基于静态热路模型、或者第一动态热路模型、或者第二动态热路模型计算出的预设时刻的绕组热点温度超出告警阈值时，产生第一告警信息；
[0230]
当基于第二动态热路模型计算出的绕组热点温度的变化曲线上的非预设时刻的绕组热点温度超出告警阈值时，产生第二告警信息。
[0231]
通过判断预测的绕组热点温度变化趋势是否存在超出告警阈值，可提前进行告警。
[0232]
本发明通过分层级构建三种类型的热路模型，实现变压器绕组热点温度的实时计算和预测，第二热路模型涵盖日照、风速和环境温度等参数，可以更加准确的计算和预测变压器内部的绕组热点温度，进而保证变压器的运行安全，此外，第一动态热路模型和第二动态热路模型还给出了安全运行时间和安全运行负荷，实现了变压器运行能力的安全动态提升，能够有效预防变压器过热，提高变压器利用效率、防止拉闸限电、实现电网运行的经济性。
[0233]
具体的，告警阈值可以为一个例如120℃的单一告警，也可以是多个例如一级告警阈值140℃、二极告警阈值120℃、三级告警阈值100℃等分级告警。
[0234]
参见图6，本发明一种变压器运行能力评估方法，其特征在于，使用前述的一种变压器运行能力评估系统，包括：
[0235]
步骤a1，基于第一参数建立变压器的静态热路模型，第一参数包括变压器的试验参数，基于第一参数和第二参数建立变压器的第一动态热路模型，第二参数包括变压器的结构参数，基于第一参数、第二参数和微气象影响因子建议变压器的第二动态热路模型；
[0236]
步骤a2，从静态热路模型、第一动态热路模型和第二动态热路模型中选择其中一个作为变压器运行能力评估的模型：
[0237]
当选择的模型为静态热路模型时，执行步骤a3；
[0238]
当选择的模型为第一动态热路模型时，执行步骤a4；
[0239]
当选择的模型为第二动态热路模型时，执行步骤a5；
[0240]
步骤a3，使用静态热路模型以及变压器运行时的第一检测数据计算得到变压器的第一运行能力评估结果；
[0241]
步骤a4，使用第一动态热路模型以及变压器运行时的第二检测数据计算得到变压器的第二运行能力评估结果；
[0242]
步骤a5，使用第二动态热路模型以及变压器运行时的第三检测数据计算得到变压器的第三运行能力评估结果；
[0243]
其中，第一运行能力评估结果、第二运行能力评估结果和第三运行能力评估结果均包括变压器的绕组热点温度。
[0244]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种变压器运行能力评估系统，其特征在于，包括：模型建立模块，用于：基于第一参数建立变压器的静态热路模型，所述第一参数包括所述变压器的试验参数；基于所述第一参数和第二参数建立所述变压器的第一动态热路模型，所述第二参数包括所述变压器的结构参数；基于所述第一参数、所述第二参数和微气象影响因子建立所述变压器的第二动态热路模型；模型选择模块，连接所述模型建立模块，用于从所述静态热路模型、所述第一动态热路模型和所述第二动态热路模型中选择其中一个作为所述变压器运行能力评估的模型；能力评估模块，连接所述模型选择模块，用于：当选择的模型为所述静态热路模型时，使用所述静态热路模型以及变压器运行时的第一检测数据计算得到所述变压器的第一运行能力评估结果；当选择的模型为所述第一动态热路模型时，使用所述第一动态热路模型以及变压器运行时的第二检测数据计算得到所述变压器的第二运行能力评估结果；当选择的模型为所述第二动态热路模型时，使用所述第二动态热路模型以及变压器运行时的第三检测数据计算得到所述变压器的第三运行能力评估结果；其中，所述第一运行能力评估结果、所述第二运行能力评估结果和所述第三运行能力评估结果均包括所述变压器的绕组热点温度。2.如权利要求1所述的一种变压器运行能力评估系统，其特征在于，所述静态热路模型由第一单元、第二单元和第三单元融合而成；所述试验参数为在额定试验条件下得到的参数，包括绕组热点温度、绕组平均温度、环境温度、额定空载损耗和额定负载损耗；所述第一单元包括第一热源和第一热阻，所述第一热源为负载损耗和空载损耗的相加值，所述第一热阻的计算公式如下所示：其中，r
hot-coil
为所述第一热阻，t
hot(n)
为额定试验条件下的绕组热点温度，t
coil(n)
为额定试验条件下的绕组平均温度，q
coil(n)
为额定试验条件下的额定负载损耗，q
core(n)
为额定试验条件下的额定空载损耗；所述第二单元包括第二热阻，所述第二热阻的计算公式如下所示：其中，r
coil-tank
为所述第二热阻，t
tank(n)
为额定试验条件下所述变压器箱体的温度；所述第三单元包括第三热阻，所述第三热阻的计算公式如下：其中，r
tank-amb
为所述第三热阻，所述t
amb(n)
为额定试验条件下的环境温度。3.如权利要求2所述的一种变压器运行能力评估系统，其特征在于，所述第一动态热路模型由第四单元、第五单元和第六单元融合而成；所述变压器的结构参数包括：铁芯质量、绕组质量、变压器油的质量、变压器箱体的质量；
所述第四单元包括所述第一热源和所述第一热阻，所述第四单元还包括第一热容，所述第一热容的计算公式如下所示：c
hot-coil
＝c
coil
m
coil
+c
core
m
core
；其中，c
hot-coil
为所述第一热容，c
coil
为绕组的比热容，m
coil
为绕组质量，c
core
为铁芯的比热容，m
core
为铁芯质量；所述第五单元包括所述第二热阻，所述第五单元还包括第二热容，所述第二热容的计算公式如下所示：c
coil-tank
＝c
oil
m
oil
；其中，c
coil-tank
为所述第二热容；c
oil
为变压器油的比热容，m
oil
为变压器油的质量；所述第六单元包括所述第三热阻，所述第六单元还包括第三热容，所述第三热容的计算公式如下所示：c
tank-amb
＝c
tank
m
tank
+c
air
；其中，c
tank-amb
为所述第三热容，c
tank
为所述变压器箱体的比热容，m
tank
为所述变压器箱体的质量，c
air
为变压器箱体周围空气层的热容。4.如权利要求3所述的一种变压器运行能力评估系统，其特征在于，所述第二动态热路模型由第七单元、第八单元和第九单元融合而成；所述变压器的结构参数还包括：变压器箱体长度、变压器箱体宽度以及变压器箱体高度；所述微气象影响因子包括日照强度、风速；所述第七单元包括所述第一热源、所述第一热阻和所述第一热容；所述第八单元包括所述第二热阻和所述第二热容；所述第九单元包括所述第三热容，所述第九单元还包括第二热源和第四热阻；所述第二热源的计算公式如下所示：q
sun
＝q
sun
s
tank
；其中，q
sun
为所述第二热源，q
sun
为日照强度，s
tank
为箱体的表面积，箱体的表面积根据所述变压器箱体长度、所述变压器箱体宽度和所述变压器箱体高度计算得到；所述第四热阻的计算公式如下：其中，r
tank
为所述第四热阻，r
wind
为风速对应的散热热阻。5.如权利要求1所述的一种变压器运行能力评估系统，其特征在于，所述能力评估模块包括：第一评估单元，用于基于所述第二动态热路模型和预设时刻的所述第三检测数据计算所述预设时刻的绕组热点温度；第二评估单元，用于基于所述第二动态热路模型和预设时刻的所述第三检测数据计算预定时间段内绕组热点温度的变化曲线，所述预定时间段以所述预设时刻为起始时刻，以预设时刻经过预设时长之后的时刻为终点时刻。6.如权利要求5所述的一种变压器运行能力评估系统，其特征在于，所述能力评估模块还包括：
第三评估单元，用于基于所述第二动态热路模型和预设时刻的所述第三检测数据计算给定运行负荷下的安全运行时间。7.如权利要求5所述的一种变压器运行能力评估系统，其特征在于，所述能力评估模块还包括：第四评估单元，用于基于所述第二动态热路模型和预设时刻的所述第三检测数据计算给定运行时间下的安全运行负荷。8.如权利要求5所述的一种变压器运行能力评估系统，其特征在于，还包括：报警模块，分别连接所述能力评估模块，用于：当基于所述静态热路模型、或者第一动态热路模型、或者第二动态热路模型计算出的所述预设时刻的所述绕组热点温度超出告警阈值时，产生第一告警信息；当基于所述第二动态热路模型计算出的所述绕组热点温度的变化曲线上的非所述预设时刻的所述绕组热点温度超出所述告警阈值时，产生第二告警信息。9.如权利要求5所述的一种变压器运行能力评估系统，其特征在于，所述微气象影响因子还包括环境湿度。10.一种变压器运行能力评估方法，其特征在于，使用如权利要求1-9任意一项所述的一种变压器运行能力评估系统，包括：步骤a1，基于第一参数建立变压器的静态热路模型，所述第一参数包括所述变压器的试验参数，基于所述第一参数和第二参数建立所述变压器的第一动态热路模型，所述第二参数包括所述变压器的结构参数，基于所述第一参数、所述第二参数和微气象影响因子建议所述变压器的第二动态热路模型；步骤a2，从所述静态热路模型、所述第一动态热路模型和所述第二动态热路模型中选择其中一个作为所述变压器运行能力评估的模型：当选择的模型为所述静态热路模型时，执行步骤a3；当选择的模型为所述第一动态热路模型时，执行步骤a4；当选择的模型为所述第二动态热路模型时，执行步骤a5；步骤a3，使用所述静态热路模型以及变压器运行时的第一检测数据计算得到所述变压器的第一运行能力评估结果；步骤a4，使用所述第一动态热路模型以及变压器运行时的第二检测数据计算得到所述变压器的第二运行能力评估结果；步骤a5，使用所述第二动态热路模型以及变压器运行时的第三检测数据计算得到所述变压器的第三运行能力评估结果；其中，所述第一运行能力评估结果、所述第二运行能力评估结果和所述第三运行能力评估结果均包括所述变压器的绕组热点温度。

技术总结
本发明提供一种变压器运行能力评估系统和方法，基于第一参数建立变压器的静态热路模型，基于第一参数和第二参数建立变压器的第一动态热路模型，基于第一参数、第二参数和微气象影响因子建议变压器的第二动态热路模型，选择其中一个作为变压器运行能力评估的模型，基于选择的热路模型和当前检测数据计算变压器的热点绕组温度。本发明通过分层级构建三种类型的热路模型，实现变压器绕组热点温度的实时计算。尤其适用于户外的第二动态热路模型能够有效提高绕组热点温度计算的准确性，确保变压器的运行安全。器的运行安全。器的运行安全。


技术研发人员：钱之银 李正荣 张锐
受保护的技术使用者：上海海能信息科技股份有限公司
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/8/22