CN104502775A - 一种电能质量对变压器综合能耗影响的定量分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力设备能耗监测与节能评估领域，尤其涉及一种电能质量对变压器综合能耗影响的定量分析方法，主要包括以下步骤(1)测量变压器低压端谐波数据参数，(2)基于变压器Γ型等效电路，通过测量变压器低压侧的电压偏差、视在功率参数，并结合变压器标称参数计算变压器等效电路中的等值电阻，(3)测量变压器三相负载电流参数，(4)针对所计算得到的谐波、电压偏差、三相不平衡度因素导致的变压器能耗变化情况，分别赋予不同权重并计算变压器的综合能耗，本发明的定量分析方法，可用于工程应用中快速、准确的定量变压器电能质量能耗情况，为分析变压器能耗特征提供有效的数据支撑。

Description

一种电能质量对变压器综合能耗影响的定量分析方法

技术领域

本发明涉及电力设备能耗监测与节能评估领域，尤其涉及一种电能质量对变压器综合能耗影响的定量分析方法。

背景技术

节能降损是智能电网的发展方向之一，变压器作为电力系统中重要的输配电设备，是电力系统中联系不同电压等级网络不可缺少的电气设备，广泛存在于各级网络中，其工作效率直接关系到电网电能转换的效率，也是用户能否正常使用电能的重要组成部分。一般来说，从发电供电，一直到用电，需要经过三到四次变压过程。因此，不仅变压器的总台数超过发电机的总台数，同时运行变压器的总容量也远超运行发电机总容量，并且也超过运行电动机总容量。由于变压器是一种静止的电气设备，在能耗转换过程中没有机械损耗，所以它的效率比同容量的旋转电机高。但由于变压器是电源设备，通常与负荷增减无关，是连续工作的，所以即使是一点损失，用年做单位计算起来，也就显得格外大。据统计，变压器的总损耗约占去总发电量的8％。因此变压器的节能改造、能耗原因分析等是节能的重要举措之一。

另一方面，随着电网中负载日益复杂多样，谐波、电压偏差、不平衡等电能质量现象已经普遍存在。电能质量的长期研究和分析表明，不同电能质量现象都或多或少会给电气设备(包括变压器)带来额外的能耗，例如谐波电流流入变压器时，增加了变压器的铜损和铁损，随着谐波频率的增高，集肤效应更加严重，铁损也更大；电压偏高会导致变压器铁芯磁滞损耗和涡流损耗增加；三相负荷不平衡时，会造成变压器损耗及线路损耗的增加，还会降低变压器利用率。但由于电能质量和节能是两个相对独立的领域，目前国内外对电能质量数据的应用研究尤其是劣质电能质量导致的设备能耗的研究工作还处于起步阶段，停留在定性分析层面，尚没有研究出直观、准确的定量分析方法和模型；尤其是多项电能质量指标对设备能耗的定量分析方法的研究还处于研究空白。因此实际工作中无法定量计算电能质量对变压器综合能耗的影响，无法评估电能质量治理的直接经济效益，影响到电网设备节能工作的开展。

发明内容

本发明的目的为解决现有技术的上述问题，提供了一种通过谐波、电压偏差、不平衡等单电能质量所导致的变压器综合能耗影响的定量分析方法，为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电能质量对变压器综合能耗影响的定量分析方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

(1)测量变压器低压端谐波数据参数，依据式①计算谐波对变压器能耗的影响：

式①中，P₁表示谐波对变压器造成的日附加能耗，h表示谐波次数，U_Ah、U_Bh、U_Ch分别表示A/B/C相第h次谐波电压幅值，I_Ah、I_Bh、I_Ch分别表示A/B/C相第h次谐波相电流幅值，分别表示A/B/C相第h次谐波电压与谐波电流之间的相位差；

(2)基于变压器Γ型等效电路，通过测量变压器低压侧的电压偏差、视在功率参数，并结合变压器标称参数计算变压器等效电路中的等值电阻，依据式②计算电压偏差对变压器能耗的影响：

$P_2=\left\{\right[\frac{S_a^2}{{[(1+{\mathrm{\ΔU}}_a)\×U_N]}^2}+\frac{S_b^2}{{[(1+{\mathrm{\ΔU}}_b)\×U_N]}^2}+\frac{S_c^2}{{[(1+{\mathrm{\ΔU}}_c)\×U_N]}^2}]\×\frac{3\×{\mathrm{\ΔP}}_d\×{U^2}_N}{{U^2}_N}\×{10}^3-{\mathrm{\ΔP}}_d\×{10}^3\}\×24$ ……②,

式②中，P₂表示电压偏差对变压器造成的日附加能耗，U_Ν表示变压器低压侧额定相电压，S_a、S_b、S_c分别表示变压器低压侧的三相视在功率，ΔU_a、ΔU_b、ΔU_c分别表示变压器低压侧的三相电压偏差，ΔP_d表示变压器短路损耗，S_Ν表示变压器额定容量；

(3)测量变压器三相负载电流参数，并结合变压器标称参数，依据式③计算不平衡度对变压器能耗的影响：

$P_3=\{\frac{{\mathrm{\ΔP}}_d[{\left(\frac{{3I}_A{U}_N}{S_N}\right)}^2+{\left(\frac{{3I}_B{U}_N}{S_N}\right)}^2+{\left(\frac{{3I}_C{U}_N}{S_N}\right)}^2]}{3}-{\mathrm{\ΔP}}_d\}\×24$ ……③，

式③中，P₃表示不平衡度对变压器造成的日附加能耗，ΔP_d表示变压器短路损耗，I_A、I_B、I_C表示低压侧负载电流，U_N表示变压器低压侧额定相电压，S_N表示变压器额定容量；

(4)针对所计算得到的谐波、电压偏差、三相不平衡度因素导致的变压器能耗变化情况，分别赋予不同权重，计算电能质量指标同时存在导致的变压器综合能耗。

优选地，所述步骤(1)中的谐波次数h为2到50之间的自然数。

优选地，测量所述变压器参数的时间间隔为3～5min。

优选地，步骤(4)权重取值范围在0.49～0.99之间。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明基于电能质量能耗变化情况的对变压器能耗的分析方法，提出了谐波、电压偏差、不平衡等单电能质量指标所导致的变压器能耗的定量计算方法，以及多电能质量指标同时存在时变压器综合能耗的定量计算方法，可用于工程应用中快速、准确的定量变压器电能质量能耗情况，为分析变压器能耗特征提供有效的数据支撑。

(2)本发明所述方法基于电能质量指标变化情况和变压器标称参数，可以快速、准确的定量计算多电能质量指标导致的变压器能耗，解决了目前劣质电能质量对电网设备能耗的影响无法定量计算的问题，为定量分析变压器能耗分布特征、研究和制订变压器节能措施等提供切实有效的帮助。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种电能质量对变压器综合能耗影响的定量分析方法原理图。

图2是本发明的变压器Γ型等效电路模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，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。

如图1所示，一种电能质量对变压器综合能耗影响的定量分析方法，其分析方法如下：

首先，从安装在变压器低压侧的能质量线监测装置获取变压器低压侧的2～50次谐波电压和谐波电流数据(主要包括幅值及相角数据)、三相电压偏差、三相视在功率、三相负载电流等电能质量数据参数，测量变压器低压侧参数的时间间隔为3～5min。

其次，基于2～50次谐波电压和谐波电流幅值及相角数据参数，以及变压器标称参数，依据公式①定量计算谐波导致的变压器能耗P₁；基于三相电压偏差、三相视在功率数据，以及变压器标称参数，依据公式②定量计算电压偏差导致的变压器能耗P₂；基于三相负载电流，以及变压器标称参数，依据公式③定量计算三相不平衡导致的变压器能耗P₃；

再次，依据权重计算方法分别计算谐波、电压偏差、三相不平衡等电能质量指标的权重λ₁、λ₂、λ₃；，权重计算方法可选取各种算法如层次分析法、主成分分析法、人工神经网络法、蒙特卡罗模拟综合评价法等等；在本发明实施例中，权重取值范围在0.49～0.99之间；

最后，基于各单项电能质量指标导致的变压器能耗及其权重，计算多电能质量指标导致的变压器综合能耗P，其中P＝P₁×λ₁+P₂×λ₂+P₃×λ₃。

如图1所示，一种电能质量对变压器综合能耗影响的定量分析方法，主要包括以下步骤：

(1)测量变压器低压端谐波数据参数，依据式①计算谐波对变压器能耗的影响：

式①中，P₁表示谐波对变压器造成的日附加能耗，h表示谐波次数，U_Ah、U_Bh、U_Ch分别表示A/B/C相第h次谐波电压幅值，I_Ah、I_Bh、I_Ch分别表示A/B/C相第h次谐波相电流幅值，分别表示A/B/C相第h次谐波电压与谐波电流之间的相位差；

(2)基于变压器Γ型等效电路，通过测量变压器低压侧的电压偏差、视在功率参数，并结合变压器标称参数计算变压器等效电路中的等值电阻，依据式②计算电压偏差对变压器能耗的影响：

$P_2=\left\{\right[\frac{S_a^2}{{[(1+{\mathrm{\ΔU}}_a)\×U_N]}^2}+\frac{S_b^2}{{[(1+{\mathrm{\ΔU}}_b)\×U_N]}^2}+\frac{S_c^2}{{[(1+{\mathrm{\ΔU}}_c)\×U_N]}^2}]\×\frac{3\×{\mathrm{\ΔP}}_d\×{U^2}_N}{{U^2}_N}\×{10}^3-{\mathrm{\ΔP}}_d\×{10}^3\}\×24$ ……②，

式②中，P₂表示电压偏差对变压器造成的日附加能耗，U_Ν表示变压器低压侧额定相电压，S_a、S_b、S_c分别表示变压器低压侧的三相视在功率，ΔU_a、ΔU_b、ΔU_c分别表示变压器低压侧的三相电压偏差，ΔP_d表示变压器短路损耗，S_Ν表示变压器额定容量；

基于本发明实施例中，图2为变压器Γ型等效电路模型示意图，结合变压器标称参数计算变压器等效电路中的等值电阻R_T的阻值(高低压侧总电阻)，则R_T的阻值表达式为：因此通过等值电阻R_T则可计算出变压器的有功损耗；

(3)测量变压器三相负载电流参数，并结合变压器标称参数，依据式③计算不平衡度对变压器能耗的影响：

$P_3=\{\frac{{\mathrm{\ΔP}}_d[{\left(\frac{{3I}_A{U}_N}{S_N}\right)}^2+{\left(\frac{{3I}_B{U}_N}{S_N}\right)}^2+{\left(\frac{{3I}_C{U}_N}{S_N}\right)}^2]}{3}-{\mathrm{\ΔP}}_d\}\×24$ ……③,

式③中，P₃表示不平衡度对变压器造成的日附加能耗，ΔP_d表示变压器短路损耗，I_A、I_B、I_C表示低压侧负载电流，U_N表示变压器低压侧额定相电压，S_N表示变压器额定容量；

(4)针对所计算得到的谐波、电压偏差、三相不平衡度因素导致的变压器能耗变化情况，分别赋予不同权重，计算电能质量指标同时存在导致的变压器综合能耗。

综上所述，基于各单项电能质量指标导致的变压器能耗及其权重，计算多电能质量指标导致的变压器综合能耗P，其中，P＝P₁×λ₁+P₂×λ₂+P₃×λ₃，在本发明实施例中，权重取值范围在0.49～0.99之间。

以下是对本定量分析方法的测量与计算结果：

(一)、以下对变压器低压端各次谐波数据参数分别测量A/B/C相的谐波参数，如表1所示。

表1 各A/B/C相的谐波参数

通过表1所示，对变压器低压端3次、5次、7次、9次谐波分别测量A/B/C相的谐波参数，在高次谐波(11次～50次)对变压器的损耗非常微小，可忽略不计，因此可计算出谐波日附加能耗值为：339.777kWH。

(二)、以下对通过测量变压器低压侧的电压偏差、视在功率参数进行测量计算，，并结合变压器标称参数:U_Ν＝6.06kV,ΔP_d＝215kW S_Ν＝50000kVA,U_N表示变压器低压侧额定相电压，S_N表示变压器额定容量，ΔP_d表示变压器短路损耗，其测量结果如表2所示：

表2 压器低压侧的电压偏差、视在功率测量结果

通过表2所示，可通过测量和计算变压器低压侧的电压偏差、视在功率参数，其计算出电压偏差日附加能耗值为140.664kWH。

(三)、以下对通过测量变压器低压侧的电压偏差、视在功率参数进行测量计算，并结合变压器标称参数：S_Ν＝50000kVA，U_Ν＝6.06kV，ΔP_d＝215kW，其中U_N表示变压器低压侧额定相电压，S_N表示变压器额定容量，ΔP_d表示变压器短路损耗，电压其测量与计算不平衡度对变压器能耗的影响结果如表3所示：

表3 不平衡度对变压器能耗的影响的测量结果

通过表3所示，可通过测量和计算变压器三相负载电流参数并结合变压器标称参数，计算不平衡日附加能耗值为450.64kWH。

因此，根据各单项电能质量指测量与计算结果得到的谐波、电压偏差、三相不平衡度因素导致的变压器能耗变化情况的谐波，分别赋予不同权重λ₁、λ₂和λ₃，在本发明中，权重计算方法可通过各种算法：如层次分析法、主成分分析法、人工神经网络法、蒙特卡罗模拟综合评价法获得，则可计算多电能质量指标导致的变压器综合能耗P，P＝P₁×λ₁+P₂×λ₂+P₃×λ₃，在本发明实施例中，权重取值范围在0.49～0.99之间；选取：λ₃＝0.49，λ₂＝0.65,λ₂＝0.65，λ₁＝0.99，即，P＝339.777×λ₁+140.664×λ₂+450.64×λ₃＝648.62kWH

综上所述，本发明的一种电能质量对变压器综合能耗影响的定量分析方法，基于电能质量指标变化情况和变压器标称参数，通过谐波、电压偏差、不平衡等单电能质量指标，能快速、准确的定量计算多电能质量指标导致的变压器能耗，解决了目前劣质电能质量对电网设备能耗的影响无法定量计算的问题，为定量分析变压器能耗分布特征、研究和制订变压器节能措施等提供切实有效的帮助，为分析变压器能耗特征提供有效的数据支撑。

以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电能质量对变压器综合能耗影响的定量分析方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

(1)测量变压器低压端谐波数据参数，依据式①计算谐波对变压器能耗的影响：

……①，

式①中，P₁表示谐波对变压器造成的日附加能耗，h表示谐波次数，U_Ah、U_Bh、U_Ch分别表示A/B/C相第h次谐波电压幅值，I_Ah、I_Bh、I_Ch分别表示A/B/C相第h次谐波相电流幅值，分别表示A/B/C相第h次谐波电压与谐波电流之间的相位差；

(2)基于变压器Γ型等效电路，通过测量变压器低压侧的电压偏差、视在功率参数，并结合变压器标称参数计算变压器等效电路中的等值电阻，依据式②计算电压偏差对变压器能耗的影响：

$P_2=\left\{\right[\frac{S_a^2}{{[(1+\mathrm{\Δ}{U}_a)\×U_N]}^2}+\frac{S_b^2}{{[(1+\mathrm{\Δ}{U}_b)\×U_N]}^2}+\frac{S_c^2}{{[(1+\mathrm{\Δ}{U}_c)\×U_N]}^2}\×\frac{3\×\mathrm{\Δ}{P}_d\×{U^2}_N}{{S^2}_N}\×{10}^3-\mathrm{\Δ}{P}_d\×{10}^3\}\×24$ ……②,

式②中，P₂表示电压偏差对变压器造成的日附加能耗，U_Ν表示变压器低压侧额定相电压，S_a、S_b、S_c分别表示变压器低压侧的三相视在功率，ΔU_a、ΔU_b、ΔU_c分别表示变压器低压侧的三相电压偏差，ΔP_d表示变压器短路损耗，S_Ν表示变压器额定容量；

(3)测量变压器三相负载电流参数，并结合变压器标称参数，依据式③计算不平衡度对变压器能耗的影响：

$P_3=\{\frac{\mathrm{\Δ}{P}_d\×[{\left(\frac{3I_A{U}_N}{S_N}\right)}^2+{\left(\frac{3I_B{U}_N}{S_N}\right)}^2+{\left(\frac{3I_C{U}_N}{S_N}\right)}^2]}{3}-\mathrm{\Δ}{P}_d\}\×24$ ……③，

式③中，P₃表示不平衡度对变压器造成的日附加能耗，ΔP_d表示变压器短路损耗，I_A、I_B、I_C表示低压侧负载电流，U_N表示变压器低压侧额定相电压，S_N表示变压器额定容量；

(4)针对所计算得到的谐波、电压偏差、三相不平衡度因素导致的变压器能耗变化情况，分别赋予不同权重，计算电能质量指标同时存在导致的变压器综合能耗。

2.根据权利要求1所述的一种电能质量对变压器综合能耗影响的定量分析方法，其特征在于：所述步骤(1)中的谐波次数h为2到50之间的自然数。

3.根据权利要求1所述的一种电能质量对变压器综合能耗影响的定量分析方法，其特征在于：测量所述变压器参数的时间间隔为3～5min。

4.根据权利要求1所述的一种电能质量对变压器综合能耗影响的定量分析方法，其特征在于：步骤(4)权重取值范围在0.49～0.99之间。