CN105787648A

CN105787648A - 一种基于实时运行信息的配电变压器健康状态评价方法

Info

Publication number: CN105787648A
Application number: CN201610093442.4A
Authority: CN
Inventors: 张波; 应高亮; 徐洁; 钱肖; 王慧芳; 林冬阳; 金伟君
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Jinhua Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Jinhua Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2016-07-20

Abstract

本发明公开了一种基于实时运行信息的配电变压器健康状态评价方法，包括：步骤(1)：选取评价指标，选取负载率、电压偏差、三相不平衡度、谐波总畸变率作为评价指标；步骤(2)：量化指标，计算出各指标的健康状态扣分，进而再根据S_i＝100‑S_Di得到各指标的健康状态得分S_i；步骤(3)：指标权重分配，采用变权重的方法，计算各项指标的权重；步骤(4)：计算状态评价得分，获得各指标的权重后，根据计算配电变压器的健康状态综合得分S_Operation。本发明将实时运行信息作为评价指标与既有的状态评价技术相结合，弥补当前状态检修技术时效性的欠缺，更加及时地反映变压器的健康状态。

Description

一种基于实时运行信息的配电变压器健康状态评价方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种基于实时运行信息的配电变压器健康状态评价方法。

背景技术

状态检修可以合理安排检修资源，在保证可靠性的同时降低检修成本、减少检修风险。为提高配电网的运行可靠性及资产管理水平，配电网状态检修研究日益受到重视。

状态评价是状态检修得以实施的第一步。目前配电变压器状态评价导则及相应研究均是基于运行巡视、例行试验、带电检测等手段获得的信息。由于配电变压器数量多，覆盖面广，且人力资源有限，有些运行维护单位不能按相关标准对配电变压器及时地开展巡检、例行试验、带电检测等工作，导致配电变压器缺乏及时、有效的状态评价信息，难以实现在配电变压器故障前通过状态评价而发现故障风险，进而实施状态检修。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于实时运行信息的配电变压器健康状态评价方法，解决当前配电变压器健康状态评价信息相对匮乏这一不足。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于实时运行信息的配电变压器健康状态评价方法，包括：

步骤(1)：选取评价指标，选取负载率、电压偏差、三相不平衡度、谐波总畸变率作为评价指标；

步骤(2)：量化指标，设定各评价指标在正常、注意、异常、严重四个等级的指标值及扣分值的临界值，将各评价指标值代入指标值通用扣分模型

S_{D i} = \{\begin{matrix} \frac{S_{L i}}{a_{i}} x_{i}, n_{i} \leq x_{i} < a_{i} \\ S_{L i} + \frac{S_{H i} - S_{L i}}{b_{i} - a_{i}} (x_{i} - a_{i}), a_{i} \leq x_{i} < b_{i} \\ S_{H i} + \frac{S_{S i} - S_{H i}}{c_{i} - b_{i}} (x_{i} - b_{i}), b_{i} \leq x_{i} < c_{i} \\ S_{H i} + k_{i} \frac{S_{S i} - S_{H i}}{c_{i} - b_{i}} (x_{i} - c_{i}), x_{i} &GreaterEqual; c_{i} \end{matrix}

i＝1,2,3,4

计算出各指标的健康状态扣分，进而再根据S_i＝100-S_Di得到各指标的健康状态得分S_i，其中，S_Di为第i项指标扣分分值；x_i为第i项指标的指标值，分别代表η、Δ_U、ε_U2、THD_U，n_i为第i项指标标准值，η标准值取100％，Δ_U、ε_U2、THD_U标准值取0％，S_Li、S_Hi、S_Si分别为第i项指标在正常与注意、注意与异常、异常与严重等级临界点的扣分值；a_i、b_i、c_i分别为第i项指标正常与注意，注意与异常，以及异常与严重等级临界点的指标值；k_i为第i项指标在严重等级下的扣分斜率倍数；得到各评价指标的健康状态扣分后，进而得出各指标的健康状态得分S_i＝100-S_Di；

步骤(3)：指标权重分配，采用变权重的方法，计算各项指标的权重；

步骤(4)：计算状态评价得分，获得各指标的权重后，根据计算配电变压器的健康状态综合得分S_Operation。

优选的，步骤(1)分为三个部分：①基于故障记录信息及运行信息的变化趋势选取初始评价指标；②根据综合性原则和独立性原则筛选指标，最终选取负载率η、电压偏差Δ_U、三相不平衡度ε_U2、谐波总畸变率THD_U作为评价指标；③将选取的指标根据获取频率和处理方式的不同分为实时型指标和统计型指标。

优选的，步骤(3)中变权重模型基本公式如下：其中，S_i为第i个指标的健康状态得分值，w_i为第i个指标变权之后的变权重，为第i个指标变权之前的常权重，根据指标独立性原则，取

进一步的，将均衡函数引入变权重来体现评价对于均衡问题的重视程度，即：

w_{i} (S_{1}, ..., S_{4}) = w_{i}^{(0)} S_{i}^{α - 1} / Σ_{i = 1}^{4} w_{i}^{(0)} S_{i}^{α - 1}

其中，α为均衡因子，用于调整变权重来反映评价对于均衡问题的重视程度，当各指标的均衡问题考虑不多时，取α＞1/2；当不能容忍某些指标的严重缺陷时，取α＜1/2；当α＝1时，等同于常权重模式。

进一步的，考虑指标处于较低水平的持续时间，对于实时型指标，变权计算时，将S_i调整为即取指标的3～4个健康状态得分平均值，作为变权计算时的健康状态得分值，此时的变权综合表达式为：

w_{i} (S_{1}, ..., S_{4}) = w_{i}^{(0)} {S_{w_{i}}}^{α - 1} / Σ_{i = 1}^{4} w_{i}^{(0)} {S_{w_{i}}}^{α - 1}

本发明采用的技术方案，将实时运行信息作为评价指标与既有的状态评价技术相结合，弥补当前状态检修技术时效性的欠缺，更加及时地反映变压器的健康状态。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

当前，配电变压器运行电气量信息的获取技术已日趋成熟，可以获取大量与配电变压器状态息息相关的电气量。现有的监测系统不仅可以采集到电压、电流、有功、无功等电气量，还可以基于上述数据进一步获得一些统计信息，如不同程度的过载率、三相不平衡度等。这些实时运行信息可以作为评价指标与既有的状态评价技术相结合，弥补当前状态检修技术时效性的欠缺，更加及时地反映变压器的健康状态。

步骤(1)：选取评价指标。通过分析配电变压器的历史故障记录可以发现，除天气异常或外力破坏等外部原因外，引发配变故障的原因主要集中于过热、绝缘烧毁、匝间短路、接地故障等。基于上述故障记录信息，对故障前后变压器运行信息的变化趋势进行详细分析，选取出不同类型故障下有一定相关性的运行信息和统计信息作为初始评价指标。然后根据如下指标取舍原则：一是尽可能用少而精的指标全面反映设备状态劣化趋势，即综合性原则；二是指标尽可能独立，降低冗余和耦合度，即独立性原则。再结合电能质量等相关导则与实际运行经验，最终选取负载率η、电压偏差Δ_U、三相不平衡度ε_U2、谐波总畸变率THD_U作为评价指标。这些指标在已投运的监测系统中可直接获取，因此具有实用性。

下面对四个指标进行说明：

1.负载率

负载率表示变压器实际容量与额定容量的比值，用于监测变压器是否过负荷以及过负荷的严重程度。长期过负荷运行，会使变压器出现过热甚至烧毁。因此作为评价实时健康状态的指标之一。

负载率η定义为：

η = \frac{S_{T}}{S_{R}} \times 100 %

其中，S_T为实际容量，即可实时获取的功率数据；S_R表示变压器的额定容量。

变压器允许在平均相对老化率小于或等于1的情况下短时间过负荷运行。在实际运行中，一般根据变压器役龄、负荷率、使用环境和出厂时允许的短时过负荷倍数等条件，确定短时间允许过负荷运行倍数。

2.电压偏差

电压偏差是指实际电压与标称电压之间的偏差程度，用于监测电压质量。过高的电压会使变压器升温，加速绝缘老化，进而影响使用寿命。因此作为评价实时健康状态的指标之一。

电压偏差Δ_U定义为：

Δ_{U} = \frac{U_{T} - U_{R}}{U_{R}} \times 100 % - - - (1)

其中，U_T表示实时电压，即可获取的实时相电压；U_R表示系统标称相电压。

20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7％，220V单相供电电压偏差为标称电压的+7％，-10％。

3.三相不平衡度

三相不平衡指三相电压和电流幅值不同或相位差不是120°的现象，不平衡度指不平衡的程度。三相不平衡度过高不仅会造成变压器的损耗增大，而且会产生零序电流，导致局部金属件升温，甚至会导致变压器烧毁。因此作为评价实时健康状态的指标之一。

理论上三相不平衡度可以用电压、电流负序或零序基波分量的方均根值与正序基波分量的方均根值百分比表示。电压不平衡度的表达式为：

\{\begin{matrix} ϵ_{U_{2}} = \frac{U_{2}}{U_{1}} \times 100 % \\ ϵ_{U_{0}} = \frac{U_{0}}{U_{1}} \times 100 % \end{matrix}

其中，U₁、U₂、U₀分别为三相电压正序、负序、零序分量方均根值。将电压换为电流则可得到对应的电流不平衡度表达式。

为简化计算，实际运行中，还有采用如下表达式计算电压不平衡度的：

ϵ_{U} = \frac{U_{m a x} - U_{m i n}}{U_{\max}} \times 100 %

其中，U_max与U_min分别表示三相电压的最大值和最小值。

在电压、电流不平衡度都可以获得的情况下，为满足指标少而精的综合性原则，只选取其中一项作为评价指标。电压负序不平衡度方均根值95％概率值应不大于2％，所有测量值中的最大值不大于4％。电流不平衡度标准可参照电压不平衡度标准制定。

4.谐波总畸变率

电压/电流谐波总畸变率用来衡量谐波大小。谐波会对变压器造成温度升高和损耗增大等影响。因此作为评价实时健康状态的指标之一。

电压谐波总畸变率THD_U定义为：

{THD}_{U} = \frac{U_{H}}{U_{1}} \times 100 %

其中，U₁为基波电压，U_H为谐波电压含量，表达式为：

U_{H} = \sqrt{Σ {(U_{h})}^{2}}

其中，U_h为系统可以监测到的各次谐波电压。式中电压量换为电流量即可得到电流谐波总畸变率。

对于配网设备，谐波电压总畸变率应限制为2.0％。谐波电流总畸变率的标准可参照此制定。

将选取的指标根据获取频率和处理方式的不同分为实时型指标和统计型指标两类。实时型指标是将实时采集的数据直接用于状态评价，反映状态的瞬时性，包括负载率和电压偏差；统计型指标是将实时采集的数据进行累计处理后用于状态评价，反映状态的渐变性，包括三相不平衡度和谐波总畸变率。两类指标的获取频度可以根据实际需求，通过修改运行信息采集系统的采集或统计频率设置来满足评价要求。上述指标在应用于状态评价时，任意一项指标进行了更新，其他指标即使数值不变也将进行更新。

步骤(2)：量化指标。根据实时计算或统计分析得到的各评价指标值需要转化为衡量变压器健康状态的得分。健康状态分值区间通常定义为0～100，分值越大表示设备健康状态越好。评价指标值偏离正常值将进行扣分。为简单而合理地反映评价指标与设备健康状态间的映射关系，采用多分段线性模型：根据指标值与导则或设备参数给定的标准限值的偏差程度，将指标值划分正常、注意、异常、严重四个等级；设定指标在标准状态下扣分值为0，正常与注意、注意与异常，以及异常与严重等级临界点的扣分值分别为S_L、S_H与S_S，建立指标值通用扣分模型如下：

S_{D i} = \{\begin{matrix} \frac{S_{L i}}{a_{i}} x_{i}, n_{i} \leq x_{i} < a_{i} \\ S_{L i} + \frac{S_{H i} - S_{L i}}{b_{i} - a_{i}} (x_{i} - a_{i}), a_{i} \leq x_{i} < b_{i} \\ S_{H i} + \frac{S_{S i} - S_{H i}}{c_{i} - b_{i}} (x_{i} - b_{i}), b_{i} \leq x_{i} < c_{i} \\ S_{H i} + k_{i} \frac{S_{S i} - S_{H i}}{c_{i} - b_{i}} (x_{i} - c_{i}), x_{i} &GreaterEqual; c_{i} \end{matrix}

i＝1,2,3,4

其中，S_Di为第i项指标扣分分值；x_i为第i项指标的指标值，分别代表η、Δ_U、ε_U2、THD_U；n_i为第i项指标标准值，其中，η标准值取100％(即不过载状态)，Δ_U、ε_U2、THD_U标准值取0％(即电压无偏差、无不平衡现象、无谐波)；S_Li、S_Hi、S_Si分别为第i项指标在正常与注意、注意与异常、异常与严重等级临界点的扣分值；a_i、b_i、c_i分别为第i项指标正常与注意，注意与异常，以及异常与严重等级临界点的指标值；k_i为第i项指标在严重等级下的扣分斜率倍数，其意义为严重等级下单位扣分值与异常等级下的单位扣分值之比。不同指标扣分模型中的各临界点取值可以在参考导则的基础上，根据实际运行需求和经验进行人工调整。由上述分段线性扣分模型，可得各指标的健康状态扣分，进而可得各指标的健康状态得分S_i，即：

S_i＝100-S_Di

步骤(3)：权重分配。在获得各指标的健康状态得分之后，需要将这些得分合成为变压器综合健康状态得分。由于各项指标相对独立，按理应当具有相同的权重。但是对于实际运行的变压器来说，一方面，只要有任何一项指标在一段时间内均处于较低的水平，都应当对该变压器的健康状态予以重视，即“短板效应”；另一方面，若某项运行指标只是短时处于较低水平，可以认为该指标存在的问题可以通过操作恢复或自动调整恢复，也有可能是采集过程中出现了偶尔误差。因此，指标权重在平均分配的基础上，需引入了变权重概念。

变权重理论是因素空间理论中的重要建模原理之一，反映了综合评价中各要素的均衡性。变权重模型基本公式如下：

w_{i} (S_{1}, ..., S_{4}) = \frac{w_{i}^{(0)}}{S_{i}} / Σ_{i = 1}^{4} \frac{w_{i}^{(0)}}{S_{i}}

其中，S_i为第i个指标的健康状态得分值，w_i为第i个指标变权之后的变权重，为第i个指标变权之前的常权重，在本发明中取

为了提高模型的普适性，将均衡函数引入变权重来体现评价对于均衡问题的重视程度，即：

w_{i} (S_{1}, ..., S_{4}) = w_{i}^{(0)} S_{i}^{α - 1} / Σ_{i = 1}^{4} w_{i}^{(0)} S_{i}^{α - 1}

其中，α为均衡因子，用于调整变权重来反映评价对于均衡问题的重视程度。一般情况下，当各指标的均衡问题考虑不多时，取α＞1/2；当不能容忍某些指标的严重缺陷时，取α＜1/2；当α＝1时，等同于常权重模式。

除了变权因素外，还需考虑指标处于较低水平的持续时间。对于实时型指标，变权计算时，可将S_i调整为即取指标的3～4个健康状态得分平均值，作为变权计算时的健康状态得分值。此时的变权综合表达式为：

w_{i} (S_{1}, ..., S_{4}) = w_{i}^{(0)} {S_{w i}}^{α - 1} / Σ_{i = 1}^{4} w_{i}^{(0)} {S_{w i}}^{α - 1}

用这种方法调整后的变权重可以减弱短时处于较低水平的指标值对整体健康状态得分的影响。而长时间处于较低水平的指标值经平均变权调整后依然会保持较高的权重。

步骤(4)：计算状态评价得分。获得各指标的权重后，可以根据计算配电变压器的健康状态综合得分S_Operation。

本发明以实时运行信息以及统计信息作为评价指标，可以及时地反映配电变压器的健康状态，从而改善了状态评价的时效性，为有效实施状态检修奠定了基础。此外，本发明具有一定通用性，计算过程不繁琐，方便应用，具有实用价值。在实际应用中，可以根据具体采集情况，增减指标，改变指标数据的采集频率，或者调节指标的评价等级、评分区间、评分临界值，甚至改变平均变权均衡系数等手段调整评价模型，来适应不同应用背景下的健康状态评价需求。

Claims

1.一种基于实时运行信息的配电变压器健康状态评价方法，其特征在于包括：

i＝1,2,3,4

2.根据权利要求1所述的一种基于实时运行信息的配电变压器健康状态评价方法，其特征在于：步骤(1)分为三个部分：①基于故障记录信息及运行信息的变化趋势选取初始评价指标；②根据综合性原则和独立性原则筛选指标，最终选取负载率η、电压偏差Δ_U、三相不平衡度ε_U2、谐波总畸变率THD_U作为评价指标；③将选取的指标根据获取频率和处理方式的不同分为实时型指标和统计型指标。

3.根据权利要求1所述的一种基于实时运行信息的配电变压器健康状态评价方法，其特征在于：步骤(3)中变权重模型基本公式如下：其中，S_i为第i个指标的健康状态得分值，w_i为第i个指标变权之后的变权重，为第i个指标变权之前的常权重，根据指标独立性原则，取

4.根据权利要求3所述的一种基于实时运行信息的配电变压器健康状态评价方法，其特征在于：将均衡函数引入变权重来体现评价对于均衡问题的重视程度，即：

5.根据权利要求4所述的一种基于实时运行信息的配电变压器健康状态评价方法，其特征在于：考虑指标处于较低水平的持续时间，对于实时型指标，变权计算时，将S_i调整为即取指标的3～4个健康状态得分平均值，作为变权计算时的健康状态得分值，此时的变权综合表达式为：

。