CN107797017B - 一种电力变压器带电检测损耗特征参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力变压器带电检测损耗特征参数的方法，包括以下步骤：1)采集电力变压器各相电压和电流；2)对步骤1)采集的电压和电流进行滤波迭代；3)以迭代n次的电压及电流数值结果为据，建立电力变压器电压、电流与相位相关的函数；4)求取此电压电流函数沿各参数方向倒数；5)求取电力变压器损耗、铁耗及铜耗。本发明能够根据110kV及以上电力变压器各侧测量的电压、电流值准确计算其空载损耗及负载损耗，完成电力变压器的损耗状态评估。

Description

一种电力变压器带电检测损耗特征参数的方法

技术领域

本发明涉及电力变压器损耗带电检测领域，尤其涉及一种110kV及以上电力变压器带电检测空载损耗及负载损耗特征参数的方法。

背景技术

电力工业是国家经济建设的基础，电力安全在电力工业中有着举足轻重的地位。随着国民经济的发展和现代化技术的进步，对电力的需求日益增大，电力系统的额定电压等级和额定电流都有大幅度的提高和增加。作为电网核心设备的电力变压器，其运行可靠性直接关系电力系统的安全稳定。空载损耗和负载损耗是变压器的两个重要参数，一方面表示变压器在实际运行中的效率，另一方面也表明变压器是否存在问题，还能否满足正常运行要求。变压器是电力系统中的能耗大户，由于变压器使用数量大、分布广泛，因此变压器效率的微小变动，其损耗的改变量也非常大。变压器的运行效率随着运行年限的增加，以及长期的运行环境恶劣，其运行效率会逐渐降低，并且由于运行参数老化、损耗增高、缺陷增多，其运行可靠性也会变差，这些变压器不仅严重威胁着电网的安全运行，而且每年因此而浪费的电能资源也是十分巨大的，故对其能耗情况进行分析研究，对于节约能源、优化环境、实现电网的经济运行具有很重大的意义

目前变压器空载损耗和负载损耗的一般测量方法是在离线状态下通过空载试验和短路试验来实现的，离线空载和短路实验测量变压器的空载和负载损耗存在很大的缺陷，该测量方法对于即将入网的配电变压器进行测量较为方便的，但是，对于挂网运行的变压器进行离线测量将会带来诸多困难，该方法需要把变压器停运进行测试，此举既浪费了大量的人力物力，又影响供电的连续性，这不符合经济、连续的供电要求。

为此，针对电力变压器损耗带电测量的方法，提出可以通过数据采集装置测量变压器原边电压、电流和二次侧电压、电流值，然后根据测量出的电压、电流值计算出变压器总的功率损耗。随后利用电力变压器T型等效电路变换列出电压和电流公式，推导出变压器的铜耗和铁耗，利用求和法带电测量变压器铜耗、铁耗值，但是由于硬件测量设备的测量精度的限制，以及测量过程中其他信号的干扰存在，当负载变化较小时，测量的参数相差很小，此时测量系统带来的误差对测量准确性影响很大。

综上所述，电力变压器空载损耗和负载损耗的带电检测精度主要受限于一次侧及二次侧电压及电流互感器的测试准确度。因此，为减小电力变压器空载和负载损耗带电测量的误差，实有必要设计一套基于110kV及以上电力变压器空载损耗及负载损耗的检测方法，为电力变压器工作状态的有效评估提供依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电力变压器带电检测损耗特征参数的方法，以解决上述技术问题。本发明能够根据110kV及以上电力变压器各侧测量的电压、电流值准确计算其空载损耗及负载损耗，完成电力变压器的损耗状态评估。本发明通过变电站计量屏上输出的电力变压器电压及电流测试结果，对电力变压器的空载损耗级负载损耗进行计算，从而最终得到电力变压器的损耗特征。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电力变压器带电检测损耗特征参数的方法，包括以下步骤：

1)采集电力变压器各相电压和电流；

2)对步骤1)采集的电压和电流进行滤波迭代；

3)以迭代n次的电压及电流数值结果为据，建立电力变压器电压、电流与相位相关的函数；

4)求取此电压电流函数沿各参数方向倒数；

5)求取电力变压器损耗、铁耗及铜耗。

进一步的，步骤1)中经由电压互感器和电流互感器采集电力变压器高压侧A相电压信号和电流信号分别为：

U_高压A相＝[U₀₍₀₎,U₁₍₀₎,U₂₍₀₎,U₃₍₀₎,…,U_k-1(0),U_k(0),U_k+1(0),…,U_i(0)]

I_高压A相＝[I₀₍₀₎,I₁₍₀₎,I₂₍₀₎,I₃₍₀₎,…,I_k-1(0),I_k(0),I_k+1(0),…,I_i(0)]

式中U₀₍₀₎表示第0时刻第0次迭代时电力变压器高压侧A相电压幅值；I₀₍₀₎表示第0时刻第0次迭代时电力变压器高压侧A相电流幅值；

令变压器A相电压互感器的输入误差为μ_高压A相，输出误差为θ_高压A相；变压器高压侧A相电压的输出不确定度为P_高压A相，变压器高压侧A相电压互感器输入误差的不确定度为Q_高压A相，变压器高压侧A相电压互感器输出误差的不确定度为R_高压A相；变压器A相电流互感器的输入误差为ω_高压A相，输出误差为γ_高压A相，变压器高压侧A相电流互感器的测试不确定度为L_高压A相，输入误差的不确定度为M_高压A相，输出误差的不确定度为N_高压A相；

电压互感器和电流互感器的输入误差及输出误差分别满足高斯分布；则电力变压器A相高压侧电压互感器在k时刻滤波前的输入电压U和测量值Z表示为：

U_k(0)＝U_k-1(0)-100πA_高压A相sin(100π(k-1))+μ_高压A相(k)

Z_高压A相(k)＝U_k(0)+v_高压A相(k)

式中v_{高压A相(k)}表示电压测量值Z与真实值U_k之间的误差；电力变压器A相高压侧电流互感器在k时刻滤波前的真实电压I和测量值Y表示为：

I_k(0)＝I_k-1(0)-100πC_高压sin(100π(k-1))+ω_高压A相(k)

Y_高压A相(k)＝I_k(0)+γ_高压A相(k)

式中γ高压A相(k)表示电流测量值Y与真实值I_k之间的误差；k时刻滤波前电力变压器A相高压侧电压互感器的测试不确定度表示为：

k时刻滤波前电力变压器A相高压侧电流互感器的测试不确定度表示为：

k时刻滤波后，电力变压器A相高压侧电压互感器的测量值表示为：

U_k(1)＝U_k(0)+kgU_高压A相(k)(Z_高压A相(k)-U_k(0))

其中，U_k(1)表示滤波迭代1次后，k时刻电力变压器A相高压侧电压互感器的测量结果；kgU_高压A相(k)表示k时刻电力变压器A相高压侧电压互感器增益，其值为：

k时刻滤波后，电力变压器A相高压侧电流互感器的测量值表示为：

I_k(1)＝I_k(0)+kgI_高压A相(k)(Y_高压A相(k)-I_k(0))

其中，I_k(1)表示滤波迭代1次后，k时刻电力变压器A相高压侧电流互感器的测量结果；kgI_高压A相(k)表示k时刻电力变压器A相高压侧电压互感器增益，其值为：

k时刻滤波后，电力变压器A相高压侧电压互感器的测量不确定度为：

k时刻滤波后，电力变压器A相高压侧电流互感器的测量不确定度为：

对k时刻第0次迭代的电力变压器高压侧A相电压互感器及电流互感器输出结果进行迭代，分别得到k时刻第1次迭代的电力变压器高压侧A相电压互感器及电流互感器输出结果，表示为：

U_高压A相＝[U₀₍₁₎,U₁₍₁₎,U₂₍₁₎,U₃₍₁₎,…,U_k-1(1),U_k(1),U_k+1(1),…,U_i(1)]

I_高压A相＝[I₀₍₁₎,I₁₍₁₎,I₂₍₁₎,I₃₍₁₎,…,I_k-1(1),I_k(1),I_k+1(1),…,I_i(1)]

其中U₀₍₁₎＝U₀₍₀₎，I₀₍₁₎＝_I0(0)，以此为基础对第1次迭代的电力变压器高压侧A相电压互感器和电流互感器输出结果再次进行滤波，得到第2次迭代的电力变压器高压侧A相电压互感器和电流互感器输出结果；

经过n次迭代后，由电压互感器和电流互感器在[t₀,t₁,t₂,t₃,…,t_k-1,t_k,t_k+1,…,t_i]的离散时刻电力变压器高压侧A相电压及电流的序列表示为：

U_{高压A相(n)}＝[U_0(n),U_1(n),U_2(n),U_3(n),…,U_k-1(n),U_k(n),U_k+1(n),…,U_i(n)]

I_{高压A相(n)}＝[I_0(n),I_1(n),I_2(n),I_3(n),…,I_k-1(n),I_k(n),I_k+1(n),…,I_i(n)]

定义：

分别求取其沿各参量的偏导数，即：

得到电力变压器高压侧A相电压的幅值、相位及零漂；

定义：

分别求取其沿各参量的偏导数，即：

得到电力变压器高压侧A相电流的幅值、相位及零漂。

进一步的，分别得到电力变压器高压、中压、低压侧各相电压、电流的幅值、相位及零漂后，完成损耗计算；电力变压器的损耗功率为：

电力变压器的铁耗表示为：

电力变压器的铜耗为：

P_Cu＝P_损耗-P_Fe。

相对于现有技术，本发明有如下优点：

1)、弥补了电压互感器、电流互感器测试精度低对损耗计算带来的影响。电压互感器、电流互感器由于与电力变压器直接相连，故对其耐压等级要求较高，在一定程度上影响其测试精度。一般条件下，一次侧电压互感器、电流互感器均选择0.2P-0.5P等级设备，但在电力变压器未达到额定状态工作时，其输出结果有一定偏差。通过本发明方法，通过迭代可有效降低电压互感器和电流互感器测试误差对最终计算结果的影响。

2)、利用时域拟合的方法对各相电压及电流相位进行处理，相较于加窗-傅里叶变换的方法提升了测试结果的准确性。加窗-傅里叶变换的方法计算得到电力变压器的基波损耗和谐波损耗，随后计算最终损耗结果。但实际条件下谐波损耗极小，产生的谐波为电压互感器和电流互感器上测试过程中耦合形成。通过时域拟合的方法确定电力变压器的电压及电流大小及相位，最终通过定义计算得到电力变压器的损耗状态，提升了测试结果的准确性。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为电流滤波结果对比图；其中图2(a)为变压器A相低压侧电流经过10次迭代后结果；图2(b)为图2(a)部分放大后的结果示意图。

图3为求取偏导取得最小值后拟合出结果对比图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明做以详细的描述：

以三绕组电力变压器为例，设电力变压器高压侧A、B、C三相电压瞬时值分别为U_1A、U_1B、U_1C，电力变压器高压侧A、B、C三相电流瞬时值分别为I_1A、I_1B、I_1C；电力变压器中压侧A、B、C三相电压瞬时值分别为U_2A、U_2B、U_2C，电力变压器中压侧A、B、C三相电流瞬时值分别为I_2A、I_2B、I_2C；电力变压器低压侧A、B、C三相电压瞬时值分别为U_3A、U_3B、U_3C，电力变压器低压侧A、B、C三相电流瞬时值分别为I_3A、I_3B、I_3C。

此时，电力变压器高、中、低压侧的一个周期T的平均功率分别表示为：

则电力变压器的损耗总量表示为：

P_损耗＝P_高压-P_中压-P_低压

分别计算电力变压器的空载损耗及负载损耗时，引入的三绕组电力变压器的等效模型。则此时，电力变压器的铁耗表示为：

电力变压器的铜耗表示为：

在实际生产场合，电力变压器铜耗及铁耗为连续变化量，只有当负载产生波动时电力变压器的铁耗及铜耗才会逐渐发生变化。而实际检测中利用上述方法测得电力变压器的铜耗及铁耗波动极大，主要原因在于电压互感器及电流互感器的线性度差，易产生较大波动。为提高空载损耗及负载损耗的测试结果可信度，本发明一种电力变压器带电检测损耗特征参数的方法：

考虑电力变压器正常工作条件下，电网频率为50Hz。则电力变压器的高压、中压及低压侧A相电压及电流满足：

式中A_高压A相代表高压侧A相交流电压峰值，

代表高压侧A相电压相位，B_高压A相代表高压侧零序电压，当高压侧为星型接法时，其值为0；式中C_高压A相代表高压侧A相交流电流峰值，

代表高压侧A相电流相位，D_高压A相代表高压侧零序电流，当高压侧为星型接法时，其值为0。

电力变压器由电压互感器和电流互感器在[t₀,t₁,t₂,t₃,…,t_k-1,t_k,t_k+1,…,t_i]的离散时刻采集得到的电力变压器高压侧A相电压信号和电流信号为：

U_高压A相＝[U₀₍₀₎,U₁₍₀₎,U₂₍₀₎,U₃₍₀₎,…,U_k-1(0),U_k(0),U_k+1(0),…,U_i(0)]

I_高压A相＝[I₀₍₀₎,I₁₍₀₎,I₂₍₀₎,I₃₍₀₎,…,I_k-1(0),I_k(0),I_k+1(0),…,I_i(0)]

式中U₀₍₀₎表示第0时刻第0次迭代时电力变压器高压侧A相电压幅值，I₀₍₀₎表示第0时刻第0次迭代时电力变压器高压侧A相电流幅值。令变压器A相电压互感器的输入误差为μ_高压A相，输出误差为θ_高压A相；变压器高压侧A相电压的输出不确定度为P_高压A相，变压器高压侧A相电压互感器输入误差的不确定度为Q_高压A相，变压器高压侧A相电压互感器输出误差的不确定度为R_高压A相；变压器A相电流互感器的输入误差为ω_高压A相，输出误差为γ_高压A相，变压器高压侧A相电流互感器的测试不确定度为L_高压A相，输入误差的不确定度为M_高压A相，输出误差的不确定度为N_高压A相。电压互感器和电流互感器的输入误差及输出误差分别满足高斯分布。则电力变压器A相高压侧电压互感器在k时刻滤波前的输入电压U和测量值Z表示为：

U_k(0)＝U_k-1(0)-100πA_高压A相sin(100π(k-1))+μ_高压A相(k)

Z_高压A相(k)＝U_k(0)+v_高压A相(k)

式中v_{高压A相(k)}表示电压测量值Z与真实值U_k之间的误差。电力变压器A相高压侧电流互感器在k时刻滤波前的真实电压I和测量值Y可以表示为：

I_k(0)＝I_k-1(0)-100πC_高压sin(100π(k-1))+ω_高压A相(k)

Y_高压A相(k)＝I_k(0)+γ_高压A相(k)

式中γ高压A相(k)表示电流测量值Y与真实值I_k之间的误差。k时刻滤波前电力变压器A相高压侧电压互感器的测试不确定度表示为：

k时刻滤波前电力变压器A相高压侧电流互感器的测试不确定度表示为：

k时刻滤波后，电力变压器A相高压侧电压互感器的测量值表示为：

U_k(1)＝U_k(0)+kgU_高压A相(k)(Z_高压A相(k)-U_k(0))

其中，Uk(1)表示滤波迭代1次后，k时刻电力变压器A相高压侧电压互感器的测量结果；kgU_高压A相(k)表示k时刻电力变压器A相高压侧电压互感器增益，其值为：

k时刻滤波后，电力变压器A相高压侧电流互感器的测量值表示为：

I_k(1)＝I_k(0)+kgI_高压A相(k)(Y_高压A相(k)-I_k(0))

其中，Ik(1)表示滤波迭代1次后，k时刻电力变压器A相高压侧电流互感器的测量结果；kgI_高压A相(k)表示k时刻电力变压器A相高压侧电压互感器增益，其值为：

k时刻滤波后，电力变压器A相高压侧电压互感器的测量不确定度为：

k时刻滤波后，电力变压器A相高压侧电流互感器的测量不确定度为：

利用此方法对k时刻第0次迭代的电力变压器高压侧A相电压互感器及电流互感器输出结果进行迭代，即可分别得到k时刻第1次迭代的电力变压器高压侧A相电压互感器及电流互感器输出结果，表示为：

U_高压A相＝[U₀₍₁₎,U₁₍₁₎,U₂₍₁₎,U₃₍₁₎,…,U_k-1(1),U_k(1),U_k+1(1),…,U_i(1)]

I_高压A相＝[I₀₍₁₎,I₁₍₁₎,I₂₍₁₎,I₃₍₁₎,…,I_k-1(1),I_k(1),I_k+1(1),…,Ii(1)]

其中U₀₍₁₎＝U₀₍₀₎，I₀₍₁₎＝_I0(0)，以此为基础对第1次迭代的电力变压器高压侧A相电压互感器和电流互感器输出结果再次进行滤波，即可得到第2次迭代的电力变压器高压侧A相电压互感器和电流互感器输出结果。在迭代n(n>＝10)次后，能够有效降低电压互感器和电流互感器输入误差及输出误差对最终输出结果的影响，提升电压互感器及电流互感器测试幅值的准确性。

经过n次迭代后，系统经由电压互感器和电流互感器在[t₀,t₁,t₂,t₃,…,t_k-1,t_k,t_k+1,…,t_i]的离散时刻电力变压器高压侧A相电压及电流的序列表示为：

U_{高压A相(n)}＝[U_0(n),U_1(n),U_2(n),U_3(n),…,U_k-1(n),U_k(n),U_k+1(n),…,U_i(n)]

I_{高压A相(n)}＝[I_0(n),I_1(n),I_2(n),I_3(n),…,I_k-1(n),I_k(n),I_k+1(n),…,I_i(n)]

变压器A相低压侧电流经过10次迭代后结果如图2(a)所示，图2(b)为图2(a)部分放大后的结果。

为确定电力变压器高压侧A相电压的相位，定义：

分别求取其沿各参量的偏导数，即：

得到电力变压器高压侧A相电压的幅值、相位及零漂。

为确定电力变压器高压侧A相电流的相位，定义：

分别求取其沿各参量的偏导数，即：

得到电力变压器高压侧A相电流的幅值、相位及零漂。

电力变压器高压侧A相电压的幅值、相位及零漂，电力变压器A相低压侧电流计算结果绘图拟合如图3所示。

利用上述公式分别得到电力变压器高压、中压、低压侧各相电压、电流的幅值、相位及零漂后，完成损耗计算。电力变压器的损耗功率为：

电力变压器的铁耗表示为：

电力变压器的铜耗为：

P_Cu＝P_损耗-P_Fe。

Claims (4)

1.一种电力变压器带电检测损耗特征参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集电力变压器各相电压和电流；

2)对步骤1)采集的电压和电流进行滤波迭代；

3)以迭代n次的电压及电流数值结果为据，建立电力变压器电压、电流与相位相关的函数；

4)求取此电压电流函数沿各参数方向导数；

5)求取电力变压器损耗、铁耗及铜耗。

2.根据权利要求1所述的一种电力变压器带电检测损耗特征参数的方法，其特征在于，步骤1)中经由电压互感器和电流互感器采集电力变压器高压侧A相电压信号和电流信号分别为：

U_高压A相＝[U₀₍₀₎,U₁₍₀₎,U₂₍₀₎,U₃₍₀₎,…,U_k-1(0),U_k(0),U_k+1(0),…,U_i(0)]

I_高压A相＝[I₀₍₀₎,I₁₍₀₎,I₂₍₀₎,I₃₍₀₎,…,I_k-1(0),I_k(0),I_k+1(0),…,I_i(0)]

式中U₀₍₀₎表示第0时刻第0次迭代时电力变压器高压侧A相电压幅值；I₀₍₀₎表示第0时刻第0次迭代时电力变压器高压侧A相电流幅值；

令变压器高压侧A相电压互感器的输入误差为μ_高压A相，输出误差为θ_高压A相；变压器高压侧A相电压的输出不确定度为P_高压A相，变压器高压侧A相电压互感器输入误差的不确定度为Q_高压A相，变压器高压侧A相电压互感器输出的不确定度为R_高压A相；变压器高压侧A相电流互感器的输入误差为ω_高压A相，输出误差为γ_高压A相，变压器高压侧A相电流互感器的测量不确定度为L_高压A相，输入误差的不确定度为M_高压A相，输出误差的不确定度为N_高压A相；

电压互感器和电流互感器的输入误差及输出误差分别满足高斯分布，则变压器高压侧A相电压互感器在k时刻滤波前的输入电压U和测量值Z表示为：

U_k(0)＝U_k-1(0)-100πA_高压A相sin(100π(k-1))+μ_高压A相(k)

Z_高压A相(k)＝U_k(0)+v_高压A相(k)

式中v_{高压A相(k)}表示电压测量值Z与真实值U_k之间的误差；变压器高压侧A相电流互感器在k时刻滤波前的真实电流I和测量值Y表示为：

I_k(0)＝I_k-1(0)-100πC_高压A相sin(100π(k-1))+ω_高压A相(k)

Y_高压A相(k)＝I_k(0)+γ_高压A相(k)

式中γ高压A相(k)表示电流测量值Y与真实值I_k之间的误差；k时刻滤波前变压器高压侧A相电压互感器的测试不确定度表示为：

k时刻滤波前变压器高压侧A相侧电流互感器的测试不确定度表示为：

k时刻滤波后，变压器高压侧A相电压互感器的测量值表示为：

U_k(1)＝U_k(0)+kgU_高压A相(k)(Z_高压A相(k)-U_k(0))

其中，U_k(1)表示滤波迭代1次后，k时刻变压器高压侧A相电压互感器的测量结果；kgU_高压A相(k)表示k时刻变压器高压侧A相电压互感器增益，其值为：

k时刻滤波后，变压器高压侧A相电流互感器的测量值表示为：

I_k(1)＝I_k(0)+kgI_高压A相(k)(Y_高压A相(k)-I_k(0))

其中，I_k(1)表示滤波迭代1次后，k时刻变压器高压侧A相电流互感器的测量结果；kgI_高压A相(k)表示k时刻变压器高压侧A相电流互感器增益，其值为：

k时刻滤波后，变压器高压侧A相电压互感器的测量不确定度为：

k时刻滤波后，变压器高压侧A相电流互感器的测量不确定度为：

对k时刻第0次迭代的变压器高压侧A相电压互感器及电流互感器输出结果进行迭代，分别得到k时刻第1次迭代的变压器高压侧A相电压互感器及电流互感器输出结果，表示为：

U_高压A相＝[U₀₍₁₎,U₁₍₁₎,U₂₍₁₎,U₃₍₁₎,…,U_k-1(1),U_k(1),U_k+1(1),…,U_i(1)]

I_高压A相＝[I₀₍₁₎,I₁₍₁₎,I₂₍₁₎,I₃₍₁₎,…,I_k-1(1),I_k(1),I_k+1(1),…,I_i(1)]

其中U₀₍₁₎＝U₀₍₀₎，I₀₍₁₎＝_I0(0)，以此为基础对第1次迭代的变压器高压侧A相电压互感器和电流互感器输出结果再次进行滤波，得到第2次迭代的变压器高压侧A相电压互感器和电流互感器输出结果；

经过n次迭代后，由电压互感器和电流互感器在[t₀,t₁,t₂,t₃,…,t_k-1,t_k,t_k+1,…,t_i]的离散时刻变压器高压侧A相电压及电流的序列表示为：

U_{高压A相(n)}＝[U_0(n),U_1(n),U_2(n),U_3(n),…,U_k-1(n),U_k(n),U_k+1(n),…,U_i(n)]

I_{高压A相(n)}＝[I_0(n),I_1(n),I_2(n),I_3(n),…,I_k-1(n),I_k(n),I_k+1(n),…,I_i(n)]

定义：

分别求取其沿各参量的偏导数，即：

得到变压器高压侧A相电压的幅值、相位及零漂；

定义：

分别求取其沿各参量的偏导数，即：

得到变压器高压侧A相电流的幅值、相位及零漂。

3.根据权利要求2所述的一种电力变压器带电检测损耗特征参数的方法，其特征在于，分别得到电力变压器高压、中压、低压侧各相电压、电流的幅值、相位及零漂后，完成损耗计算；电力变压器的损耗功率为：

电力变压器的铁耗表示为：

电力变压器的铜耗为：

P_Cu＝P_损耗-P_Fe。

4.根据权利要求1所述的一种电力变压器带电检测损耗特征参数的方法，其特征在于，n>＝10。

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