CN108700627B - 用于测量电力变压器中的功率损耗的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定变压器(100)的功率损耗的系统和方法。该方法包括：测量(201)变压器的初级侧(101)处的电压和电流(V^～ _H，I^～ _H)，通过将变压器的初级侧(101)上的测量的电流和测量的电压相乘来计算输入功率(202)；测量(203)变压器的次级侧(102)处的电压和电流(V^～ _L，I^～ _L)，计算标称误差比率，通过将变压器的次级侧上的测量的电流和测量的电压相乘来计算输出功率。该方法还包括：借助于将输入功率乘以标称误差比率并减去输出功率，来计算(206)第一校正的功率损耗。

Description

用于测量电力变压器中的功率损耗的方法和系统

技术领域

本文描述的实施例涉及用于确定变压器中的功率损耗的方法和系统，并且特别涉及一种包括传感器测量的校正的、用于确定电力变压器中的功率损耗的方法和系统。

背景技术

大功率变压器在操作期间总是存在一些功率损耗。为了及早了解变压器问题和故障，使这些损耗得到控制并对这些损耗进行频繁监测非常重要。理论上，借助于测量变压器的初级侧处的输入功率并测量变压器的次级侧处的输出功率，可以容易地监测功率损耗。输入功率与输出功率之间的差异是由于变压器损耗的。用于测量功率损耗的常见测量设置包括在电力变压器的初级侧和次级侧两侧上的电流传感器和电压传感器。

实际上，由于测量设置的准确度，测量的电压和电流信号总是与系统误差相关联。这里给出测量的电压：

V^～＝V+V_err＝(1+ε_V)·V (eq1)

其中ε_V是表示电压测量误差的复数(complex number)。以类似的方式，测量的电流可被写为：

I^～＝I+I_err＝(1+ε_I)·I (eq2)

其中，ε_I是表示电流测量误差的复数。这意味着测量的功率损耗不等于真实功率损耗，并且测量的功率损耗为：

S^～ _loss＝V^～ _H·I^～ _H ^*-V^～ _L·I^～ _L ^* (eq3)

通过将上述等式(eq1，eq2)代入(eq3)，可以获得测量的功率损耗的表达式：

S^～ _loss＝(1+ε_VH)(1+ε_IH)^*V_H I_H ^*-(1+ε_VL)(1+ε_IL)^*V_L I_L ^* (eq4)

上述等式(eq4)可用于计算真实功率损耗，但由于差异计算而存在与上述等式(eq4)相关联的一些数值问题。彼此近似相等的两个大数之间的差异的计算会导致数值误差增加。如果使用上述用于计算功率损耗的等式，则可能观察到一些违反物理规律的(non-physical)关系、诸如功率损耗随着负载而降低以及负功率损耗。

EP 2 474 832 A2公开了一种用于确定变压器健康状况的方法、系统和计算机程序产品。该方法包括：基于与变压器的初级绕组相关联的初级电参数和与变压器的次级绕组相关联的次级电参数，来计算有效匝数比。该方法还包括：基于有效匝数比以及变压器的初级和次级电流或变压器的初级和次级电压，来计算操作磁化电流。最后，该方法包括：至少部分地基于操作磁化电流来确定匝间绕组健康指示。

US 6 809 525 B1公开了用于估计变压器中的导体损耗的方法，该变压器具有第一和第二绕组，该方法包括：激励第一绕组，同时由电导体短路第二绕组，从而功率被供应到第一绕组并且功率的一部分由于与电导体相关联的电阻而被消耗。该方法还包括：测量被供应到第一绕组的功率，计算由于与电导体相关联的电阻而被消耗的功率的部分，以及从被供应到第一绕组的功率中减去由于与电导体相关联的电阻而被消耗的功率的部分。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法和装置，其提高了确定变压器的功率损耗的准确度。

本发明的目的是提供一种避免上述问题的方法，并提供一种用于确定变压器的功率损耗的更准确和稳健的方法。上述目的借助于根据独立权利要求的方法和设备来实现。

第一实施例提供了一种用于确定变压器中的功率损耗的方法，该方法包括：测量变压器的初级侧处的电压和电流(V^～ _H,I^～ _H)，通过将变压器的初级侧上的测量的电流和测量的电压相乘来计算输入功率。该方法还包括：测量变压器的次级侧处的电压和电流(V^～ _L,I^～ _L)，计算标称误差比率。该方法还包括：通过将变压器的次级侧上的测量的电流和测量的电压相乘来计算输出功率。该方法还包括：借助于将输入功率乘以标称误差比率并减去输出功率，来计算第一校正的功率损耗。

第二实施例提供了一种用于确定变压器中的功率损耗的系统。该系统包括：被配置为连接到变压器的初级绕组端子的输入电压测量装置和输入电流测量装置，以及被配置为连接到变压器的次级绕组端子的输出电流测量装置和输出电压测量装置。该系统还包括计算设备，该计算设备被配置为连接到输入电流测量装置、输入电压测量装置、输出电流测量装置和输出电压测量装置。计算设备被配置为接收关于每个测量的信息，该测量包括测量的电压和电流。计算设备还被配置为：通过将变压器的初级侧的测量的电流和测量的电压相乘来计算输入功率，计算标称误差比率，通过将变压器的次级侧上的测量的输出电流和测量的输出电压相乘来计算输出功率。计算设备还被配置为：借助于将输入功率乘以标称误差比率并减去输出功率，来计算第一校正的功率损耗。

本文描述的某些实施例的优点在于，它们可以准确地确定变压器的功率损耗。

本文描述的一些实施例的另一个优点在于，它们避免了与计算彼此几乎相等的两个大数之间的差异相关联的数值问题。

当结合附图阅读以下详细描述时，本发明实施例的其他优点和特征将变得显而易见。

附图说明

图1是变压器和用于确定功率损耗的电路的示意电路图。

图2是图示出用于确定变压器中的功率损耗的方法的实施例的流程图。

图3是图示出用于确定变压器中的功率损耗的系统的实施例的示意框图。

图4是借助于用于确定变压器中的功率损耗的方法的实施例所确定的功率损耗的实验图。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，该附图中示出了不同的示例性实施例。提供这些示例性实施例是为了使本公开详尽和完整，而不是为了限制的目的。

图1图示了具有初级绕组101和次级绕组102的变压器100的示例。初级绕组101被连接到电压源103，电压源103向变压器供应输入功率。初级电压测量装置104被连接到变压器100的初级绕组101，以用于测量初级绕组101两端的电压。此外，初级电流测量装置105被连接到初级绕组，以用于测量从电压源103流入变压器的输入电流I_H。测量的输入电流表示为I^～ _H。在一个实施例中，电压源103可以是电网。在该图1中，初级绕组101两端的电压V_H由电压测量装置104测量，但是测量的电压V^～ _H由于电压测量装置104中的系统误差而不等于电压V_H。在次级侧上，电压测量装置106被连接并配置为测量变压器100的次级绕组102两端的电压V_L。测量的输出电压表示为V^～ _L。电流测量装置107被配置为测量输出电流I_L，并且测量的电流被表示为I^～ _L，该测量的电流由于电流测量装置107中的系统误差而不等于输出电流I_L。在该图中，负载108也被图示出。

在优选实施例中，变压器是三相变压器，其具有三个初级绕组和三个次级绕组。

计算的输入功率(S^～ _in)被计算为测量的电压V^～ _H与测量的电流的复共轭I^～ _H ^*的乘积：

S^～ _in＝V^～ _H·I^～ _H ^* (eq1)

然而，由于如上所述的测量装置104、105中的系统误差，该计算的输入功率S^～ _in不是真实输入功率。对于系统误差的合理描述可以借助于针对在计算中使用的每个测量值的复数来获得。这使得测量装置中的系统误差可以用复数常数ε(epsilon)描述，其给出了针对测量的电压的以下等式：

V^～ _H＝(1+ε_VH)·V_H (eq2)

其中V_H是变压器初级绕组两端的真实电压，ε_VH是复数常数，它描述了变压器的初级绕组两端电压的电压测量中的误差。

针对电流的复共轭的对应等式可以被导出：

I^～ _H ^*＝(1+ε_IH)^*·I_H ^* (eq3)

其中I_H是真实电流，ε_IH是描述输入电流测量中的误差的复数常数。

将等式(eq2，eq3)代入针对输入功率的等式(eq1)中则给出：

S^～ _in＝V^～ _H·I^～ _H ^*＝(1+ε_VH)·(1+ε_IH)^*·V_H·I_H ^* (eq4)

从变压器的计算的输出功率S^～ _out可以以类似的方式被计算：

S^～ _out＝V^～ _L·I^～ _L ^* (eq5)

其中，V^～ _L是变压器的次级绕组两端的测量的电压，并且I^～ _L ^*是从变压器的次级绕组测量的电流的复共轭。

测量的电压V^～ _L和测量的电流的复共轭I^～ _L ^*可被写为：

V^～ _L＝(1+ε_VL)·V_L (eq6)

I^～ _L ^*＝(1+ε_IL)^*·I_L ^* (eq7)

其中V_L是次级绕组两端的真实电压，ε_VL是代表次级绕组两端测量的电压中的系统误差的复数。I_L ^*是来自变压器的次级绕组的真实电流的复共轭，并且最后ε_IL是代表从变压器的次级绕组测量的电流I^～ _L中的系统误差的复数。

这使得输出功率S^～ _out可以被写为(eq5、eq6和eq7)：

S^～ _out＝V^～ _L·I^～ _L ^*＝(1+ε_VL)·(1+ε_IL)^*·V_L·I_L ^* (eq8)

变压器的估计功率损耗为：

S^～ _loss＝S^～ _in-S^～ _out (eq9)

如果上述等式(eq9)与针对输入和输出功率的上述表达式(eq8，eq4)一起使用，则可以导出用于功率损耗的表达式：

S^～ _loss＝(1+ε_VH)·(1+ε_IH)^*·V_H·I_H ^*-(1+ε_VL)·(1+ε_IL)^*·V_L·I_L ^* (eq10)

然而，由于测量中的系统误差，该功率损耗S^～ _loss不等于真实功率损耗。由于系统误差通常与总功率的功率损耗部分一样大或比总功率的功率损耗部分更大，因此S^～ _loss中的误差可能是真实损耗的数倍。

本发明基于这样的想法：通过引入用于电压测量和电流测量的校正因子，可以使得两个几乎一样大的大数之间的差异的计算能够更少受到传感器误差的影响，从而更接近真实值。

第一校正因子可以被引入以用于校正电流测量。这是合理的，因为电流测量通常与最大的系统误差相关联。

初级绕组和次级绕组的匝数之比n以如下等式与输入电流和输出电流有关：

n＝I_L/(I_H-I₀) (eq11)

变压器的匝数比n是一个非常稳定和精确的数量，只有在变压器出现严重问题时才会改变。如果推断或假设没有这样的问题存在，则测量的比率n^～仅反映当前的测量误差。

其中，I₀是变压器的磁化电流。输入电流和输出电流的测量产生测量比率n^～为：

n^～＝I^～ _L/(I^～ _H-I₀)＝I_L·(1+ε_IL)/(I_H·(1+ε_IH)-I₀) (eq12)

通过计算标称误差比率(也称为电流误差比率)，导出第一校正因子为：

n^～/n＝(1+ε_IL)/(1+ε_IH) (eq13)

磁化电流I₀被忽略，因为它与I_H和I^～ _H相比较小。

第一校正因子是n^～/n的复共轭，并被用于校正针对测量的功率损耗的等式(eq10)中的测量的输入功率。这给出：

S^～ _loss,corr1＝(n^～/n)^*·(1+ε_VH)·(1+ε_IH)^*·V_H·I_H ^*-(1+ε_VL)(1+ε_IL)·V_L·I_L*＝(1+ε_IL)^*·((1+ε_VH)·V_H·I_H ^*-(1+ε_VL)·V_L·I_L*) (eq14)

等式(eq14)表明，由于电流测量引起的误差现在仅由电流传感器的准确度等级的因数来影响功率损耗。

类似地，可以引入与电压测量中的误差有关的第二校正因子。针对变压器等效电路的电压关系为V_H-Z_e·I_H＝V_L·n，这给出：

V_H/V_L＝n+(Z_e·I_H)/VL (eq15)

其中Z_e是指变压器的初级侧的短路阻抗。

此外，初级侧和次级侧上的测量的电压的比率可以如下计算：

V^～ _H/V^～ _L＝V_H·(1+ε_VH)/(V_L·(1+ε_VL))＝·(n+(Z_e·I_H)/VL)·(1+ε_VH)/(1+ε_VL)(eq16)

测量的电压的比率与真实电压的比率之间的电压比率从上述等式(eq15，eq16)获得。

(V^～ _H/V^～ _L)/(V_H/V_L)＝(1+ε_VH)/(1+ε_VL) (eq17)

该第二校正因子乘以在等式(eq14)的括号内的、与输出功率相关的第二项。这给出了第二校正的功率损耗的表达式：

S^～ _loss,corr2＝(1+ε_VL)^*·(1+ε_VH)·(V_H·I_H ^*-V_L·I_L ^*) (eq18)

与上述等式(eq10)中的误差相比，第二校正的功率损耗(eq18)包含实际损耗的百分比范围内的误差，该误差要大得多并且在流过变压器的实际功率的百分比内。

在图2中，图示用于确定功率损耗的方法的实施例的流程图被示出。用于确定变压器中功率损耗的该方法包括：

201：测量变压器的初级侧处的电压V^～ _H和电流I^～ _H。

202：通过将变压器的初级侧上的测量的电流和测量的电压相乘，来计算输入功率。

203：测量变压器的次级侧处的电压V^～ _L和电流I^～ _L；

204：通过将变压器的次级侧上的测量的电流和测量的电压相乘，来计算输出功率。这对应于等式(eq5)中的计算。

205：计算标称误差比率。在优选实施例中，这包括使用等式(eq13)以及针对初级侧和次级侧上的电流测量的误差(ε_IH，ε_IL)。

206：通过将输入功率乘以标称误差比率并减去输出功率，来计算第一校正的功率损耗。该步骤对应于等式(eq14)中的计算。

根据一些实施例，执行计算电压误差比率的附加步骤，并且校正的功率损耗的计算还包括将输出功率乘以电压误差比率。电压误差比率可以使用等式(eq17)来计算。

图3示意性地图示了用于确定变压器的功率损耗的系统，其被总体标记为300。

系统300包括：被配置为连接到变压器100的初级绕组101的输入电压测量装置104和输入电流测量装置105，以及被配置为连接到变压器100的次级绕组102的输出电流测量装置107和输出电压测量装置106。系统300还包括计算设备301，其被配置为连接到输入电流测量装置105、输入电压测量装置104、输出电流测量装置107和输出电压测量装置106。

计算设备301被配置为接收关于每个测量的信息，该测量包括测量的电压和测量的电流。计算设备301被配置为：通过将变压器的初级侧上的测量的电流与测量的电压相乘来计算输入功率，计算标称误差比率。计算设备还被配置为：通过将变压器的次级侧上的测量的输出电流与测量的输出电压相乘来计算输出功率，借助于将输入功率乘以标称误差比率并减去输出功率来计算第一校正的功率损耗。

在优选实施例中，借助于等式(eq13)和针对输入电流测量装置和输出电流测量装置的复数校正因子，来执行标称误差比率的计算。

在优选实施例中，计算设备借助于等式(eq17)以及针对输入电压测量装置和输出电压测量装置的复数校正因子，来计算电压误差比率。计算设备还根据等式(eq18)来计算第二校正的功率损耗，该等式进一步包括将输出功率乘以电压误差比率。第二校正的功率损耗考虑了电流测量装置和电压测量装置两者中的误差。

在一个实施例中，计算设备301还包括处理器302和存储器303。存储器包括用于处理器的计算机可读指令，以使得当处理器执行该指令时，执行如上参考图2公开的方法。

在另一实施例中，处理器从信号接收指令，该信号包括用于处理器的计算机可读指令，以使得当处理器执行该指令时，执行如上参考图2公开的方法。

在下面参考图4，实验将被公开，该实验示出了该方法的实施例的有益效果，特别是与如上所述的第二校正的功率损耗相关的实施例的有益效果。

图4a示出了额定功率为56MVA的三相变压器的未校正的功率损耗的测量。横轴是负载电流并且纵轴是功率损耗。在该图4a中，可以看到三组测量值。第一组401对应于阶段0，第二组402对应于阶段1，第三组403对应于阶段2。从该图中，可以识别几个违反物理规律的属性。首先，对于所有三个组而言，功率损耗是负的，这意味着输出功率大于输入功率。其次，功率损耗随负载电流而减少，这也是违反物理规律的。

在图4b中，公开了校正的功率损耗。使用用于估计第二校正的功率损耗的方法来计算图4b中的校正的功率损耗。在该图中，与图4a中相同的三个组被图示为已校正。校正的第一组401b对应于第一组401a，校正的第二组402b对应于第二组402a，校正的第三组403b对应于第三组403a。在该图中，所有组提供正的功率损耗以及随负载电流增加的功率损耗。通过使用简单的拇指规则，功率损耗被估计为负载的0.5％，这对于56MVA变压器而言约为13kW。该估计合理地对应于三个组的功率损耗。

从上面的描述中可以明显看出，上述一些实施例的优点在于它们使得能够实现对测量的功率损耗的令人惊讶的良好估计。

本文描述的一些实施例的另一个优点在于它们可以容易地在现有发电厂中集成和实施。

在附图和说明书中，已经公开了典型的实施例，并且尽管采用了特定术语，但这些特定术语仅用于一般性和描述性含义而不是用于限制的目的，本发明的范围在所附权利要求中被阐述。

Claims (7)

1.一种用于确定变压器(100)中的功率损耗的方法(200)，包括：

测量(201)所述变压器(100)的初级侧(101)处的电压和电流(V^～ _H，I^～ _H)；

通过将所述变压器的所述初级侧上的测量的电流和测量的电压相乘，来计算(202)输入功率；

测量(203)所述变压器(100)的次级侧(102)处的电压和电流(V^～ _L，I^～ _L)；

通过将所述变压器的所述次级侧上的测量的电流和测量的电压相乘，来计算(204)输出功率；

计算(205)标称误差比率；

借助于将所述输入功率乘以第一校正因子并减去所述输出功率，来计算(206)第一校正的功率损耗，所述第一校正因子为所述标称误差比率的复共轭；

其中所述标称误差比率n^～/n为：

n^～/n＝(1+ε_IL)/(1+ε_IH)

其中ε_IL为表示所述变压器的所述次级侧上的电流测量误差的复数，ε_IH为表示所述变压器的所述初级侧上的电流测量误差的复数。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

计算电压误差比率；以及

其中所述校正的功率损耗的所述计算还包括：将所述输出功率乘以所述电压误差比率。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述电压误差比率为：

(V^～ _H/V^～ _L)/(V_H/V_L)＝(1+ε_VH)/(1+ε_VL)

其中ε_VL为表示所述变压器的所述次级侧上的电压测量误差的复数，ε_VH为表示所述变压器的所述初级侧上的电压测量误差的复数。

4.一种用于确定变压器中的功率损耗的系统(300)，包括：

输入电压测量装置(104)和输入电流测量装置(105)，被配置为连接到所述变压器(100)的初级绕组(101)，以及

输出电流测量装置(107)和输出电压测量装置(106)，被配置为连接到所述变压器(100)的次级绕组(102)；

计算设备(301)，所述计算设备(301)被配置为连接到所述输入电流测量装置(105)、所述输入电压测量装置(104)、所述输出电流测量装置(107)和所述输出电压测量装置(106)，所述计算设备(301)被配置为接收关于每次测量的信息，所述测量包括测量的电压和测量的电流，其中所述计算设备(301)被配置为：

通过将所述变压器的初级侧的测量的电流和测量的电压相乘，来计算输入功率；

计算标称误差比率；

通过将所述变压器的次级侧的测量的输出电流和测量的输出电压相乘，来计算输出功率；

通过将所述输入功率乘以第一校正因子并减去所述输出功率，来计算第一校正的功率损耗，所述第一校正因子为所述标称误差比率的复共轭，

其中所述计算设备(301)被配置为将所述标称误差比率计算为：

n^～/n＝(1+ε_IL)/(1+ε_IH)

其中ε_IL为表示所述变压器的所述次级侧上的电流测量误差的复数，ε_IH为表示所述变压器的所述初级侧上的电流测量误差的复数。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述计算设备(301)还被配置为：

计算电压误差比率；以及

其中所述校正的功率损耗的所述计算还包括：将所述输出功率乘以所述电压误差比率。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述计算设备(301)还被配置为将所述电压误差比率计算为：

(V^～ _H/V^～ _L)/(V_H/V_L)＝(1+ε_VH)/(1+ε_VL)

其中ε_VL为表示所述变压器的所述次级侧上的电压测量误差的复数，ε_VH为表示所述变压器的所述初级侧上的电压测量误差的复数。

7.一种计算机可读介质，包含用于处理器(302)的指令，以使得当所述指令由所述处理器执行时，所述处理器被引导执行根据权利要求1至3中任一项所述的方法。