CN110503305B - 一种变压器性能评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种变压器性能评估方法，解决了现有技术中以主观因素为依据来分析问题，缺乏客观理论依据的问题。首先，构建变压器性能评估关键指标体系，然后利用层次分析法得到指标的权重，最终引入定量修正评分函数得到各指标及变压器总体性能的评分，并根据评分分析故障情况，划分变压器的性能等级，推荐检修等级。本发明变压器性能评估方法在比较全面的考虑了变压器的各个部位及参数来源，合理给出变压器性能评分函数，具有一定的实用性，还克服了变压器性能评估体系中指标数量庞大、指标之间相互联系、相互影响的技术难题。

Description

一种变压器性能评估方法
技术领域
本发明属于性能故障评估技术领域，具体涉及一种变压器性能评估方法。
背景技术
变压器是电网电力输送的核心电气设备，随着电网规模的发展，对变压器的性能要求越来越高。为了电网的安全稳定运行，十分有必要进行变压器性能评估。变压器监测技术的发展使测得的表征变压器性能的指标有很多，指标之间以及指标与性能之间有关系，这使得性能评价指标体系变得十分复杂。如何正确分析、处理获得的数据并应用到变压器性能评估方法中是目前研究的热点问题。
目前，变压器性能评估方法有很多，其中，层次分析法(Analytic HierarchyProcess，AHP)凭借全局思考、比较判断的综合思维，不割断各个因素对结果的影响的优势在电气设备评估中得到了广泛的关注。层次分析法是由美国运筹学家托马斯.塞蒂(T.L.Saaty)提出的一种层次权重分析方法，这种分析方法是在复杂问题的基础上，分析与该问题相关的因素以及因素之间的内在联系，利用较少的定量信息，使得决策的思维过程数学化。AHP根据问题的性质以及要达到的目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素之间的相互关联影响和隶属关系，把各因素按照不同的层次聚集组合起来，形成一个多层次的分析结构模型。最终把问题归结为最低层(与问题相关的各个因素)相对于最高层(问题的目标)的相对权值的确定或相对优劣次序的排定。AHP为多目标、多准则、无结构特性的复杂问题提供了思路。
但是AHP也存在着不足，AHP以决策者的主观因素为依据来分析问题，缺乏客观理论依据，使得出的结果不具有信服力。
发明内容
本发明的目的是提供一种变压器性能评估方法，将依据指标特点而提出的评分函数与层次分析法结合起来，能够克服主观因素带来的影响。
本发明采用的技术方案是，一种变压器性能评估方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、选择变压器上故障部位和故障类别；
步骤2、从变压器性能评估基础指标体系中选取反映故障部位的故障指标，对故障指标分层，并构建关键指标体系；
步骤3、根据层次分析法计算分层各因素的最优权重，得到指标最优综合权重；
步骤4、根据故障指标与劣化度的关系，给出定量修正评分函数，相应得到各指标的评分，根据该评分和最优综合权重得到变压器性能的总评分；
步骤5、根据变压器性能评分分析变压器故障原因。
步骤1故障类别包括：绝缘性能故障、油性能故障、过热性故障、放电性故障。
步骤2中对故障指标分层具体过程为：按照故障类别和故障部位分为性能层和部位层，并将性能层的具体数值指标作为指标层。
步骤4具体过程为：
步骤4.1、根据故障指标与劣化度的关系，将指标分为线性指标与非线性指标；
步骤4.2、根据故障指标与劣化度的关系给出线性指标与非线性指标的定量修正评分函数；
步骤4.3、根据以下公式得到变压器性能的总体评分s：
Figure BDA0002143558810000031
式(1)中，n表示关键指标体系中指标的个数，wi表示最优综合权重。
步骤4.2具体过程为：
对于线性指标，其评分函数如下：
Figure BDA0002143558810000032
Figure BDA0002143558810000033
式(2)适用于值越小越好的指标；式(3)适用于值越大越好的指标；
其中，f(xi)代表第i个指标标准化后的评分值；
Figure BDA0002143558810000034
代表第i个指标的最优值，即满分值；
Figure BDA0002143558810000035
代表第i个指标的注意值，即零分值；xi代表第i个指标的实测值；
对于非线性指标，其评分函数如下：
表1指标测量值的范围及状态等级
Figure BDA0002143558810000036
Figure BDA0002143558810000041
Figure BDA0002143558810000042
式(4)适用于值越小越好的指标；式(5)适用于值越大越好的指标；
其中，f(xi)代表第i个指标的评分值；
Figure BDA0002143558810000043
表示第i个指标的最优值，即满分值；
Figure BDA0002143558810000044
表示第i个指标的注意值，即零分值；xi表示第i个指标的实测值；
当实测值超过最优值或者注意值时，按照最优值和注意值计算。
步骤5具体过程为：
步骤5.1、划分性能评价等级：
0-25分为故障严重，检修等级对应为A；
26-50分为异常状态，检修等级对应为B；
51-75分为注意状态，检修等级对应为C；
76-100分为正常状态，检修等级对应为D；
步骤5.2、根据变压器性能评分结果确定变压器所处的状态，并推荐检修等级。
本发明的有益效果是：
本发明一种变压器性能评估方法，构建变压器性能评估关键指标体系，利用层次分析法得到指标的权重，引入定量修正评分函数得到各指标及变压器总体性能的评分，并根据评分分析故障情况，划分变压器的性能等级，推荐检修等级；在比较全面的考虑了变压器的各个部位及参数来源，合理给出变压器性能评分函数，具有一定的实用性。
附图说明
图1是纸板聚合度随劣化度变化趋势图；
图2是击穿电压随劣化度变化趋势图；
图3是油中微水随劣化度变化趋势图；
图4是末屏绝缘电阻随劣化度变化趋势图；
图5是绝缘电阻随劣化度变化趋势图；
图6是油气中乙炔含量随劣化度变化趋势图；
图7是产气速率随劣化度变化趋势图；
图8是含气量随劣化度变化趋势图；
图9是套管介损随劣化度关系趋势图；
图10是接地电流随劣化度变化趋势图；
图11是绕组介损随劣化度变化趋势图；
图12是油介损随劣化度变化趋势图；
图13是总烃含量随劣化度变化趋势图；
图14是氢气含量随劣化度变化趋势图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
层次分析法：层次分析法(AHP)是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于20世纪70年代初，应用网络系统理论和多目标综合评价方法，提出的一种层次权重决策分析方法。该方法将复杂系统，即各因素之间相互影响、相互制约的系统，看作一个决策系统，将无法用定量方式描述的半定性、半定量问题转化为定量计算问题。在解决多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题，尤其是难于直接准确计量的问题时有很好的应用。
本发明中提出将层次分析法与定量修正评分函数相结合，克服了层次分析法难于直接准确计量的缺点，定量修正评分函数是针对层次分析法主观因素导致评估结果信服度不高的问题而提出的一种对变压器性能评分的函数，该方法通过指标与劣化度之间的关系，将关键指标体系中的指标分为线性指标和非线性指标，从而确定各指标的评分函数和性能的总体评分函数，统称为定量修正评分函数。
本发明提供一种变压器性能评估方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、选择变压器上故障部位和故障类别；
故障类别包括：绝缘性能故障、油性能故障、过热性故障、放电性故障。
过热性故障、放电性故障可以通过油中溶解气体进行判别。
步骤2、从变压器性能评估基础指标体系中选取反映故障部位的故障指标，对故障指标分层，并构建关键指标体系；
按照故障类别和故障部位分为性能层和部位层，并将性能层的具体数值指标作为指标层。
性能层、部位层、指标层构成关键指标体系。
步骤3、根据层次分析法计算分层各因素的最优权重，得到指标最优综合权重；
具体步骤实施：
步骤3.1、根据层次分析法计算部位层各因素的最优权重wi1。
步骤3.1.1、层次分析法的具体步骤为：
建立指标体系结构层次；
步骤3.1.2、构建判别矩阵。
具体的构造过程如下：
对每一层的指标两两进行比较，用标度表示相对重要程度，标度分为1-9，分别表示极其不重要、强烈不重要、不重要、比较不重要、一样重要、比较重要、更重要、强烈重要、极其重要。用ai(i＝1,2,…,n)表示指标，aij(j＝1,2,…,n)表示ai与aj相比的重要度，并用相对应的数值表示。得出判别矩阵A。
表1重要度表示
Figure BDA0002143558810000071
Figure BDA0002143558810000081
由上述过程得到的判别矩阵A为：
Figure BDA0002143558810000082
步骤3.1.3、进行层次单排序：
层次单排序是说，对于上一层的某一个因素来说，本层次的每个因素的重要程度，并将他们排序。根据上述的判别矩阵，将各指标的重要程度排列出来。解判别矩阵最重要的是求得其最大特征根和特征向量。具体求解过程如下：
计算判别矩阵每一行的乘积Bi
Figure BDA0002143558810000083
计算乘积的n次方根
Figure BDA0002143558810000084
Figure BDA0002143558810000085
得到向量
Figure BDA0002143558810000086
后，将其正规化
Figure BDA0002143558810000087
得到向量B＝[B1,B2,…,Bn]T，即要求的特征向量。
求判别矩阵的最大特征根λmax
Figure BDA0002143558810000088
式(4)中，(AB)i是AB的第i个元素。
步骤3.1.4、进行一致性检验；
一致性检验步骤如下：
一致矩阵是指对于任意的i,j,k都有mij.mjk＝mik成立的正反矩阵。根据矩阵理论可以得出判别矩阵的一致性指标：
Figure BDA0002143558810000091
其中，当CI＝0时，矩阵M一致；当CI越大，表示矩阵M的不一致性越严重，所给的判别矩阵需要满足一致性检验，判别矩阵中指标数目不同时，应满足的随机一致性指标RI的值也不同。
表2随机一致性指标RI说明
Figure BDA0002143558810000092
通过一致性比率
Figure BDA0002143558810000093
来判断矩阵A的一致性容许范围。当CR<0.1时，则矩阵A满足一致性检验，可以用A的特征向量作为权向量。
步骤3.2、利用层次分析法计算性能层中隶属于不同部位的各因素的最优权重wi2；
步骤3.3、利用层次分析法计算指标层中隶属于不同性能的各因素的权重wi3；
步骤3.4、利用以下公式计算指标的综合权重：
wi＝wi1·wi2·wi3 (10)
式(6)中，wi代表第i个指标的综合权重。
步骤4、根据故障指标与裂化度的关系，给出定量修正评分函数，相应得到各指标的评分，根据该评分和最优综合权重得到变压器性能的总评分；
基于劣化度划分指标体系，在本文所选的关键指标体系中：线性指标＝{绝缘电阻，极化指数，吸收比，纸板聚合度，击穿电压，套管外屏绝缘电阻}。
考虑到实际中变压器性能指标很多，指标中有的和变压器性能呈线性关系，有的呈非线性关系。如果按照以往的评分方法，将所有指标全部按照线性来评分，则会导致评价结果不够准确。为了更好的评价变压器的性能，增加评价结果的可信度，本文引入了劣化度，用于表征指标对性能的影响，并根据劣化度与指标之间的关系，将指标分为线性和非线性两类。
具体过程为：
步骤4.1、根据故障指标与劣化度的关系，将指标分为线性指标与非线性指标；
步骤4.2、根据故障指标与劣化度的关系给出线性指标与非线性指标的定量修正评分函数；
步骤4.3、根据以下公式得到变压器性能的总体评分s：
Figure BDA0002143558810000101
式(1)中，n表示关键指标体系中指标的个数，wi表示最优综合权重。
步骤4.2具体过程为：
对于线性指标，其评分函数如下：
Figure BDA0002143558810000102
Figure BDA0002143558810000103
式(2)适用于值越小越好的指标；式(3)适用于值越大越好的指标。
其中，f(xi)代表第i个指标标准化后的评分值；
Figure BDA0002143558810000104
代表第i个指标的最优值，即满分值；
Figure BDA0002143558810000111
代表第i个指标的注意值，即零分值；xi代表第i个指标的实测值。
对于非线性指标，其评分函数如下：
表3指标测量值的范围及状态等级
Figure BDA0002143558810000112
Figure BDA0002143558810000113
Figure BDA0002143558810000121
式(4)适用于值越小越好的指标；式(5)适用于值越大越好的指标。
其中，f(xi)代表第i个指标的评分值；
Figure BDA0002143558810000122
表示第i个指标的最优值，即满分值；
Figure BDA0002143558810000123
表示第i个指标的注意值，即零分值；xi表示第i个指标的实测值。
当实测值超过最优值或者注意值时，按照最优值和注意值计算。
对于线性指标，如图1-图5所示，由图可以看出，随着线性指标数值的变化，劣化度在均匀改变，即对变压器性能的影响在均匀变化，没有出现突变。
对于非线性指标，如图6-图14所示，随着指标数值的改变，到某个值时，劣化度发生了突变，也就是指标到达某个数值时，该指标对变压器性能的影响发生了变化，使得变压器的性能进一步劣化。
步骤5、根据变压器性能评分分析变压器故障原因。
具体过程为：
步骤5.1、划分性能评价等级：
表4变压器性能等级划分
Figure BDA0002143558810000124
Figure BDA0002143558810000131
步骤5.2、根据变压器性能评分结果确定变压器所处的状态，并推荐检修等级。
实施例
为了验证本发明的实用性和准确性，以天津某变电站一台110kV的主变压器为例，该变压器型号为SFSZ7-50000/110，在一次预防性试验中，其本体、套管和铁芯的相关指标及其测得的数值在表5给出。
表5变压器本体指标测量值
指标 测量值 指标 测量值
绝缘电阻(MΩ) 1180 乙炔(μL/L) 1.30
吸收比 1.32 总烃(μL/L) 18.60
极化指数 1.3 CO(μL/L) 294.60
纸板聚合度 960 CO相对产气速率(mL/d) 23.073
绕组介损(％) 0.31 CO<sub>2</sub>(μL/L) 901.4
氢气(μL/L) 54.51 CO<sub>2</sub>相对产气速率(mL/d) 25.43
甲烷(μL/L) 13.80 油中含水量(mg/L) 15.6
乙烷(μL/L) 1.30 油介损(％) 0.65
乙烯(μL/L) 2.20 油击穿电压(kV) 40
末屏绝缘电阻(MΩ) 2300 乙炔含量(μL/L) 0.32
套管介损(％) 0.353 套管中CO含量(μL/L) 46.3
套管中氢气含量(μL/L) 158.92 套管中CO<sub>2</sub>含量(μL/L) 177.82
套管中甲烷含量(μL/L) 63.31 铁芯接地电流(mA) 80.00
在该实例的权重计算时，需要注意以下两点：
(1)据统计，110kV变压器最经常发生的两种故障为短路故障和绝缘故障，因此在评估110kV变压器性能时，要适量增加与变压器的短路故障和绝缘故障有联系的指标所占权重；
(2)由于铁芯中所选指标较少，铁芯的接地电流的评分即代表铁芯整体性能的评分，所以，接地电流的权重会相对较大。
表6指标权重计算结果
指标 d<sub>1</sub> 指标 d<sub>7</sub> 指标 d<sub>13</sub> 指标 d<sub>19</sub>
权重 2.8 权重 2.8 权重 5.0 权重 2.0
指标 d<sub>2</sub> 指标 d<sub>8</sub> 指标 d<sub>14</sub> 指标 d<sub>20</sub>
权重 5.6 权重 2.8 权重 4.0 权重 2.0
指标 d<sub>3</sub> 指标 d<sub>9</sub> 指标 d<sub>15</sub> 指标 d<sub>21</sub>
权重 5.6 权重 5.6 权重 5.6 权重 2.0
指标 d<sub>4</sub> 指标 d<sub>10</sub> 指标 d<sub>16</sub> 指标 d<sub>22</sub>
权重 8.4 权重 5.6 权重 2.8 权重 2.0
指标 d<sub>5</sub> 指标 d<sub>11</sub> 指标 d<sub>17</sub> 指标 d<sub>23</sub>
权重 2.8 权重 4.0 权重 6.0 权重 10.0
指标 d<sub>6</sub> 指标 d<sub>12</sub> 指标 d<sub>18</sub> 指标 整体
权重 5.6 权重 5.0 权重 2.0 权重 100
由定量修正评分函数得到各指标的评分结果，并根据总体性能评分公式计算得到变压器性能总体评分。评分结果在表7中给出。
表7各指标评分值及性能总体评分结果
指标 d<sub>1</sub> 指标 d<sub>7</sub> 指标 d<sub>13</sub> 指标 d<sub>19</sub>
评分 95.00 评分 86.37 评分 25.88 评分 95.09
指标 d<sub>2</sub> 指标 d<sub>8</sub> 指标 d<sub>14</sub> 指标 d<sub>20</sub>
评分 30.00 评分 78.33 评分 29.17 评分 80.21
指标 d<sub>3</sub> 指标 d<sub>9</sub> 指标 d<sub>15</sub> 指标 d<sub>21</sub>
评分 2.86 评分 75.68 评分 14.29 评分 85.53
指标 d<sub>4</sub> 指标 d<sub>10</sub> 指标 d<sub>16</sub> 指标 d<sub>22</sub>
评分 10.00 评分 87.47 评分 100.00 评分 81.56
指标 d<sub>5</sub> 指标 d<sub>11</sub> 指标 d<sub>17</sub> 指标 d<sub>23</sub>
评分 87.08 评分 89.33 评分 88.97 评分 12.25
指标 d<sub>6</sub> 指标 d<sub>12</sub> 指标 d<sub>18</sub> 指标 整体
评分 95.35 评分 98.30 评分 95.00 评分 58.05
由上表的评分结果可以看出，该变压器性能评分结果为58.05，处于异常状态，推荐C级检修。根据各指标的评分结果，可以推测该变压器发生的故障。如表8所示：
表8故障分析
Figure BDA0002143558810000151
由表8中分析的变压器可能发生的故障，在检修时应该有重点的检修这些故障对应的部位，可缩减检修时间。总体来说，该变压器本体和铁芯的发生的故障较多，在检修时可以根据推测出的故障有重点的检修，节省变压器检修的人力和物力，为电网的安全稳定云信提供了保障。
综上所述，本发明一种变压器性能评估方法，解决了现有技术中以主观因素为依据来分析问题，缺乏客观理论依据的问题，首先，构建变压器性能评估关键指标体系，然后利用层次分析法得到指标的权重，最终引入定量修正评分函数得到各指标及变压器总体性能的评分，并根据评分分析故障情况，划分变压器的性能等级，推荐检修等级。本发明变压器性能评估方法在比较全面的考虑了变压器的各个部位及参数来源，合理给出变压器性能评分函数，具有一定的实用性，还克服了变压器性能评估体系中指标数量庞大、指标之间相互联系、相互影响的技术难题。

Claims (4)

1.一种变压器性能评估方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、选择变压器上故障部位和故障类别；
步骤2、从变压器性能评估基础指标体系中选取反映故障部位的故障指标，对故障指标分层，并构建关键指标体系；
步骤3、根据层次分析法计算分层各因素的最优权重，得到指标最优综合权重；
步骤4、根据故障指标与裂化度的关系，给出定量修正评分函数，相应得到各指标的评分，根据该评分和最优综合权重得到变压器性能的总评分；步骤4具体过程为：
步骤4.1、根据故障指标与劣化度的关系，将指标分为线性指标与非线性指标；
步骤4.2、根据故障指标与劣化度的关系给出线性指标与非线性指标的定量修正评分函数；步骤4.2具体过程为：
对于线性指标，其评分函数如下：
Figure FDA0003342935080000011
Figure FDA0003342935080000012
式(2)适用于值越小越好的指标；式(3)适用于值越大越好的指标；
其中，f(xi)代表第i个指标标准化后的评分值；
Figure FDA0003342935080000013
代表第i个指标的最优值，即满分值；
Figure FDA0003342935080000014
代表第i个指标的注意值，即零分值；xi代表第i个指标的实测值；
对于非线性指标，其评分函数如下：
表1 指标测量值的范围及状态等级
Figure FDA0003342935080000021
Figure FDA0003342935080000022
Figure FDA0003342935080000023
式(4)适用于值越小越好的指标；式(5)适用于值越大越好的指标；
其中，f(xi)代表第i个指标的评分值；
Figure FDA0003342935080000031
表示第i个指标的最优值，即满分值；
Figure FDA0003342935080000032
表示第i个指标的注意值，即零分值；xi表示第i个指标的实测值；
当实测值超过最优值或者注意值时，按照最优值和注意值计算；
步骤4.3、根据以下公式得到变压器性能的总体评分s：
Figure FDA0003342935080000033
式(1)中，n表示关键指标体系中指标的个数，wi表示最优综合权重；
步骤5、根据变压器性能评分分析变压器故障原因。
2.根据权利要求1所述一种变压器性能评估方法，其特征在于，步骤1所述故障类别包括：绝缘性能故障、油性能故障、过热性故障、放电性故障。
3.根据权利要求1所述一种变压器性能评估方法，其特征在于，步骤2中所述对故障指标分层具体过程为：按照故障类别和故障部位分为性能层和部位层，并将性能层的具体数值指标作为指标层。
4.根据权利要求1所述一种变压器性能评估方法，其特征在于，步骤5具体过程为：
步骤5.1、划分性能评价等级：
0-25分为故障严重，检修等级对应为A；
26-50分为异常状态，检修等级对应为B；
51-75分为注意状态，检修等级对应为C；
76-100分为正常状态，检修等级对应为D；
步骤5.2、根据变压器性能评分结果确定变压器所处的状态，并推荐检修等级。
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