CN111337744A - 变压器运行能效和/或损耗监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变压器运行能效和/或损耗监测装置，包括电压电流采集模块、数字处理系统、人机接口、电源模块。电压电流采集模块用于实时采集变压器的各侧绕组的各相电流和电压。数字处理系统、用于实时计算变压器的功率损耗和/或运行能效，并得出对应变化曲线，并在变压器的功率损耗和/或运行能效异常时输出告警信号。人机接口用于实时显示变压器的各侧绕组的各相电流和电压、变压器的功率损耗和/或运行能效以及对应变化曲线。电源模块用于为电压电流采集模块、数字处理系统、人机接口供电。本发明能够对变压器的运行能效和/或损耗进行全方位、多角度的实时监测，从而可以对变压器实现最优化经济性的运行方式提供基础的技术依据。

Description

变压器运行能效和/或损耗监测装置

技术领域

本发明属于变压器检测技术领域，具体涉及一种对变压器的运行能效和/或损耗进行监测的装置。

背景技术

在整个电力系统中，电能从生产、传输、分配到负载的整个环节中，因为各种原因的铜损、铁损、电晕损耗、泄漏电流损耗及介质损耗，导致在整个过程中有大量的电能损失。电能的损耗不仅是宝贵资源的浪费，造成直接的经济损失，同时电能基本以转化为热能的形式而消耗，电气设备内的绝缘材料，都具有对应的温度工作极限，当温度超过某一限值，其绝缘材料的性能将急剧劣化，缩短其使用周期，严重时将造成设备绝缘损坏而发生严重的短路事故，影响电力系统的安全可靠运行。

为了保证电力系统尽可能的经济运行，从设计、制造、新材料应用、运行方式的确定等多方面进行了不断改进与创新，特高压输电，在输送相同的容量下降低传输电流，相同的电阻下，有功的能量损耗与电流平方成正比，故提高电压降低传输电流是最有效的提高经济性的措施。近年来我国特高压电网建设，为电网的经济运行奠定了基础。新型硅钢片及非晶合金的变压器铁芯应用，使变压器的空载损耗大幅度降低。这些都是电网契合响应国家减排增效、可持续发展的国家能源战略目标，不断提高电力系统运行的经济性。

作为电力系统中最重要电气设备之一的电力变压器，在电力系统中分布广泛，数量巨大。升压变，在送电端将电源中心的电能（各类型发电厂）从较低电压升高到高电压，实现从电源中心至负荷中心的远距离输送；降压变，在受电端将电能从高电压转变为各级较低的电压，以便分配给电力用户使用；配电变压器，将电能降低为可直供用户电力设备使用的低压电，供给工业、农业及民用用电。

电力变压器运行时，主要产生两种类型的损耗，即与系统电压大小有关的铁损P0（磁滞和涡流损耗）和受负荷电流而变化的铜损Pd（电阻损耗）。由于系统运行时，其系统电压基本保持在额定值，故其铁损基本保持不变，只要变压器投入运行就会产生基本固定的空载损耗。当变压器带负荷运行时，在原副边绕组流过负载电流，其电流在绕组的电阻上产生损耗，其损耗功率与负载电流的平方成正比。

变压器内的铁损与铜损，都是将电能以热能的形式而损耗在变压器内部。（1）变压器内部会生产有功损耗，即输出的有功功率小于输入功率，造成了电能浪费；（2）损耗的电能转变为热量，使变压器内部温度升高，若不进行有效散热，将使变压器内部的温度快速上升，当温度超过某一临界值，内部的绝缘材料性能会发生劣化，影响变压器的正常使用寿命。（3）当变压器内部铁芯或绕组发生缺陷时，也会使变压器内部损耗增大，温升异常升高。

目前，对于变压器损耗未采取实时有效的监测措施，即未能实时监测其能效和损耗参数，无法了解变压器在不同时刻（不同环境温度条件下带不同负载）的内部损耗和实时能效情况，不能对变压器本体的经济指标实时进行监测和显示，也未能综合监测和统计环境温度、负载电流大小、变压器温升、总损耗、运行效率及变压器冷却系统之间的相互影响关系，即不能对变压器实现最优化经济性的运行方式提供基础的技术依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实时对变压器的运行能效和/或损耗进行监测，从而为变压器实现最优化的运行方式提供技术依据的装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种变压器运行能效和/或损耗监测装置，用于对变压器的运行能效和损耗进行监测，所述变压器运行能效和/或损耗监测装置包括：

电压电流采集模块，所述电压电流采集模块用于实时采集所述变压器的各侧绕组的各相电流和电压；

数字处理系统，所述数字处理系统与所述电压电流采集模块相连接，所述数字处理系统用于根据所述变压器的各侧绕组的各相电流和电压实时计算所述变压器的功率损耗和/或运行能效，并得出所述变压器的功率损耗变化曲线和/或运行能效变化曲线，所述数字处理系统还用于判断所述变压器的功率损耗和/或运行能效是否异常，并在所述变压器的功率损耗和/或运行能效异常时输出告警信号；

人机接口，所述人机接口与所述数字处理系统相连接，所述人机接口用于实时显示所述变压器的各侧绕组的各相电流和电压、所述变压器的功率损耗和/或运行能效以及所述变压器的功率损耗变化曲线和/或运行能效变化曲线，所述人机接口还用于设置所述数字处理系统判断所述变压器的功率损耗和/或运行能效是否异常时所需的参数；

电源模块，所述电源模块用于将外部电源转化为工作电源并为所述电压电流采集模块、所述数字处理系统、所述人机接口供电。

所述变压器运行能效和/或损耗监测装置还包括：

温度采集模块，所述温度采集模块与检测所述变压器相关温度的温度传感器和/或温度检测装置相连接，所述温度采集模块与所述数字处理系统相连接，所述温度采集模块用于采集所述变压器的相关温度；

开关量开入模块，所述开关量开入模块分别与所述变压器的冷却系统、所述数字处理系统相连接，所述开关量开入模块用于采集所述变压器的冷却系统中冷却装置的投入状态；

所述数字处理系统还用于根据所述变压器相关温度得出所述变压器的相关温度曲线；所述数字处理系统还用于根据所述变压器的功率损耗和/或运行能效、所述变压器的相关温度、所述变压器的冷却系统中冷却装置的投入状态得出所述变压器的多因素关系曲线；所述人机接口还用于显示所述变压器的相关温度曲线和多因素关系曲线。

所述变压器的相关温度包括所述变压器本体的油温、所述变压器所处的环境温度、所述变压器的绕组温度；

所述变压器的多因素关系曲线包括以下三类：

（1）所述变压器的功率损耗在设定范围内的条件下，所述变压器的冷却系统中冷却装置的不同投入状态与所述变压器的相关温度对应的曲线；

（2）所述变压器的冷却系统中冷却装置的相同投入状态下，所述变压器的不同功率损耗与所述变压器的相关温度对应的曲线；

（3）所述变压器的相关温度在设定范围内的条件下，所述变压器的不同功率损耗与所述变压器的冷却系统中冷却装置的投入状态对应的曲线。

所述变压器本体的油温包括所述变压器的上层油温和下层油温。

所述变压器所处的环境温度包括所述变压器各方向的多点环境温度。

所述变压器运行能效和/或损耗监测装置还包括：

开关量开出模块，所述开关量开出模块与所述数字处理系统相连接，所述开关量开出模块用于为所述告警信号提供开出通道。

所述变压器运行能效和/或损耗监测装置还包括：

远程通讯模块，所述远程通讯模块与所述数字处理系统相连接，所述远程通讯模块用于实现所述数字处理系统与上位机之间的通讯。

所述远程通讯模块包括232通讯接口或485通讯接口。

所述电压电流采集模块与所述变压器的各侧绕组的各相所安装的电流互感器和电压互感器相连接。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够对变压器的运行能效和/或损耗进行全方位、多角度的实时监测，从而可以对变压器实现最优化经济性的运行方式提供基础的技术依据。

附图说明

附图1为本发明的变压器运行能效和/或损耗监测装置的原理框图。

附图2为本发明的变压器运行能效和/或损耗监测装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：如附图1和附图2所示，一种变压器运行能效和/或损耗监测装置，主要包括电压电流采集模块、数字处理系统、人机接口和电源模块。

电压电流采集模块用于实时采集变压器的各侧绕组的各相电流和电压。电力变压器在运行时，其高、低压侧（或三绕组变压器中压侧）分别连接于不同的电压系统，电力设计中，其变压器各侧一般均装设有用于测量、保护及计量的电流互感器，各侧电压母线上均装设有电压互感器。故电压电流采集模块与变压器的各侧绕组的各相所安装的电流互感器和电压互感器相连接，其电流测量通道串行接入电流互感器的二次电流测量回路中，电压测量通道并行接入电压互感器的二次测量回路中。电压电流采集模块为多通道模块。采集变压器各侧电压等级母线的电压信号，其通道数根据变压器的绕组数和相数确定，确保采集变压器每一侧绕组每一相对应的电压值；采集变压器各侧电流信号，其通道数根据变压器的绕组数和相数确定，确保采集变压器每一侧绕组每一相对应的电流值。电压电流采集模块最大可分别支持三组（9通道）电压和三组（9通道）电流采集。本实施例中，电压电流采集模块由三部分组成，分别是电压电流采集模块1、电压电流采集模块2和电压电流采集模块3。电压电流采集模块1的三路电压三路电流通道分别按序对应高压侧A相电压（电流）、高压侧B相电压（电流）、高压侧C相电压（电流）；电压电流采集模块2的三路电压三路电流通道分别按序对应中压侧A相电压（电流）、中压侧B相电压（电流）、中压侧C相电压（电流）；电压电流采集模块3的三路电压三路电流通道分别按序对应低压侧A相电压（电流）、低压侧B相电压（电流）、低压侧C相电压（电流）。

数字处理系统（CPU主系统）与电压电流采集模块相连接。基于电压电流采集模块采集的变压器的各侧绕组的各相电流和电压，数字处理系统用于根据变压器的各侧绕组的各相电流和电压实时计算变压器的功率损耗和/或运行能效，并得出变压器的功率损耗变化曲线和/或运行能效变化曲线，数字处理系统还用于判断变压器的功率损耗和/或运行能效是否异常，并在变压器的功率损耗和/或运行能效异常时输出告警信号。

变压器运行时，总是从至少一侧接受电能，而同时也从至少一侧送出电能（对于三绕组变压器，可能同时有两侧接受电能，也可能同时有两侧送出电能）。根据功率的方向，我们定义流入变压器的功率为正值，定义流出变压器的功率为负值，因为变压器（包括电流互感器之间的导体）总是存在有功损耗，故接受的有功功率P+总是大于送出的有功功率P-，因此同一瞬间变压器送出的总有功功率P-与接受的总有功功率P+的比值百分数称变压器的能效，即η=P-/P+*100%。而接受的总有功功率P+与送出的总有功功率P-之差即为功率损耗。

人机接口与数字处理系统相连接。人机接口用于实时显示变压器的各侧绕组的各相电流和电压、变压器的功率损耗和/或运行能效以及变压器的功率损耗变化曲线和/或运行能效变化曲线，人机接口还用于设置数字处理系统判断变压器的功率损耗和/或运行能效是否异常时所需的参数，即判断变压器是否异常时所需的告警阈值、电压和电流信号通道的变比，以及系统日期时间等均可通过人机接口进行设置。人机接口主要为液晶显示屏和操作面板（包括各种功能和数字按键），从而实现界面显示及各种参数定义和设置。人机接口具有能效界面，能效界面会连续显示能效变化曲线。通过光标移动，可查询记录有效期内的任意时刻的能效及变压器各侧功率值和功率损耗值。

电源模块用于将220V交流外部电源转化为多组工作电源，并为电压电流采集模块、数字处理系统、人机接口供电。

在上述方案的基础上，变压器运行能效和/或损耗监测装置还包括温度采集模块和开关量开入模块。

温度采集模块与检测变压器相关温度的温度传感器和/或温度检测装置相连接，温度采集模块与数字处理系统相连接，温度采集模块用于采集变压器的相关温度。这里，变压器的相关温度包括变压器本体的油温、变压器所处的环境温度、变压器的绕组温度。其中变压器本体的油温又包括变压器的上层油温和下层油温，且根据上层油温和下层油温可以计算得到变压器的平均油温。变压器所处的环境温度包括变压器各方向的多点（例如四点）环境温度。变压器本体的油温、变压器所处的环境温度通过温度传感器检测，变压器的绕组温度通过具有通信功能的温度检测装置检测。所检测到的各温度送入数字处理系统中，则数字处理系统既适应外配温度传感器，也适应与温度测量装置实时通讯，从而读取温度值。温度采集模块具有多路测量通道，本实施例，温度采集模块8路温度测量通道从1到8分别对应上层油温1、上层油温2、下层油温、绕组温度、环境温度1~4。

开关量开入模块分别与变压器的冷却系统、数字处理系统相连接，开关量开入模块用于采集变压器的冷却系统中冷却装置的投入状态。对于强迫冷却方式的变压器，其温升值与冷却系统的运行状况密切相关，为了准确监测变压器温升特性，接入冷却系统运行方式识别开关量（如强风冷却方式的风机投入组数），以便识别对应的冷却条件。本实施例中，开关量开入模块支持12组冷却器开关量信号输入。

因为变压器的内部损耗与温度有关，故需采集变压器本体油温、环境温度及变压器冷却系统的冷却设备投入数量（采集冷却风机控制接触器的辅助触点），以便监测和分析统计在不同的条件下，变压器的实时能效（损耗）状况。

此时，数字处理系统还用于根据变压器相关温度得出变压器的相关温度曲线；数字处理系统还用于根据变压器的功率损耗和/或运行能效、变压器的相关温度、变压器的冷却系统中冷却装置的投入状态得出变压器的多因素关系曲线。人机接口具有温升界面和多因素关系界面，分别用于显示变压器的相关温度曲线多因素关系曲线。

通过监测数据的累积，可分类统计出本台变压器各种影响因素之间的关系曲线。变压器的多因素关系曲线至少包括以下三类：

（1）变压器的功率损耗在设定范围内（变压器的功率损耗基本相同，在某一小范围内变化）的条件下，变压器的冷却系统中冷却装置的不同投入状态与变压器的相关温度对应的曲线；

（2）变压器的冷却系统中冷却装置的相同投入状态下，变压器的不同功率损耗与变压器的相关温度对应的曲线；

（3）变压器的相关温度在设定范围内（变压器的相关温度基本相同，在某一小范围内变化）的条件下，变压器的不同功率损耗与变压器的冷却系统中冷却装置的投入状态对应的曲线。

变压器运行能效和/或损耗监测装置还包括开关量开出模块。开关量开出模块与数字处理系统相连接，用于为告警信号提供开出通道。本实施例中，开关量开出模块具备4路开关量开出信号，实现告警信号接点开出，分别对一个能效低告警、损耗高告警、油温升异常告警、绕组温升异常告警。开关量开出模块可以和开关量开入模块整合在一起，构成开关量开入开出模块。人机接口也可以具有异常告警显示界面，并与开关量开出模块相连接，以显示记录各种异常告警信息，包括异常事件的内容、告警时间和维持或复位时间等。

变压器运行能效和/或损耗监测装置还包括远程通讯模块。远程通讯模块与数字处理系统相连接，用于实现数字处理系统与上位机之间的通讯，从而实现测试数据的远程上传，可同步在上位机显示。远程通讯模块包括232通讯接口或485通讯接口。

上述温度采集模块、开关量开入模块、开关量开出模块、远程通讯模块等均由电源模块供电。

综上，上述变压器运行能效和/或损耗监测装置具有以下功能：

（1）实时监测运行变压器的有功功率损耗（包括铜损和铁损）；

（2）实时监测计算变压器的运行效率；

（3）综合监测环境温度、负载电流大小、变压器温升、总损耗、运行效率及变压器冷却系统之间的相互影响关系。当参数相互之间的相互关系发生异常时，可间接反映变压器内部的铁芯、绕组可能存在的缺陷；

（4）具备分类统计出本台变压器各种影响因素之间的关系曲线功能。包括：在基本相同有功功率损耗（某一小变化范围内）条件下，不同数量冷却器投入状态下的上层油温升、油平均温升及绕组平均温升曲线；相同数量冷却器投入状态下，不同有功损耗条件下的上述温升曲线；在基本相同的温升（某一小变化范围内）条件下，不同损耗有功功率与冷却风机的对应关系曲线；

（5）具备异常告警功能：显示记录各种异常告警信息，包括异常事件的内容、告警时间和维持或复位时间等。

本方案的变压器运行能效和/或损耗监测装置可实现对变压器有功损耗和能效的实时监测，并实现可视化显示，以使电力系统调度及运行部门可实时了解被监测变压器的经济性能，结合其环境温度、负载电流大小、变压器温升、总损耗、运行效率及变压器冷却系统之间的相互影响关系，给出变压器的最优运行条件，最大限度提高电力系统中变压器运行的经济性指标，进一步提高电网运行的经济性。同时，由于对变压器内部损耗和温升值进行有效监测，也可间接反应变压器内部可能出现的铁芯和绕组缺陷，对变压器安全运行也具有一定的保障作用。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种变压器运行能效和/或损耗监测装置，用于对变压器的运行能效和损耗进行监测，其特征在于：所述变压器运行能效和/或损耗监测装置包括：

电压电流采集模块，所述电压电流采集模块用于实时采集所述变压器的各侧绕组的各相电流和电压；

数字处理系统，所述数字处理系统与所述电压电流采集模块相连接，所述数字处理系统用于根据所述变压器的各侧绕组的各相电流和电压实时计算所述变压器的功率损耗和/或运行能效，并得出所述变压器的功率损耗变化曲线和/或运行能效变化曲线，所述数字处理系统还用于判断所述变压器的功率损耗和/或运行能效是否异常，并在所述变压器的功率损耗和/或运行能效异常时输出告警信号；

人机接口，所述人机接口与所述数字处理系统相连接，所述人机接口用于实时显示所述变压器的各侧绕组的各相电流和电压、所述变压器的功率损耗和/或运行能效以及所述变压器的功率损耗变化曲线和/或运行能效变化曲线，所述人机接口还用于设置所述数字处理系统判断所述变压器的功率损耗和/或运行能效是否异常时所需的参数；

电源模块，所述电源模块用于将外部电源转化为工作电源并为所述电压电流采集模块、所述数字处理系统、所述人机接口供电。

2.根据权利要求1所述的变压器运行能效和/或损耗监测装置，其特征在于：所述变压器运行能效和/或损耗监测装置还包括：

温度采集模块，所述温度采集模块与检测所述变压器相关温度的温度传感器和/或温度检测装置相连接，所述温度采集模块与所述数字处理系统相连接，所述温度采集模块用于采集所述变压器的相关温度；

开关量开入模块，所述开关量开入模块分别与所述变压器的冷却系统、所述数字处理系统相连接，所述开关量开入模块用于采集所述变压器的冷却系统中冷却装置的投入状态；

所述数字处理系统还用于根据所述变压器相关温度得出所述变压器的相关温度曲线；所述数字处理系统还用于根据所述变压器的功率损耗和/或运行能效、所述变压器的相关温度、所述变压器的冷却系统中冷却装置的投入状态得出所述变压器的多因素关系曲线；所述人机接口还用于显示所述变压器的相关温度曲线和多因素关系曲线。

3.根据权利要求2所述的变压器运行能效和/或损耗监测装置，其特征在于：所述变压器的相关温度包括所述变压器本体的油温、所述变压器所处的环境温度、所述变压器的绕组温度；

所述变压器的多因素关系曲线包括以下三类：

（1）所述变压器的功率损耗在设定范围内的条件下，所述变压器的冷却系统中冷却装置的不同投入状态与所述变压器的相关温度对应的曲线；

（2）所述变压器的冷却系统中冷却装置的相同投入状态下，所述变压器的不同功率损耗与所述变压器的相关温度对应的曲线；

（3）所述变压器的相关温度在设定范围内的条件下，所述变压器的不同功率损耗与所述变压器的冷却系统中冷却装置的投入状态对应的曲线。

4.根据权利要求3所述的变压器运行能效和/或损耗监测装置，其特征在于：所述变压器本体的油温包括所述变压器的上层油温和下层油温。

5.根据权利要求3所述的变压器运行能效和/或损耗监测装置，其特征在于：所述变压器所处的环境温度包括所述变压器各方向的多点环境温度。

6.根据权利要求1所述的变压器运行能效和/或损耗监测装置，其特征在于：所述变压器运行能效和/或损耗监测装置还包括：

开关量开出模块，所述开关量开出模块与所述数字处理系统相连接，所述开关量开出模块用于为所述告警信号提供开出通道。

7.根据权利要求1所述的变压器运行能效和/或损耗监测装置，其特征在于：所述变压器运行能效和/或损耗监测装置还包括：

远程通讯模块，所述远程通讯模块与所述数字处理系统相连接，所述远程通讯模块用于实现所述数字处理系统与上位机之间的通讯。

8.根据权利要求7所述的变压器运行能效和/或损耗监测装置，其特征在于：所述远程通讯模块包括232通讯接口或485通讯接口。

9.根据权利要求1所述的变压器运行能效和/或损耗监测装置，其特征在于：所述电压电流采集模块与所述变压器的各侧绕组的各相所安装的电流互感器和电压互感器相连接。

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