CN112327220A - 基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法及设备 - Google Patents

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CN112327220A CN202011184991.5A CN202011184991A CN112327220A CN 112327220 A CN112327220 A CN 112327220A CN 202011184991 A CN202011184991 A CN 202011184991A CN 112327220 A CN112327220 A CN 112327220A
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Abstract

本发明涉及基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法，包括以下步骤：确认待诊断的配电变压器；获取待诊断的配电变压器运行数据；获取与所述待诊断的配电变压器对应的变电站母线出线运行数据；构造潮流流经变电站母线至配电变压器首端电力线路的第一等效模型；构造潮流流经配电变压器的第二等效模型；根据所述变电站母线出线运行数据、第一等效模型，计算得到第二等效模型的输入电压；根据所述配电变压器运行数据、第二等效模型、第二等效模型的输入电压，计算得到配电变压器的内部等效阻抗；根据所述配电变压器的内部等效阻抗与其额定阻抗的差值，构造效用函数；根据效用函数，构造隶属函数；通过隶属函数诊断配电变压器的健康状态。

Description

基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法及设备
技术领域
本发明涉及基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法及设备，属于电网自动化领域。
背景技术
配电变压器是配电网的重要组成部分，具有分布广、数量多、运行环境恶劣等特点。配电变压器在长期运行过程中，受短路电流和重载等因素影响导致绕组变形，从而导致绝缘破坏。目前变压器的绕组变形在线诊断方法的实现主要依靠加装在线监测装置。而对于数量巨大的配电变压器，需要加装大量的在线监测装置，经济性低。
公开号为CN107290041A的《一种基于相空间重构和KPCM聚类的变压器绕组松动状态监测方法》公开了从变压器振动信号的动力学特性出发，通过计算嵌入维数和时间延迟，对变压器振动信号进行相空间重构；然后针对重构信号的高维空间分布，使用KPCM聚类方法对相轨迹的分布模式进行识别，据此对绕组松动状态进行监测。但该发明仍然需要在变压器箱体表面设置多个振动传感器。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法及设备，根据电网系统中存有的大量配电变压器和其对应的变电站母线出线运行数据，计算配电变压器的内部等效阻抗。再根据内部等效阻抗与额定阻抗的差值，通过效用函数和隶属函数在线诊断配电变压器的健康状态，无需加装在线监测装置。
本发明的技术方案如下：
技术方案一：
基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法，包括以下步骤：
确认待诊断的配电变压器；
获取待诊断的配电变压器运行数据；获取与所述待诊断的配电变压器对应的变电站母线出线运行数据；
构造潮流流经变电站母线至配电变压器首端电力线路的第一等效模型；构造潮流流经配电变压器的第二等效模型；
根据所述变电站母线出线运行数据、第一等效模型，计算得到第二等效模型的输入电压；
根据所述配电变压器运行数据、第二等效模型、第二等效模型的输入电压，计算得到配电变压器的内部等效阻抗XT；
根据所述配电变压器的内部等效阻抗XT与其额定阻抗X额定的差值，构造用于量化分析配电变压器变形程度的效用函数x；根据效用函数x，构造用于诊断配电变压器健康情况的隶属函数λ(x)；
通过隶属函数λ(x)诊断配电变压器的健康状态。
进一步的，将故障冲击次数超过第一阈值的配电变压器与平均负载率超过第二阈值的配电变压器确认为待诊断的配电变压器。
进一步的，计算得到第二等效模型的输入电压的具体步骤为：
将潮流从变电站母线至配电变压器首端的电力线路划分为多段，根据第一等效模型，按顺序计算每段线路的输出电压，将最后一段线路的输出电压等效为第二模型的输入电压。
进一步的，所述求解XT的具体步骤为：
根据所述获取的配电变压器运行数据、第二等效模型和第二等效模型中的输入电压，通过最小二乘回归算法求解配电变压器的内部等效阻抗XT。
进一步的，所述效用函数x为：
Figure BDA0002751158390000031
其中，n＝X实际-X额定；X实际＝XT。
进一步的，所述隶属函数为：
良好：
Figure BDA0002751158390000032
注意：
Figure BDA0002751158390000033
异常：
Figure BDA0002751158390000041
严重：
Figure BDA0002751158390000042
其中，每一个λ(x)对应一种配电变压器健康状态，根据效用函数x的值在各λ(x)中的隶属度诊断配电变压器健康状态。
技术方案二：
基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法的设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有指令，所述指令适于由处理器加载并执行以下步骤：
确认待诊断的配电变压器；
获取待诊断的配电变压器运行数据；获取与所述待诊断的配电变压器对应的变电站母线出线运行数据；
构造潮流流经变电站母线至配电变压器首端电力线路的第一等效模型；构造潮流流经配电变压器的第二等效模型；
根据所述变电站母线出线运行数据、第一等效模型，计算得到第二等效模型的输入电压；
根据所述配电变压器运行数据、第二等效模型、第二等效模型的输入电压，计算得到配电变压器的内部等效阻抗XT；
根据所述配电变压器的内部等效阻抗XT与其额定阻抗X额定的差值，构造用于量化分析配电变压器变形程度的效用函数x；根据效用函数x，构造用于诊断配电变压器健康情况的隶属函数λ(x)；
通过隶属函数λ(x)诊断配电变压器的健康状态。
进一步的，将故障冲击次数超过第一阈值的配电变压器与平均负载率超过第二阈值的配电变压器确认为待诊断的配电变压器。
进一步的，计算得到第二等效模型的输入电压的具体步骤为：
将潮流从变电站母线至配电变压器首端的电力线路划分为多段，根据第一等效模型，按顺序计算每段线路的输出电压，将最后一段线路的输出电压等效为第二模型的输入电压。
进一步的，所述求解XT的具体步骤为：
根据所述获取的配电变压器运行数据、第二等效模型和第二等效模型中的输入电压，通过最小二乘回归算法求解配电变压器的内部等效阻抗XT。
进一步的，所述效用函数x为：
Figure BDA0002751158390000051
其中，n＝X实际-X额定；X实际＝XT。
进一步的，所述隶属函数为：
良好：
Figure BDA0002751158390000061
注意：
Figure BDA0002751158390000062
异常：
Figure BDA0002751158390000063
严重：
Figure BDA0002751158390000064
其中，每一个λ(x)对应一种配电变压器健康状态，根据效用函数x的值在各λ(x)中的隶属度诊断配电变压器健康状态。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明无需加装任何监测装置，仅通过电网运行数据完成在线诊断配电变压器的健康状态，经济性强，大大降低了配电变压器维护成本。
2、本发明优先诊断高风险的配电变压器的健康状态，减少了计算量，也能快速及时的发现问题比较严重的配电变压器。
3、本发明根据系统中存有的大量配电变压器在不同的时刻的运行数据，通过小二乘回归算法递推求解，可以综合分析配变变压器一段时段内不同负荷率下大量的运行数据，且计算速度快。
4、本发明根据配电变压器电抗值相对变化量，通过效用函数，量化配电变压器的绕组变形程度，通过隶属函数直观地反映配电变压器健康状态，实现配电变压器健康状态的在线诊断。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为第一等效模型电路图；
图3为第二等效模型电路图；
图4为效用函数示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
实施例一
参见图1，基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法，包括以下步骤：
确认待诊断的配电变压器；
获取待诊断的配电变压器运行数据；获取与所述待诊断的配电变压器对应的变电站母线出线运行数据；
构造潮流流经变电站母线至配电变压器首端电力线路的第一等效模型；构造潮流流经配电变压器的第二等效模型；
根据所述变电站母线出线运行数据、第一等效模型，计算得到第二等效模型的输入电压；
根据所述配电变压器运行数据、第二等效模型、第二等效模型的输入电压，计算得到配电变压器的内部等效阻抗XT；
根据所述XT与配电变压器的额定阻抗X额定的差值，构造用于用于量化分析配电变压器变形程度的效用函数x；根据效用函数x，构造用于诊断配电变压器健康情况的隶属函数λ(x)；
根据隶属函数λ(x)诊断配电变压器的健康状态。
本实施的有益效果在于，根据电网系统中存有的大量配电变压器和其对应的变电站母线出线运行数据，计算配电变压器的内部等效阻抗。再根据内部等效阻抗与额定阻抗的差值，通过效用函数和隶属函数诊断配电变压器的健康状态。本发明无需加装任何监测装置，仅通过电网运行数据完成在线估配电变压器的状态，经济性强，大大降低了配电变压器维护成本。
实施例二
进一步的，从调度系统获取故障冲击次数超过第一阈值(本实施例中，第一阈值为3次)的配电变压器的运行数据。从运维管控系统获取平均负载率超过第二阈值(本实施例中，第二阈值为80％)的配电变压器的运行数据。
本实施的进步之处在于，配电变压器数量巨大，如果对所有的配电变压器进行诊断，计算量过大易超出使用本发明的设备的计算能力。本发明优先诊断高风险的配电变压器的健康状态，减少了计算量，也能快速及时的发现问题比较严重的配电变压器。
实施例三
进一步的，将潮流从变电站母线至配电变压器首端的电力线路划分为多段(根据线路型号的不同或其他因素划分)。如图2所示，构造第一等效模型。根据第一等效模型，按从变电站母线到配电变压器首端的顺序，计算每段线路的输出电压。将最后一段线路的输出电压等效为第二模型的输入电压。
以第i段线路为例。从电力管理系统(PMS系统)获取第i段线路的型号。根据线路型号，由下列公式计算得到第i段线路的单位长度电阻r1、单位长度电导x1和单位长度电纳b1。
Figure BDA0002751158390000091
Figure BDA0002751158390000092
Figure BDA0002751158390000093
其中，ρ为导线的电阻率；S为导线的横截面积；Dm为三相导线之间的几何平均距离，当三相导线为水平分布时，
Figure BDA0002751158390000094
当三相导线为三角形分布时，Dm＝lab＝lbc＝lca，lab、lbc、lca分别为三相导线中相邻两导线之间的直线距离；r为导线的计算半径，可通过《电力金具手册》查询。
从PMS系统查询第i段线路的长度l。根据公式R＝r1l；X＝x1l；B＝b1l，得到第i段线路的电阻R、电导X、电纳B。
当i＝1时，从调度系统获取变电站10kV母线U1和待诊断配电变压器所在的10kV出线的功率S1。当i＝2、3……时，将第i-1段线路的输出电压U2和输出功率S2等效为第i段线路线路的输入电压U1和输入功率S1。
按下列公式计算第i段线路的输出电压U2：
本发明中所述的输入、输出功率均为视在功率，其值由公式表达为S＝P+j Q。例如，S1＝P1+j Q1；S1′＝P1′+j Q1′。
Figure BDA0002751158390000101
Figure BDA0002751158390000102
S1'＝S1-ΔSy1
Figure BDA0002751158390000103
S2'＝S1'-ΔSz
S2＝S2'-ΔSy2
Figure BDA0002751158390000104
由于在110kV及以下的电力网中，δU对电压降落的影响不大，可忽略不计。故，U2＝U1-ΔU。
至此，得到第i段线路的输出电压U2和输出功率S2。将U2、S2分别等效为第i+1段线路的U1、S1。重复以上步骤，继续计算第i+1段线路的U2、S2，直至得到最后一段线路的U2。
实施例四
如图3所示，构造第二等效模型。
在第二模型中：
Figure BDA0002751158390000105
其中，UN和SN是配电变压器的额定电压和额定功率；Pk是配电变压器短路实验测量的短路损耗功率；Uk％是配电变压器短路电压；P0是配电变压器空载损耗；I0是配电变压器空载电流。
如实施例三所述得到最后一段线路的输出电压U2等效为第二模型的输入电压U3。所述配电变压器运行数据包括配电变压器的输入功率S3＝P3+j Q3、二次侧电压U4′和配电变压器变比k。
Figure BDA0002751158390000111
Figure BDA0002751158390000112
Figure BDA0002751158390000113
U4＝U3-ΔUT
U4＝U4'·k
其中，ΔUT为潮流经过配电变压器时的压降。
由上述公式，可推得二元一次方程(U3-U4'·k)U3＝P3'RT+Q3'XT，其中RT、XT为待求参数。
根据获取的多个不同时刻的S3、U4′和U3数据，通过最小二乘回归算法递推求解RT。
本实施例的进步之处在于根据系统中存有的大量配电变压器在不同的时刻的运行数据，而这些海量的监视数据未能充分挖出其数据价值，在不加装监测设备的前提下，配电变压器缺乏健康识别手段。通过小二乘回归算法递推求解，可以综合分析配变变压器一段时段内不同负荷率下大量的运行数据，且计算速度快。
实施例五
《DLT1093-2008变压器绕组变形的电抗法检测判断导则》给出了检测绕组状态的具体注意值，其中配电变压器电抗值相对变化量注意值为±2.0％。
参见图4，采用降半梯模型构造效用函数x：
Figure BDA0002751158390000121
其中，n＝X实际-X额定；X实际＝XT。
根据效用函数x构造隶属函数λ(x)，隶属函数λ(x)用于诊断配电变压器健康情况。
良好：
Figure BDA0002751158390000122
注意：
Figure BDA0002751158390000123
异常：
Figure BDA0002751158390000124
严重：
Figure BDA0002751158390000125
其中，每一个λ(x)对应一种状态。
将x分别带入上述λ(x)中，计算得到x的值在各λ(x)中的隶属度。取隶属度中的最大值对应的λ(x)代表的状态为配电变压器健康状态。
例如，当x＝0.1时，计算得到：
Figure BDA0002751158390000131
最大值1对应的λ(x)代表的状态为严重，则诊断配电变压器的健康状态为严重。
本实施例的有益效果在于根据配电变压器电抗值相对变化量，通过效用函数，量化配电变压器的绕组变形程度，通过隶属函数直观地反映配电变压器健康状态，实现配电变压器健康状态的在线诊断。
实施例六
参见图1，基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法的设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有指令，所述指令适于由处理器加载并执行以下步骤：
确认待诊断的配电变压器；
获取待诊断的配电变压器运行数据；获取与所述待诊断的配电变压器对应的变电站母线出线运行数据；
构造潮流流经变电站母线至配电变压器首端电力线路的第一等效模型；构造潮流流经配电变压器的第二等效模型；
根据所述变电站母线出线运行数据、第一等效模型，计算得到第二等效模型的输入电压；
根据所述配电变压器运行数据、第二等效模型、第二等效模型的输入电压，计算得到配电变压器的内部等效阻抗XT；
根据所述XT与配电变压器的额定阻抗X额定的差值，构造用于用于量化分析配电变压器变形程度的效用函数x；根据效用函数x，构造用于诊断配电变压器健康情况的隶属函数λ(x)；
根据隶属函数λ(x)诊断配电变压器的健康状态。
本实施的有益效果在于，根据电网系统中存有的大量配电变压器和其对应的变电站母线出线运行数据，计算配电变压器的内部等效阻抗。再根据内部等效阻抗与额定阻抗的差值，通过效用函数和隶属函数诊断配电变压器的健康状态。本发明无需加装任何监测装置，仅通过电网运行数据完成在线估配电变压器的状态，经济性强，大大降低了配电变压器维护成本。
实施例七
进一步的，从调度系统获取故障冲击次数超过第一阈值(本实施例中，第一阈值为3次)的配电变压器的运行数据。从运维管控系统获取平均负载率超过第二阈值(本实施例中，第二阈值为80％)的配电变压器的运行数据。
本实施的进步之处在于，配电变压器数量巨大，如果对所有的配电变压器进行诊断，计算量过大易超出使用本发明的设备的计算能力。本发明优先诊断高风险的配电变压器的健康状态，减少了计算量，也能快速及时的发现问题比较严重的配电变压器。
实施例八
进一步的，将潮流从变电站母线至配电变压器首端的电力线路划分为多段(根据线路型号的不同或其他因素划分)。如图2所示，构造第一等效模型。根据第一等效模型，按从变电站母线到配电变压器首端的顺序，计算每段线路的输出电压。将最后一段线路的输出电压等效为第二模型的输入电压。
以第i段线路为例。从电力管理系统(PMS系统)获取第i段线路的型号。根据线路型号，由下列公式计算得到第i段线路的单位长度电阻r1、单位长度电导x1和单位长度电纳b1。
Figure BDA0002751158390000151
Figure BDA0002751158390000152
Figure BDA0002751158390000153
其中，ρ为导线的电阻率；S为导线的横截面积；Dm为三相导线之间的几何平均距离，当三相导线为水平分布时，
Figure BDA0002751158390000154
当三相导线为三角形分布时，Dm＝lab＝lbc＝lca，lab、lbc、lca分别为三相导线中相邻两导线之间的直线距离；r为导线的计算半径，可通过《电力金具手册》查询。
从PMS系统查询第i段线路的长度l。根据公式R＝r1l；X＝x1l；B＝b1l，得到第i段线路的电阻R、电导X、电纳B。
当i＝1时，从调度系统获取变电站10kV母线U1和待诊断配电变压器所在的10kV出线的功率S1。当i＝2、3……时，将第i-1段线路的输出电压U2和输出功率S2等效为第i段线路线路的输入电压U1和输入功率S1。
按下列公式计算第i段线路的输出电压U2：
本发明中所述的输入、输出功率均为视在功率，其值由公式表达为S＝P+j Q。例如，S1＝P1+j Q1；S1′＝P1′+j Q1′。
Figure BDA0002751158390000161
Figure BDA0002751158390000162
S1'＝S1-ΔSy1
Figure BDA0002751158390000163
S2'＝S1'-ΔSz
S2＝S2'-ΔSy2
Figure BDA0002751158390000164
由于在110kV及以下的电力网中，δU对电压降落的影响不大，可忽略不计。故，U2＝U1-ΔU。
至此，得到第i段线路的输出电压U2和输出功率S2。将U2、S2分别等效为第i+1段线路的U1、S1。重复以上步骤，继续计算第i+1段线路的U2、S2，直至得到最后一段线路的U2。
实施例九
如图3所示，构造第二等效模型。
在第二模型中：
Figure BDA0002751158390000165
其中，UN和SN是配电变压器的额定电压和额定功率；Pk是配电变压器短路实验测量的短路损耗功率；Uk％是配电变压器短路电压；P0是配电变压器空载损耗；I0是配电变压器空载电流。
如实施例八所述得到最后一段线路的输出电压U2等效为第二模型的输入电压U3。所述配电变压器运行数据包括配电变压器的输入功率S3＝P3+j Q3、二次侧电压U4′和配电变压器变比k。
Figure BDA0002751158390000171
Figure BDA0002751158390000172
Figure BDA0002751158390000173
U4＝U3-ΔUT
U4＝U4'·k
其中，ΔUT为潮流经过配电变压器时的压降。
由上述公式，可推得二元一次方程(U3-U4'·k)U3＝P3'RT+Q3'XT，其中RT、XT为待求参数。
根据获取的多个不同时刻的S3、U4′和U3数据，通过最小二乘回归算法递推求解RT。
本实施例的进步之处在于根据系统中存有的大量配电变压器在不同的时刻的运行数据，而这些海量的监视数据未能充分挖出其数据价值，在不加装监测设备的前提下，配电变压器缺乏健康识别手段。通过小二乘回归算法递推求解，可以综合分析配变变压器一段时段内不同负荷率下大量的运行数据，且计算速度快。
实施例十
《DLT1093-2008变压器绕组变形的电抗法检测判断导则》给出了检测绕组状态的具体注意值，其中配电变压器电抗值相对变化量注意值为±2.0％。
参见图4，采用降半梯模型构造效用函数x：
Figure BDA0002751158390000181
其中，n＝X实际-X额定；X实际＝XT。
根据效用函数x构造隶属函数λ(x)，隶属函数λ(x)用于诊断配电变压器健康情况。
良好：
Figure BDA0002751158390000191
注意：
Figure BDA0002751158390000192
异常：
Figure BDA0002751158390000193
严重：
Figure BDA0002751158390000194
其中，每一个λ(x)对应一种状态。
将x分别带入上述λ(x)中，计算得到x的值在各λ(x)中的隶属度。取隶属度中的最大值对应的λ(x)代表的状态为配电变压器健康状态。
例如，当x＝0.1时，计算得到：
Figure BDA0002751158390000195
最大值1对应的λ(x)代表的状态为严重，则诊断配电变压器的健康状态为严重。
本实施例的有益效果在于根据配电变压器电抗值相对变化量，通过效用函数，量化配电变压器的绕组变形程度，通过隶属函数直观地反映配电变压器健康状态，实现配电变压器健康状态的在线诊断。
本实施例的有益效果在于根据配电变压器电抗值相对变化量，通过效用函数，量化配电变压器的绕组变形程度，通过隶属函数直观地反映配电变压器健康状态，实现配电变压器健康状态的在线诊断。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
确认待诊断的配电变压器；
获取待诊断的配电变压器运行数据；获取与所述待诊断的配电变压器对应的变电站母线出线运行数据；
构造潮流流经变电站母线至配电变压器首端电力线路的第一等效模型；构造潮流流经配电变压器的第二等效模型；
根据所述变电站母线出线运行数据、第一等效模型，计算得到第二等效模型的输入电压；
根据所述配电变压器运行数据、第二等效模型、第二等效模型的输入电压，计算得到配电变压器的内部等效阻抗XT；
根据所述配电变压器的内部等效阻抗XT与其额定阻抗X额定的差值，构造用于量化分析配电变压器变形程度的效用函数x；根据效用函数x，构造用于诊断配电变压器健康情况的隶属函数λ(x)；
通过隶属函数λ(x)诊断配电变压器的健康状态。
2.根据权利要求1所述的基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法，其特征在于，将故障冲击次数超过第一阈值的配电变压器与平均负载率超过第二阈值的配电变压器确认为待诊断的配电变压器。
3.根据权利要求1所述的基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法，其特征在于，计算得到第二等效模型的输入电压的具体步骤为：
将潮流从变电站母线至配电变压器首端的电力线路划分为多段，根据第一等效模型，按顺序计算每段线路的输出电压，将最后一段线路的输出电压等效为第二模型的输入电压。
4.根据权利要求3所述的基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法，其特征在于，所述求解XT的具体步骤为：
根据所述获取的配电变压器运行数据、第二等效模型和第二等效模型中的输入电压，通过最小二乘回归算法求解配电变压器的内部等效阻抗XT。
5.根据权利要求1所述的基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法，其特征在于，所述效用函数x为：
Figure FDA0002751158380000021
其中，n＝X实际-X额定；X实际＝XT。
6.根据权利要求5所述的基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法，其特征在于，所述隶属函数为：
良好：
Figure FDA0002751158380000022
注意：
Figure FDA0002751158380000023
异常：
Figure FDA0002751158380000031
严重：
Figure FDA0002751158380000032
其中，每一个λ(x)对应一种配电变压器健康状态，根据效用函数x的值在各λ(x)中的隶属度诊断配电变压器健康状态。
7.基于多源数据的配电变压器健康在线诊断设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有指令，所述指令适于由处理器加载并执行执行如权利要求1-6任一权利要求所述的基于多源数据的配电变压器健康在线诊断方法。
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