CN112598298A - 电力变压器健康管理系统及管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力变压器健康管理系统及管理方法，包括气体体积分数测算模块、气体阈值计算模块、气体联合预警模块、热点温度检测模块、绝缘寿命损耗测算模块、状态评价模块、参数趋势估算模块和故障诊断模块。该电力变压器健康管理系统及管理方法能够通过气体联合预警的方式提高预警的准确性，通过改进的热点温度测算和绝缘寿命损耗测算提高老化率计算的准确性，通过状态评价管理、参数趋势估算模块对变压器的健康状况进行持续关注，提醒运检人员及时关注异常的设备信息，并结合历史故障库的数据快速诊断变压器的异常和故障，提出有效的处理建议，从而实现变压器健康的及时、精确化管理，全面保障变压器安全。

Description

电力变压器健康管理系统及管理方法

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，具体为电力变压器健康管理系统及管理方法。

背景技术

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)，通常用油来覆盖变压器内的磁芯，以减少噪音。不仅如此，变压器油的绝缘强度较好，且有流动性，能充满变压器的各部件和任何空间，将空气排出，避免了部件与空气接触受潮，故称为“绝缘油”。此外，变压器油还具有散热和防腐蚀性能，变压器油使变压器的铁芯和绕组之间得到冷却，变压器运行中，靠近绕组与铁芯的油受热后温度升高，体积膨胀，比重减小而上升，经冷却装置冷却后再进入变压器油箱的底部，从而形成油的循环，在循环过程中，将热量散发给冷却装置，从而使铁芯和绕组得到冷却；变压器中含有许多绝缘物，变压器油能使木质绝缘物保持原有的化学性能和物理性能，还能对金属起到防腐作用。

当前，通常采用油色谱在线监测的方式测定油中溶解的气体组分及水含量，从而判断变压器中是否存在潜在的过热、放电等故障风险，从而保障电网安全有效的运行。常用的油色谱在线监测的方式是将检测到的气体体积分数与国际标准中规定的阈值对比，当检测到的体积分数大于阈值时，则认为系统动力学特性发生改变，变压器有可能存在异常状况，促使运检人员检查变压器故障，防患于未然。

现有的变压器故障预警方法依据国标进行油色谱体积分数的测量与对比，但在实际运行中，会存在以下情况导致预警并不准确：1)实际检测到的体积分数大于阈值，但设备处于正常状态，即出现误报；2)实际检测到的体积分数小于阈值，但设备已有故障，即出现漏报。由此可见，当实际检测的体积分数超过阈值时，并不代表变压器100％出现故障，当实际检测的体积分数未超过阈值时，也不代表变压器100％正常。因此，需要一种更准确的变压器故障预警方法，以实现对变压器及电网的安全保障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电力变压器健康管理系统，通过软硬件系统实现变压器监测及气体体积分数测算、动态阈值报警及绝缘寿命损耗计算，对变压器故障、老化及异常进行更准确的预测与识别，从而实现对变压器状态管理的精确数据支撑与科学管理。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：电力变压器健康管理系统，包括气体体积分数测算模块、气体阈值计算模块、气体联合预警模块、热点温度检测模块、绝缘寿命损耗测算模块、状态评价模块、参数趋势估算模块和故障诊断模块。

优选的，所述气体体积分数测算模块采用油色谱分析仪或者其他检测装置检测油中溶解气体含量，包括甲烷CH4、乙炔C2H2、乙烯C2H4、乙烷C2H6、氢气H2和总烃，所述气体体积分数测算模块通过数据接口将数据传输至管理系统。

优选的，所述气体阈值计算模块采用Weibull函数拟合样本数据，将国标中油色谱体积分数定义阈值作为100％报警阈值，将样本数据代入Weibull函数拟合，选取最优预警阈值。

优选的，所述气体联合预警模块根据样本数据与对应的故障情况，采用Pearson简单相关系数、Spearman等级相关系数和Kendall相关系数，计算两个变量之间的相关性，并进行相关系数的检验统计，当相关性较高的两个组分之间第一个组分超越一级预报警阈值、第二个组分超越第二级预报警阈值时，则进行预报警。

优选的，所述热点温度测算模块检测变压器的热点温度及变化情况。

优选的，所述绝缘寿命损耗测算模块根据热点温度测算模块测算的热点温度计算老化率。

优选的，所述状态评价模块针对变压器进行状态评价，所述状态评价模块通过接入的设备技术台账、安装验收记录、试验数据、巡视数据、缺陷库、在线监测、不良工况等原始数据，对其中反映设备健康状态的各项数据进行分析评价，结合绝缘寿命损耗测算模块测算的老化率，最终得出设备总体健康状态等级。

优选的，所述参数趋势估算模块根据监测参数的历史数据进行趋势分析，在趋势变化曲线的基础上，采用高斯过程回归、正态加权幂律模型等方法，预测未来短期时间内的变化趋势，绘制其预测曲线，为提前发现异常状态提供参考。

优选的，所述故障诊断模块的诊断流程为：

S1、从设备基本信息和历史状况(包括历史状态量及历史趋势)，掌握该台设备的历史状态信息；

S2、通过参数趋势估算模块展示的变化趋势，反映设备一段时间内的色谱变化趋势，辅助判断；

S3、综合考虑离线试验数据、巡检信息、不良工况等与设备状态相关的各类信息，为诊断提供必要数据支撑；

S4、搜索系统中的案例库，匹配出相关案例，并给出相似性，为故障的诊断提供历史判据；

S5、综合上述所有设备状态信息，依据内嵌在系统中的专家知识库，模拟专家思维，从分析过程、可能故障原因和试验建议三个方面给出综合分析结论，同时，系统还将给出建议的处理方式，通过处理相应的条目，进一步确诊故障。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该电力变压器健康管理系统及管理方法能够通过气体联合预警的方式提高预警的准确性，通过改进的热点温度测算和绝缘寿命损耗测算提高老化率计算的准确性，通过状态评价管理、参数趋势估算模块对变压器的健康状况进行持续关注，提醒运检人员及时关注异常的设备信息，并结合历史故障库的数据快速诊断变压器的异常和故障，提出有效的处理建议，从而实现变压器健康的及时、精确化管理，全面保障变压器安全。

附图说明

图1为本发明变压器健康管理系统模块示意图；

图2为本发明故障诊断流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供的一种电力变压器健康管理系统包括气体体积分数测算模块、气体阈值计算模块、气体联合预警模块、热点温度检测模块、绝缘寿命损耗测算模块、状态评价模块、参数趋势估算模块、故障诊断模块。

气体体积分数测算模块用于检测变压器油中溶解气体的体积分数，采用油色谱分析仪或者其他检测装置检测油中溶解气体含量，包括甲烷CH4、乙炔C2H2、乙烯C2H4、乙烷C2H6、氢气H2和总烃，检测完成后，通过数据接口将数据传输至管理系统，作为样本数据保存。气体体积分数测算模块展示一段时间内的色谱变化趋势，辅助故障类型判断。

气体阈值计算模块用于根据样本数据计算合理阈值，采用Weibull函数拟合样本数据，将国标中油色谱体积分数定义阈值作为100％报警阈值，将样本数据代入Weibull函数拟合，选取最优预警阈值。本发明将国标中报警阈值的90％和95％两个档位分别作为二级预报警阈值和一级预报警阈值，计算对应的溶解气体含量数值，以此作为预警报警的依据。

气体联合预警模块用于根据相关的两个气体体积分数进行联合预警，具体为：根据样本数据与对应的故障情况，采用Pearson简单相关系数、Spearman等级相关系数和Kendall相关系数，计算两个变量之间的相关性，并进行相关系数的检验统计，当相关性较高的两个组分之间第一个组分超越一级预报警阈值、第二个组分超越第二级预报警阈值时，则进行预报警。在本发明中，选择Pearson简单相关系数计算相关性，用字母r表

示，对应的计算公式为：

其中，x、y分别代表两个变量。将油色谱的气体体积分数分别两两之间计算相关系数r，当r＝0时，表示不存在线性相关，但不意味着两者无任何关系，当0<|r|≤0.3时，为微弱相关；当0.3<|r|≤0.5时，为低度相关；当0.5<|r|≤0.8时，为显著相关；当时，为高度相关，当时，为完全线性相关。取作为明显相关的标准进行联合预警，若一个气体组分与多个气体组分明显相关，则该气体组分超越一级预报警阈值，且明显相关的气体均超越第二级预报警阈值时，进行预报警。

热点温度测算模块用于检测变压器的热点温度及变化情况，以发现不同季节、负荷下的早期故障征兆。变压器运行过程中，绕组和结构件产生的损耗转化为热量，通过传导、辐射等方式传递到外界环境。该过程会引起变压器内部温度发生变化，其中各绕组中最高温度出现的位置为变压器热点，相对应的温度为变压器热点温度。谐波电流作用下，变压器绕组和结构件的损耗增加导致热点温度升高。变压器绝缘寿命主要由其热老化决定，温度是影响变压器绝缘状态的主要因素，当变压器绕组绝缘温度在80～130℃范围内，温度每升高6℃，其绝缘老化速度将增加一倍，即绝缘寿命就降低1/2。IEEE StdC57.110标准给出了谐波电流作用下热点温度计算公式，热点温度θh为环境温度θ_a、顶层油温升Δθ_o和热点对顶层油的温度梯度H_g三部分的和，即

θ_h＝θ_a+Δθ_o+H_g (1)

IEEE标准对上式中Δθ_o和H_g的计算公式为：

式中：Δθ_o-R为额定运行条件下顶层油温升；H_g-R为额定运行条件下热点对顶层油的温度梯度；P_EC-pu为绕组涡流损耗标幺值。由于IEEE标准在计算谐波损耗时没有对绕组电阻损耗进行量化计算，所以存在基于谐波损耗的式(2)中的计算结果，且式(2)中的损耗标幺值参量使计算复杂。因此，对式(2)中的进行修正得：

式中：Δθ_oN为修正后顶层油温升；H_gN为修正后热点对顶层油的温度梯度；p_LL为谐波电流作用下变压器负载损耗，

为额定运行条件下绕组电阻损耗；P_EC为谐波电流作用下绕组涡流损耗。由于式(3)中谐波损耗值避免IEEE计算方法的保守性，所以可得到更为准确的热点温度。

将式(3)的结果带入(1)，得到变压器运行时的热点温度θ_h。

绝缘寿命损耗测算模块用于根据热点温度测算模块测算的热点温度计算老化率，以进行变压器健康管理，当老化率超过设定阈值时，发出老化预警提示。相对老化率是给定热点温度下绝缘老化率与参考热点温度下绝缘老化率的比值，能够反映变压器的绝缘老化呈降低或加快的速率。我国常规绝缘系统变压器以98℃为热点温度基准值，相对老化率V计算公式为：

式中θ_h通过热点温度测算模块测算得到。

在某一时间段内，变压器绝缘寿命损失L的计算式为

式中：V_n为第n个时间段内的相对老化率；t_n为第n个时间间隔的时间；n为所考虑时间段内每个时间间隔的序数；N为所考虑时间段内的时间间隔的总数。

状态评价模块，状态评价主要针对变压器(电抗器)进行状态评价。该模块通过接入的设备技术台账、安装验收记录、试验数据、巡视数据、缺陷库、在线监测、不良工况等原始数据，依据状态特征量和状态评价相关导则标准，对其中反映设备健康状态的各项数据进行分析评价，结合绝缘寿命损耗测算模块测算的老化率，最终得出设备总体健康状态等级(正常、注意、异常和严重四个等级)，提醒运检人员关注设备健康，指导设备检修工作的开展。

参数趋势估算模块，用于根据监测参数的历史数据，进行趋势分析，在趋势变化曲线的基础上，采用高斯过程回归、正态加权幂律模型等方法，预测未来短期时间内的变化趋势，绘制其预测曲线，为提前发现异常状态提供参考。同时，得到预测结果之后，可将预测结果在数据库中进行保存。可实现单台或多台变压器的各监测参数的历史数据变化趋势的比较分析。

请参阅图1和图2，故障诊断模块，接入历史故障案例，结合当前变压器数据匹配相关案例，并给出相似性，为故障的诊断提供历史依据。图2为诊断流程示意图，诊断流程为：

S1、从设备基本信息和历史状况(包括历史状态量及历史趋势)，掌握该台设备的历史状态信息。

S2、通过参数趋势估算模块展示的变化趋势，反映设备一段时间内的色谱变化趋势，辅助判断。

S3、综合考虑离线试验数据、巡检信息、不良工况等与设备状态相关的各类信息，为诊断提供必要数据支撑。

S4、搜索系统中的案例库，匹配出相关案例，并给出相似性，为故障的诊断提供历史判据。

S5、综合上述所有设备状态信息，依据内嵌在系统中的专家知识库，模拟专家思维，从分析过程、可能故障原因和试验建议三个方面给出综合分析结论。同时，系统还将给出建议的处理方式，通过处理相应的条目，进一步确诊故障。

本发明提供的一种电力变压器健康管理系统包括气体体积分数测算模块、气体阈值计算模块、气体联合预警模块、热点温度检测模块、绝缘寿命损耗测算模块、状态评价模块、参数趋势估算模块、故障诊断模块。通过气体体积分数测算模块、气体阈值计算模块、气体联合预警模块进行变压器油溶解气体体积分数的测算、报警阈值计算与联合预警，通过热点温度检测模块和绝缘寿命损耗测算模块计算变压器的老化率，通过状态评价模块、参数趋势估算模块评估变压器的健康状况，提醒运检人员关注异常设备，通过故障诊断模块对变压器的异常及故障进行诊断，提出处理建议。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.电力变压器健康管理系统，包括气体体积分数测算模块、气体阈值计算模块、气体联合预警模块、热点温度检测模块、绝缘寿命损耗测算模块、状态评价模块、参数趋势估算模块和故障诊断模块。

2.根据权利要求1所述的电力变压器健康管理系统，其特征在于：所述气体体积分数测算模块采用油色谱分析仪或者其他检测装置检测油中溶解气体含量，包括甲烷CH4、乙炔C2H2、乙烯C2H4、乙烷C2H6、氢气H2和总烃，所述气体体积分数测算模块通过数据接口将数据传输至管理系统。

3.根据权利要求1所述的电力变压器健康管理系统，其特征在于：所述气体阈值计算模块采用Weibull函数拟合样本数据，将国标中油色谱体积分数定义阈值作为100%报警阈值，将样本数据代入Weibull函数拟合，选取最优预警阈值。

4.根据权利要求1所述的电力变压器健康管理系统，其特征在于：所述气体联合预警模块根据样本数据与对应的故障情况，采用Pearson简单相关系数、Spearman等级相关系数和Kendall相关系数，计算两个变量之间的相关性，并进行相关系数的检验统计，当相关性较高的两个组分之间第一个组分超越一级预报警阈值、第二个组分超越第二级预报警阈值时，则进行预报警。

5.根据权利要求1所述的电力变压器健康管理系统，其特征在于：所述热点温度测算模块检测变压器的热点温度及变化情况。

6.根据权利要求1所述的电力变压器健康管理系统，其特征在于：所述绝缘寿命损耗测算模块根据热点温度测算模块测算的热点温度计算老化率。

7.根据权利要求1所述的电力变压器健康管理系统，其特征在于：所述状态评价模块针对变压器进行状态评价，所述状态评价模块通过接入的设备技术台账、安装验收记录、试验数据、巡视数据、缺陷库、在线监测、不良工况等原始数据，对其中反映设备健康状态的各项数据进行分析评价，结合绝缘寿命损耗测算模块测算的老化率，最终得出设备总体健康状态等级。

8.根据权利要求1所述的电力变压器健康管理系统，其特征在于：所述参数趋势估算模块根据监测参数的历史数据进行趋势分析，在趋势变化曲线的基础上，采用高斯过程回归、正态加权幂律模型等方法，预测未来短期时间内的变化趋势，绘制其预测曲线，为提前发现异常状态提供参考。

9.根据权利要求1所述的电力变压器健康管理系统，其特征在于，所述故障诊断模块的诊断流程为;

S1、从设备基本信息和历史状况（包括历史状态量及历史趋势），掌握该台设备的历史状态信息;

S2、通过参数趋势估算模块展示的变化趋势，反映设备一段时间内的色谱变化趋势，辅助判断;

S3、综合考虑离线试验数据、巡检信息、不良工况等与设备状态相关的各类信息，为诊断提供必要数据支撑;

S4、搜索系统中的案例库，匹配出相关案例，并给出相似性，为故障的诊断提供历史判据;

S5、综合上述所有设备状态信息，依据内嵌在系统中的专家知识库，模拟专家思维，从分析过程、可能故障原因和试验建议三个方面给出综合分析结论，同时，系统还将给出建议的处理方式，通过处理相应的条目，进一步确诊故障。

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