CN113868902B - 一种基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的方法，将对流换热系数、顶层油温对热点温度进行建模，构建热点温度算法模型；将顶层油温对对流换热系数建模，构造基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型，并进一步构建基于对流换热系数计算热点温度的算法模型；综合考虑所构建顶层油温计算对流换热系数模型存在的系统误差以及顶层油温和热点区域油温温差关系，对算法模型添加修正因子，并用最小二乘法进行参数寻优。本发明公开了一种基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的新方法，通过顶层油温计算绕组热点温度，对变电站中变压器热点温度监测，保障其安全运行有着良好的效果。

Description

一种基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的方法
技术领域
本发明属于变压器运行监测领域，涉及一种基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的方法。
背景技术
随着国民经济发展，城市化、城乡一体化建设的快速推进，各行各业对用电需求越来越高。用电需求增加需要变压器输出更多电能，从而导致变压器运行参数变化。在众多运行参数中，温度一直是人们关注的问题，其中热点温度是影响变压器稳定安全运行的重要因素。变压器一般允许在低于最高热点温度的情况下运行，一旦长时间超过这个温度，变压器老化速率就会加快。据GB/T 1094.7-2008导则中规定，当变压器运行温度超过热点温度时，每超过6℃，变压器老化速率就会增加一倍。
对绕组热点温度获取的方法有：直接测量法、间接计算法。直接测量法是在变压器绕组安装温度传感器，测取温度数据。但变压器内部大电流、强磁场环境会影响传感器性能以及造成腐蚀，造成监测数据不准。间接计算法是搭建温度模型，根据变压器运行参数间接计算绕组热点温度。其中国标推荐计算公式以及B.M.Weedy采用的热阻模型，只将变压器视作线性系统，粗略估算绕组温度动态变化过程；Swift提出一种根据顶层油温计算绕组热点温度热电类比模型，但该算法综合考虑因素较少，计算效果不佳。
发明内容
在背景技术中所提的变压器绕组热点温度算法基础上，本发明提出一种基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的方法，将对流换热系数、顶层油温对热点温度进行建模，构建热点温度算法模型；将顶层油温对对流换热系数建模，构造基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型，并进一步构建基于对流换热系数计算热点温度的算法模型；综合考虑所构建顶层油温计算对流换热系数模型存在的系统误差以及顶层油温和热点区域油温温差关系，对算法模型添加修正因子，并用最小二乘法进行参数寻优。
技术方案
根据上述发明内容，本发明的技术方案为：
一种基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的方法，包括以下几个步骤：
(1)将对流换热系数和顶层油温对热点温度建模，构建热点温度的理论算法模型；
(2)建立变压器模型，通过有限元分析软件ANSYS仿真后，获得若干变压器绕组的热点温度数据、对流换热系数数据以及顶层油温数据；
(3)基于步骤(2)中获得的对流换热系数数据以及顶层油温数据，构建基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型；
(4)综合步骤(1)构建的热点温度的理论算法模型和步骤(3)构建的基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型，构建基于对流换热系数计算热点温度的算法模型；
(5)综合步骤(3)构建顶层油温计算对流换热系数模型存在的系统误差以及顶层油温和热点区域油温关系，对步骤(4)中基于对流换热系数计算热点温度的算法模型添加修正因子，构建添加修正因子的基于对流换热系数计算热点温度的算法模型，实现基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度。
进一步，步骤(1)中热点温度的理论算法模型：
式中Q为绕组的换热量；A为换热面积；h为对流换热系数；Thot为热点温度；Toil为顶层油温，m为设定系数。
进一步，步骤(3)中采用Gaussion曲线逼近的方法，基于步骤(2)中获得的数据集，构建基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型：
h＝f(Toil)。
进一步，若通过基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型计算得到的对流换热系数与仿真获得的对流换热系数之间的误差小于设定第一误差，则进入下一步骤，否则采用Gaussion曲线逼近的方法，基于步骤(2)中获得的数据集，重新构建基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型。
进一步，步骤(4)中基于对流换热系数计算热点温度的算法模型为：
进一步，步骤(5)中添加修正因子的基于对流换热系数计算热点温度的算法模型为：
式中，k1和k2表示修正因子。
进一步，基于步骤(2)中获得的热点温度数据以及顶层油温数据，利用最小二乘法进行参数寻优，得到热点温度计算值与仿真值误差小于设定第二误差阈值的修正因子k1和k2。
有益效果：本发明通过顶层油温即可得到对流换热系数，并根据所建热点温度算法模型，即可的得到热点温度数值。该方法操作简单，数据来源方便，算法误差小，为变压器热点温度监测提供了一种新方法。
附图说明
图1是变压器模型图；
图2是对流换热系数和油温关系图；
图3是本专利算法温度曲线图；
图4是本专利算法的误差图；
图5是本专利的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的实施方式作具体说明。
在一个实施例中，如图5所示，提供一种基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的方法，包括以下几个步骤：
(1)将对流换热系数和顶层油温对热点温度建模，构建热点温度的理论算法模型；
(2)建立变压器模型，通过有限元分析软件ANSYS仿真后，获得若干变压器绕组的热点温度数据、对流换热系数数据以及顶层油温数据；
(3)基于步骤(2)中获得的对流换热系数数据以及顶层油温数据，构建基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型；
(4)综合步骤(1)构建的热点温度的理论算法模型和步骤(3)构建的基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型，构建基于对流换热系数计算热点温度的算法模型；
(5)综合步骤(3)构建顶层油温计算对流换热系数模型存在的系统误差以及顶层油温和热点区域油温温差关系，对步骤(4)中基于对流换热系数计算热点温度的算法模型添加修正因子，构建添加修正因子的基于对流换热系数计算热点温度的算法模型，实现基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度。
步骤(1)中，根据流体力学理论、传热学原理及能量守恒定律，建立固体表面温度的理论算法模型：
式(1)中Q为固体和流体之间换热量；A为换热面积；h为对流换热系数；Ts为固体表面温度；Tf为与固体接触区域处流体温度。
进一步，构建绕组热点温度理论算法模型：
式(2)中Thot为绕组热点温度；为绕组热点区域处油温。
进一步，令热点区域油温与顶层油温关系为：Toil *＝mToil，构建基于顶层油温的热点温度算法模型：
步骤(2)中，建立如图1所示的变压器模型，经有限元分析软件ANSYS仿真后可获得若干变压器绕组的热点温度数据、对流换热系数数据以及顶层油温数据。
对流换热系数分析如下：
式(4)中Nu为努塞尔系数；kf为油的导热系数；l为特征长度；C、n是根据经验表确定的常数；Gr为格拉晓夫数：Pr为布朗特数：/>g为重力加速度；β为油的体积膨胀系数；ΔT表示油和绕组之间的温差；v1表示油的流速；δ表示油运动粘度；cp表示油的比热；σ表示油的密度。
步骤(3)中采用Gaussion曲线逼近的方法，将步骤(2)中获得的对流换热系数数据和顶层油温数据，构建成基于顶层油温计算法对流换热系数的函数模型：
h＝f(Toil)。 (5)
在本实施例中，对流换热系数和顶层油温关系如图2所示，将对流换热系数和顶层油温构造函数关系，采用Gaussion曲线逼近的方法，函数表达式如下：
进一步，若通过基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型计算得到的对流换热系数与仿真获得的对流换热系数之间的误差小于设定误差A％，则进入下一步骤，否则采用Gaussion曲线逼近的方法，重新构建基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型。
步骤(4)中构造基于对流换热系数的热点温度算法模型：
步骤(5)中，综合步骤(3)构建顶层油温计算对流换热系数模型存在的系统误差以及顶层油温和热点区域油温关系，对步骤(4)中基于对流换热系数计算热点温度算法模型构造成如下添加修正因子的算法模型：
式(8)中，k1和k2表示修正因子。
进一步，根据步骤(2)所获的热点温度数据、油温数据，利用最小二乘法进行参数寻优，得到公式(8)计算的热点温度与步骤(2)中热点温度误差小于B％时的k1和k2值。
最小二乘法寻优过程如下：
将步骤(2)顶层油温和热点温度数据构造样本集[Toil(i),Thot *(i)]，(i＝1,2,3.......m)，将最小二乘法目标函数设定为S：
式(9)中Thot *(i)为第i个样本热点温度观测值。
将公式(8)转换成表示为第i个样本热点温度理论计算值。最小二乘法目标函数为：
将目标函数S分别对k1、k2求偏导，建立求目标函数最小值时的偏微分方程：
通过求解由偏微分方程(11)构成的数值矩阵即可得到误差小于B％的最优修正因子k1和k2数值。在本实施例中，k1＝0.9355、k2＝1.0365。该算法的温度曲线如图3，误差如图4。由图3和图4知，本算法结果与仿真结果变化趋势以及数值趋近，且整体误差小，具有较好的适用性。
在一个实施例中，提供了一种基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的装置，其特征在于，该装置包括：
热点温度算法模型建立单元，用于构建热点温度的理论算法模型；
变压器模型建立单元，用于建立变压器模型，并通过有限元分析软件ANSYS仿真获得若干变压器绕组的热点温度数据、对流换热系数数据以及顶层油温数据；
对流换热系数与油温关系分析单元，用于基于变压器模型建立单元获得的对流换热系数数据以及顶层油温数据，构建基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型；
对流换热系数与热点温度分析单元，用于根据热点温度算法模型建立单元和对流换热系数与油温关系分析单元的输出，构建基于对流换热系数计算热点温度的算法模型；
算法模型参数优化单元，用于基于变压器模型建立单元获得的热点温度数据以及顶层油温数据，对流换热系数与热点温度分析单元输出的基于对流换热系数计算热点温度的算法模型添加修正因子，并通过最小二乘法进行参数(修正因子)寻优。
在一个实施例中，提供了一种基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的方法的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
本发明公开了一种基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的方法。将对流换热系数、顶层油温对热点温度进行建模，构建热点温度算法模型；将顶层油温对对流换热系数建模，构造基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型，并进一步构建基于对流换热系数计算热点温度的算法模型；综合考虑所构建顶层油温计算对流换热系数模型存在的系统误差以及顶层油温和热点区域油温温差关系，对算法模型添加修正因子，并用最小二乘法进行参数寻优。本发明公开了一种基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的新方法，通过顶层油温计算绕组热点温度，对变电站中变压器热点温度监测，保障其安全运行有着良好的效果。
本发明的整体流程如图5所示，值得注意的是本实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(1)将对流换热系数和顶层油温对热点温度建模，构建热点温度的理论算法模型：
式中Q为绕组的换热量；A为换热面积；h为对流换热系数；Thot为热点温度；Toil为顶层油温，m为设定系数；
(2)建立变压器模型，通过有限元分析软件ANSYS仿真后，获得若干变压器绕组的热点温度数据、对流换热系数数据以及顶层油温数据；
(3)基于步骤(2)中获得的对流换热系数数据以及顶层油温数据，构建基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型：
h＝f(Toil)；
(4)综合步骤(1)构建的热点温度的理论算法模型和步骤(3)构建的基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型，构建基于对流换热系数计算热点温度的算法模型：
(5)对步骤(4)中基于对流换热系数计算热点温度的算法模型添加修正因子，构建添加修正因子的基于对流换热系数计算热点温度的算法模型，实现基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度；其中添加修正因子的基于对流换热系数计算热点温度的算法模型为：
式中，k1和k2表示修正因子。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，若通过基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型计算得到的对流换热系数与仿真获得的对流换热系数之间的误差小于设定第一误差，则进入下一步骤，否则重新构建基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型。
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，基于步骤(2)中获得的热点温度数据以及顶层油温数据，利用最小二乘法进行参数寻优，得到热点温度计算值与仿真值误差小于设定第二误差阈值的修正因子k1和k2。
4.一种应用如权利要求1至3中任一所述基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的方法的装置，其特征在于，该装置包括：
热点温度算法模型建立单元，用于构建热点温度的理论算法模型；
变压器模型建立单元，用于建立变压器模型，并通过有限元分析软件ANSYS仿真获得若干变压器绕组的热点温度数据、对流换热系数数据以及顶层油温数据；
对流换热系数与油温关系分析单元，用于基于变压器模型建立单元获得的对流换热系数数据以及顶层油温数据，构建基于顶层油温计算对流换热系数的函数模型；
对流换热系数与热点温度分析单元，用于根据热点温度算法模型建立单元和对流换热系数与油温关系分析单元的输出，构建基于对流换热系数计算热点温度的算法模型；
算法模型参数优化单元，用于基于变压器模型建立单元获得的热点温度数据以及顶层油温数据，对流换热系数与热点温度分析单元输出的基于对流换热系数计算热点温度的算法模型添加修正因子。
5.一种基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至3中任一所述的基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至3中任一所述的基于对流换热系数计算变压器绕组热点温度的方法的步骤。
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