CN114065506A - 一种配电变压器健康状况评估方法 - Google Patents

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CN114065506A CN202111343947.9A CN202111343947A CN114065506A CN 114065506 A CN114065506 A CN 114065506A CN 202111343947 A CN202111343947 A CN 202111343947A CN 114065506 A CN114065506 A CN 114065506A
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谭炯照
黄亮浩
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Abstract

本发明公开了一种配电变压器健康状况评估方法，包括：根据指标选取的科学、规范、实用性原则，选取能够反映变压器健康状况的指标；根据所述指标构建配电变压器健康状况评价指标体系；采用层次分析法计算出各指标的权重，并加入变权重系数策略，基于变压器偏离正常值的个别参数，评估配电变压器的健康状况。本发明针对配电变压器健康状况的评估并未建立起统一标准的弊端，构建了一套配电变压器评估指标体系，提出评估方法，能够很好的反映配电变压器的健康状况。

Description

一种配电变压器健康状况评估方法
技术领域
本发明涉及配电变压器健康状况评估的技术领域，尤其涉及一种配电变压器健康状况评估方法。
背景技术
配电变压器面向用户终端，是变配电系统中的重要设备，其运行可靠性对配电网整体安全、稳定、经济运行具有重要意义，目前，配电变压器主要依赖于定期的检修，一定程度造成人力、物力、财力的浪费。目前，对于变压器的健康状况评估开展了很多研究，但都主要针对于输电侧的高压设备，并不适用于配电领域，因此，有必要构建一套配电变压器评估指标体系，采用合理的评估方法对配电变压器健康状况进行评估。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的技术问题是：配电变压器主要依赖于定期的检修，一定程度造成人力、物力、财力的浪费，且现有技术主要针对于输电侧的高压设备，并不适用于配电领域。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：根据指标选取的科学、规范、实用性原则，选取能够反映变压器健康状况的指标；根据所述指标构建配电变压器健康状况评价指标体系；采用层次分析法计算出各指标的权重，并加入变权重系数策略，基于变压器偏离正常值的个别参数，评估配电变压器的健康状况。
作为本发明所述的配电变压器健康状况评估方法的一种优选方案，其中：所述变压器健康状况的指标包括，电气试验指标、油化试验指标和基本条件参数3个一级指标；所述3个一级指标分别包括3、5、4个二级指标。
作为本发明所述的配电变压器健康状况评估方法的一种优选方案，其中：所述二级指标包括，所述电气试验指标：绕组直流电阻互差、绝缘电阻吸收比、绕组介质损耗因数；所述油化试验指标：油击穿电压、油中水含量、绝缘油介损、糠醛含量、油中溶解气体；所述基本条件参数：投运时间、环境条件、设备外观、家族缺陷。
作为本发明所述的配电变压器健康状况评估方法的一种优选方案，其中：所述二级指标的取值包括，定义所述绕组直流电阻互差上限值为4％，所述绝缘电阻吸收比大于或等于1.3，所述绕组介质损耗因数的上限值为0.8，所述油击穿电压下限值为40kV，所述油中含水量上限值为35mg/L，所述油介质损耗因数上限值取4，所述糠醛含量上限值取0.2mg/L。
作为本发明所述的配电变压器健康状况评估方法的一种优选方案，其中：引入所述配电变压器的健康指数计算公式包括，
Figure BDA0003353274030000021
其中，HI'为设备在时刻T的健康指数，取值范围为0～1，1表示设备处于最佳状态，0表示设备处于最差状态，HI0'为设备的初始投运日期T0时刻的健康指数，取值为0.95，B为老化率，T表示与所要计算的HI对应的年份，T0为与HI0对应的年份，即为设备投运年份；
变压器初始老化系数B0的计算如下式：
Figure BDA0003353274030000022
其中，T-T0为实际预期运行寿命T'，T'参考变压器的设计寿命TD，并用负荷系数fL和环境系数fE对其修正，得到实际预期运行寿命T'的计算公式：
Figure BDA0003353274030000023
其中，HI'为设备寿命终结时的健康指数，取0.35；
将HI0'和B0的值代入式
Figure BDA0003353274030000024
T-T0为设备投运时间，计算出投运时间的健康指数值HI'。
作为本发明所述的配电变压器健康状况评估方法的一种优选方案，其中：所述层次分析法包括，
采用1-9标度法构建评判矩阵P＝(pij)m×m：
Figure BDA0003353274030000025
其中，aij表示第i个指标比第j个指标的重要性。
作为本发明所述的配电变压器健康状况评估方法的一种优选方案，其中：计算所述矩阵P的特征向量，并进行正规化处理，其计算公式包括，
Figure BDA0003353274030000031
Figure BDA0003353274030000032
则所述层次分析法确定的评价指标权重向量为W＝(W1,W2,…,Wi,…Wm)。
作为本发明所述的配电变压器健康状况评估方法的一种优选方案，其中：计算所述评判矩阵的最大特征值λmax包括，
Figure BDA0003353274030000033
利用一致性检验策略判断所述判断矩阵是否满足一致性要求，所述一致性指标CI和一致性比例CR的计算公式包括：
Figure BDA0003353274030000034
Figure BDA0003353274030000035
当CR<0.1时，定义所述评判矩阵满足一致性要求，否则要对所述评判矩阵进行修改。
作为本发明所述的配电变压器健康状况评估方法的一种优选方案，其中：基于所述配电变压器的个别参数偏离极限值，引入均衡函数，得到变权公式包括，
Figure BDA0003353274030000036
其中，Wi为第i个特征参量对应的变权权值，Wi (0)为第i个特征参量对应的常权权值，yi为第i个参量的归一化值，n为特征参量的个数，α为均衡函数系数，取值范围为[0,1]；
根据上式得到所述配电变压器的健康状况指数：
Figure BDA0003353274030000041
本发明的有益效果：本发明针对配电变压器健康状况的评估并未建立起统一标准的弊端，构建了一套配电变压器评估指标体系，提出评估方法，能够很好的反映配电变压器的健康状况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例提供的一种配电变压器健康状况评估方法的基本流程示意图；
图2为本发明一个实施例提供的一种配电变压器健康状况评估方法的配电变压器健康状况评估指标体系示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”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、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也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。
实施例1
参照图1～2，为本发明的一个实施例，提供了一种配电变压器健康状况评估方法，包括：
S1：根据指标选取的科学、规范、实用性原则，选取能够反映变压器健康状况的指标。
S2：根据指标构建配电变压器健康状况评价指标体系。
需要说明的是，S1～S2步骤具体为：
变压器健康状况的指标包括电气试验指标、油化试验指标和基本条件参数3个一级指标，其中，3个一级指标分别包括3、5、4个二级指标。
如图2所示，二级指标包括：
电气试验指标：绕组直流电阻互差、绝缘电阻吸收比、绕组介质损耗因数；
油化试验指标：油击穿电压、油中水含量、绝缘油介损、糠醛含量、油中溶解气体；
基本条件参数：投运时间、环境条件、设备外观、家族缺陷。
具体的，电气试验指标：
(1)绕组直流电阻互差：测量变压器的直流电阻，其根本的目的在于检测变压器每相绕组中的短路问题，当变压器内部出现短路以后，就有可能会烧毁变压器，《规程》规定，相间差别不大于三相平均值的4％，所以定义绕组直流电阻互差(％)上限值为4。
(2)绝缘电阻吸收比：绕组绝缘电阻是检查变压器绝缘性能最主要、最简便的方法，但单纯依靠绝缘电阻值的大小来判断绕组绝缘状况，其可靠性和有效性较低，且变压器的绝缘电阻值不仅取决于变压器绝缘油和绝缘纸的状况，还取决于绕组绝缘的结构尺寸、绝缘材料的品种，因此用吸收比更能反映变压器的绝缘状况。《规程》规定，吸收比(10～30℃范围)不低于1.3。
(3)绕组介质损耗因数：绕组介质损耗因数是衡量变压器绝缘性能的基本指标之一，主要用来检查变压器整体受潮、油质劣化、绝缘中有无气隙放电、贯穿性的放电通道、绝缘油脏污或老化变质以及严重的局部缺陷等。针对本文研究的额定电压等级为110kV及以下的变压器，统一取绕组介质损耗因数上限值为0.8。
油化试验指标：
(1)油击穿电压：变压器绝缘油的击穿电压反映了绝缘油在电气设备内部承受电压能力的程度，是衡量变压器油质量的重要指标，《规程》规定，35kV及以下的变压器，油击穿电压应不小于35kV，220kV及以下的变压器，油击穿电压应不小于40kV，本发明取油击穿电压下限值为40kV。
(2)油中水含量：老化的变压器大多会受到一定程度上油中水分的污染，变压器油中的水分会严重影响变压器的健康状况，《规程》规定，对于运行中的变压器绝缘油，110kV及以下的变压器，油中含水量不大于35mg/L，所以取油中含水量上限值为35mg/L。
(3)绝缘油介损：油介质损耗因数反映了变压器运行过程中在绝缘油中的能量损失情况，是衡量油本身绝缘性能和被杂质污染程度的重要参数，可以灵敏地反映出变压器绝缘特性的好坏，《规程》规定，对于运行中的变压器绝缘油，330kV及以下电压等级的变压器，油介质损耗因数(％)不大于4，所以油介质损耗因数上限值取4。
(4)糠醛含量：糠醛又名呋喃甲醛，是呋喃化合物中最主要的成分，而油中呋喃化合物仅来源于固体纤维的降解，与绝缘油的降解无关，所以糠醛含量能够很好地反映固体绝缘材料的老化程度，油中糠醛含量达到4mg/L时，认为变压器老化已经非常严重，因此将其上限值严格取为0.2mg/L。
(5)油中溶解气体：绝缘油溶解气体气相色谱分析是变压器油试验的重要项目，油中溶解气体的组分和含量在一定程度上反映出电力变压器绝缘老化和故障的程度，依据《规程》规定的气体含量注意值见表1：
表1：油中溶解气体注意值。
Figure BDA0003353274030000071
基本条件参数：
引入配电变压器的健康指数计算公式：
Figure BDA0003353274030000072
其中，HI'为设备在时刻T的健康指数，取值范围为0～1，1表示设备处于最佳状态，0表示设备处于最差状态，HI0'为设备的初始投运日期T0时刻的健康指数，取值为0.95，B为老化率，T表示与所要计算的HI对应的年份，T0为与HI0对应的年份，即为设备投运年份；
变压器初始老化系数B0的计算如下式：
Figure BDA0003353274030000073
其中，T-T0为实际预期运行寿命T'，T'参考变压器的设计寿命TD，并用负荷系数fL和环境系数fE对其修正，得到实际预期运行寿命T'的计算公式：
Figure BDA0003353274030000074
其中，HI'为设备寿命终结时的健康指数，取0.35，负荷系数fL和环境系数fE的取值见表2和表3；
表2：变压器负荷系数表。
变压器负荷率(％) 负荷系数
0-40％ 1
40％-60％ 1.05
60％-70％ 1.1
70％-80％ 1.25
80％-150％ 1.6
表3：变压器环境系数表。
环境恶劣等级 环境系数
0 1
1 1
2 1.05
3 1.15
4 1.3
将HI0'和B0的值代入式
Figure BDA0003353274030000081
T-T0为设备投运时间，计算出投运时间的健康指数值HI'。
环境条件主要考虑周围环境的温湿度等情况，设备外观包括污秽、声响及振动情况等巡检项目结果，家族缺陷的评分见表4，以上3个指标均属于定性指标，需要结合《配电网设备评价导则》和专家经验进行打分，得到[0，1]的得分，0表示状态最差，1表示状态最好。
表4：家族缺陷评分参考表。
Figure BDA0003353274030000082
S3：采用层次分析法计算出各指标的权重，并加入变权重系数策略，基于变压器偏离正常值的个别参数，评估配电变压器的健康状况。
需要说明的是，利用层次分析法确定权重，层次分析法基本步骤如下：
(1)采用1-9标度法构建评判矩阵P＝(pij)m×m，各数字的含义见表5，反映出评价因素之间的重要性，评判矩阵如下式所示：
Figure BDA0003353274030000083
其中，aij表示第i个指标比第j个指标的重要性。
表5：评判矩阵标度含义表。
Figure BDA0003353274030000084
Figure BDA0003353274030000091
计算矩阵P的特征向量，并进行正规化处理，其计算公式包括：
Figure BDA0003353274030000092
Figure BDA0003353274030000093
则层次分析法确定的评价指标权重向量为W＝(W1,W2,…,Wi,…Wm)。
计算评判矩阵的最大特征值λmax包括：
Figure BDA0003353274030000094
利用一致性检验策略判断判断矩阵是否满足一致性要求，一致性指标CI和一致性比例CR的计算公式包括：
Figure BDA0003353274030000095
Figure BDA0003353274030000096
当CR<0.1时，定义评判矩阵满足一致性要求，否则要对评判矩阵进行修改。一致性检验是为了使得各指标评判要保证逻辑协调一致，不发生内部的逻辑矛盾，这是保证评价结果科学可靠的重要条件，其中，随机一致性指标RI见表6。
表6：平均随机一致性指标表。
n 1 2 3 4 5 6 7
RI 0.00 0.00 0.52 0.89 1.12 1.24 1.36
进一步的，层次分析法给出的是常权权重，不会因单项状态量的不同而变化，而在实际工作中，如果变压器的个别参数偏离极限值，会导致设备整体健康状况急剧下降，这在常权重计算出的健康指数值上是无法体现的，为此，要引入均衡函数，得到变权公式：
Figure BDA0003353274030000101
其中，Wi为第i个特征参量对应的变权权值，Wi (0)为第i个特征参量对应的常权权值，yi为第i个参量的归一化值，n为特征参量的个数，α为均衡函数系数，取值范围为[0,1]，越不能接受一些特征参量严重偏离正常值，α取值越小，反之，越对特征参量的均衡程度要求不高，α取值越大，当α＝1时，等同于常权模式，考虑到关键特征参量对变压器的健康指数评价的重要性，取α＝0.6。
根据上式得到配电变压器的健康状况指数：
Figure BDA0003353274030000102
本发明首先依据DL/T596—2005《电力设备预防性试验规程》(简称《规程》)，构建一套配电变压器健康状况评价指标体系，考虑指标选取的科学、规范、实用性原则，选取能够较好反映变压器健康状况的指标，建立包含电气试验指标、油化试验指标和基本条件参数3个一级指标的健康状况评估指标体系，3个一级指标下分别包含3、5、4个二级指标；其次采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)计算出各指标的权重，并加入了变权重系数的方法，将变压器个别参数严重偏离正常值的情况考虑在内，能够有效评估配电变压器的健康状况。
实施例2
该实施例为本发明另一个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种配电变压器健康状况评估方法的验证测试，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用传统技术方案与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
本发明在Matlab/simulink搭建配电变压器电压电流在线测量仿真平台，根据不同的容量，设置不同的参数，以其中的五种不同容量的配电变压器为例，设计了五组仿真平台，以50kVA配电变压器为例，对每种容量的配变，在仿真平台上，在配变在线运行的情况下，采集两次不同负荷情况下的一次侧和二次侧电压电流数据；实验变压器分别采用的是10kV级Yyn0联接、容量为30kVA、50kVA、100kVA、400kVA及1000kVA额定频率为50Hz的S11型三相油浸式配电变压器。在额定负载范围内，采集两次不同负载情况下被试变压器一次侧和二次侧的电压相量值、电流相量值，由2.9～2.13式求解变压器的短路电抗，以30kVA为例，设置不同的故障状态，分别利用传统人工检测方法和本发明方法评估配电变压器的健康状态，并获得测试结果数据，其结果如下表所示。
表7：实验结果对比表。
测试样本 传统方法 本发明方法
故障识别率 75％ 98％
成本 高 低
时长 ≥5min ≤5s
从上表可以看出，本发明方法相较于传统方法能够针对配电变压器健康状况的评估并未建立起统一标准的弊端从而能够很好的反映配电变压器的健康状况，体现了本发明方法的优越性。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种配电变压器健康状况评估方法，其特征在于，包括：
根据指标选取的科学、规范、实用性原则，选取能够反映变压器健康状况的指标；
根据所述指标构建配电变压器健康状况评价指标体系；
采用层次分析法计算出各指标的权重，并加入变权重系数策略，基于变压器偏离正常值的个别参数，评估配电变压器的健康状况。
2.如权利要求1所述的配电变压器健康状况评估方法，其特征在于：所述变压器健康状况的指标包括，电气试验指标、油化试验指标和基本条件参数3个一级指标；
所述3个一级指标分别包括3、5、4个二级指标。
3.如权利要求2所述的配电变压器健康状况评估方法，其特征在于：所述二级指标包括，
所述电气试验指标：绕组直流电阻互差、绝缘电阻吸收比、绕组介质损耗因数；
所述油化试验指标：油击穿电压、油中水含量、绝缘油介损、糠醛含量、油中溶解气体；
所述基本条件参数：投运时间、环境条件、设备外观、家族缺陷。
4.如权利要求1～3任一所述的配电变压器健康状况评估方法，其特征在于：所述二级指标的取值包括，
定义所述绕组直流电阻互差上限值为4％，所述绝缘电阻吸收比大于或等于1.3，所述绕组介质损耗因数的上限值为0.8，所述油击穿电压下限值为40kV，所述油中含水量上限值为35mg/L，所述油介质损耗因数上限值取4，所述糠醛含量上限值取0.2mg/L。
5.如权利要求1所述的配电变压器健康状况评估方法，其特征在于：引入所述配电变压器的健康指数计算公式包括，
Figure FDA0003353274020000011
其中，HI'为设备在时刻T的健康指数，取值范围为0～1，1表示设备处于最佳状态，0表示设备处于最差状态，HI'0为设备的初始投运日期T0时刻的健康指数，取值为0.95，B为老化率，T表示与所要计算的HI对应的年份，T0为与HI0对应的年份，即为设备投运年份；
变压器初始老化系数B0的计算如下式：
Figure FDA0003353274020000021
其中，T-T0为实际预期运行寿命T'，T'参考变压器的设计寿命TD，并用负荷系数fL和环境系数fE对其修正，得到实际预期运行寿命T'的计算公式：
Figure FDA0003353274020000022
其中，HI'为设备寿命终结时的健康指数，取0.35；
将HI'0和B0的值代入式
Figure FDA0003353274020000023
T-T0为设备投运时间，计算出投运时间的健康指数值HI'。
6.如权利要求1所述的配电变压器健康状况评估方法，其特征在于：所述层次分析法包括，
采用1-9标度法构建评判矩阵P＝(pij)m×m：
Figure FDA0003353274020000024
其中，aij表示第i个指标比第j个指标的重要性。
7.如权利要求6所述的配电变压器健康状况评估方法，其特征在于：计算所述矩阵P的特征向量，并进行正规化处理，其计算公式包括，
Figure FDA0003353274020000025
Figure FDA0003353274020000026
则所述层次分析法确定的评价指标权重向量为W＝(W1,W2,…,Wi,…Wm)。
8.如权利要求6或7所述的配电变压器健康状况评估方法，其特征在于：计算所述评判矩阵的最大特征值λmax包括，
Figure FDA0003353274020000027
利用一致性检验策略判断所述判断矩阵是否满足一致性要求，所述一致性指标CI和一致性比例CR的计算公式包括：
Figure FDA0003353274020000031
Figure FDA0003353274020000032
当CR<0.1时，定义所述评判矩阵满足一致性要求，否则要对所述评判矩阵进行修改。
9.如权利要求8所述的配电变压器健康状况评估方法，其特征在于：基于所述配电变压器的个别参数偏离极限值，引入均衡函数，得到变权公式包括，
Figure FDA0003353274020000033
其中，Wi为第i个特征参量对应的变权权值，Wi (0)为第i个特征参量对应的常权权值，yi为第i个参量的归一化值，n为特征参量的个数，α为均衡函数系数，取值范围为[0,1]；
根据上式得到所述配电变压器的健康状况指数：
Figure FDA0003353274020000034
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115221731A (zh) * 2022-08-11 2022-10-21 南京航空航天大学 基于数据融合和Wiener模型的变压器寿命评估方法

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