CN114280503B - 一种变压器功能年龄及老化状态评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变压器功能年龄及老化状态评估方法。该变压器老化状态评估方法，包括：基于变压器绝缘油的油色谱数据，获取变压器的状态监测量的数据，所述状态监测量包括一氧化碳及二氧化碳；根据所述变压器当前的自然年龄以及所获取的状态监测量的数据，由聚合度模型计算变压器绝缘纸的聚合度；根据计算得到的聚合度，确定所述变压器当前的功能年龄；根据所确定的变压器当前的功能年龄，确定所述变压器在未来一时间段内的老化失效不可用率；并进一步确定变压器的综合不可用率，以此综合不可用率评估变压器的老化状态。本发明能够基于油色谱数据中的状态监测量对变压器功能年龄及老化状态进行评估。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统可靠性技术领域，具体涉及一种变压器功能年龄及老化状态评估方法。
背景技术
变压器老化将大大降低变压器运行的可靠性，进而对电力系统造成风险。对变压器的老化状态进行恰当的评估，以便及时维修或更换变压器，可以使变压器的价值得到充分的利用，也避免给电力系统造成风险。
传统的变压器的老化失效概率模型，是采用自然年龄来拟合。然而变压器的老化失效与其使用历史、维护状况和实际状态有关，在相同的自然年龄下变压器的老化程度是不一定相同的，仅用自然年龄并不能准确反映变压器的老化失效分布情况。
除了自然年龄，变压器还具有功能年龄。自然年龄是指变压器正常运行的实际年龄；功能年龄是指变压器的绝缘老化状态监测量对应的基准年龄，其是经过标准化的与变压器老化状态监测量相对应的一个相对年龄。当变压器的自然年龄大于功能年龄时，表示变压器老化过程较缓慢，运行状态较好。反之，当变压器的自然年龄小于功能年龄时，表示变压器老化过程较快，运行状态较差。
可见，对变压器的功能年龄进行恰当的评估，可以更为准确地评估变压器的老化状态，从而更好地控制系统风险，充分利用变压器的价值。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种变压器功能年龄及老化状态评估方法，能够基于油色谱数据中的状态监测量对变压器功能年龄及老化状态进行评估。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种变压器老化状态评估方法，包括：
步骤S1，基于变压器绝缘油的油色谱数据，获取变压器的状态监测量的数据，所述状态监测量包括一氧化碳及二氧化碳；
步骤S2，根据所述变压器当前的自然年龄以及所获取的状态监测量的数据，由聚合度模型计算变压器绝缘纸的聚合度，所述聚合度模型表示为：
IDP＝C0+aIn(M(CO))+bIn(M(CO2))
+gx3+hx2+ix+d
式中：IDP表示变压器绝缘纸的聚合度，M(XX)表示状态监测量XX的含量，x表示变压器当前的自然年龄，系数为：C0＝1895，a＝-62.69，b＝-52.02，g＝-0.01415，h＝1.346，i＝-51.41，d＝-290；
步骤S3，根据计算得到的聚合度，确定所述变压器当前的功能年龄；
步骤S4，根据所确定的变压器当前的功能年龄，确定所述变压器在未来一时间段内的老化失效不可用率；
步骤S5，根据所确定的老化失效不可用率，结合所述变压器的可修复失效不可用率，确定所述变压器在所述未来一时间段内的综合不可用率，以所述综合不可用率评估所述变压器的老化状态。
进一步地，所述步骤S3中，根据计算得到的聚合度，确定所述变压器当前的功能年龄，具体包括：
根据以下聚合度与功能年龄的关系，由计算得到的聚合度确定所述变压器当前的功能年龄：
式中：LI为变压器的功能年龄，IDP表示变压器绝缘纸的聚合度。
进一步地，所述步骤S4中，根据所确定的变压器当前的功能年龄，确定所述变压器在未来一时间段内的老化失效不可用率，具体包括：
(1)，以所确定的变压器当前的功能年龄拟合变压器的老化失效威布尔模型，确定所述变压器的老化失效概率，所述老化失效概率表示为：
(2)，根据所述变压器的老化失效概率，确定所述变压器的老化失效不可用率，所述老化失效不可用率表示为：
式中，Ua为变压器在未来时间段d内的老化失效不可用率；N为将时间段d以Δx等分的子时间段数；Qk为时间段d内的第k子时间段的失效概率；α和β分别为变压器的老化失效威布尔模型的尺度和形状参数；LI为变压器的功能年龄。
进一步地，所述步骤S4中，根据所确定的变压器当前的功能年龄，确定所述变压器在未来一时间段内的老化失效不可用率，具体包括：
(1)根据所确定的变压器当前的功能年龄，确定变压器一未来自然年龄对应的未来功能年龄，所述未来功能年龄表示为：
式中，LIF为未来功能年龄，LIB为基准功能年龄，LNB为基准自然年龄，LIP为所述当前的功能年龄，LNP为所述当前的自然年龄，LNF为所述未来自然年龄；
(2)以所确定的变压器的未来功能年龄拟合变压器的老化失效威布尔模型，确定所述变压器的老化失效概率，所述老化失效概率表示为：
(3)根据所述变压器的老化失效概率，确定所述变压器的老化失效不可用率，所述老化失效不可用率表示为：
式中，Ua为变压器在未来时间段d内的老化失效不可用率；N为将时间段d以Δx等分的子时间段数；Qk为时间段d内的第k子时间段的失效概率；α和β分别为变压器的老化失效威布尔模型的尺度和形状参数；LI为变压器的未来功能年龄LIF。
进一步地，所述步骤S4进一步包括：
根据变压器的平均寿命和方差，通过下列公式确定变压器的老化失效威布尔模型的尺度和形状参数：
式中，μ为变压器的平均寿命，σ为变压器的方差，α和β分别为变压器的老化失效威布尔模型的尺度和形状参数，Γ(·)是伽马函数，其定义为：
进一步地，所述步骤S5中，所述变压器在所述未来一时间段内的综合不可用率表示为：
Ut＝Ur+Ua-Ur·Ua
式中，Ut为变压器在所述未来一时间段内的综合不可用率，Ua为变压器在所述未来一时间段内的老化失效不可用率，Ur为变压器在所述未来一时间段内的可修复失效不可用率。
进一步地，所述变压器在未来1年内的可修复失效不可用率表示为：
式中，Ur为变压器的可修复失效不可用率；fy为平均失效频率，单位：失效次数/年；TMTTR是平均修复时间，单位：小时。
本发明还提供一种变压器功能年龄评估方法，包括：
基于变压器绝缘油的油色谱数据，获取变压器的状态监测量的数据，所述状态监测量包括一氧化碳及二氧化碳；
根据所述变压器当前的自然年龄以及所获取的状态监测量的数据，由聚合度模型计算变压器绝缘纸的聚合度，所述聚合度模型表示为：
IDP＝C0+aIn(M(CO))+bIn(M(CO2))
+gx3+hx2+ix+d
式中：IDP表示变压器绝缘纸的聚合度，M(XX)表示状态监测量XX的含量，x表示变压器当前的自然年龄，系数为：C0＝1895，a＝-62.69，b＝-52.02，g＝-0.01415，h＝1.346，i＝-51.41，d＝-290；
根据计算得到的聚合度，确定所述变压器当前的功能年龄。
进一步地，所述根据计算得到的聚合度，确定所述变压器当前的功能年龄，具体包括：
根据以下聚合度与功能年龄的关系，由计算得到的聚合度确定所述变压器当前的功能年龄：
式中：LI为变压器的功能年龄，IDP表示变压器绝缘纸的聚合度。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明实施例将变压器的功能年龄与变压器的状态监测量直接对应，在仅能够获知变压器绝缘油的油色谱数据的情况下，可以根据油色谱数据中的状态监测量建立聚合度模型，来确定变压器绝缘纸的聚合度，进而对变压器当前的功能年龄进行评估；本发明实施例还能够以所确定的变压器当前的功能年龄，来拟合变压器的老化失效威布尔模型，以便更加精确地描述变压器的老化失效分布，提高变压器老化状态评估的准确性，从而更好地控制系统风险，充分利用变压器的价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的变压器功能年龄评估方法的流程图。
图2为本发明实施例的变压器老化状态评估方法的流程图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
本发明实施例提供一种变压器功能年龄及老化状态评估方法，其利用状态监测量评估变压器的功能年龄，并进而利用变压器的功能年龄来进行变压器老化状态的评估。
本发明实施例的变压器功能年龄评估方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S11，基于变压器绝缘油的油色谱数据，获取变压器的状态监测量的数据，该状态监测量包括一氧化碳(CO)及二氧化碳(CO2)；
步骤S12，根据变压器当前的自然年龄以及所获取的状态监测量的数据，由聚合度模型计算变压器绝缘纸的聚合度，所述聚合度模型表示为：
IDP＝C0+aIn(M(CO))+bIn(M(CO2))
+gx3+hx2+ix+d (1)
式中：IDP表示变压器绝缘纸的聚合度，M(XX)表示状态监测量XX的含量，x表示变压器当前的自然年龄，系数如表1所示；
表1聚合度模型中的系数
| C0 | a | b | g | h | i | d |
| 1895 | -62.69 | -52.02 | -0.01415 | 1.346 | -51.41 | -290 |
步骤S13，根据计算得到的聚合度，确定变压器当前的功能年龄。
具体而言，油浸式变压器绝缘纸是变压器中可靠性最差的部件，可以将绝缘纸的老化程度作为评价变压器的功能年龄的依据。变压器绝缘纸的主要成分是α纤维素。变压器绝缘纸的聚合度(degree of polymerization，DP)是指一条纤维素聚合链中所包含的葡萄糖单体的平均个数。聚合度作为变压器绝缘性能的最直接反映，是表征变压器老化的理想特征量。聚合度与变压器的功能年龄之间的关系可以表示为：
式中，LI为变压器的功能年龄，IDP为变压器绝缘纸的聚合度。
因此，为获得变压器当前的功能年龄，可以先获知变压器绝缘纸的聚合度，而变压器绝缘纸的聚合度，在本发明实施例中，通过从变压器绝缘油的油色谱数据获取变压器的状态监测量的数据，来计算。
因此，在步骤S11，本发明实施例基于变压器绝缘油的油色谱数据，获取变压器的状态监测量的数据，该状态监测量包括一氧化碳及二氧化碳。
变压器绝缘油的油色谱数据包括烃类、氢气、一氧化碳及二氧化碳，其中，烃类、氢气主要用于预测故障(如局部放电、过热等)，一氧化碳及二氧化碳主要用来表征绝缘纸的老化程度。如果仅使用一氧化碳和二氧化碳来评估变压器的功能年龄，有可能夸大气体的作用，进而导致评估误差过大，因此本发明实施例同时考虑将同样用来表征绝缘纸的老化程度的糠醛，用于进行变压器功能年龄的评估，以使得对变压器功能年龄的评估更为准确。
在一实施例中，本发明根据查表获得的变压器的糠醛数据，拟合变压器自然年龄与糠醛之间的函数关系，并基于此建立聚合度模型，即式(1)所表示的聚合度模型。
基于此聚合度模型，本发明实施例可以在仅能获知变压器绝缘油的油色谱数据的情况下，根据油色谱数据中的状态监测量一氧化碳及二氧化碳的数据，由聚合度模型(式(1))确定变压器绝缘纸的聚合度，进而根据聚合度与变压器的功能年龄之间的关系(式(2))确定变压器当前的功能年龄。
在确定变压器当前的功能年龄之后，本发明实施例可以进一步进行变压器老化状态评估。
因此，如图2所示，本发明实施例的变压器老化状态评估方法，可以包括如下步骤：
步骤S1，基于变压器绝缘油的油色谱数据，获取变压器的状态监测量的数据，该状态监测量包括一氧化碳及二氧化碳；
步骤S2，根据变压器当前的自然年龄以及所获取的状态监测量的数据，由聚合度模型计算变压器绝缘纸的聚合度；
步骤S3，根据计算得到的聚合度，确定变压器当前的功能年龄；
步骤S4，根据所确定的变压器当前的功能年龄，确定变压器在未来一时间段内的老化失效不可用率；
步骤S5，根据所确定的老化失效不可用率，结合变压器的可修复失效不可用率，确定变压器在未来该时间段内的综合不可用率，以该综合不可用率评估变压器的老化状态。
上述步骤S1-S3，确定变压器当前的功能年龄的过程，已在上文进行了具体说明，接下来主要针对如何根据所确定的功能年龄确定变压器的老化状态进行详细说明。
在步骤S4中，根据变压器当前的功能年龄，确定变压器在未来一时间段内的老化失效不可用率。本发明实施例，利用功能年龄替代自然年龄，来拟合变压器的老化失效威布尔模型，进而确定变压器的老化失效概率，由此，可以更加精确地描述变压器的老化失效分布。
基于此，在一实施例中，该步骤S4可以具体包括：
(1)以所确定的功能年龄拟合变压器的老化失效威布尔模型，确定变压器的老化失效概率，该老化失效概率表示为：
(2)根据由式(3)所确定的变压器的老化失效概率，确定变压器的老化失效不可用率，该老化失效不可用率表示为：
式中，Ua为变压器在未来时间段d内的老化失效不可用率，在进行系统可靠性评估时通常取d为1年；N为将时间段d以Δx等分的子时间段数；Qk为时间段d内的第k子时间段的失效概率；α和β分别为变压器的老化失效威布尔模型的尺度和形状参数；LI为变压器的考察期之前变压器状态监测量对应的功能年龄，在此，也就是所确定的变压器当前的功能年龄。
关于变压器的老化失效威布尔模型的尺度α和形状参数β，可以根据变压器的平均寿命和方差来计算，具体方法如下：
采用二分法于式(5)中求解老化失效威布尔模型的形状参数β：
式中，μ为变压器的平均寿命，σ为变压器的方差。
由求解式(5)所得到的形状参数β和变压器的方差σ，根据式(6)计算老化失效威布尔模型的尺度α：
式中，Γ(·)是伽马函数，其定义为：
由此，本发明实施例可以根据所确定的变压器当前的功能年龄，确定变压器在未来时间段d内的老化失效不可用率。
在此要说明的是，上述实施例中根据式(3)和式(4)确定的老化失效不可用率，是在所确定的变压器当前的功能年龄之后的时间段d内的平均不可用概率，反映的是变压器在一定状态下的不可用率，其不与变压器实际的自然年龄对应。
由于制定变压器更新策略时，通常是用变压器的自然年龄，按照自然年进行规划；同时提出的策略需要针对变压器老化失效对系统风险的影响进行定量评估，这种评估需要的数据都对应于自然年。然而，由于变压器的运行环境、负载程度不同，其老化过程有快有慢，就造成变压器的功能年龄与自然年龄不一致。因此，在另一实施例中，计算变压器在未来规划期间对应于自然年龄的老化失效不可用率。
由于变压器的老化过程非常漫长，需根据状态监测结果判定变压器已经进入老化阶段时，才开始对其进行更新规划。一般一台变压器在未来的平均使用情况与其历史上的平均使用情况大致相同，因而可以假定变压器的功能年龄和自然年龄在过去时间段的差别与在未来时间段的差别成相对的比例关系。这样，根据在未来规划期间某自然年的变压器的自然年龄，可以按下式计算对应于该自然年龄的功能年龄：
式中，LIF为未来功能年龄，LIB为基准功能年龄，LNB为基准自然年龄，LIP为当前功能年龄，LNP为当前自然年龄，LNF为未来自然年龄。
根据式(7)，可以计算出未来规划期自然年龄为LNF对应的功能年龄LIF，以该功能年龄LIF，按照式(3)和式(4)，可以计算出功能年龄LIF时变压器在未来时间段d的老化失效不可用率，也就是对应自然年龄为LNF时变压器在未来时间段d(在进行系统可靠性评估时通常取d为1年)的老化失效不可用率，以此制定变压器更新策略。
也就是，在该实施例中，步骤S4可以具体包括：
(1)根据所确定的变压器当前的功能年龄，确定变压器一未来自然年龄对应的未来功能年龄，该未来功能年龄表示为式(7)；
(2)以所确定的变压器的未来功能年龄拟合变压器的老化失效威布尔模型，确定变压器的老化失效概率，该老化失效概率表示为式(3)，其中LI为变压器的未来功能年龄LIF；
(3)根据变压器的老化失效概率，确定变压器的老化失效不可用率，该老化失效不可用率表示为式(4)。
如此，可以确定变压器的自然年龄为LNF时变压器在未来时间段d的老化失效不可用率。
在步骤S4，根据所确定的变压器的功能年龄，由式(3)和式(4)确定变压器在未来一时间段内的老化失效不可用率之后，即可在步骤S5，由变压器在未来该时间段内的老化失效不可用率，结合变压器在未来该时间段内的可修复失效不可用率，确定变压器在未来该时间段内的综合不可用率。
具体而言，在评估老化变压器对电网的系统风险时，不但应该考虑由变压器老化引起的不可修复失效的不可用率，还应该考虑变压器的可修复失效不可用率。结合二者考虑，变压器的综合不可用率可以表示为：
Ut＝Ur+Ua-Ur·Ua (8)
式中，Ut为变压器在未来一时间段内的综合不可用率，Ua为变压器在未来该时间段内的老化失效不可用率，Ur为变压器在未来该时间段内的可修复失效不可用率。
其中，变压器的可修复失效不可用率可以在执行步骤S5之前，通过获取变压器的平均失效频率和平均修复时间而确定。在一实施例中，变压器在未来1年内的可修复失效不可用率表示为：
式中，Ur为变压器的可修复失效不可用率；fy为平均失效频率，单位：失效次数/年；TMTTR是平均修复时间，单位：小时。
在获得变压器的综合不可用率之后，即可以以该综合不可用率评估变压器的老化状态。
通过上述说明可知，本发明实施例将变压器的功能年龄与变压器的状态监测量直接对应，在仅能够获知变压器绝缘油的油色谱数据的情况下，亦可以根据油色谱数据中的状态监测量建立聚合度模型，来确定变压器绝缘纸的聚合度，进而对变压器当前的功能年龄进行评估；本发明实施例还能够以所确定的变压器当前的功能年龄，来拟合变压器的老化失效威布尔模型，以便更加精确地描述变压器的老化失效分布，提高变压器老化状态评估的准确性。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种变压器老化状态评估方法，其特征在于，包括：
步骤S1，基于变压器绝缘油的油色谱数据，获取变压器的状态监测量的数据，所述状态监测量包括一氧化碳及二氧化碳；
步骤S2，根据所述变压器当前的自然年龄以及所获取的状态监测量的数据，由聚合度模型计算变压器绝缘纸的聚合度，所述聚合度模型表示为：
IDP＝C0+aIn(M(CO))+bIn(M(CO2))
+gx3+hx2+ix+d
式中：IDP表示变压器绝缘纸的聚合度，M(XX)表示状态监测量XX的含量，x表示变压器当前的自然年龄，系数为：C0＝1895，a＝-62.69，b＝-52.02，g＝-0.01415，h＝1.346，i＝-51.41，d＝-290；
步骤S3，根据计算得到的聚合度，确定所述变压器当前的功能年龄；
步骤S4，根据所确定的变压器当前的功能年龄，确定所述变压器在未来一时间段内的老化失效不可用率；
步骤S5，根据所确定的老化失效不可用率，结合所述变压器的可修复失效不可用率，确定所述变压器在所述未来一时间段内的综合不可用率，以所述综合不可用率评估所述变压器的老化状态；
所述步骤S3中，根据计算得到的聚合度，确定所述变压器当前的功能年龄，具体包括：
根据以下聚合度与功能年龄的关系，由计算得到的聚合度确定所述变压器当前的功能年龄：
式中：LI为变压器的功能年龄，IDP表示变压器绝缘纸的聚合度。
2.根据权利要求1所述的变压器老化状态评估方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据所确定的变压器当前的功能年龄，确定所述变压器在未来一时间段内的老化失效不可用率，具体包括：
(1)，以所确定的变压器当前的功能年龄拟合变压器的老化失效威布尔模型，确定所述变压器的老化失效概率，所述老化失效概率表示为：
(2)，根据所述变压器的老化失效概率，确定所述变压器的老化失效不可用率，所述老化失效不可用率表示为：
式中，Ua为变压器在未来时间段d内的老化失效不可用率；N为将时间段d以Δx等分的子时间段数；Qk为时间段d内的第k子时间段的失效概率；α和β分别为变压器的老化失效威布尔模型的尺度和形状参数；LI为变压器的功能年龄。
3.根据权利要求1所述的变压器老化状态评估方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据所确定的变压器当前的功能年龄，确定所述变压器在未来一时间段内的老化失效不可用率，具体包括：
(1)根据所确定的变压器当前的功能年龄，确定变压器一未来自然年龄对应的未来功能年龄，所述未来功能年龄表示为：
式中，LIF为未来功能年龄，LIB为基准功能年龄，LNB为基准自然年龄，LIP为所述当前的功能年龄，LNP为所述当前的自然年龄，LNF为所述未来自然年龄；
(2)以所确定的变压器的未来功能年龄拟合变压器的老化失效威布尔模型，确定所述变压器的老化失效概率，所述老化失效概率表示为：
(3)根据所述变压器的老化失效概率，确定所述变压器的老化失效不可用率，所述老化失效不可用率表示为：
式中，Ua为变压器在未来时间段d内的老化失效不可用率；N为将时间段d以Δx等分的子时间段数；Qk为时间段d内的第k子时间段的失效概率；α和β分别为变压器的老化失效威布尔模型的尺度和形状参数；LI为变压器的未来功能年龄LIF。
4.根据权利要求2或3所述的变压器老化状态评估方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：
根据变压器的平均寿命和方差，通过下列公式确定变压器的老化失效威布尔模型的尺度和形状参数：
式中，μ为变压器的平均寿命，σ为变压器的方差，α和β分别为变压器的老化失效威布尔模型的尺度和形状参数，Γ(·)是伽马函数，其定义为：
5.根据权利要求1所述的变压器老化状态评估方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述变压器在所述未来一时间段内的综合不可用率表示为：
Ut＝Ur+Ua-Ur·Ua
式中，Ut为变压器在所述未来一时间段内的综合不可用率，Ua为变压器在所述未来一时间段内的老化失效不可用率，Ur为变压器在所述未来一时间段内的可修复失效不可用率。
6.根据权利要求1所述的变压器老化状态评估方法，其特征在于，所述方法在执行所述步骤S5之前确定所述变压器的可修复失效不可用率，其中，所述变压器在未来1年内的可修复失效不可用率表示为：
式中，Ur为变压器的可修复失效不可用率；fy为平均失效频率，单位：失效次数/年；TMTTR是平均修复时间，单位：小时。
7.一种变压器功能年龄评估方法，其特征在于，包括：
基于变压器绝缘油的油色谱数据，获取变压器的状态监测量的数据，所述状态监测量包括一氧化碳及二氧化碳；
根据所述变压器当前的自然年龄以及所获取的状态监测量的数据，由聚合度模型计算变压器绝缘纸的聚合度，所述聚合度模型表示为：
IDP＝C0+aIn(M(CO))+bIn(M(CO2))+gx3+hx2+ix+d
式中：IDP表示变压器绝缘纸的聚合度，M(XX)表示状态监测量XX的含量，x表示变压器当前的自然年龄，系数为：C0＝1895，a＝-62.69，b＝-52.02，g＝-0.01415，h＝1.346，i＝-51.41，d＝-290；
根据计算得到的聚合度，确定所述变压器当前的功能年龄；
所述根据计算得到的聚合度，确定所述变压器当前的功能年龄，具体包括：
根据以下聚合度与功能年龄的关系，由计算得到的聚合度确定所述变压器当前的功能年龄：
式中：LI为变压器的功能年龄，IDP表示变压器绝缘纸的聚合度。
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