CN117540169A - 一种电网变压器绕组构件寿命预估方法、介质及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电网变压器绕组构件寿命预估方法、介质及系统，属于变压器技术领域，包括：设定不同绕组构件状态，建立不同绕组构件状态的变压器电磁转换的仿真模型；对所设定的不同绕组构件状态导致的特殊工况进行解析法和有限元方法的处理，得到各状态下的变压器电磁转换情况；分析确定影响变压器绕组状态的关键因素；利用仿真模型计算变压器绕组产生的电磁力和机械力；并计算得到变压器绕组短路指数；使用变压器绕组短路指数根据预先设置的变压器绕组短路指数‑寿命数据库比对，计算出预期寿命。解决了现有技术对变压器绕组寿命评估评估存在盲区，且很难实现对绕组内部状态的精确定量描述,评估结果的准确度难以保证的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于变压器技术领域，具体而言，涉及一种电网变压器绕组构件寿命预估方法、介质及系统。
背景技术
变压器是电力系统中重要的电力转换设备,其可靠运行直接影响电网的稳定。而绕组是变压器最易损坏的部件,绕组的状态直接决定变压器的健康状况和剩余寿命。所以对绕组状态进行准确评估,对于变压器的运行维护具有重要作用:评估结果可以指导日常运行监测,如判断是否需要降负荷运行,及时发现潜在故障；可以判断是否需要进行防腐维护,如补漆等,以延长使用寿命；可以判断绕组的续存时间,指导报废更新的时机。避免过早或过晚更换设备；还可以预知变压器的故障风险,提前做好事故的应急准备；对相关部位和类似设备进行评估,可以指导针对性的精准维护。若长期不对绕组进行状态评估和寿命预测,会带来诸多不利影响:设备老化故障风险增加,可能引发事故。设备寿命无法被合理利用,容易更换过早或过晚。
现有技术中对变压器绕组的寿命评估都是基于变压器外部的电气试验检测结果,很难直接观测到绕组本身的绝缘老化情况和机械结构变化,导致状态评估存在盲区，且很难实现对绕组内部状态的精确定量描述,评估结果的准确度难以保证。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种电网变压器绕组构件寿命预估方法、介质及系统，能够解决现有技术对变压器绕组寿命评估评估存在盲区，且很难实现对绕组内部状态的精确定量描述,评估结果的准确度难以保证的技术问题。
本发明是这样实现的：
本发明的第一方面提供一种电网变压器绕组构件寿命预估方法，其中，包括以下步骤：
S10、设定不同绕组构件状态，包括不同的绝缘老化度和松动度，建立不同绕组构件状态的变压器电磁转换的仿真模型；
S20、对所设定的不同绕组构件状态导致的特殊工况进行解析法和有限元方法的处理，得到各状态下的变压器电磁转换情况，所述特殊工况为变压器的温度或负荷超过常态阈值的工况；其中，常态阈值表示变压器的温度上限，以及负荷上限；
S30、对得到的电磁转换情况进行分析，确定影响变压器绕组状态的关键因素；
S40、根据影响变压器绕组状态的关键因素，利用仿真模型计算变压器绕组产生的电磁力；
S50、根据电磁力计算出变压器绕组所受到的机械力；
S60、根据电磁力和机械力，实现变压器绕组短路状态的定量评估，得到变压器绕组短路指数；
S70、利用变压器绕组短路指数，计算出变压器绕组构件的预期寿命。
在上述技术方案的基础上，本发明的一种电网变压器绕组构件寿命预估方法还可以做如下改进:
其中，所述设定不同绕组构件状态，包括不同的绝缘老化度和松动度，建立不同绕组构件状态的变压器电磁转换的仿真模型的步骤，具体包括：
首先，收集不同绕组构件的技术参数,包括电阻、电感、电容；
然后，在仿真软件中建立变压器的电磁模型,所述电磁模型中包含变压器的一次侧和二次侧电路模型；
最后，在电磁模型中,设定不同绝缘老化程度、不同绕组松动程度的绕组构件，形成多个不同绕组构件状态的变压器电磁转换的仿真模型。
进一步的，所述对所设定的不同绕组构件状态导致的特殊工况进行解析法和有限元方法的处理的步骤，具体包括：
设定所述多个不同绕组构件状态的变压器电磁转换的仿真模型进行仿真的工作条件；
对每个模型在设定的工况下运行仿真,采用解析法计算变压器工况的参数，进而计算得到不同工况下的电磁转换特征；
采用有限元法,建立变压器的三维模型,用于分析变压器内部的电磁场分布、温度场分布。
进一步的，所述对得到的电磁转换情况进行分析，确定影响变压器绕组状态的关键因素的步骤，具体包括：
利用偏差量大小或相关性分析的方法变压器工况的参数确定关键电气参数；
利用变压器内部的电磁场分布、温度场分布,确定关键区域；
综合关键电气参数和关键区域的分析结果,确定综合影响的关键因素。
其中，所述根据影响变压器绕组状态的关键因素，利用仿真模型计算变压器绕组产生的电磁力的步骤，具体包括：
通过仿真模型计算获得变压器在不同负荷条件下的电流分布,然后根据安培线圈力定律计算计算绕组不同位置收到的电磁力；
利用变压器内部的电磁场分布,根据磁场力学原理计算绕组不同位置受到的电磁力。
其中，所述根据电磁力计算出变压器绕组所受到的机械力的步骤，具体包括：
根据电磁力采用有限元法求解变形方程,得到变压器在电磁力作用下的应力，处理后得到每个绕组所受机械力的大小。
其中，所述根据电磁力和机械力，实现变压器绕组短路状态的定量评估，得到变压器绕组短路指数的步骤，具体包括：
根据各绕组状态下计算所得的电磁力和机械力，利用预先设置电磁力和机械力的阈值,当计算值超过阈值时,判断为绕组短路；利用计算得到的电磁力和机械力，以及预先设置电磁力和机械力的阈值，计算达到阈值的概率作为变压器绕组短路指数。上述置电磁力和机械力的阈值均为工作人员根据经验进行设置。
其中，所述根据电磁力和机械力，实现变压器绕组短路状态的定量评估，得到变压器绕组短路指数的步骤，具体包括：
基于电磁力和机械力计算出绕组的损伤程度指标,建立与短路概率之间的关系模型,从而求解短路概率作为变压器绕组短路指数。
本发明的第二方面提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质中存储有程序指令，所述程序指令运行时，用于执行上述的电网变压器绕组构件寿命预估方法。
本发明的第三方面提供一种电网变压器绕组构件寿命预估系统，其中，包含上述的计算机可读存储介质。
与现有技术相比较，本发明提供的一种电网变压器绕组构件寿命预估方法、介质及系统的有益效果是：通过建立综合考虑绕组绝缘老化和机械结构变化的多物理场耦合模型,采用仿真算法模拟分析变压器在不同绕组状态下的电磁转换过程,实现了对绕组的内部状态进行直接可视化的精确评估；通过建立短路概率与寿命之间的关系模型,经过大数据训练,可以基于仿真结果精确预测绕组的剩余寿命,实现从状态评估到寿命预测的重要转变，解决了现有技术对变压器绕组寿命评估评估存在盲区，且很难实现对绕组内部状态的精确定量描述,评估结果的准确度难以保证的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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他的附图。
图1为本发明的方法的流程图；
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1所示，是本发明第一方面提供一种电网变压器绕组构件寿命预估方法的流程图，本方法包括以下步骤：
S10、设定不同绕组构件状态，包括不同的绝缘老化度和松动度，建立不同绕组构件状态的变压器电磁转换的仿真模型；
S20、对所设定的不同绕组构件状态导致的特殊工况进行解析法和有限元方法的处理，得到各状态下的变压器电磁转换情况，特殊工况为变压器的温度或负荷超过常态阈值的工况；
S30、对得到的电磁转换情况进行分析，确定影响变压器绕组状态的关键因素；
S40、根据影响变压器绕组状态的关键因素，利用仿真模型计算变压器绕组产生的电磁力；
S50、根据电磁力计算出变压器绕组所受到的机械力；
S60、根据电磁力和机械力，实现变压器绕组短路状态的定量评估，得到变压器绕组短路指数；
S70、使用变压器绕组短路指数根据预先设置的变压器绕组短路指数-寿命数据库比对，计算出变压器绕组构件的预期寿命。
下面对上述步骤的具体实施方式进行详细描述：
步骤S10的具体实施方式：
首先,收集不同绕组构件的技术参数,包括电阻R,电感L,电容C。其中,R表示绕组的线圈电阻；L表示绕组的自感；C表示绕组间的分布电容。
然后,在仿真软件中建立变压器的电磁模型,所述电磁模型中包含变压器的一次侧和二次侧电路模型。一次侧电路模型采用电压源V1加入等值电阻R1构成,二次侧电路模型采用电压源V2加入等值电阻R2构成。其中,V1和V2分别为变压器一次侧和二次侧的电压；R1和R2分别为变压器一次侧和二次侧的等值电阻。
最后,在电磁模型中,设定不同绝缘老化程度、不同绕组松动程度的绕组构件,形成多个不同绕组构件状态的变压器电磁转换的仿真模型。其中,绝缘老化程度用绝缘电阻Riz表示,松动程度用间隙系数kg表示。对于不同状态下的绕组,调整其电阻、电感和电容参数,以模拟不同老化和松动状态。
步骤S20的具体实施方式：
设定所述多个不同绕组构件状态的变压器电磁转换的仿真模型进行仿真的工作条件,包括负载电流大小I、供电电压幅值V等。对每个模型在设定的工况下运行仿真,采用解析法计算变压器工况的参数,主要包括电压降ΔV、功率损耗P等。其中,
ΔV＝I(R1+R2)
P＝I2(R1+R2)
进而计算得到不同工况下的电磁转换特征,即电流、电压、功率等参数。
采用有限元法,建立变压器的三维模型,用于分析变压器内部的电磁场分布、温度场分布。其中,电磁场分布遵循麦克斯韦方程组:
温度场分布遵循传热方程:
其中,E为电场强度,B为磁感应强度,H为磁场强度,J为电流密度,D为电通量密度,ρ为电荷密度,T为温度,c为比热容,ρ为密度,k为导热系数,Q为内源强度。
步骤S30的具体实施方式：
利用偏差量大小或相关性分析的方法变压器工况的参数确定关键电气参数。具体方法如下:
计算每个电气参数在不同绕组状态下的平均值和标准差σ。
利用偏差量判定参数变化程度,偏差量大的参数确定为关键电气参数。
计算每个电气参数与绕组老化程度的相关系数r,相关性高的参数确定为关键电气参数。
利用变压器内部的电磁场分布、温度场分布,确定关键区域。具体方法如下:
分析电磁场及温度场的分布图,找到电磁场强度或温度出现明显异常的区域。
确定电磁场或温度异常区与故障相关性,选择与故障关系密切的异常区域确定为关键区域。
综合关键电气参数和关键区域的分析结果,确定综合影响的关键因素。
步骤S40的具体实施方式：
通过仿真模型计算获得变压器在不同负荷条件下的电流分布J,然后根据安培线圈力定律计算计算绕组不同位置收到的电磁力FB:
FB＝J×Bl
其中,l为线圈高度。
利用变压器内部的电磁场分布B,根据磁场力学原理计算绕组不同位置受到的电磁力:
其中,M为磁矩。
综合两种计算方法,得到绕组各段受力较为准确的电磁力结果。
步骤S50的具体实施方式：
根据电磁力采用有限元法求解变形方程,得到变压器在电磁力作用下的应力σ,处理后得到每个绕组所受机械力Fm的大小。具体计算步骤如下:
建立变压器绕组的有限元模型。
加载电磁力,采用有限元方法求解静力学方程:
从有限元计算结果中提取绕组所受的应力分布。
对应力进行积分,得到每个绕组所受机械力:
Fm＝∫∫∫σdV
步骤S60的具体实施方式：
根据各绕组状态下计算所得的电磁力FB和机械力Fm,利用预先设置电磁力和机械力的阈值Fth,当计算值超过阈值时,判断为绕组短路。
利用计算得到的电磁力FB和机械力Fm,计算它们与阈值Fth的比值:
则短路概率定义为:
则Psc作为变压器绕组短路指数。
其中,|·|表示向量的模,当kB或km超过1时,判断为短路。Psc综合反映了电磁力和机械力对短路的影响,范围为0到1。
步骤S70的具体实施方式：
基于电磁力FB和机械力Fm建立绕组绝缘损伤模型。
引入绝缘损伤程度指标D,其与电磁力和机械力的关系可表示为:
D＝α|FB|+β|Fm|+γ
其中,α,β,γ为经验参数。
然后建立短路概率Psc与损伤程度D的关系:
Psc＝1-e-kD
其中,k为经验比例系数。
将上式整理可得:
根据变压器寿命模型,可以得到绕组在给定短路概率下的寿命L:
其中,L0为参考寿命,n为经验指数。
所以,通过变压器绕组短路概率Psc可以反算得到绕组构件的预期寿命L。
在步骤S60的另一个实施例中，还可以基于电磁力和机械力计算出绕组的损伤程度指标,建立与短路概率之间的关系模型,从而求解短路概率作为变压器绕组短路指数；具体是采集实测历史数据，包括绕组的损伤程度指标与对应的短路概率，建立数据样本；使用这个数据样本训练一个卷积神经网络，采用神经网络根据当前的损伤程度指标计算对应的短路概率。
这一实施例具体而言，描述如下：
1.收集实测历史数据,包括变压器绕组的绝缘损伤程度指标D与对应的短路概率Psc。D可以通过仿真模型计算获得,表示绕组损伤程度。Psc可以从实际运行数据统计得到,表示实际短路概率。形成含有多组(D.Psc)数据的样本集：
2.将样本集按一定比例分为训练集/>和验证集/>训练集用于训练卷积神经网络模型,验证集用于验证模型的泛化能力。
3.确定卷积神经网络模型的结构:
输入层:输入为损伤程度指标D,shape为(批量大小.1)
卷积层1:卷积核数32,核大小3,激活函数ReLU
池化层1:最大池化,池化大小2
卷积层2:卷积核数64,核大小3,激活函数ReL.
池化层2:最大池化,池化大小2
全连接层1:节点数128,激活函数ReLU
全连接层2:节点数1,激活函数Sigmoid
输出层:输出为短路概率Psc,shape为(批量大小.1)
4.确定损失函数:采用均方误差MSE作为损失函数
其中是模型预测输出,yi是样本标签,n是样本数量。
5.训练卷积神经网络模型:
按批量大小将训练集分批
对每个批量,输入损伤程度D,输出模型预测短路概率
计算损失函数L
使用SGD等优化算法更新模型参数,以最小化损失函数
6.在验证集上验证模型,计算验证损失。如果验证损失开始增大,则停止训练,避免过拟合。
7.用训练好的卷积神经网络模型,输入新的损伤程度指标D,输出预测的短路概率
8.对预测结果进行后处理,得到变压器绕组的最终短路概率Psc,作为变压器绕组短路指数。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种电网变压器绕组构件寿命预估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、设定不同绕组构件状态，包括不同的绝缘老化度和松动度，建立不同绕组构件状态的变压器电磁转换的仿真模型；
S20、对所设定的不同绕组构件状态导致的特殊工况进行解析法和有限元方法的处理，得到各状态下的变压器电磁转换情况，所述特殊工况为变压器的温度或负荷超过常态阈值的工况；
S30、对得到的电磁转换情况进行分析，确定影响变压器绕组状态的关键因素；
S40、根据影响变压器绕组状态的关键因素，利用仿真模型计算变压器绕组产生的电磁力；
S50、根据电磁力计算出变压器绕组所受到的机械力；
S60、根据电磁力和机械力，实现变压器绕组短路状态的定量评估，得到变压器绕组短路指数；
S70、利用变压器绕组短路指数，计算出变压器绕组构件的预期寿命。
2.根据权利要求1所述的一种电网变压器绕组构件寿命预估方法，其特征在于，所述设定不同绕组构件状态，包括不同的绝缘老化度和松动度，建立不同绕组构件状态的变压器电磁转换的仿真模型的步骤，具体包括：
首先，收集不同绕组构件的技术参数,包括电阻、电感、电容；
然后，在仿真软件中建立变压器的电磁模型,所述电磁模型中包含变压器的一次侧和二次侧电路模型；
最后，在电磁模型中,设定不同绝缘老化程度、不同绕组松动程度的绕组构件，形成多个不同绕组构件状态的变压器电磁转换的仿真模型。
3.根据权利要求2所述的一种电网变压器绕组构件寿命预估方法，其特征在于，所述对所设定的不同绕组构件状态导致的特殊工况进行解析法和有限元方法的处理的步骤，具体包括：
设定所述多个不同绕组构件状态的变压器电磁转换的仿真模型进行仿真的工作条件；
对每个模型在设定的工况下运行仿真,采用解析法计算变压器工况的参数，进而计算得到不同工况下的电磁转换特征；
采用有限元法,建立变压器的三维模型,用于分析变压器内部的电磁场分布、温度场分布。
4.根据权利要求3所述的一种电网变压器绕组构件寿命预估方法，其特征在于，所述对得到的电磁转换情况进行分析，确定影响变压器绕组状态的关键因素的步骤，具体包括：
利用偏差量大小或相关性分析的方法变压器工况的参数确定关键电气参数；
利用变压器内部的电磁场分布、温度场分布,确定关键区域；
综合关键电气参数和关键区域的分析结果,确定综合影响的关键因素。
5.根据权利要求1所述的一种电网变压器绕组构件寿命预估方法，其特征在于，所述根据影响变压器绕组状态的关键因素，利用仿真模型计算变压器绕组产生的电磁力的步骤，具体包括：
通过仿真模型计算获得变压器在不同负荷条件下的电流分布,然后根据安培线圈力定律计算计算绕组不同位置收到的电磁力；
利用变压器内部的电磁场分布,根据磁场力学原理计算绕组不同位置受到的电磁力。
6.根据权利要求1所述的一种电网变压器绕组构件寿命预估方法，其特征在于，所述根据电磁力计算出变压器绕组所受到的机械力的步骤，具体包括：
根据电磁力采用有限元法求解变形方程,得到变压器在电磁力作用下的应力，处理后得到每个绕组所受机械力的大小。
7.根据权利要求1所述的一种电网变压器绕组构件寿命预估方法，其特征在于，所述根据电磁力和机械力，实现变压器绕组短路状态的定量评估，得到变压器绕组短路指数的步骤，具体包括：
根据各绕组状态下计算所得的电磁力和机械力，利用预先设置电磁力和机械力的阈值,当计算值超过阈值时,判断为绕组短路；利用计算得到的电磁力和机械力，以及预先设置电磁力和机械力的阈值，计算达到阈值的概率作为变压器绕组短路指数。
8.根据权利要求1所述的一种电网变压器绕组构件寿命预估方法，其特征在于，所述根据电磁力和机械力，实现变压器绕组短路状态的定量评估，得到变压器绕组短路指数的步骤，具体包括：
基于电磁力和机械力计算出绕组的损伤程度指标,建立与短路概率之间的关系模型,从而求解短路概率作为变压器绕组短路指数。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有程序指令，所述程序指令运行时，用于执行权利要求1-8任一项所述的电网变压器绕组构件寿命预估方法。
10.一种电网变压器绕组构件寿命预估系统，其特征在于，包含权利要求9所述的计算机可读存储介质。
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