一種考慮變壓器油非線性時間常數的頂層油溫熱模型的製作方法

2023-10-19 09:46:52

本發明涉及電力系統變壓器領域，尤其是一種考慮變壓器油非線性時間常數的頂層油溫熱模型。
背景技術：
：大型變壓器是電力系統的核心設備，其運行狀態直接關係到整個電力系統的運行安全。隨著超特高壓輸變電技術的迅速發展，電網容量及其覆蓋面進一步擴大，變壓器故障會對用戶造成重大的影響，甚至會危害電網的安全運行。大型油浸式電力變壓器在高負載運行條件下，極易發生過熱燒損事故，即使不發生燒損事故，也會使變壓器絕緣加速老化，直接影響變壓器的正常使用壽命，在變壓器故障中過熱故障佔很大的比重，因此，對變壓器進行準確的動態評估，及時發現過熱故障，並準確分析故障的性質，迅速處理和排除變壓器的過熱性故障，對生產運行單位尤為重要。現有的變壓器負載能力評估方法沒有從本質上反映出變壓器熱傳遞中的非線性物理過程，故不能準確計算出變壓器最熱點溫度，其動態響應能力非常不足，尤其在負荷突變和冷卻系統切換的工況下。在實際的變壓器運行中只是簡單使用廠家提供的溫升參數進行靜態計算，而無法在變化的環境溫度、負載波動及冷卻器切換的情況下對溫升進行準確連續的計算。基於此，本發明建立一種考慮變壓器油的時間常數隨溫度變化的頂層油溫熱模型，實時計算在環境溫度、負載波動及冷卻器切換情況下變壓器的頂層油溫。技術實現要素：本發明的目的是針對上述現有技術的不足，提供一種考慮變壓器油非線性時間常數的頂層油溫熱模型，該模型可以實時計算變壓器的頂層油溫隨負荷、環境溫度、冷卻器開關的動態響應，具有更加準確的計算精度，能夠為變壓器的動態增容提供參考。本發明的目的可以通過如下技術方案實現：一種考慮變壓器油非線性時間常數的頂層油溫熱模型，該模型的構建包括以下步驟：1)給定變壓器油的密度ρ，體積ν，單位熱容cρ，該變壓器油的熱容c為：c＝cρρν類似地，能夠求出變壓器鐵芯、繞組、油箱部件的熱容，所述變壓器油、變壓器鐵芯、繞組、油箱部件熱容的總和在模型中用集中熱容表示，因為在實際中，變壓器油的熱容佔據變壓器熱容的絕大部分，所以在本頂層油溫熱模型中，用變壓器油的熱容c來代替集中熱容；2)將所述頂層油溫熱模型中的非線性熱導g描述為：g＝aδθb其中δθ表示部件兩端的溫差，a代表與溫差關聯的倍數，b代表與溫差關聯的指數，a和b都是需要優化的參數；3)將所述頂層油溫熱模型中的變壓器油的非線性時間常數τt定義為：其中，r表示變壓器油的熱阻，g表示變壓器油的熱導，c表示變壓器油的熱容；4)將步驟3)中變壓器油的非線性時間常數τt引入b.c.lesieutre改進的ieee變壓器頂層油溫模型，重新構建考慮了變壓器油的非線性時間常數的頂層油溫熱模型，構建後的頂層油溫熱模型表示如下：其中，變壓器油的熱導g描述為變壓器頂層油溫θt與環境溫度θa之差的非線性函數，如步驟2)中所述，即g＝a·(θt-θa)b，δθt,r是額定負載下的頂層油溫升，i是實際負載對額定負載的比值，k是額定負載下的負載損耗對空載損耗的比值，n是溫升的經驗指數，變壓器的冷卻方式不同，n的取值不同。優選地，所述頂層油溫熱模型包括冷卻器開和關兩種不同的冷卻狀態。優選地，步驟1)中變壓器油的熱容隨溫度變化的範圍很小，故將變壓器油的熱容看作為一個常數。優選地，步驟2)中的參數a與參數b，以及步驟3)中的參數c和步驟4)中的參數δθt,r與參數k都採用遺傳算法來進行優化處理，目標函數用模型輸出的頂層油溫與實際監測的頂層油溫的均方誤差，如下所示：其中n為樣本數量，θt(k)和θt'(k)分別表示變壓器某一時刻監測的頂層油溫和本頂層油溫熱模型輸出的頂層油溫。優選地，b.c.lesieutre改進的ieee變壓器頂層油溫模型考慮了環境溫度變化對頂層油溫的影響，其描述如下：其中τt是任意負載任意溫升下的變壓器油時間常數，θt是變壓器的頂層油溫，θa是環境溫度，δθt,i是初始溫升，δθt,u是給定負載下的最終溫升，δθt,u通過如下的方式來計算：其中δθt,r是額定負載下的頂層油溫升，i是實際負載對額定負載的比值，k是額定負載下的負載損耗對空載損耗的比值，n是溫升的經驗指數。優選地，所述頂層油溫熱模型的輸入量為冷卻器開或者關時溫升的經驗指數、在線監測的連續時間序列的環境溫度、負荷電流標么值以及變壓器頂層油溫。優選地，步驟4)中，當變壓器冷卻方式為onan時，n＝0.8，當變壓器冷卻方式為ofaf時，n＝0.9。優選地，所述頂層油溫熱模型需要連續求解時間序列的輸入量，使用了matlab進行求解。本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：1、本發明利用實際監測得到的變壓器的頂層油溫、環境溫度、負荷等數據，構建變壓器熱模型，具有較好的計算準確度。2、本發明通過引入非線性熱導重新定義了變壓器油的時間常計算數，使變壓器的頂層油溫能夠更好地動態響應負荷電流以及外界環境溫度的變化。3、本發明考慮到了冷卻器開和關時變壓器油散熱的巨大差異，採用不同的參數來構建熱模型，從而使模型具備適應冷卻器開關動態切換的能力。4、本發明所構建模型中的相關參數採用遺傳算法來進行優化，避免了對變壓器出廠溫升試驗數據地過度依賴，具有較高的推廣性。附圖說明圖1為本發明實施例的3月1日某變壓器冷卻器關時頂層油溫監測值和模型輸出頂層油溫對比圖。圖2為本發明實施例的6月1日某變壓器冷卻器關時頂層油溫監測值和模型輸出頂層油溫對比圖。圖3為本發明實施例的9月1日某變壓器冷卻器關時頂層油溫監測值和模型輸出頂層油溫對比圖。圖4為本發明實施例的12月1日某變壓器冷卻器關時頂層油溫監測值和模型輸出頂層油溫對比圖。圖5為本發明實施例的8月20日某變壓器冷卻器開時頂層油溫監測值和模型輸出頂層油溫對比圖。圖6為本發明實施例的12月5日某變壓器冷卻器關時頂層油溫監測值和模型輸出頂層油溫對比圖。圖7為本發明實施例的某變壓器冷卻器開關動態切換時頂層油溫監測值和模型輸出頂層油溫對比圖。具體實施方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。實施例：圖1、圖2、圖3、圖4為某變壓器在不同時期冷卻器關時的頂層油溫監測值和模型輸出頂層油溫的對比，圖5、圖6為某變壓器在不同時期冷卻器開時的頂層油溫監測值和模型輸出頂層油溫的對比，圖7為某變壓器在一定時間範圍內，冷卻器開關動態切換時頂層油溫監測值和模型輸出頂層油溫對比。這些對比都是基於本發明的頂層油溫熱模型計算得出，本發明提出的一種考慮變壓器油非線性時間常數的頂層油溫熱模型構建過程如下：1)給定變壓器油的密度ρ，體積ν，單位熱容cρ，該變壓器油的熱容c為：c＝cρρν類似地，能夠求出變壓器鐵芯、繞組、油箱部件的熱容，它們的總和在模型中用集中熱容表示，因為在實際中，變壓器油的熱容佔據變壓器熱容的絕大部分，所以在本模型中，用變壓器油的熱容c來代替集中熱容；2)將本模型中的非線性熱導g描述為：g＝aδθb其中δθ表示部件兩端的溫差，a代表與溫差關聯的倍數，b代表與溫差關聯的指數，a和b都是需要優化的參數；3)將本模型中的變壓器油的非線性時間常數τt定義為：其中，r表示變壓器油的熱阻，g表示變壓器油的熱導，c表示變壓器油的熱容；4)將步驟3)中變壓器油的非線性時間常數τt引入b.c.lesieutre改進的ieee變壓器頂層油溫模型，重新構建考慮了變壓器油的非線性時間常數的頂層油溫熱模型，得到本模型：其中，變壓器油的熱導g可以描述為變壓器頂層油溫θt與環境溫度θa之差的非線性函數，如步驟2)中所述，即g＝a·(θt-θa)b，δθt,r是額定負載下的頂層油溫升，i是實際負載對額定負載的比值，k是額定負載下的負載損耗對空載損耗的比值，n是溫升的經驗指數，變壓器的冷卻方式不同，n的取值不同。由於遺傳算法具有較好的全局搜索能力，步驟2)中的參數a與參數b，以及步驟3)中的參數c和步驟4)中的參數δθt,r與參數k都採用遺傳算法來進行優化處理，目標函數用模型輸出的頂層油溫與實際監測的頂層油溫的均方誤差(meansquareerror,mse)，如下所示：其中n為樣本的數量，θt(k)和θt'(k)分別表示變壓器某一時刻監測的頂層油溫和本模型輸出的頂層油溫。下面對本發明的考慮變壓器油非線性時間常數的頂層油溫熱模型作進一步的說明，模型的輸入量為冷卻器開或者關的經驗指數以及在線監測的連續時間序列的環境溫度、負荷電流(標么值)、變壓器頂層油溫，其中環境溫度、負荷電流(標么值)、變壓器頂層油溫的樣本間隔為1分鐘，針對冷卻器開關狀態的不同，模型包含兩套參數，分別是用遺傳算法從變壓器冷卻器開和關這種狀態下的監測數據中優化而來，以使得頂層油溫與實際監測的頂層油溫的均方誤差最小的a,b,c,δθt,r,k為模型的固定參數。上述實施例中的變壓器的主要銘牌信息見表1，優化所得熱模型參數見表2，經分析可得結論：熱模型在onan(oilnaturalairnatural)狀態或者ofaf(oilforcedairforced)狀態都具有良好的仿真精度，mse誤差在1.2-1.8之間，對於冷卻器正常切換的場景，熱模型也能很好地動態反映。表1變壓器的主要銘牌信息類型數值高壓側/低壓側400.0/132.0(kv)鐵耗148.3(kw)額定負載損耗770.7(kw)鐵芯和繞組重量125(噸)變壓器油的重量87.5(噸)表2頂層油溫熱模型參數冷卻器abckδθt,rsslmaxonan3.24280.33152245.403449.66861.1328ofaf13.93110.31083461.594925.71031.1837以上所述，僅為本發明專利較佳的實施例，但本發明專利的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本
技術領域：
的技術人員在本發明專利所公開的範圍內，根據本發明專利的技術方案及其發明專利構思加以等同替換或改變，都屬於本發明專利的保護範圍。當前第1頁12