本發(fā)明屬于變壓器全壽命周期管理
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及一種基于廣義極值分布的變壓器壽命概率評價方法。
背景技術(shù)：
：電力變壓器的安全運行是保障電網(wǎng)可靠運行的重要防線之一，其能否可靠、健康運行直接關(guān)系到電網(wǎng)抵抗風險的能力。因此，對變壓器的壽命進行合理評價以指導(dǎo)設(shè)備維護與更新工作，保證變壓器長期處于良好的工作狀態(tài)，一直是電力企業(yè)設(shè)備管理與技改工作的重中之重。作為最主要的一次設(shè)備，變壓器在電力企業(yè)資產(chǎn)中無論是數(shù)量，還是經(jīng)濟支出中都占有相當大的比重，對變壓器進行更新時需綜合考慮其運行的健康狀態(tài)，在確保變壓器安全、可靠運行的同時，優(yōu)選合理的更新時機，盡量降低電力企業(yè)的技改成本。目前變壓器的技改工作往往存在以下兩個極端：一方面老舊變壓器超役齡運行，導(dǎo)致維護成本增加；一方面過度追求新型變壓器的性能，技術(shù)改造過頻、更新?lián)Q代過快，造成了不必要的浪費。長期以來，我國變壓器技改水平相對落后，電網(wǎng)中服役的老舊變壓器仍然占有較大比重，技改工作十分迫切。因此，綜合考慮變壓器的健康狀態(tài)與壽命之間的關(guān)系，研究變壓器壽命的合理評價方法，無疑可為電力企業(yè)開展變壓器技術(shù)改造提供科學(xué)的理論指導(dǎo)依據(jù)。針對變壓器的壽命評價已有學(xué)者開展了廣泛的研究。一些文獻結(jié)合電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，提出基于大數(shù)據(jù)分析的變壓器故障預(yù)測水平和使用壽命評價方法；一些文獻從變壓器性能衰退的角度和健康指數(shù)特性出發(fā)，提出基于隨機模糊理論和改進馬爾科夫法的變壓器壽命評價方法；一些文獻提出了基于絕緣等值老化模型的變壓器絕緣壽命損失計算方法；一些文獻提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變壓器壽命評價方法；一些文獻根據(jù)變壓器的運行狀態(tài)，提出了基于風險的變壓器狀態(tài)評價方法，可用于指導(dǎo)變壓器的壽命預(yù)測。上述文獻從不同側(cè)面對變壓器的運行壽命進行了評價。然而，變壓器運行過程中存在各類不確定性應(yīng)力作用，會嚴重影響變壓器的正常使用壽命，由此導(dǎo)致變壓器技改決策時往往面臨經(jīng)濟性與可靠性矛盾交叉的難題，影響運行維護人員的判斷。因此，如何在深入考慮多種復(fù)雜應(yīng)力影響的基礎(chǔ)上，提出變壓器壽命合理評價方法，有效指導(dǎo)變壓器的技改工作，具有很強的工程實用價值。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于廣義極值分布的變壓器壽命概率評價方法，在建立變壓器故障概率與使用壽命數(shù)學(xué)關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，以絕緣紙聚合度(dp)為指標，利用廣義極值分布與蒙特卡洛仿真確定變壓器的健康狀態(tài)，以實現(xiàn)對變壓器壽命概率評價；為了達到上述目的，本發(fā)明提供的基于廣義極值分布的變壓器壽命概率評價方法包括按順序執(zhí)行的下列步驟：步驟1)設(shè)定蒙特卡洛最大仿真次數(shù)為n，迭代次數(shù)icount＝1，預(yù)測初始時刻為t0，用于預(yù)測未來n天內(nèi)變壓器的壽命年限，以δt為預(yù)測步長，對應(yīng)變壓器故障次數(shù)統(tǒng)計向量設(shè)定為inum，故障次數(shù)統(tǒng)計向量inum中任意元素初始值為0，設(shè)定ti＝t0,其中t0≤ti≤n；步驟2)利用廣義極值分布函數(shù)對時刻ti之前變壓器絕緣紙dp的偏差值δd的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行擬合，得到時刻ti所對應(yīng)的廣義極值分布函數(shù)及其參數(shù)；步驟3)利用步驟2)中擬合生成的ti時刻的參數(shù)已知的廣義極值分布函數(shù)，隨機生成第icount次仿真中時刻ti實際變壓器絕緣紙dp與理想變壓器絕緣紙dp間的偏差值δdti；步驟4)利用變壓器絕緣紙老化的一階模型對變壓器絕緣紙隨時間的老化過程進行描述，得到理想變壓器絕緣紙dp隨時間變化的歷史曲線，并根據(jù)運行經(jīng)驗給出變壓器壽命終止門檻值dpf，利用該理想變壓器絕緣紙dp隨時間變化的歷史曲線中的元素dti與對應(yīng)時刻偏差值δdti做差值，得到第icount次仿真中對應(yīng)時刻ti的變壓器絕緣紙dpti；判斷如果dpti≤dpf，即可得到該次仿真變壓器的期望壽命tf＝ti，以及變壓器對應(yīng)該時刻的故障次數(shù)inumti＝inumti+1，更新迭代次數(shù)icount＝icount+1，進入步驟5)；判斷如果dpti>dpf，令ti＝ti+δt，轉(zhuǎn)步驟2)；步驟5)判斷蒙特卡洛仿真迭代次數(shù)icount是否達到蒙特卡洛最大仿真次數(shù)n，如果icount≤n，重置ti＝t0，返回步驟2)；否則進入步驟6)；步驟6)根據(jù)故障次數(shù)統(tǒng)計向量inum中各元素值，得到變壓器對應(yīng)任意時刻ti發(fā)生故障的次數(shù)inumti，進而結(jié)合蒙特卡洛最大仿真次數(shù)n計算出變壓器不同時刻的故障概率pf_ti，然后繪制出變壓器從預(yù)測初始時刻t0至未來n天之間的故障概率隨運行時間的變化曲線，最后通過將變化曲線中描述的故障概率pf_ti與設(shè)定的變壓器壽命終止的故障概率閾值pfc進行比較的方法對變壓器的壽命進行判斷。在步驟1)中，所述的變壓器故障次數(shù)統(tǒng)計向量inum如式(1)所示：inum＝[inumt0,inumt0+1,…,inumti,…,inumn](1)其中n為預(yù)測的天數(shù)，預(yù)測步長δt為1天。在步驟2)中，所述的廣義極值分布函數(shù)如式(2)～(3)所示：其中，ξ為ti時刻對應(yīng)廣義極值分布函數(shù)的形狀參數(shù)；μ為位置參數(shù)；σ為尺度參數(shù)。在步驟4)中，利用變壓器絕緣紙老化的一階模型對變壓器絕緣紙隨時間的老化過程進行描述所采用的公式如式(4)～(6)所示：ddp(t)/dt＝-k(t)[dp(t)]2(4)其中，dp(t)為t時刻變壓器絕緣紙dp的數(shù)值；dp(t0)為初始變壓器絕緣紙dp的數(shù)值；ea為變壓器絕緣紙初始老化活化能，kj/mol；rg為變壓器氣體常數(shù)；a為常數(shù)；t(t)為隨時間變化的絕對溫度，k，假設(shè)為常數(shù)。在步驟6)中，所述的故障概率pf_ti的計算公式如式(7)所示：pf_ti＝inumti/n(7)故障概率閾值pfc是根據(jù)變壓器實際運行經(jīng)驗而人為設(shè)定的，一般設(shè)定為pfc>0.9；對變壓器的壽命進行判斷的方法是如果pf_ti≥pfc，則認為變壓器的壽命終止，需要進行更換。本發(fā)明提供的基于廣義極值分布的變壓器壽命概率評價方法是在建立變壓器絕緣紙老化的一階模型的基礎(chǔ)上，以絕緣紙聚合度為指標，利用廣義極值分布模擬變壓器的健康運行狀態(tài)，并基于蒙特卡洛仿真計算變壓器的故障概率，以實現(xiàn)對變壓器壽命概率評價。該方法可有效辨識變壓器運行過程中各類不確定性應(yīng)力給變壓器運行壽命帶來的影響，以提高變壓器運維過程中運行人員在面臨經(jīng)濟性與可靠性矛盾時的判斷水平，輔助選取合理的變壓器更新時機，有效提高電力企業(yè)變壓器的技改水平與經(jīng)濟效益，具有很強的工程實用價值。附圖說明圖1為理想情況下變壓器絕緣紙dp隨時間變化的曲線。圖2為正常及突發(fā)應(yīng)力條件下運行時變壓器絕緣紙的強度與應(yīng)力的關(guān)系。圖3為某一時刻變壓器絕緣紙的偏差值δd的數(shù)值分布。圖4為突發(fā)應(yīng)力條件下運行時變壓器絕緣紙dp曲線。圖5為變壓器壽命結(jié)束前25天內(nèi)的故障概率曲線。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的基于廣義極值分布的變壓器壽命概率評價方法進行詳細說明。變壓器是一個由鐵心、高低壓繞組、絕緣紙、絕緣油、油箱、套管、輔助設(shè)備等主要部件組成的設(shè)備。其中絕緣紙是變壓器可靠性最差的環(huán)節(jié)，其老化過程在極大程度上反映了變壓器的老化進程，可用于指導(dǎo)變壓器的壽命評估。絕緣紙的主要成分是纖維素，纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖，絕緣紙老化的過程就是其上纖維素分子鏈由長鏈變?yōu)槎替湹倪^程，也就是絕緣紙dp下降的過程。本發(fā)明提供的基于廣義極值分布的變壓器壽命概率評價方法包括按順序執(zhí)行的下列步驟：步驟1)設(shè)定蒙特卡洛最大仿真次數(shù)為n，迭代次數(shù)icount＝1，預(yù)測初始時刻為t0，用于預(yù)測未來n天內(nèi)變壓器的壽命年限，以δt為預(yù)測步長，對應(yīng)變壓器故障次數(shù)統(tǒng)計向量設(shè)定為inum，故障次數(shù)統(tǒng)計向量inum中任意元素初始值為0，設(shè)定ti＝t0,其中t0≤ti≤n；所述的變壓器故障次數(shù)統(tǒng)計向量inum如式(1)所示：inum＝[inumt0,inumt0+1,…,inumti,…,inumn](1)其中n為預(yù)測的天數(shù)，預(yù)測步長δt為1天。步驟2)利用廣義極值分布函數(shù)對時刻ti之前變壓器絕緣紙dp的偏差值δd的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行擬合，得到時刻ti所對應(yīng)的廣義極值分布函數(shù)及其參數(shù)；所述的廣義極值分布函數(shù)如式(2)～(3)所示：其中，ξ為ti時刻對應(yīng)廣義極值分布函數(shù)的形狀參數(shù)；μ為位置參數(shù)；σ為尺度參數(shù)。步驟3)利用步驟2)中擬合生成的ti時刻的參數(shù)已知的廣義極值分布函數(shù)，隨機生成第icount次仿真中時刻ti實際變壓器絕緣紙dp與理想變壓器絕緣紙dp間的偏差值δdti；步驟4)利用變壓器絕緣紙老化的一階模型對變壓器絕緣紙隨時間的老化過程進行描述，得到理想變壓器絕緣紙dp隨時間變化的歷史曲線，并根據(jù)運行經(jīng)驗給出變壓器壽命終止門檻值dpf，利用該理想變壓器絕緣紙dp隨時間變化的歷史曲線中的元素dti與對應(yīng)時刻偏差值δdti做差值，得到第icount次仿真中對應(yīng)時刻ti的變壓器絕緣紙dpti；利用變壓器絕緣紙老化的一階模型對變壓器絕緣紙隨時間的老化過程進行描述所采用的公式如式(4)～(6)所示：ddp(t)/dt＝-k(t)[dp(t)]2(4)其中，dp(t)為t時刻變壓器絕緣紙dp的數(shù)值；dp(t0)為初始變壓器絕緣紙dp的數(shù)值；ea為變壓器絕緣紙初始老化活化能，kj/mol；rg為變壓器氣體常數(shù)；a為常數(shù)；t(t)為隨時間變化的絕對溫度，k，假設(shè)為常數(shù)。當ea＝110.942kj/mol，rg＝8.314，dp(t0)＝1000，a＝2×108，t＝370k時，得到理想變壓器絕緣紙dp隨時間變化的歷史曲線如圖1所示。其中，變壓器壽命終止門檻值dpf＝250，該值是根據(jù)變壓器實際運行經(jīng)驗而人為確定的，理想情況下該變壓器的壽命為2930天。從圖1可以看出，隨著運行時間的不斷增加，變壓器絕緣紙性能呈下降趨勢，這樣極易導(dǎo)致設(shè)備故障并引起供電中斷。絕緣狀態(tài)良好的變壓器絕緣紙的強度應(yīng)大于聯(lián)合應(yīng)力。當變壓器絕緣紙的強度下降到低于聯(lián)合應(yīng)力時，變壓器絕緣紙會發(fā)生擊穿，從而導(dǎo)致事故的發(fā)生。同時在實際運行過程中，變壓器的壽命會面臨多種不確定性應(yīng)力作用的影響，如電應(yīng)力、機械應(yīng)力、熱應(yīng)力和化學(xué)應(yīng)力等。正常及不確定突發(fā)應(yīng)力條件下運行時變壓器絕緣紙的強度與應(yīng)力的關(guān)系及其對變壓器運行狀態(tài)的影響如圖2所示?？梢钥闯?，在正常應(yīng)力作用下，變壓器絕緣紙的強度隨時間變化而不斷減小，當其強度和正常應(yīng)力相等時，變壓器的壽命終止；而在某些突發(fā)較強應(yīng)力作用下，變壓器絕緣紙的強度會受到影響而明顯降低，從而導(dǎo)致變壓器的運行壽命明顯縮短。因此，有必要對不確定應(yīng)力對變壓器絕緣紙強度的隨機作用進行模擬，這對合理評價變壓器的壽命具有重要意義。判斷如果dpti≤dpf，即可得到該次仿真變壓器的期望壽命tf＝ti，以及變壓器對應(yīng)該時刻的故障次數(shù)inumti＝inumti+1，更新迭代次數(shù)icount＝icount+1，進入步驟5)；判斷如果dpti>dpf，令ti＝ti+δt，轉(zhuǎn)步驟2)；步驟5)判斷蒙特卡洛仿真迭代次數(shù)icount是否達到蒙特卡洛最大仿真次數(shù)n，如果icount≤n，重置ti＝t0，返回步驟2)；否則進入步驟6)；步驟6)根據(jù)故障次數(shù)統(tǒng)計向量inum中各元素值，得到變壓器對應(yīng)任意時刻ti發(fā)生故障的次數(shù)inumti，進而結(jié)合蒙特卡洛最大仿真次數(shù)n計算出變壓器不同時刻的故障概率pf_ti，然后繪制出變壓器從預(yù)測初始時刻t0至未來n天之間的故障概率隨運行時間的變化曲線，最后通過將變化曲線中描述的故障概率pf_ti與設(shè)定的變壓器壽命終止的故障概率閾值pfc進行比較的方法對變壓器的壽命進行判斷。所述的故障概率pf_ti的計算公式如式(7)所示：pf_ti＝inumti/n(7)故障概率閾值pfc也是根據(jù)變壓器實際運行經(jīng)驗而人為設(shè)定的，一般設(shè)定為pfc>0.9；如果pf_ti≥pfc，則認為變壓器的壽命終止，需要進行更換。為了驗證本發(fā)明方法的有效性，本發(fā)明人利用本發(fā)明方法對某市區(qū)級供電公司的某臺配電變壓器的壽命進行了概率評價，仿真過程所用參數(shù)如表1所示。表1變壓器壽命概率評價仿真參數(shù)仿真參數(shù)名稱仿真參數(shù)數(shù)值n50000ea110.94kj/molrg8.314t370kdp(t0)1000a2×108dpf250仿真中某一時刻變壓器絕緣紙的偏差值δd的數(shù)值分布如圖3所示。對應(yīng)圖1所示的理想情況下變壓器絕緣紙dp隨時間變化的曲線的數(shù)值分布，本次仿真過程中變壓器絕緣紙dp隨時間變化的曲線如圖4所示，可以看出，在變壓器處于突發(fā)應(yīng)力條件下時，變壓器絕緣紙dp相對迅速下降，變壓器的壽命從2930天降低至1977天。根據(jù)前述理論，對變壓器壽命結(jié)束前的25天內(nèi)的故障情況進行概率分析，結(jié)果如圖5所示。可以看出，隨著時間的進行，在外界應(yīng)力的作用下，變壓器在最后25天內(nèi)的故障概率不斷提高，在接近第1977天時，其故障概率已逐漸接近至100％。利用該數(shù)據(jù)信息可對變壓器技改的時刻進行優(yōu)化決策。當前第1頁12