一種基于服役年齡和負(fù)荷水平的變壓器可靠性分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于輸變電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于服役年齡和負(fù)荷水平 的變壓器可靠性分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力變壓器作為電力系統(tǒng)的樞紐設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可 靠性。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)變壓器可靠性狀態(tài)的判斷都是通過(guò)例行試驗(yàn)和診斷性試驗(yàn)，同時(shí) 結(jié)合定期檢修來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和專家及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為基準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)評(píng)估。雖然定 期檢修一般可以在維護(hù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷，對(duì)電力變壓器的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到了 重要的作用，但可能存在"維修過(guò)剩"和"維修不足"等情況，不僅會(huì)導(dǎo)致人力和物力的浪費(fèi)， 而且增加了故障隱患，降低了供電可靠性。隨著我國(guó)電力工程的逐步推進(jìn)，電網(wǎng)容量日益增 大，變壓器一旦發(fā)生故障將會(huì)對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，針對(duì)電力變壓器進(jìn)行可 靠性分析，確定網(wǎng)絡(luò)中的薄弱環(huán)節(jié)，協(xié)助安排設(shè)備的檢修計(jì)劃，對(duì)降低維護(hù)成本、提高電力 系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。
[0003] 變壓器的可靠性分析是以設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)工況及其他信息進(jìn) 行記錄、分類和整合，從負(fù)荷水平、診斷性試驗(yàn)結(jié)果、設(shè)備歷史檢修記錄等數(shù)據(jù)中提取出狀 態(tài)特征信息并進(jìn)行客觀分析，完成可靠性指標(biāo)的計(jì)算，并對(duì)變壓器進(jìn)行可靠性評(píng)級(jí)，進(jìn)而輔 助電網(wǎng)的調(diào)度決策及設(shè)備檢修計(jì)劃的安排。
[0004]目前，我國(guó)關(guān)于變壓器可靠性分析的研宄仍處于起步階段，對(duì)于變電設(shè)備 的可靠性評(píng)估，主要是依據(jù)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)完成相關(guān)的可靠性指標(biāo)計(jì)算；申請(qǐng)?zhí)枮?CN201310303983. 1的發(fā)明專利公開的《基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的電力系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)辨識(shí)方法》，提出 了基于風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和薄弱環(huán)節(jié)特征量的薄弱辨識(shí)指標(biāo)，通過(guò)多次采樣，統(tǒng)計(jì)發(fā)電機(jī)與輸變電 設(shè)備故障特征，結(jié)合電力系統(tǒng)失效狀態(tài)得到系統(tǒng)的故障風(fēng)險(xiǎn)，并計(jì)算元件的薄弱辨識(shí)指標(biāo)， 最終通過(guò)對(duì)指標(biāo)的排序，找出系統(tǒng)中輸變電設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)；上述方法未結(jié)合系統(tǒng)中變壓 器自身結(jié)構(gòu)、功能、運(yùn)行年齡以及故障模式等因素以及區(qū)域電網(wǎng)中變壓器之間的耦合關(guān)系 對(duì)設(shè)備可靠性的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于服役年齡和負(fù)荷水 平的變壓器可靠性分析方法，其目的在于通過(guò)概率指標(biāo)對(duì)變壓器進(jìn)行排序，以識(shí)別出系統(tǒng) 中處于臨界狀態(tài)的變壓器，由此提高連鎖故障情景下變壓器可靠性分析準(zhǔn)確度。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于服役年齡和負(fù)荷水平 的變壓器可靠性分析方法，具體如下：
[0007] (1)根據(jù)變壓器負(fù)荷曲線劃分變壓器負(fù)荷等級(jí)；
[0008] (2)針對(duì)各負(fù)荷等級(jí)里的變壓器，進(jìn)行潮流分析以獲取第i臺(tái)變壓器在初始狀態(tài) 下的負(fù)荷值；其中，i表示變壓器編號(hào)，ie[1，N] ;N為供電系統(tǒng)中變壓器的總臺(tái)數(shù)；
[0009] 其中，初始狀態(tài)是指供電系統(tǒng)里所有變壓器正常工作的狀況；
[0010] ⑶獲取變壓器i在初始狀態(tài)下與其負(fù)荷對(duì)應(yīng)的熱點(diǎn)溫度0 iHST，并根據(jù)熱點(diǎn)溫度 與變壓器絕緣壽命之間的關(guān)系，獲取變壓器i的量化壽命Li(0HST);
[0011] (3)獲取第i臺(tái)變壓器在初始狀態(tài)下與其負(fù)荷對(duì)應(yīng)的熱點(diǎn)溫度0iHST;并根據(jù)熱點(diǎn) 溫度與變壓器絕緣壽命之間的關(guān)系，獲取第i臺(tái)變壓器的量化壽命Q(0HST);
[0012]并結(jié)合變壓器量化壽命Q(0HST)，采用Weibull分布獲取變壓器的故障概率累計(jì) 分布函數(shù)P,.⑴=1-e( \
[0013] 其中，變壓器量化壽命Li(0HST)為Weibull分布的尺度參數(shù)；0為Weibull分布 的形狀參數(shù)，t指變壓器的服役年齡；
[0014] (4)采用處理后驗(yàn)條件概率的馬爾科夫模型（Markovmodel)，基于變壓器的服役 年齡，獲取變壓器基于其服役年齡的可靠性指標(biāo)E
[0015] 其中，Pj為第j個(gè)子區(qū)間中的故障概率，
[0016] 其中，S是由變壓器的服役年齡t劃分而成的相等的子區(qū)間的個(gè)數(shù)，je[1，S]; △t為所述子區(qū)間的時(shí)間步長(zhǎng)，根據(jù)具體情況，At可以小時(shí)、分鐘為單位；
[0017] 由于設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)是指設(shè)備在從投運(yùn)到評(píng)估的時(shí)間段內(nèi)無(wú)故障，為后驗(yàn) 條件概率事件，因此采用處理后驗(yàn)條件概率的馬爾科夫模型（Markovmodel)分析變壓器服 役年齡對(duì)變壓器可靠性的影響；上述可靠性指標(biāo)Df表征變壓器發(fā)生故障的難易程度，其數(shù) 值越高表明設(shè)備越容易發(fā)生故障，可靠性越低；
[0018] (5)令i=i+1，并重復(fù)步驟（2)~（4)，直到i=N，以獲取供電系統(tǒng)中N臺(tái)變壓 器在初始狀態(tài)下的可靠性指標(biāo)；
[0019] (6)根據(jù)變壓器在初始狀態(tài)下的可靠性指標(biāo)，獲取變壓器的連鎖故障啟動(dòng)概率指 標(biāo)Pie(ProbabilityofInitiationofaCascadingFailure)，并根據(jù)連鎖故障啟動(dòng)概率 指標(biāo)Pi。識(shí)別出供電系統(tǒng)中最容易引發(fā)連鎖故障的變壓器；
[0020] 連鎖故障啟動(dòng)概率指標(biāo)Pi。用于表征供電系統(tǒng)中某臺(tái)變壓器停運(yùn)對(duì)系統(tǒng)中處于不 同服役年齡和負(fù)荷水平下的其他變壓器所造成的影響的程度；其值越大，表明該變壓器對(duì) 其他設(shè)備的干擾越嚴(yán)重，越易引發(fā)連鎖故障。
[0021 ] 優(yōu)選地，上述變壓器可靠性分析方法，還包括如下步驟：
[0022] (7)獲取在第n臺(tái)變壓器停運(yùn)情況下其他各變壓器的負(fù)荷值，并令n=n+1，重復(fù) 步驟（3)~（4)，直到n=N，以獲取供電系統(tǒng)中N臺(tái)變壓器在第n臺(tái)變壓器停運(yùn)情況下的 可靠性指標(biāo)；其中，n表示變壓器編號(hào)，ne[1，N];
[0023] 由于第n臺(tái)變壓器因故障停運(yùn)時(shí)供電系統(tǒng)中潮流將重新分布，因此需重新對(duì)供電 系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算，確定各變壓器的負(fù)荷值；
[0024] (8)根據(jù)所述變壓器在某臺(tái)變壓器停運(yùn)情況下的可靠性指標(biāo)，獲取變壓器的連鎖 故障脆弱環(huán)節(jié)指不量Pv。（ProbabilityofVulnerabilitytoConsequentFailure)，并根 據(jù)所述連鎖故障脆弱環(huán)節(jié)指示量pv。識(shí)別出供電系統(tǒng)中最容易受擾動(dòng)影響的變壓器；
[0025] 連鎖故障脆弱環(huán)節(jié)指示量Pv。用于表征在一定的服役年齡和負(fù)荷水平下，供電系 統(tǒng)中某臺(tái)變壓器停運(yùn)時(shí)，其他變壓器發(fā)生連鎖故障的概率；其值越大，表明該變壓器越容易 受到其他變壓器故障的影響，引發(fā)二次連鎖故障。
[0026] 優(yōu)選的，步驟（6)所述的連鎖故障啟動(dòng)概率指標(biāo)Pi。具體如下：
[0027]
[0028] 其中，Dn，b是第n臺(tái)變壓器在初始狀態(tài)下的可靠性；D是第i臺(tái)變壓器在初始狀 態(tài)下的可靠性；Di，n是第i臺(tái)變壓器在第n臺(tái)變壓器停運(yùn)時(shí)的可靠性。
[0029] 優(yōu)詵的，步驟（8)所沭的連鎖故障脆弱環(huán)節(jié)指示量Pv。具體如下：
[0030]
[0031] 其中，Dn，i是第n臺(tái)變壓器在第i臺(tái)變壓器停運(yùn)時(shí)的可靠性；Dn，b是第n臺(tái)變壓器 在初始狀態(tài)下的可靠性，Du是第i臺(tái)變壓器在初始狀態(tài)下的可靠性。
[0032] 優(yōu)選地，步驟（1)中劃分變壓器負(fù)荷等級(jí)的過(guò)程具體如下：
[0033] (1. 1)根據(jù)變壓器年負(fù)荷曲線上的變壓器負(fù)荷情況，以星期為單位，將全年的變壓 器負(fù)荷水平分為m個(gè)等級(jí)；其中，將負(fù)荷水平相差在±3%之內(nèi)的星期劃在同一個(gè)等級(jí)內(nèi)；
[0034] (1. 2)將同一個(gè)等級(jí)內(nèi)的變壓器的負(fù)荷水平取平均值，以所述平均值作為該等級(jí) 的負(fù)荷水平；m為正整數(shù)，且5彡m彡10。
[0035] 優(yōu)選的，步驟（3)中，根據(jù)初始狀態(tài)下的負(fù)荷值，采用熱點(diǎn)溫度模型0HST = 0a+A0TQ+A0w，獲取變壓器在初始狀態(tài)下的熱點(diǎn)溫度0HST;
[0036] 其中，0a為環(huán)境溫度，A0TOS頂層油溫升，A0 w為熱點(diǎn)溫度相對(duì)與頂層油溫 的差值；結(jié)合變壓器故障停運(yùn)時(shí)負(fù)荷突變的情況，根據(jù)負(fù)荷的步進(jìn)式遞增、遞減規(guī)律，獲取 A01〇和A0 w;
[0037] 當(dāng)負(fù)荷遞增時(shí)：
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042] A0w=Hgrky
[0043] 其中，(t) = 1-exp(_t/ (knXt。）），
[0044] f2 (t) =k21X(1-exp(_t/ (k22Xtw))) - (k21_l)X(1-exp(_t/ (t。/\2)))，
[0045] f3 (t) =exp(_t/ (knXt。）），
[0046] 其中，A0min為初始時(shí)刻的頂層油溫，A0 mK為穩(wěn)態(tài)情況下頂層油溫升的額定 損失，A0w，in為初始時(shí)刻熱點(diǎn)溫度相對(duì)于頂層油溫的梯度，R為空載額定電流情況下的負(fù) 載損耗率；k為負(fù)荷因子，由負(fù)荷電流/額定電流得到；x為變壓器油的指數(shù)系數(shù)，H為熱點(diǎn) 因子，&為額定電流下的繞組平均溫度相對(duì)于平均油溫的梯度，y為繞組指數(shù)系數(shù)，t為變 壓器的服役年齡，kn、k21和k22為熱點(diǎn)溫度模型常數(shù)，t。為變壓器油平均時(shí)間常數(shù)，單位為 分鐘；^為繞組時(shí)間常數(shù)，單位為分鐘；
[0047] 其中，熱點(diǎn)溫度模型中的特征參數(shù)均為變壓器的固有特性，空載額定電流情況下 的負(fù)載損耗率R、變壓器油的指數(shù)系數(shù)X，熱點(diǎn)因子H，繞組指數(shù)系數(shù)y等均可采用IEC導(dǎo)則 中的推薦參數(shù)。
[0048] 優(yōu)選的，在步驟（3)中，根據(jù)初始狀態(tài)下的負(fù)荷值，采用油浸式電力變壓器的熱點(diǎn) 溫度模型獲取變壓器在初始狀態(tài)下的熱點(diǎn)溫度?HST，具體如下：
[0049] a，對(duì)于自然油循環(huán)（0N)冷卻的變壓器，在任何負(fù)載下的熱點(diǎn)溫度