變壓器負荷智能增容技術(shù)研究

國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司 陳奎

國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 周志強 唐睿

上海海能信息科技有限公司 艾雷鳴

0 引言

近年來隨著國民經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型與發(fā)展，部分地區(qū)供電能力的發(fā)展與實際需求的增長之間的矛盾日漸顯現(xiàn)。為積極應(yīng)對這一局面，國網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)已推廣采用了提高運行溫度、短時動態(tài)增容、新型耐熱線路等多項技術(shù)，極大地提高了線路的輸電能力，與之配套的變電站內(nèi)設(shè)備（斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器等）普遍采取了技術(shù)改造，即通過整體更換的方式來與線路輸送能力相匹配。在取得一定效果的同時，大量變電設(shè)備未達到設(shè)計年限而提前退役，新增了改造工程的投資，造成了資產(chǎn)的利用效率下降，同時運行變電站的改造又不可避免地影響到供電可靠性。因此，如何合理地充分利用變電設(shè)備的潛力，達到設(shè)備負荷智能增容的效果，不僅對提高供電可靠性、緩解電力建設(shè)壓力，而且對提高資產(chǎn)利用水平具有重大意義。

變壓器負荷智能增容技術(shù)即通過控制變壓器內(nèi)部的熱點溫度來提高變壓器的負荷運行能力。變壓器負荷智能增容的目的是要保證變壓器在安全可靠運行的前提下來增大變壓器的運行負荷以滿足用戶端用電量的需求，在變壓器出現(xiàn)危險狀況時做到提前報警。這對電力系統(tǒng)內(nèi)電力變壓器的負荷分配是非常重要的，同時可為電力系統(tǒng)內(nèi)調(diào)度部門提供技術(shù)支持。

本文主要論述系統(tǒng)的總體框架設(shè)計，以實時分析的變壓器熱路模型為中心，闡述數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸、處理與分析、結(jié)果展示等功能模塊的結(jié)構(gòu)和特點。

1 系統(tǒng)總體框架

變壓器負荷智能增容系統(tǒng)從架構(gòu)上分為三大單元，分別為數(shù)據(jù)采集單元、智能處理單元、后臺系統(tǒng)單元，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

數(shù)據(jù)處理單元主要由微氣象數(shù)據(jù)采集模塊、變壓器油溫采集模塊、變壓器電壓電流采集模塊、冷卻器控制模塊等組成。其中，微氣象數(shù)據(jù)采集模塊主要是用來采集變壓器周邊的環(huán)境溫度、太陽光輻射強度、風速等信息；變壓器油溫采集模塊主要是用來采集變壓器的頂層油溫、變壓器上油口和下油口溫度；變壓器電壓電流采集模塊主要是用來采集變壓器的高中低壓側(cè)電壓和電流等信息；冷卻器控制模塊主要是用來控制變壓器的冷卻器的智能切投。上述各個模塊都是通過RS485與數(shù)據(jù)處理單元進行數(shù)據(jù)通信。

智能處理單元采用高速ARM處理器組成的芯片組并通過IEC104/Modbus協(xié)議來跟數(shù)據(jù)處理單元進行通信，智能處理單元內(nèi)嵌入變壓器電熱路分析模型和算法，對變壓器過負荷運行的極限工況以及過負荷后的運行風險進行評估，得到不同過負荷情況下變壓器能夠持續(xù)運行的時間等分析結(jié)果，并通過電力系統(tǒng)專網(wǎng)采用IEC61850協(xié)議傳送至后臺系統(tǒng)單元的數(shù)據(jù)服務(wù)器。

智能處理單元的實時分析數(shù)據(jù)通過電力專網(wǎng)與后臺系統(tǒng)單元的數(shù)據(jù)服務(wù)器進行交互，后臺系統(tǒng)單元還提供Web服務(wù)，電力專網(wǎng)用戶經(jīng)授權(quán)后可以通過瀏覽器遠程訪問查看。

2 變壓器熱路模型分析

熱路模型計算法，即從傳熱學(xué)的角度用電路模型簡化變壓器內(nèi)傳熱過程，將變壓器內(nèi)熱傳導(dǎo)過程簡化為電路模型，這種方法可得到直接反映物理過程的熱路模型并得到計算變壓器熱點溫度的計算公式。熱路模型算法計算過程較為簡單，對變量需求較少，如果算法模型建立的比較完善，計算出來的結(jié)果也是會相當準確的。

2.1 熱路模型算法的理論依據(jù)

由于電場分布與熱場分布均滿足泊松方程，因此熱場與電場有許多相似之處，可以建立它們之間的對應(yīng)關(guān)系，進而用熟悉的電場量來分析計算熱場。描述內(nèi)無熱源導(dǎo)熱體中穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱現(xiàn)象的溫度場和熱流密度的方程為：

式中，T為溫度，q為熱流密度，λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

而描述導(dǎo)電體中恒定電場和電流密度的方程則為：

式中，U為電壓，j為電流密度，γ為電導(dǎo)率。

對比式（1）到（4），可知兩者公式完全相同，且各參量也比較類似，它就是用電壓看做溫度T、用電流密度j看做熱流密度q、用電導(dǎo)率看做導(dǎo)熱系數(shù)。從而可知，熱流場的各種物理變量跟恒定電流場是對應(yīng)關(guān)系，并且電流場的屬性和熱流場的屬性具有相似性。例如，熱流場中的等溫面與電流場中的等位面相似，它是單值、連續(xù)的。電力線與等位面正交，表示該點的電場強度，與之相似，熱流線與等溫面正交，表示該點的熱流方向及大小。

而對于不是穩(wěn)態(tài)的電熱模擬，性質(zhì)類似，就是用電容C看做熱容ρc。根據(jù)熱電類比理論，若描述兩個物理形式相同的微分方程，只要兩個載體的幾何形狀和邊界條件相似，則兩者方程的解析解可以完全通用，這就是熱路模型法應(yīng)用的基本理論依據(jù)。熱電類比法中參量的定義及對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 熱電類比法各參量對比

2.2 熱路模型的建立

新的電路學(xué)模型采用變壓器油平均溫度作為參考量。這是因為：①變壓器油平均溫度可以很好地反映出變壓器內(nèi)部整體溫度水平，且適合熱路模型的傳熱規(guī)律；②平均油溫是變壓器出廠溫升試驗中必須測量的環(huán)節(jié)，加設(shè)這個參數(shù)利于熱路模型中熱阻的求?。虎劾闷骄蜏乜梢郧蠼庾儔浩饔驮谟凸芗吧崞髦猩釤嶙璧那笕?；④平均油溫在試驗條件下較為接近變壓器箱體表面溫度，可以利用此參數(shù)求解變壓器箱體的散熱熱阻等變量?；谧儔浩饔推骄鶞囟鹊臒崧纺Ｐ腿鐖D2所示。

2.3 熱路模型準確性校驗

（1）本熱路模型計算值與GB1094.7負載導(dǎo)則所計算熱點溫度的對比

GB 1094.7《油浸式電力變壓器負載導(dǎo)則》中關(guān)于熱點溫度提供了兩種計算方法，分別是指數(shù)方程法和微分方程法，依照某變壓器廠提供的一臺240MVA/220kV電力變壓器的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，將使用本模型計算的熱點溫度和利用導(dǎo)則提供的兩種算法計算的熱點溫度進行對比，如圖3所示。

圖2 基于變壓器平均油溫計算熱點溫度熱路模型

從圖3中可知，當負載系數(shù)為1時，三種方法計算出的穩(wěn)態(tài)熱點溫度大致相同，但時間常數(shù)各不相同，熱路模型溫度上升更加緩慢；而當負載系數(shù)增大變?yōu)?.5時，熱路模型計算出的熱點溫度則較導(dǎo)則提供的兩種算法低很多，這是由于導(dǎo)則提供的算法相對來說并不是非常精確，而熱路模型考慮了油粘度隨溫度變化等情況，當負載值大于額定時，考慮油粘度時所計算出的溫度值低于不考慮油粘度影響的溫度值，所以本模型計算出來的溫度會比導(dǎo)則計算的低一些，對于時間常數(shù)有類似的道理。

圖3 熱路模型在不同方法下熱點溫度對比圖

（2）本熱路模型計算值與變壓器實際計算值進行對比

本次實驗采用某公司810032#變壓器（ONAN/AF），其電壓等級為230kV，額定容量為75MVA，使用這臺變壓器，在剛開始時所有的冷卻器都是關(guān)閉的，相當于運行在AN方式下，為了快速加熱，初始負荷為1.1倍額定負荷，在160分鐘后冷卻器被全部打開，相當于運行在AF方式下，此過程都可以通過熱路模型來進行模擬比較，比對出來的結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可知，在160min前所有風扇都是關(guān)閉的，之后所有風扇被開啟。通過比對，實際測量的變壓器溫升值與熱路模型算法計算出來的值非常接近，只是在預(yù)熱的過程中偏差相對比較大一點，偏差約為2.8K，在160min后，實際測量溫升值與計算出來的值很相近。在這個預(yù)熱過程中，變壓器負荷為AN冷卻條件負荷的兩倍左右，計算與實測的一致也驗證了模型在變壓器過負荷下溫度計算具有很好的精度。

（3）校驗結(jié)果分析

通過與變壓器實測數(shù)據(jù)進行對比，基于平均油溫計算熱點溫度的熱路模型的精確性得到了驗證，由于在模型中加入了多種修正，且對變壓器外部散熱熱阻做出了大量的切合實際的處理，所以本模型的精確性應(yīng)屬于同類方法中最高的。

圖4 熱路學(xué)模型與#810032溫升數(shù)據(jù)比對圖

3 變壓器負荷智能增容的風險評估

變壓器負荷智能增容風險評估的前提條件是分析變壓器過負荷能力，在過負荷能夠容忍的條件下運行，結(jié)合變壓器當前運行狀態(tài)、變壓器冷卻器運行等情況來分析變壓器負荷智能增容的風險程度，

根據(jù)GB 1094.7電力變壓器負載導(dǎo)則，變壓器負荷智能增容時內(nèi)部溫度值必須設(shè)定一個限定值，來確保變壓器在安全可靠的環(huán)境下運行，取導(dǎo)則中對超負荷運行要求的最低溫度進行限值：頂油溫度105℃、熱點溫度140℃作為變壓器智能增容的限定溫度值，另外，如前所述，基于變壓器內(nèi)部容易出現(xiàn)過熱劣化的現(xiàn)象，所以采用了“線-油溫差”這個參數(shù)，一般設(shè)為30℃。

而后通過微氣象實時測量來得到環(huán)境溫度、風速、太陽光輻射強度的數(shù)據(jù)，并經(jīng)算法模型模擬出基于實際變壓器運行工況下的頂油溫度、熱點溫度和“線-油溫差”值，并于規(guī)定的三個限定值進行對比，即可實現(xiàn)對變壓器負荷智能增容的運行能力進行有效評估，這就是變壓器負荷智能增容技術(shù)的核心思想。

4 后臺系統(tǒng)單元

后臺系統(tǒng)單元層主要經(jīng)由電力系統(tǒng)專網(wǎng)完成與智能處理單元軟件進行數(shù)據(jù)交互，采集得到智能處理單元輸出的負荷智能增容能力，并將其寫入后臺數(shù)據(jù)庫中，通信接口遵循IEC61850標準。后臺系統(tǒng)單元并為電力專網(wǎng)內(nèi)的用戶提供Web訪問服務(wù)，遠端的用戶經(jīng)過授權(quán)后可以對該平臺進行分級訪問。該模塊還提供Web Service接口服務(wù)，PMS系統(tǒng)可通過此接口獲取變壓器負荷智能增容能力的輸出信息，供生產(chǎn)和調(diào)度部門使用。后臺系統(tǒng)平臺架構(gòu)如圖5所示。

后臺系統(tǒng)單元還可以擴展成對區(qū)域性電力系統(tǒng)進行統(tǒng)計分析，通過遠程數(shù)據(jù)管理中心與智能處理單元進行通訊，讀取每個智能處理單元的當前計算分析結(jié)果與狀態(tài)分析歷史信息，并繪制部分數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢，為更高層次的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持?？蛇M行多種應(yīng)用目的的查詢、排序、統(tǒng)計等操作需求，采用數(shù)據(jù)值上限報警和趨勢圖分析報警機制。

圖5 后臺系統(tǒng)平臺架構(gòu)

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過對環(huán)境、負載因素的實時測量，并基于熱路模型計算出的變壓器內(nèi)部溫度值，可實現(xiàn)對運行中變壓器的在線監(jiān)測，不但可以為調(diào)度部門提供增加線路輸送容量的依據(jù)，而且能準確地規(guī)避增容過程中可能遇到的危險，使之能最大限度地滿足居民、工廠的用電需求。

本系統(tǒng)提供了實時過負荷分析以及變壓器運行中實時狀態(tài)評估，加強了變壓器過負荷運行的安全性。系統(tǒng)采用智能組件柜的方式實現(xiàn)了同一監(jiān)測平臺上對變電設(shè)備多個參量在線監(jiān)測與信號的預(yù)處理，采用IEC61850標準通信協(xié)議使通信更具靈活性和可操作性。采用電熱路模型，提高了在暫態(tài)條件下變壓器繞組熱點溫度計算的準確性。從多個方面對變壓器運行狀態(tài)進行評估與核算，確保變壓器在過負荷條件下運行的可靠性。

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