國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司 陳奎

國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 周志強(qiáng) 唐睿

上海海能信息科技有限公司 艾雷鳴

0 引言

近年來(lái)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型與發(fā)展，部分地區(qū)供電能力的發(fā)展與實(shí)際需求的增長(zhǎng)之間的矛盾日漸顯現(xiàn)。為積極應(yīng)對(duì)這一局面，國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)已推廣采用了提高運(yùn)行溫度、短時(shí)動(dòng)態(tài)增容、新型耐熱線路等多項(xiàng)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(lái)與線路輸送能力相匹配。在取得一定效果的同時(shí)，大量變電設(shè)備未達(dá)到設(shè)計(jì)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(shí)運(yùn)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(dá)到設(shè)備負(fù)荷智能增容的效果，不僅對(duì)提高供電可靠性、緩解電力建設(shè)壓力，而且對(duì)提高資產(chǎn)利用水平具有重大意義。

變壓器負(fù)荷智能增容技術(shù)即通過控制變壓器內(nèi)部的熱點(diǎn)溫度來(lái)提高變壓器的負(fù)荷運(yùn)行能力。變壓器負(fù)荷智能增容的目的是要保證變壓器在安全可靠運(yùn)行的前提下來(lái)增大變壓器的運(yùn)行負(fù)荷以滿足用戶端用電量的需求，在變壓器出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況時(shí)做到提前報(bào)警。這對(duì)電力系統(tǒng)內(nèi)電力變壓器的負(fù)荷分配是非常重要的，同時(shí)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(jì)，以實(shí)時(shí)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(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體框架

變壓器負(fù)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(tái)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(lái)采集變壓器周邊的環(huán)境溫度、太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度、風(fēng)速等信息；變壓器油溫采集模塊主要是用來(lái)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(lái)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(lái)控制變壓器的冷卻器的智能切投。上述各個(gè)模塊都是通過RS485與數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)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(lái)跟數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)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(duì)變壓器過負(fù)荷運(yùn)行的極限工況以及過負(fù)荷后的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，得到不同過負(fù)荷情況下變壓器能夠持續(xù)運(yùn)行的時(shí)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(tái)系統(tǒng)單元的數(shù)據(jù)服務(wù)器。

智能處理單元的實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)通過電力專網(wǎng)與后臺(tái)系統(tǒng)單元的數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行交互，后臺(tái)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(yuǎn)程訪問查看。

2 變壓器熱路模型分析

熱路模型計(jì)算法，即從傳熱學(xué)的角度用電路模型簡(jiǎn)化變壓器內(nèi)傳熱過程，將變壓器內(nèi)熱傳導(dǎo)過程簡(jiǎn)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(jì)算變壓器熱點(diǎn)溫度的計(jì)算公式。熱路模型算法計(jì)算過程較為簡(jiǎn)單，對(duì)變量需求較少，如果算法模型建立的比較完善，計(jì)算出來(lái)的結(jié)果也是會(huì)相當(dāng)準(zhǔn)確的。

2.1 熱路模型算法的理論依據(jù)

由于電場(chǎng)分布與熱場(chǎng)分布均滿足泊松方程，因此熱場(chǎng)與電場(chǎng)有許多相似之處，可以建立它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而用熟悉的電場(chǎng)量來(lái)分析計(jì)算熱場(chǎng)。描述內(nèi)無(wú)熱源導(dǎo)熱體中穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱現(xiàn)象的溫度場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)的各種物理變量跟恒定電流場(chǎng)是對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且電流場(chǎng)的屬性和熱流場(chǎng)的屬性具有相似性。例如，熱流場(chǎng)中的等溫面與電流場(chǎng)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(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，與之相似，熱流線與等溫面正交，表示該點(diǎn)的熱流方向及大小。

而對(duì)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(gè)物理形式相同的微分方程，只要兩個(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 熱電類比法各參量對(duì)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?yàn)椋孩僮儔浩饔推骄鶞囟瓤梢院芎玫胤从吵鲎儔浩鲀?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(yàn)中必須測(cè)量的環(huán)節(jié)，加設(shè)這個(gè)參數(shù)利于熱路模型中熱阻的求??；③利用平均油溫可以求解變壓器油在油管及散熱器中散熱熱阻的求??；④平均油溫在試驗(yàn)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(zhǔn)確性校驗(yàn)

（1）本熱路模型計(jì)算值與GB1094.7負(fù)載導(dǎo)則所計(jì)算熱點(diǎn)溫度的對(duì)比

GB 1094.7《油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》中關(guān)于熱點(diǎn)溫度提供了兩種計(jì)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(tái)240MVA/220kV電力變壓器的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，將使用本模型計(jì)算的熱點(diǎn)溫度和利用導(dǎo)則提供的兩種算法計(jì)算的熱點(diǎn)溫度進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖2 基于變壓器平均油溫計(jì)算熱點(diǎn)溫度熱路模型

從圖3中可知，當(dāng)負(fù)載系數(shù)為1時(shí)，三種方法計(jì)算出的穩(wěn)態(tài)熱點(diǎn)溫度大致相同，但時(shí)間常數(shù)各不相同，熱路模型溫度上升更加緩慢；而當(dāng)負(fù)載系數(shù)增大變?yōu)?.5時(shí)，熱路模型計(jì)算出的熱點(diǎn)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(duì)來(lái)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(dāng)負(fù)載值大于額定時(shí)，考慮油粘度時(shí)所計(jì)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(jì)算出來(lái)的溫度會(huì)比導(dǎo)則計(jì)算的低一些，對(duì)于時(shí)間常數(shù)有類似的道理。

圖3 熱路模型在不同方法下熱點(diǎn)溫度對(duì)比圖

（2）本熱路模型計(jì)算值與變壓器實(shí)際計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比

本次實(shí)驗(yàn)采用某公司810032#變壓器（ONAN/AF），其電壓等級(jí)為230kV，額定容量為75MVA，使用這臺(tái)變壓器，在剛開始時(shí)所有的冷卻器都是關(guān)閉的，相當(dāng)于運(yùn)行在AN方式下，為了快速加熱，初始負(fù)荷為1.1倍額定負(fù)荷，在160分鐘后冷卻器被全部打開，相當(dāng)于運(yùn)行在AF方式下，此過程都可以通過熱路模型來(lái)進(jìn)行模擬比較，比對(duì)出來(lái)的結(jié)果如圖4所示。

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

（3）校驗(yàn)結(jié)果分析

通過與變壓器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，基于平均油溫計(jì)算熱點(diǎn)溫度的熱路模型的精確性得到了驗(yàn)證，由于在模型中加入了多種修正，且對(duì)變壓器外部散熱熱阻做出了大量的切合實(shí)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(duì)圖

3 變壓器負(fù)荷智能增容的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

變壓器負(fù)荷智能增容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的前提條件是分析變壓器過負(fù)荷能力，在過負(fù)荷能夠容忍的條件下運(yùn)行，結(jié)合變壓器當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、變壓器冷卻器運(yùn)行等情況來(lái)分析變壓器負(fù)荷智能增容的風(fēng)險(xiǎn)程度，

根據(jù)GB 1094.7電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則，變壓器負(fù)荷智能增容時(shí)內(nèi)部溫度值必須設(shè)定一個(gè)限定值，來(lái)確保變壓器在安全可靠的環(huán)境下運(yùn)行，取導(dǎo)則中對(duì)超負(fù)荷運(yùn)行要求的最低溫度進(jìn)行限值：頂油溫度105℃、熱點(diǎn)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(gè)參數(shù)，一般設(shè)為30℃。

而后通過微氣象實(shí)時(shí)測(cè)量來(lái)得到環(huán)境溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，并經(jīng)算法模型模擬出基于實(shí)際變壓器運(yùn)行工況下的頂油溫度、熱點(diǎn)溫度和“線-油溫差”值，并于規(guī)定的三個(gè)限定值進(jìn)行對(duì)比，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器負(fù)荷智能增容的運(yùn)行能力進(jìn)行有效評(píng)估，這就是變壓器負(fù)荷智能增容技術(shù)的核心思想。

4 后臺(tái)系統(tǒng)單元

后臺(tái)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采集得到智能處理單元輸出的負(fù)荷智能增容能力，并將其寫入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，通信接口遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。后臺(tái)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(yuǎn)端的用戶經(jīng)過授權(quán)后可以對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行分級(jí)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(fù)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(tái)系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)如圖5所示。

后臺(tái)系統(tǒng)單元還可以擴(kuò)展成對(duì)區(qū)域性電力系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心與智能處理單元進(jìn)行通訊，讀取每個(gè)智能處理單元的當(dāng)前計(jì)算分析結(jié)果與狀態(tài)分析歷史信息，并繪制部分?jǐn)?shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)，為更高層次的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持?？蛇M(jìn)行多種應(yīng)用目的的查詢、排序、統(tǒng)計(jì)等操作需求，采用數(shù)據(jù)值上限報(bào)警和趨勢(shì)圖分析報(bào)警機(jī)制。

圖5 后臺(tái)系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)通過對(duì)環(huán)境、負(fù)載因素的實(shí)時(shí)測(cè)量，并基于熱路模型計(jì)算出的變壓器內(nèi)部溫度值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行中變壓器的在線監(jiān)測(cè)，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(zhǔn)確地規(guī)避增容過程中可能遇到的危險(xiǎn)，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(shí)時(shí)過負(fù)荷分析以及變壓器運(yùn)行中實(shí)時(shí)狀態(tài)評(píng)估，加強(qiáng)了變壓器過負(fù)荷運(yùn)行的安全性。系統(tǒng)采用智能組件柜的方式實(shí)現(xiàn)了同一監(jiān)測(cè)平臺(tái)上對(duì)變電設(shè)備多個(gè)參量在線監(jiān)測(cè)與信號(hào)的預(yù)處理，采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)溫度計(jì)算的準(zhǔn)確性。從多個(gè)方面對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估與核算，確保變壓器在過負(fù)荷條件下運(yùn)行的可靠性。

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