本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)變壓器領域，尤其是一種考慮變壓器油非線性時間常數(shù)的頂層油溫熱模型。
背景技術：
：大型變壓器是電力系統(tǒng)的核心設備，其運行狀態(tài)直接關系到整個電力系統(tǒng)的運行安全。隨著超特高壓輸變電技術的迅速發(fā)展，電網(wǎng)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(wǎng)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(fā)生過熱燒損事故，即使不發(fā)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占很大的比重，因此，對變壓器進行準確的動態(tài)評估，及時發(fā)現(xiàn)過熱故障，并準確分析故障的性質(zhì)，迅速處理和排除變壓器的過熱性故障，對生產(chǎn)運行單位尤為重要?，F(xiàn)有的變壓器負載能力評估方法沒有從本質(zhì)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(tài)響應能力非常不足，尤其在負荷突變和冷卻系統(tǒng)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(shù)進行靜態(tài)計算，而無法在變化的環(huán)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(xù)的計算?；诖?，本發(fā)明建立一種考慮變壓器油的時間常數(shù)隨溫度變化的頂層油溫熱模型，實時計算在環(huán)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(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種考慮變壓器油非線性時間常數(shù)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(huán)境溫度、冷卻器開關的動態(tài)響應，具有更加準確的計算精度，能夠為變壓器的動態(tài)增容提供參考。本發(fā)明的目的可以通過如下技術方案實現(xiàn)：一種考慮變壓器油非線性時間常數(shù)的頂層油溫熱模型，該模型的構(gòu)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，變壓器油的熱容占據(jù)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(lián)的倍數(shù)，b代表與溫差關聯(lián)的指數(shù)，a和b都是需要優(yōu)化的參數(shù)；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(shù)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(shù)τt引入b.c.lesieutre改進的ieee變壓器頂層油溫模型，重新構(gòu)建考慮了變壓器油的非線性時間常數(shù)的頂層油溫熱模型，構(gòu)建后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(huán)境溫度θa之差的非線性函數(shù)，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(jīng)驗指數(shù)，變壓器的冷卻方式不同，n的取值不同。優(yōu)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(tài)。優(yōu)選地，步驟1)中變壓器油的熱容隨溫度變化的范圍很小，故將變壓器油的熱容看作為一個常數(shù)。優(yōu)選地，步驟2)中的參數(shù)a與參數(shù)b，以及步驟3)中的參數(shù)c和步驟4)中的參數(shù)δθt,r與參數(shù)k都采用遺傳算法來進行優(yōu)化處理，目標函數(shù)用模型輸出的頂層油溫與實際監(jiān)測的頂層油溫的均方誤差，如下所示：其中n為樣本數(shù)量，θt(k)和θt'(k)分別表示變壓器某一時刻監(jiān)測的頂層油溫和本頂層油溫熱模型輸出的頂層油溫。優(yōu)選地，b.c.lesieutre改進的ieee變壓器頂層油溫模型考慮了環(huán)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(shù)，θt是變壓器的頂層油溫，θa是環(huán)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(jīng)驗指數(shù)。優(yōu)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(jīng)驗指數(shù)、在線監(jiān)測的連續(xù)時間序列的環(huán)境溫度、負荷電流標幺值以及變壓器頂層油溫。優(yōu)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(yōu)選地，所述頂層油溫熱模型需要連續(xù)求解時間序列的輸入量，使用了matlab進行求解。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：1、本發(fā)明利用實際監(jiān)測得到的變壓器的頂層油溫、環(huán)境溫度、負荷等數(shù)據(jù)，構(gòu)建變壓器熱模型，具有較好的計算準確度。2、本發(fā)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(shù)，使變壓器的頂層油溫能夠更好地動態(tài)響應負荷電流以及外界環(huán)境溫度的變化。3、本發(fā)明考慮到了冷卻器開和關時變壓器油散熱的巨大差異，采用不同的參數(shù)來構(gòu)建熱模型，從而使模型具備適應冷卻器開關動態(tài)切換的能力。4、本發(fā)明所構(gòu)建模型中的相關參數(shù)采用遺傳算法來進行優(yōu)化，避免了對變壓器出廠溫升試驗數(shù)據(jù)地過度依賴，具有較高的推廣性。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例的3月1日某變壓器冷卻器關時頂層油溫監(jiān)測值和模型輸出頂層油溫對比圖。圖2為本發(fā)明實施例的6月1日某變壓器冷卻器關時頂層油溫監(jiān)測值和模型輸出頂層油溫對比圖。圖3為本發(fā)明實施例的9月1日某變壓器冷卻器關時頂層油溫監(jiān)測值和模型輸出頂層油溫對比圖。圖4為本發(fā)明實施例的12月1日某變壓器冷卻器關時頂層油溫監(jiān)測值和模型輸出頂層油溫對比圖。圖5為本發(fā)明實施例的8月20日某變壓器冷卻器開時頂層油溫監(jiān)測值和模型輸出頂層油溫對比圖。圖6為本發(fā)明實施例的12月5日某變壓器冷卻器關時頂層油溫監(jiān)測值和模型輸出頂層油溫對比圖。圖7為本發(fā)明實施例的某變壓器冷卻器開關動態(tài)切換時頂層油溫監(jiān)測值和模型輸出頂層油溫對比圖。具體實施方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。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(jiān)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(jiān)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范圍內(nèi)，冷卻器開關動態(tài)切換時頂層油溫監(jiān)測值和模型輸出頂層油溫對比。這些對比都是基于本發(fā)明的頂層油溫熱模型計算得出，本發(fā)明提出的一種考慮變壓器油非線性時間常數(shù)的頂層油溫熱模型構(gòu)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，變壓器油的熱容占據(jù)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(lián)的倍數(shù)，b代表與溫差關聯(lián)的指數(shù)，a和b都是需要優(yōu)化的參數(shù)；3)將本模型中的變壓器油的非線性時間常數(shù)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(shù)τt引入b.c.lesieutre改進的ieee變壓器頂層油溫模型，重新構(gòu)建考慮了變壓器油的非線性時間常數(shù)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(huán)境溫度θa之差的非線性函數(shù)，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(jīng)驗指數(shù)，變壓器的冷卻方式不同，n的取值不同。由于遺傳算法具有較好的全局搜索能力，步驟2)中的參數(shù)a與參數(shù)b，以及步驟3)中的參數(shù)c和步驟4)中的參數(shù)δθt,r與參數(shù)k都采用遺傳算法來進行優(yōu)化處理，目標函數(shù)用模型輸出的頂層油溫與實際監(jiān)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(shù)量，θt(k)和θt'(k)分別表示變壓器某一時刻監(jiān)測的頂層油溫和本模型輸出的頂層油溫。下面對本發(fā)明的考慮變壓器油非線性時間常數(shù)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(jīng)驗指數(shù)以及在線監(jiān)測的連續(xù)時間序列的環(huán)境溫度、負荷電流(標幺值)、變壓器頂層油溫，其中環(huán)境溫度、負荷電流(標幺值)、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(tài)的不同，模型包含兩套參數(shù)，分別是用遺傳算法從變壓器冷卻器開和關這種狀態(tài)下的監(jiān)測數(shù)據(jù)中優(yōu)化而來，以使得頂層油溫與實際監(jiān)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(shù)。上述實施例中的變壓器的主要銘牌信息見表1，優(yōu)化所得熱模型參數(shù)見表2，經(jīng)分析可得結(jié)論：熱模型在onan(oilnaturalairnatural)狀態(tài)或者ofaf(oilforcedairforced)狀態(tài)都具有良好的仿真精度，mse誤差在1.2-1.8之間，對于冷卻器正常切換的場景，熱模型也能很好地動態(tài)反映。表1變壓器的主要銘牌信息類型數(shù)值高壓側(cè)/低壓側(cè)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(shù)冷卻器abckδθt,rsslmaxonan3.24280.33152245.403449.66861.1328ofaf13.93110.31083461.594925.71031.1837以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的實施例，但本發(fā)明專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術領域：
的技術人員在本發(fā)明專利所公開的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明專利的技術方案及其發(fā)明專利構(gòu)思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明專利的保護范圍。當前第1頁12