国网辽宁省电力有限公司检修分公司 陈奎

国网辽宁省电力有限公司 周志强 唐睿

上海海能信息科技有限公司 艾雷鸣

0 引言

近年来随着国民经济的转型与发展，部分地区供电能力的发展与实际需求的增长之间的矛盾日渐显现。为积极应对这一局面，国网系统内已推广采用了提高运行温度、短时动态增容、新型耐热线路等多项技术，极大地提高了线路的输电能力，与之配套的变电站内设备（断路器、隔离开关、电流互感器等）普遍采取了技术改造，即通过整体更换的方式来与线路输送能力相匹配。在取得一定效果的同时，大量变电设备未达到设计年限而提前退役，新增了改造工程的投资，造成了资产的利用效率下降，同时运行变电站的改造又不可避免地影响到供电可靠性。因此，如何合理地充分利用变电设备的潜力，达到设备负荷智能增容的效果，不仅对提高供电可靠性、缓解电力建设压力，而且对提高资产利用水平具有重大意义。

变压器负荷智能增容技术即通过控制变压器内部的热点温度来提高变压器的负荷运行能力。变压器负荷智能增容的目的是要保证变压器在安全可靠运行的前提下来增大变压器的运行负荷以满足用户端用电量的需求，在变压器出现危险状况时做到提前报警。这对电力系统内电力变压器的负荷分配是非常重要的，同时可为电力系统内调度部门提供技术支持。

本文主要论述系统的总体框架设计，以实时分析的变压器热路模型为中心，阐述数据信息的采集、传输、处理与分析、结果展示等功能模块的结构和特点。

1 系统总体框架

变压器负荷智能增容系统从架构上分为三大单元，分别为数据采集单元、智能处理单元、后台系统单元，系统框架如图1所示。

图1 系统总体框架

数据处理单元主要由微气象数据采集模块、变压器油温采集模块、变压器电压电流采集模块、冷却器控制模块等组成。其中，微气象数据采集模块主要是用来采集变压器周边的环境温度、太阳光辐射强度、风速等信息；变压器油温采集模块主要是用来采集变压器的顶层油温、变压器上油口和下油口温度；变压器电压电流采集模块主要是用来采集变压器的高中低压侧电压和电流等信息；冷却器控制模块主要是用来控制变压器的冷却器的智能切投。上述各个模块都是通过RS485与数据处理单元进行数据通信。

智能处理单元采用高速ARM处理器组成的芯片组并通过IEC104/Modbus协议来跟数据处理单元进行通信，智能处理单元内嵌入变压器电热路分析模型和算法，对变压器过负荷运行的极限工况以及过负荷后的运行风险进行评估，得到不同过负荷情况下变压器能够持续运行的时间等分析结果，并通过电力系统专网采用IEC61850协议传送至后台系统单元的数据服务器。

智能处理单元的实时分析数据通过电力专网与后台系统单元的数据服务器进行交互，后台系统单元还提供Web服务，电力专网用户经授权后可以通过浏览器远程访问查看。

2 变压器热路模型分析

热路模型计算法，即从传热学的角度用电路模型简化变压器内传热过程，将变压器内热传导过程简化为电路模型，这种方法可得到直接反映物理过程的热路模型并得到计算变压器热点温度的计算公式。热路模型算法计算过程较为简单，对变量需求较少，如果算法模型建立的比较完善，计算出来的结果也是会相当准确的。

2.1 热路模型算法的理论依据

由于电场分布与热场分布均满足泊松方程，因此热场与电场有许多相似之处，可以建立它们之间的对应关系，进而用熟悉的电场量来分析计算热场。描述内无热源导热体中稳态导热现象的温度场和热流密度的方程为：

式中，T为温度，q为热流密度，λ为导热系数。

而描述导电体中恒定电场和电流密度的方程则为：

式中，U为电压，j为电流密度，γ为电导率。

对比式（1）到（4），可知两者公式完全相同，且各参量也比较类似，它就是用电压看做温度T、用电流密度j看做热流密度q、用电导率看做导热系数。从而可知，热流场的各种物理变量跟恒定电流场是对应关系，并且电流场的属性和热流场的属性具有相似性。例如，热流场中的等温面与电流场中的等位面相似，它是单值、连续的。电力线与等位面正交，表示该点的电场强度，与之相似，热流线与等温面正交，表示该点的热流方向及大小。

而对于不是稳态的电热模拟，性质类似，就是用电容C看做热容ρc。根据热电类比理论，若描述两个物理形式相同的微分方程，只要两个载体的几何形状和边界条件相似，则两者方程的解析解可以完全通用，这就是热路模型法应用的基本理论依据。热电类比法中参量的定义及对应关系如表1所示。

表1 热电类比法各参量对比

2.2 热路模型的建立

新的电路学模型采用变压器油平均温度作为参考量。这是因为：①变压器油平均温度可以很好地反映出变压器内部整体温度水平，且适合热路模型的传热规律；②平均油温是变压器出厂温升试验中必须测量的环节，加设这个参数利于热路模型中热阻的求取；③利用平均油温可以求解变压器油在油管及散热器中散热热阻的求取；④平均油温在试验条件下较为接近变压器箱体表面温度，可以利用此参数求解变压器箱体的散热热阻等变量。基于变压器油平均温度的热路模型如图2所示。

2.3 热路模型准确性校验

（1）本热路模型计算值与GB1094.7负载导则所计算热点温度的对比

GB 1094.7《油浸式电力变压器负载导则》中关于热点温度提供了两种计算方法，分别是指数方程法和微分方程法，依照某变压器厂提供的一台240MVA/220kV电力变压器的结构数据，将使用本模型计算的热点温度和利用导则提供的两种算法计算的热点温度进行对比，如图3所示。

图2 基于变压器平均油温计算热点温度热路模型

从图3中可知，当负载系数为1时，三种方法计算出的稳态热点温度大致相同，但时间常数各不相同，热路模型温度上升更加缓慢；而当负载系数增大变为1.5时，热路模型计算出的热点温度则较导则提供的两种算法低很多，这是由于导则提供的算法相对来说并不是非常精确，而热路模型考虑了油粘度随温度变化等情况，当负载值大于额定时，考虑油粘度时所计算出的温度值低于不考虑油粘度影响的温度值，所以本模型计算出来的温度会比导则计算的低一些，对于时间常数有类似的道理。

图3 热路模型在不同方法下热点温度对比图

（2）本热路模型计算值与变压器实际计算值进行对比

本次实验采用某公司810032#变压器（ONAN/AF），其电压等级为230kV，额定容量为75MVA，使用这台变压器，在刚开始时所有的冷却器都是关闭的，相当于运行在AN方式下，为了快速加热，初始负荷为1.1倍额定负荷，在160分钟后冷却器被全部打开，相当于运行在AF方式下，此过程都可以通过热路模型来进行模拟比较，比对出来的结果如图4所示。

从图4中可知，在160min前所有风扇都是关闭的，之后所有风扇被开启。通过比对，实际测量的变压器温升值与热路模型算法计算出来的值非常接近，只是在预热的过程中偏差相对比较大一点，偏差约为2.8K，在160min后，实际测量温升值与计算出来的值很相近。在这个预热过程中，变压器负荷为AN冷却条件负荷的两倍左右，计算与实测的一致也验证了模型在变压器过负荷下温度计算具有很好的精度。

（3）校验结果分析

通过与变压器实测数据进行对比，基于平均油温计算热点温度的热路模型的精确性得到了验证，由于在模型中加入了多种修正，且对变压器外部散热热阻做出了大量的切合实际的处理，所以本模型的精确性应属于同类方法中最高的。

图4 热路学模型与#810032温升数据比对图

3 变压器负荷智能增容的风险评估

变压器负荷智能增容风险评估的前提条件是分析变压器过负荷能力，在过负荷能够容忍的条件下运行，结合变压器当前运行状态、变压器冷却器运行等情况来分析变压器负荷智能增容的风险程度，

根据GB 1094.7电力变压器负载导则，变压器负荷智能增容时内部温度值必须设定一个限定值，来确保变压器在安全可靠的环境下运行，取导则中对超负荷运行要求的最低温度进行限值：顶油温度105℃、热点温度140℃作为变压器智能增容的限定温度值，另外，如前所述，基于变压器内部容易出现过热劣化的现象，所以采用了“线-油温差”这个参数，一般设为30℃。

而后通过微气象实时测量来得到环境温度、风速、太阳光辐射强度的数据，并经算法模型模拟出基于实际变压器运行工况下的顶油温度、热点温度和“线-油温差”值，并于规定的三个限定值进行对比，即可实现对变压器负荷智能增容的运行能力进行有效评估，这就是变压器负荷智能增容技术的核心思想。

4 后台系统单元

后台系统单元层主要经由电力系统专网完成与智能处理单元软件进行数据交互，采集得到智能处理单元输出的负荷智能增容能力，并将其写入后台数据库中，通信接口遵循IEC61850标准。后台系统单元并为电力专网内的用户提供Web访问服务，远端的用户经过授权后可以对该平台进行分级访问。该模块还提供Web Service接口服务，PMS系统可通过此接口获取变压器负荷智能增容能力的输出信息，供生产和调度部门使用。后台系统平台架构如图5所示。

后台系统单元还可以扩展成对区域性电力系统进行统计分析，通过远程数据管理中心与智能处理单元进行通讯，读取每个智能处理单元的当前计算分析结果与状态分析历史信息，并绘制部分数据的发展趋势，为更高层次的应用提供数据支持。可进行多种应用目的的查询、排序、统计等操作需求，采用数据值上限报警和趋势图分析报警机制。

图5 后台系统平台架构

5 结束语

本系统通过对环境、负载因素的实时测量，并基于热路模型计算出的变压器内部温度值，可实现对运行中变压器的在线监测，不但可以为调度部门提供增加线路输送容量的依据，而且能准确地规避增容过程中可能遇到的危险，使之能最大限度地满足居民、工厂的用电需求。

本系统提供了实时过负荷分析以及变压器运行中实时状态评估，加强了变压器过负荷运行的安全性。系统采用智能组件柜的方式实现了同一监测平台上对变电设备多个参量在线监测与信号的预处理，采用IEC61850标准通信协议使通信更具灵活性和可操作性。采用电热路模型，提高了在暂态条件下变压器绕组热点温度计算的准确性。从多个方面对变压器运行状态进行评估与核算，确保变压器在过负荷条件下运行的可靠性。

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