技术领域
[0001] 本发明涉及电力变压器状态评估及安全保护控制技术领域，具体涉及一种基于多指标量化过载安全的变压器主动保护方法及系统。
相关背景技术
[0002] 随着新能源发电装机容量与占比飞速提升，构建以新能源为主力电源之一的新型电力系统成为发展目标。新能源并网变压器是一种特殊的变压器，它主要用于新能源领域，如光伏和风电并网系统，以实现新能源的并网和电能的高效转换。新能源并网变压器在新能源系统中起着至关重要的作用，能够有效地转换和传输信号，确保系统的高效运行。但由于新能源开发周期远小于电网建设周期，极大限制了新能源集群的电力外送。新能源场站升压变压器过载，不得不限制新能源出力，大量弃风弃光等问题突出。
[0003] 目前，对于并网变压器过载安全问题，通常采用的保护方法是快速闭锁后备保护，由稳控装置实施切机、切负荷等紧急控制措施来消除过负荷。但是，该保护方法尚无法实时获取并网变压器的过载安全承受能力及其变化趋势的准确信息，无法准确把握并网变压器当前状态偏离安全临界值的程度与趋势，以及判断变压器的安全耐受时间。同时，对新能源并网变压器的高不确定和随机性功率影响考虑不够深入，仅以单一确定的指标确定性方法表征过载安全，并未考虑新能源机组出力、负荷不确定性以及环境温度变化对变压器过载运行带来的影响。这样，会影响变压器过载安全评估结果的合理性，缺乏多维度不确定概率等方式量化并网变压器过载安全及运行风险，从而导致无法准确地在变压器过载的情况下对变压器进行保护。
具体实施方式
[0047] 下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
[0048] 目前，对于并网变压器过载安全问题，通常采用的保护方法是快速闭锁后备保护，由稳控装置实施切机、切负荷等紧急控制措施来消除过负荷。但是，该保护方法尚无法实时获取并网变压器的过载安全承受能力及其变化趋势的准确信息，无法准确把握并网变压器当前状态偏离安全临界值的程度与趋势，以及判断变压器的安全耐受时间。同时，对新能源并网变压器的高不确定和随机性功率影响考虑不够深入，仅以单一确定的指标确定性方法表征过载安全，并未考虑新能源机组出力、负荷不确定性以及环境温度变化对变压器过载运行带来的影响。这样，会影响变压器过载安全评估结果的合理性，缺乏多维度不确定概率等方式量化并网变压器过载安全及运行风险，从而导致无法准确地在变压器过载的情况下对变压器进行保护。
[0049] 为了解决上述问题，本申请实施例提供一种基于多指标量化过载安全的变压器主动保护方法及系统，该方法可以应用于新能源并网系统中的新能源并网变压器。具体的，该方法通过实时评估变压器的变压器运行温度、故障率、绝缘劣化概率和绝缘失效概率评估等多维度量化变压器的过载安全和运行风险，可以通过与新能源调度控制中心及变压器断路器的相互协调配合，准确把握变压器在“重载状态”到“过载状态”再到“耐受极限状态”的演变趋势。在保证过载安全的前提下，实现变压器的过载能力和输电能力的主动提升，保障新能源并网系统的安全稳定运行。因此，能够有效地提高在变压器过载的情况下对变压器进安全行保护的准确性。
[0050] 下面结合附图，对本申请实施例提供的方案进行介绍。
[0051] 具体的，参见图1，为本发明实施例提供的一种基于多指标量化过载安全的变压器主动保护方法的流程示意图，如图1所示，本发明提供的基于多指标量化过载安全的变压器主动保护方法包括以下步骤S101‑S111：
[0052] S101、获取目标变压器的额定参数，并确定目标变压器的长期允许运行电流值和最高允许运行温度。
[0053] 具体的，目标变压器可以为待保护的新能源并网变压器。其中，额定参数可以用于表征目标变压器的规格和性能。例如，额定参数可以为目标变压器的铭牌规格等参数。
[0054] 在一种实现方式中，目标变压器的长期允许运行电流值和最高允许运行温度可以根据目标变压器的型号以及目标变压器所在场站(例如：新能源场站)的运维要求确定得到。
[0055] S102、监测目标变压器的运行状态，获取目标变压器的电流监测值和气象环境参数监测值。
[0056] 具体的，实时监测目标变压器的运行状态。在一种实现方式中，可以基于监测单元实时采集并记录目标变压器的电流监测值。还可以基于目标变压器的微气象环境及非电量在线监测单元采集并记录目标变压器的气象环境参数监测值。
[0057] 其中，气象环境参数监测值可以包括：变压器环境温度、变压器稳态运行顶层油温和变压器稳态运行热点温度。电流监测值和气象环境参数监测值可以用于对目标变压器的过载安全进行量化评估。
[0058] S103、根据电流监测值和长期允许运行电流值，通过变压器重载状态判据式，确定目标变压器是否处于重载状态。
[0059] 在本发明实施例中，可以建立变压器重载状态判据式，根据电流监测值和长期允许运行电流值可以通过变压器重载状态判据式，确定目标变压器是否处于重载状态。
[0060] 在一些实施例中，变压器重载状态判据式为：
[0061]
[0062] 式(1)中，Ic表示电流监测值，Ialert表示变压器重载电流阈值，α表示重载可靠系数，Icmax表示长期允许运行电流值。其中，Icmax可以根据先验知识、目标变压器的规格参数以及实际保护应用的需求进行预设。α的取值范围例如可以为：0.85‑0.9。
[0063] 以式(1)所示的变压器重载状态判据式为例，在满足Ic>Ialert的情况下，可以确定目标变压器处于重载状态。否则，可以确定目标变压器不处于重载状态，则继续执行S102。
[0064] S104、在目标变压器处于重载状态的情况下，根据电流监测值确定过载距离值，并发送重载告警信号和过载距离值。
[0065] 进一步的，在目标变压器处于重载状态的情况下，可以根据电流监测值确定过载距离值。然后，可以向调度控制中心(例如：新能源并网调度控制中心)发送重载告警信号和过载距离值。以向调度控制中心告警目标变压器处于重载状态，并且调度控制中心还可以根据过载距离值调整系统中的载荷，使目标变压器的负载降低。
[0066] 在一些实施例中，过载距离值的计算公式为：
[0067] Icd＝Ic‑Ialert (2)
[0068] 式(2)中，Icd表示过载距离值，Ic表示电流监测值，Ialert表示变压器重载电流阈值。
[0069] S105、根据电流监测值和长期允许运行电流值，通过变压器过载状态判据式，确定目标变压器是否处于过载状态。
[0070] 在本发明实施例中，还可以建立变压器过载状态判据式，根据电流监测值和长期允许运行电流值可以通过变压器过载状态判据式，确定目标变压器是否处于过载状态。
[0071] 在一些实施例中，变压器过载状态判据式为：
[0072] Ic>Icmax (3)
[0073] 式(3)中，Ic表示电流监测值，Icmax表示长期允许运行电流值。
[0074] 以式(3)所示的变压器过载状态判据式为例，在满足Ic>Icmax的情况下，可以确定目标变压器处于过载状态。否则，可以确定目标变压器不处于过载状态，则继续执行S102。
[0075] S106、在目标变压器处于过载状态的情况下，根据额定参数和气象环境参数监测值通过电流‑温度映射关系计算式，确定目标变压器的过载变压器短时允许过载时间。
[0076] 进一步，在目标变压器处于过载状态的情况下，可以结合目标变压器电热耦合特性，建立电流‑温度映射关系计算式，计算过载变压器短时允许过载时间。
[0077] 在一些实施例中，电流‑温度映射关系计算式为：
[0078]
[0079] 式(4)中，θoilR表示变压器稳态运行顶层油温，θhotR表示变压器稳态运行热点温度，θhotRb表示目标变压器过载后的稳态热点温度值，θhotRa表示目标变压器过载前的稳态热点温度值，K表示目标变压器的负载值，τoil表示绝缘油的时间常数，τw表示绕组的时间常数，n表示绝缘油的热传递非线性常数系数，m表示绕组的热传递非线性常数系数，Q表示目标变压器的额定电流运行工况下负载损耗与空载损耗的比值。
[0080] 其中，n和m可以取决于变压器规格型号，K、τoil、τw、n、m和Q可以根据S101中获取的额定参数确定得到。
[0081] 在一些实施例中，过载变压器短时允许过载时间的表达式为：
[0082]
[0083] 式(5)中，tequ表示过载变压器短时允许过载时间，τequ表示目标变压器的等效时间常数，Cequ表示目标变压器的等效热容值，Cequ可以根据目标变压器的内部绝缘油、绕组和油箱传热路径等值求得，Requ表示目标变压器由内部到外部传热路径的等值热阻，θcmax表示目标变压器的最高允许运行温度。
[0084] 其中，θcmax可以根据先验知识、目标变压器的规格参数以及实际保护应用的需求进行预设。Requ和目标变压器的内部绝缘油、绕组和油箱传热路径等值可以根据S101中获取的额定参数确定得到。
[0085] S107、根据额定参数和气象环境参数确实目标变压器的过载安全量化表征指标。
[0086] 在本发明实施例中，可以建立目标变压器的过载安全的量化表征指标。具体的，过载安全量化表征指标包括：变压器运行温度、故障率、绝缘劣化概率和绝缘失效概率。
[0087] 在一些实施例中，变压器运行温度可以通过上述式(4)所示的表达式确定得到。
[0088] 故障率的计算式为：
[0089]
[0090] 式(6)中，Pcf(t)表示故障率，β表示威布尔分布形状参数，δ表示经验参数，θcset表示目标变压器在额定工况下稳态基准温度，Ts1表示目标变压器在过载前已经服役的等效时间，Tequ表示目标变压器在过载后短时内等效继续运行时间，t表示监测时间，tequ表示过载变压器短时允许过载时间，θhot(t)表示变压器的热点温度。
[0091] 其中，δ、θcset、Ts1、Tequ可以根据先验知识获取得到，或者由目标变压器的规格参数以及实际保护应用的需求进行预设。
[0092] 绝缘劣化概率的计算式为：
[0093] HIDP＝P(θc>θcset)＝SIDP/M (7)
[0094] 式(7)中，HIDP表示绝缘劣化概率，SIDP表示变压器在过载等效时间段内出现绝缘老化加速或绝缘进一步恶劣的频次，SIDP可以根据先验知识获取得到。θcset表示目标变压器在额定工况下稳态基准温度，θc表示变压器运行温度，M表示状态抽样总次数。
[0095] 绝缘失效概率的计算式为：
[0096] HIFP＝P(θc>θcmax)＝SIFP/M (8)
[0097] 式(8)中，HIFP表示绝缘失效概率，SIFP表示变压器在过载等效时间段内出现因绝缘问题导致变压器失效停运的频次，SIFP可以根据先验知识获取得到。
[0098] S108、分别确定变压器运行温度、故障率、绝缘劣化概率和绝缘失效概率是否超过对应的预设过载安全边界。
[0099] 进一步的，可以根据先验知识、目标变压器的规格参数以及实际保护应用的需求预设变压器运行温度、故障率、绝缘劣化概率和绝缘失效概率分别对应的预设过载安全边界(即上限边界值)。
[0100] 示例性的，变压器运行温度、故障率、绝缘劣化概率和绝缘失效概率分别对应的预设过载安全边界的表达式为：
[0101] xcmax＝{θcmax，Pcfmax，HIDPmax，HIFPmax} (9)
[0102] 式(9)中，xcmax表示过载安全量化表征指标的预设过载安全边界集合，θcmax表示变压器运行温度对应的预设过载安全边界，Pcfmax表示故障率对应的预设过载安全边界，HIDPmax表示绝缘劣化概率对应的预设过载安全边界，HIFPmax表示绝缘失效概率对应的预设过载安全边界。
[0103] S109、在变压器运行温度、故障率、绝缘劣化概率和绝缘失效概率中的至少一项表征指标超过对应的预设过载安全边界的情况下，根据电流监测值通过输出功率减载计算式，确定功率减载量，并发送出力减载信号，出力减载信号包括功率减载量。
[0104] 接下来，在变压器运行温度、故障率、绝缘劣化概率和绝缘失效概率中的至少一项表征指标超过对应的预设过载安全边界的情况下，则确定目标变压器进入过载紧急情况。否则，继续执行S102。
[0105] 进一步的，可以建立输出功率减载计算式，计算功率减载量，并发送包括功率减载量的出力减载信号。
[0106] 在一些实施例中，输出功率减载计算式为：
[0107]
[0108] 式(10)中，Pcut表示功率减载量，Ic表示电流监测值，Icmax表示长期允许运行电流值，K表示目标变压器的负载值。
[0109] S110、根据电流监测值和气象环境参数监测值，通过过载耐受极限计算式，确定目标变压器是否处于超出耐受极限状态。
[0110] 在发明实施例中，进一步的，还可以建立过载耐受极限计算式，根据电流监测值和气象环境参数监测值，结合变压器运行温度值和过载时间综合判断目标变压器是否超出耐受极限，即是否处于超出耐受极限状态。
[0111] 在一些实施例中，过载耐受极限计算式为：
[0112] ξ＝(v∩λ)∪ω (11)
[0113]
[0114]
[0115] 式(11)‑式(14)中，ξ表示第一逻辑状态变量，υ表示第二逻辑状态变量，μ表示第三逻辑状态变量，ω表示第四逻辑状态变量，Ic表示电流监测值，Icmax表示长期允许运行电流值，tc表示过载时间，Icmax表示最大允许过载时间，θc表示变压器运行温度，θcmax表示目标变压器的最高允许运行温度。
[0116] 如式(11)‑式(14)所示，在υ和μ均为1，或者，ω为1的情况下，ξ为1。在ξ为1的情况下，则可以确定目标变压器处于超出耐受极限状态。
[0117] S111、在目标变压器处于超出耐受极限状态的情况下，发送跳闸信号，以使目标变压器响应于跳闸信号执行跳闸关闭。
[0118] 最后，在确定目标变压器处于超出耐受极限状态的情况下，可以向目标变压器发送跳闸信号，以使目标变压器(的断路器)响应于跳闸信号执行跳闸关闭。这样，可以主动保护动作切除过载的目标变压器，保护目标变压器，避免因超出耐受极限得过载而损坏目标变压器，结束工作。
[0119] 采用本发明实施例提供的基于多指标量化过载安全的变压器主动保护方法，针对场站出力受限变压过载等扰动，从实时评估目标变压器(例如：新能源并网变压器)的变压器运行温度、故障率、绝缘劣化概率和绝缘失效概率评估等多维度量化目标变压器的过载安全和运行风险，可以通过与新能源调控中心及目标变压器断路器的相互协调配合，准确把握目标变压器在“重载状态”到“过载状态”再到“耐受极限状态”的演变趋势。
[0120] 并且，该方法整体保护功能设定架构简单快速易于实现，可有效在保证过载安全的前提下，实现目标变压器的过载能力和输电能力的主动提升，保障并网系统的安全稳定运行，是传统变压器过载或过负荷保护技术的有效补充。
[0121] 因此，该方法可以通过多维度不确定概率等方式量化并网变压器过载安全及运行风险，从而能够提高在变压器过载的情况下对变压器进行保护的准确性。
[0122] 在一些实施例中，为了验证本发明实施例提供的基于多指标量化过载安全的变压器主动保护方法的可实施性和有效性，进行了分析试验。
[0123] 示例性的，以目标变压器为新能源并网变压器为例，假设包含30台相同双馈风电机组并联集电测试系统，以10×3方式布局，单机功率容量为1.5MW，集电线电压值取35kV，后经过220kV新能源并网变压器并入主干大电网，新能源并网变压器主动保护各参数如下表1所示。假定风电系统送出通道发生过载波动情况，验证本发明实施的基于多指标量化过载安全的变压器主动保护方法。
[0124] 表1新能源并网变压器主动保护各参数要求
[0125]
[0126] 对比过载期间实施本发明实施例提供的基于多指标量化过载安全的变压器主动保护方法和未采取保护控制措施两种方法，得到对应的仿真结果。图2为本发明实施例提供的新能源并网变压器主动保护采用变压器绝缘老化率和失效率两项指标对过载变压器的安全量化表征结果的示意图。图3为本发明实施例提供的新能源并网变压器主动保护采用运行温度指标对过载变压器的安全量化表征结果的示意图。图4为本发明实施例提供的新能源并网变压器主动保护采用实时故障率指标对过载变压器的安全量化表征结果的示意图。
[0127] 如图2所示，采用本发明实施例提供的基于多指标量化过载安全的变压器主动保护方法的新能源并网变压器的绝缘劣化率和绝缘失效概率，均小于处于过载并且未采取保护控制措施的新能源并网变压器。
[0128] 如图3所示，曲线301表示采用本发明实施例提供的基于多指标量化过载安全的变压器主动保护方法的新能源并网变压器的运行温度变化情况，曲线302表示未采取保护控制措施的新能源并网变压器的运行温度变化情况。可见，采用本发明实施例提供的基于多指标量化过载安全的变压器主动保护方法的新能源并网变压器的运行温度，小于处于过载并且未采取保护控制措施的新能源并网变压器。
[0129] 如图4所示，曲线401表示采用本发明实施例提供的基于多指标量化过载安全的变压器主动保护方法的新能源并网变压器的故障率变化情况，曲线302表示未采取保护控制措施的新能源并网变压器的故障率变化情况。可见，采用本发明实施例提供的基于多指标量化过载安全的变压器主动保护方法的新能源并网变压器的故障率，小于处于过载并且未采取保护控制措施的新能源并网变压器。
[0130] 由此可见，实施本发明实施例提出的多指标量化过载安全的新能源并网变压器主动保护，能够实时评估新能源并网变压器运行温度、故障率、绝缘老化概率及失效概率评估等多维度量化新能源并网变压器的过载安全和运行风险，能够有效的降低控制，且通过与新能源调控中心及变压器断路器的相互协调配合，准确把握新能源并网变压器在“重载状态”到“过载状态”再到“耐受极限状态”的演变趋势，在保证过载安全的前提下，可以实现新能源并网变压器的过载能力和输电能力的主动提升，从而保障新能源并网系统的安全稳定运行。
[0131] 本发明实施例还提供一种基于多指标量化过载安全的变压器主动保护系统。图5为本发明实施例提供的基于多指标量化过载安全的变压器主动保护系统的应用场景示意图，如图5所示，基于多指标量化过载安全的变压器主动保护系统510与目标变压器520和调度控制中心530连接，调度控制中心530与并网系统540连接，目标变压器520还与主电网550连接。
[0132] 其中，目标变压器520可以为新能源并网变压器，调度控制中心530可以为新能源并网电镀控制中心，并网系统540可以为新能源并网系统(例如风电场)。
[0133] 具体的，基于多指标量化过载安全的变压器主动保护系统510用于：
[0134] 首先，获取目标变压器520的额定参数，并确定目标变压器520的长期允许运行电流值和最高允许运行温度，额定参数用于表征目标变压器520的规格和性能。
[0135] 然后，监测目标变压器520的运行状态，获取目标变压器520的电流监测值和气象环境参数监测值；气象环境参数监测值包括：变压器环境温度、变压器稳态运行顶层油温和变压器稳态运行热点温度。
[0136] 其次，根据电流监测值和长期允许运行电流值，通过变压器重载状态判据式，确定目标变压器520是否处于重载状态。
[0137] 在目标变压器520处于重载状态的情况下，根据电流监测值确定过载距离值，并向调度控制中心530发送重载告警信号和过载距离值。
[0138] 接下来，根据电流监测值和长期允许运行电流值，通过变压器过载状态判据式，确定目标变压器520是否处于过载状态。
[0139] 在目标变压器520处于过载状态的情况下，根据额定参数和气象环境参数监测值通过电流‑温度映射关系计算式，确定目标变压器520的过载变压器短时允许过载时间。
[0140] 然后，根据额定参数和气象环境参数确实目标变压器520的过载安全量化表征指标，过载安全量化表征指标包括：变压器运行温度、故障率、绝缘劣化概率和绝缘失效概率。
[0141] 分别确定变压器运行温度、故障率、绝缘劣化概率和绝缘失效概率是否超过对应的预设过载安全边界。
[0142] 在变压器运行温度、故障率、绝缘劣化概率和绝缘失效概率中的至少一项表征指标超过对应的预设过载安全边界的情况下，根据电流监测值通过输出功率减载计算式，确定功率减载量，并向调度控制中心530发送出力减载信号，以使调度控制中心530根据出力减载信号控制并网系统540减载，出力减载信号包括功率减载量。
[0143] 其次，根据电流监测值和气象环境参数监测值，通过过载耐受极限计算式，确定目标变压器520是否处于超出耐受极限状态。
[0144] 最后，在目标变压器520处于超出耐受极限状态的情况下，向目标变压器520和调度控制中心530发送跳闸信号，以使目标变压器520响应于跳闸信号执行跳闸关闭。
[0145] 采用本发明实施例提供的基于多指标量化过载安全的变压器主动保护系统，针对场站出力受限变压过载等扰动，从实时评估目标变压器(例如：新能源并网变压器)的变压器运行温度、故障率、绝缘劣化概率和绝缘失效概率评估等多维度量化目标变压器的过载安全和运行风险，可以通过与新能源调控中心及目标变压器断路器的相互协调配合，准确把握目标变压器在“重载状态”到“过载状态”再到“耐受极限状态”的演变趋势。这样，该方法可以通过多维度不确定概率等方式量化并网变压器过载安全及运行风险，从而能够提高在变压器过载的情况下对变压器进行保护的准确性。
[0146] 通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
[0147] 在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0148] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0149] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0150] 本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。
