本發(fā)明涉及變壓器節(jié)能評估、容量規(guī)劃領域，具體地說是一種從節(jié)能降損角度綜合評估變壓器運行適應性情況的方法。

背景技術：

目前，公知的變壓器經(jīng)濟性評價一般單從其全周期成本來看，以LCC方法(全壽命周期成本)為例，其以周期成本低為唯一目標，將出現(xiàn)以下問題：同樣能滿足一個供區(qū)供電要求，一個周期成本較高、但是能耗較低新型變壓器與一個周期成本較低、但是損耗較高的變壓器，在考慮我國節(jié)能減排，需有效抑制碳排放量的背景下，選擇困難。依照傳統(tǒng)對電力設備的經(jīng)濟性評價方法：1.非可見參數(shù)對能耗的影響均采用估計值或者是平均值，沒有量化方案；2.單一成本指標將有可能導致對低價、高耗的變壓器具有更高的評價，而具備新技術的低耗能、優(yōu)結構的高價變壓器被淘汰。

此外，傳統(tǒng)變壓器全壽命周期成本計算中對于負載、運行時間均采用估計值或平均值，忽略重載或負荷高峰時所造成的額外損耗；同時對運行中產(chǎn)生的操作損耗及環(huán)網(wǎng)損耗一般忽略，造成變壓器損耗的漏算。其統(tǒng)計跨度在全壽命周期(一般為20年)，電費、電量、也一般采用均值，對于日后形成較為完善的電力市場來說，可能出現(xiàn)計算偏離實際較多的情況。

技術實現(xiàn)要素：

為克服傳統(tǒng)變壓器評價方法由于時間窗過長導致的概數(shù)、平均過多，非參數(shù)信息被忽略，節(jié)能性能在評價中遭到淹沒的缺陷，本發(fā)明提供一種變壓器節(jié)能降損適應性評估方法，該方法的時間窗以小時為單位，統(tǒng)計跨度為全年，建立完善細化的損耗模型及節(jié)能角度的評價二維指標，以解決對變壓器適應性的評價問題。

為此，本發(fā)明采用如下的技術方案：變壓器節(jié)能降損適應性評估方法，其特征在于，采用經(jīng)濟指標及節(jié)能指標分級評估作為變壓器適應性評估手段，對于變壓器損耗以小時為時間窗提出改進的分項損耗計算方法，以年為綜合指標評價時間窗，形成一種從節(jié)能降損角度評估變壓器運行適應性的二維方法。

進一步地，所述經(jīng)濟指標采用的評估模型為：

上式中，η_i為經(jīng)濟指標，表示成本量對利潤占比；CI_i為變壓器一次性費用折至第i年的折舊成本，CM_i為第i年例行維護成本，CD_i為報廢成本平攤至第i年，C_g為基礎上網(wǎng)電費，C_p為單位電價平均利潤，H_Δ,H_C,H_cr分別為變壓器運行損耗、環(huán)流損耗及安全損耗，∑H表示變壓器用電總量，CO_i為第i年運行成本；

所述節(jié)能指標采用的評估模型為：

其中，η_loss為節(jié)能指標，表示整體損耗費用占利潤的比例；C_g為基礎上網(wǎng)電費，C_p為單位電價平均利潤，H_Δ,H_C,H_cr分別為變壓器運行損耗、環(huán)流損耗及安全損耗，∑H表示變壓器用電總量，CO_i為第i年運行成本；

以計算得到的η_i，η_loss為橫坐標，適應性等級為縱坐標，繪制得到二維的變壓器適應性分級依據(jù)圖，按照變壓器適應性分級依據(jù)圖對變壓器適應性進行評價，適應性等級越低，表示適應性越好。

進一步地，所述變壓器運行損耗的計算公式如下：

上式中，H_Δ為一年內(nèi)變壓器鐵損、銅損綜合損耗電量，P₀為空載有功損耗，K為無功當量，指單位無功損耗引起的有功損耗，Q₀為空載無功損耗，T為全年運行小時數(shù)；f(t)＝S表示變壓器負荷功率在一天內(nèi)的變化函數(shù)，t為最小時間單位，此處為1小時；P_k、Q_k分別為額定短路有功、無功損耗，S_e為變壓器額定容量。

進一步地，所述變壓器安全損耗的計算公式如下：

式中，f(t)＝S為變壓器負荷功率在一天內(nèi)的變化函數(shù)，t為最小時間單位，此處為1小時；α為負荷損失價值系數(shù)，代表損失負荷的賠償比例；λ為安全性損失代價系數(shù)；C_f/C_e為維修費用與電力上網(wǎng)費用之比，將維修費用折算至電量損失，T為全年運行小時數(shù)，P′_cr為修正后的故障概率，S_e為變壓器額定容量。

進一步地，變壓器基礎故障率采用如下表達：

上式中，P_cr為故障概率，其為在同一供區(qū)內(nèi)，過去長時期故障容量總量與故障處理時間的積，比上全部容量與總時間的積；m為故障的變壓器數(shù)量；n為供區(qū)內(nèi)變壓器數(shù)量；S_i為單座變壓器容量；t_cr為單臺故障處理時間；T為總時間；

綜合考慮故障概率影響因素，采用模糊離散化方式將相關因素量化，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡方法對綜合概率進行修正，采用matlab中newff函數(shù)用作神經(jīng)網(wǎng)絡計算，輸入向量為分別表示基礎概率、接縫緊密度、毛刺、噪聲、監(jiān)測量、內(nèi)部改善；

輸出量為修正的故障概率P'_cr，樣本側取得采用在局部放電監(jiān)測中針對新舊變壓器相關屬性及故障概率進行確定。

P'_cr＝f_bp(P_cr,G_f,M_c,N_r,O_on,I_in)，

其中f_bp代表經(jīng)樣本訓練后采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡計算方式修正函數(shù)。

進一步地，所述變壓器環(huán)流損耗的計算公式如下：

上式中，I_C代表二次側電磁環(huán)流，U_C表示二次側母線電壓，H_C表示環(huán)流功率損耗電量，Tj表示合環(huán)時間，由于影響環(huán)流的負荷情況是變化量，對其離散情況進行積分。

進一步地，二次側電磁環(huán)流的計算公式如下：

I_C＝|U_MV1-U_MV2|_∞/(Z_k1+Z_k2)，

上式中，U_MV1、U_MV2代表兩臺變壓器的二次側電壓，Z_k1、Z_k2為兩臺變壓器的阻抗電壓值。

進一步地，所述變壓器二次側電壓的相關計算公式如下：

ε％＝F(t)＝f(t)/S_e·(U_R％·cosφ+U_x％·sinφ)

U_MV＝U₀·(k₀/k')·(1-ε％)

上式中，ε％為電壓調(diào)整率，f(t)＝S為變壓器負荷功率在一天內(nèi)的變化函數(shù)，U_R％為電阻電壓百分數(shù)，U_x％為電抗電壓百分數(shù)，S_e為變壓器額定容量，I_f為相應分接頭下對應的電流值，cosφ為功率因數(shù)，φ表示功角，Z_k為阻抗電壓值，U₀為額定電壓，U_MV為二次側實際輸出電壓值，k₀為額定變比，k'為實際變比。

進一步地，所述的變壓器適應性分級依據(jù)圖中，等級在0-1之間評定為A級，對于節(jié)能指標表示對工況下節(jié)能適應性極好，能耗占比極低，對于經(jīng)濟指標來說，表示經(jīng)濟適應性極高；等級在1-2之間評定為B級，對于節(jié)能指標表示對工況下節(jié)能適應性較好，能耗占比較低，對于經(jīng)濟指標來說，表示經(jīng)濟適應性較高；等級在2-3之間評定為C級，對于節(jié)能指標表示對工況下節(jié)能適應性一般，對于經(jīng)濟指標來說，表示經(jīng)濟適應性一般；等級在3-4之間評定為D級，對于節(jié)能指標表示對工況下節(jié)能適應性較低，在選型的各個方面存在至少一項對節(jié)能性能有不利影響的情況，對于經(jīng)濟指標來說，表示經(jīng)濟適應性較低；等級在4-6之間評定為E級，對于節(jié)能指標或經(jīng)濟指標來說，表示有幾項對相關指標具有不利影響的情況；等級在6以上評定為F級，對于節(jié)能指標或經(jīng)濟指標來說，損耗明顯大于可接受范圍，耗損及成本占比極高，可能存在危害變壓器正常運行的情況或容量與負載嚴重不符。

工程應用中，A級表示適應性非常好，是合理優(yōu)選的情況；B級表示中等偏上的合理方案；C級表示該變壓器選型或評測基本負荷運行要求，使用負荷經(jīng)濟性或節(jié)能性；D級表示運行中出現(xiàn)了影響經(jīng)濟性或節(jié)能性的問題，需要研究改善運行條件，但可以勉強接受運行結果；E級表示運行變壓器已出現(xiàn)了較大運行問題，雖在繼續(xù)運行但是需要嚴格監(jiān)控排除問題，并及時檢修維護，若是變壓器規(guī)劃需重新選型；F級表示經(jīng)濟性或節(jié)能性已經(jīng)超出了運行可接收條件，運行的變壓器應及時安排更換，變壓器規(guī)劃需重新選型。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果如下：考慮了變壓器非參數(shù)特征對安全損耗的修正，采用小時為時間窗提高了周期成本、損耗的計算精度，從經(jīng)濟、節(jié)能二維標準對變壓器適應性進行評價，對現(xiàn)有變壓器及變壓器規(guī)劃選型提供了節(jié)能適應性評估依據(jù)。

附圖說明

圖1為110kV變壓器適應性分級依據(jù)圖，橫坐標為計算得到的指標值，縱坐標為適應性評定等級。

圖2為某110kV(50MVA)變壓器典型日負荷曲線樣例。

圖3為某110kV(50MVA)變壓器全年最高負荷曲線樣例。

圖4為本發(fā)明經(jīng)濟指標、節(jié)能性指標的組成及關聯(lián)圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。

1.初始投資折算

初始投資折算記及變壓器購置費、安裝、建設費及初次安裝及試運行發(fā)生的一次性費用(簡稱初次運行費，即測試費)，由于變壓器具有較長使用年限，為與其他費用同步，該一次性費用折算至每一年?？紤]安裝、建設費及其他費用為單筆支付，設備購置為借、貸分期償還性質，折算如下：

上式中，CI_i為變壓器一次性費用折至第i年的折舊成本，T為變壓器全壽命時間，一般取為20年，C_d為購置費，σ為銀行利率，C_b,C_e,C_t分別為建設費、安裝費及測試費。

2.運行方式損耗

變壓器損耗主要分為空載損耗及短路損耗，包括：空載有功損耗、短路有功損耗、空載無功損耗、短路無功損耗。變壓器銘牌上一般標記空載有功損耗及額定負載下的短路有功損耗，空載無功損耗及額定負載下的短路無功損耗按下式計算：

Q₀＝I₀％·S_e·10^-2 (2)

Q_k＝U_k％·S_e·10^-2 (3)

上式中，Q₀為空載無功損耗，I₀％為空載電流百分比，S_e為變壓器額定容量，Q_k為短路無功損耗，U_k％為短路電壓百分比。

對于空載損耗來講，其為恒定值且和負載無關；對于短路損耗，其與負載相關，一般文獻采用平均負載系數(shù)來表述，也可使用實際工作功率與額定功率比值的平方來計算：

P'_k＝β²·P_k＝(S/S_e)²·P_k (4)

Q'_k＝β²·Q_k＝(S/S_e)²·Q_k (5)

上式中，S_e為變壓器額定容量，S表示變壓器實際負荷值，P'_k、Q'_k分別為在某負荷下的短路有功、無功損耗，β為平均負載系數(shù)，P_k、Q_k分別為額定負載下的短路有功、無功損耗。

考慮鐵損在變壓器運行時一直存在，而銅損在變壓器運行時需要根據(jù)負載情況變化，如式4、5，所以按照年負荷情況根據(jù)每小時負載狀況對銅損進行計算，鐵損、銅損電量由下式計算全年運行損耗。

上式中，H_Δ為一年內(nèi)變壓器鐵損、銅損綜合損耗電量；P₀為空載有功損耗，K為無功當量，一般取0.1，指單位無功損失引起的有功損失；T為全年運行小時數(shù)；f(t)＝S為變壓器負荷功率在一天內(nèi)的變化函數(shù)，根據(jù)現(xiàn)有實測數(shù)據(jù)可細化至每小時一個離散值，根據(jù)實際工程需求，采用一個值代表一小時內(nèi)的負荷水平基本可滿足精度要求；t為最小時間單位，此處為1小時。

3.檢修維護成本

檢修維護成本為日常維護檢修發(fā)生的成本，該成本可認為每年時基本相同的，表述如下：

CM_i為當年例行維護成本，一年維護次數(shù)n次，C_pmj為每次維護所開銷的費用，C_re為當年檢修費。

4.變壓器并列運行環(huán)流損耗

考慮部分變壓器在運行過程中由于調(diào)度需要及負載不平衡需要，產(chǎn)生并列運行的情況，在相關設備符合并列運行條件的前提下，記及變壓器損耗時也需考慮該部分損耗。相關損耗計算方式如下：

ε％＝F(t)＝f(t)/S_e·(U_R％·cosφ+U_x％·sinφ) (8)

U_MV＝U₀·(k₀/k')·(1-ε％) (10)

上式中，ε％為電壓調(diào)整率，f(t)＝S為變壓器負荷功率在一天內(nèi)的變化函數(shù)，U_R％為電阻電壓百分數(shù)，U_x％為電抗電壓百分數(shù)，I_f為相應分接頭下對應的電流值，cosφ為功率因數(shù)，φ表示功角，Z_k為阻抗電壓值，U₀為額定電壓，U_MV為二次側實際輸出電壓值，k₀為額定變比，k'為實際變比。對于電磁環(huán)流造成的功率損耗如下：

I_C＝|U_MV1-U_MV2|_∞/(Z_k1+Z_k2) (11)

上式中，I_C代表電磁環(huán)流(二次側)，U_MV1、U_MV2代表2臺變壓器的二次側電壓，Z_k1、Z_k2為兩臺變壓器的阻抗電壓值，U_C表示二次側母線電壓，H_C表示環(huán)流功率損耗電量，Tj表示合環(huán)時間，由于影響環(huán)流的負荷情況是變化量，對其離散情況進行積分。

5.變壓器報廢折算

變壓器報廢或置換情況下，費用包括處置、殘值、擴建差額三類費用；其中，擴建差額表示變壓器因容量不足等問題需要置換時當年一次折舊費與新?lián)Q變壓器當年一次折舊費的差額。

CD_i＝(C_dis+C_c+ΔC_epd)/T (13)

CD_i為報廢成本平攤至當年，C_dis為變壓器處置費，C_c為變壓器殘值，ΔC_epd為擴建差額，T為變壓器全壽命年限。

6.變壓器安全損耗模型

考慮影響變壓器及其相關供電安全性的問題主要由2點出發(fā)：1.變壓器自身安全屬性；2.停運對負載的影響?？紤]在目前繼電保護較為完善的情況下，當發(fā)生變壓器故障時，繼保設備及時跳開變壓器各側開關，不發(fā)生變壓器整體報廢或重大損失。

變壓器故障概率主要與以下屬性相關：(1)硅鋼片或非晶合金片和階梯接縫；(2)剪切毛刺情況；(3)運行噪聲，風扇噪聲；(4)變壓器在線監(jiān)測情況；(5)內(nèi)部工藝改善。

變壓器基礎故障率采用如下表達：

上式中，P_cr為故障概率，其為在同一供區(qū)內(nèi)，過去長時期故障容量總量與故障處理時間的積，比上全部容量與總時間的積；m為故障的變壓器數(shù)量；n為供區(qū)內(nèi)變壓器數(shù)量；S_i為單座變壓器容量；t_cr為單臺故障處理時間；T為總時間。

綜合考慮故障概率影響因素，采用模糊離散化方式將相關因素量化，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡方法對綜合概率進行修正。采用matlab中newff函數(shù)用作神經(jīng)網(wǎng)絡計算，輸入向量為分別表示基礎概率，接縫緊密度，毛刺，噪聲，監(jiān)測量，內(nèi)部改善。對相關修正量安等級量化，在線監(jiān)測情況舉例，O_on∈[-3,3]；當監(jiān)測情況極佳，超聲局部放電監(jiān)測值小于背景噪聲時，說明變壓器內(nèi)部絕緣完好，運行安全，取值為3；當監(jiān)測到巨大局部放電信號，變壓器內(nèi)部絕緣出現(xiàn)高頻高幅值放電時，變壓器故障幾率明顯提高，取值為-3；在中間運行區(qū)間，根據(jù)相關局部放電情況評估制定相應取值。接縫緊密度G_f∈[0,2]，接縫十分緊密取值為0，略有間隙取值為1，縫隙較大肉眼可見明顯縫隙時取值為2。毛刺情況M_c∈[0,3]為變壓器外部油漆處及底部附拼接處近毛刺情況，若無毛刺，取值為0，若存在小毛刺，如上漆不均造成的毛刺或剪切毛刺取值為1，若毛刺數(shù)量較多且為金屬毛刺，取值為2，若金屬毛刺長度較長，嚴重影響局部構造，取值為3。噪聲情況N_r直接采用變壓器運行時1m處噪聲測試儀所測噪聲分貝數(shù)值，該數(shù)值測取時應盡量遠離其他設備，減小干擾。

輸出量為修正的故障概率P'_cr，樣本側取得采用在局部放電監(jiān)測中針對新舊變壓器相關屬性及故障概率進行確定。

P′_cr＝f_bp(P_cr,G_f,M_c,N_r,O_on,I_in) (15)

其中f_bp代表經(jīng)樣本訓練后采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡計算方式修正函數(shù)。

在得到修正故障概率得到后，考慮容載比，負荷丟失，重負荷損耗，檢修需求等情況，綜合電量損耗模型如下：

上式中，H_cr為變壓器故障損耗電量，f(t)＝S為變壓器負荷功率在一天內(nèi)的變化函數(shù)，容載比在正常情況下均大于1，對同一變電站來講，即使一臺變壓器故障全停，部分或全部負荷可由剩余變壓器轉帶，所以在計算負荷安全性損失時考慮容量因素；α為負荷損失價值系數(shù)，代表損失負荷的賠償比例；λ為安全性損失代價系數(shù)，當一臺變壓器故障停電時對整體供電可靠性造成了影響，該影響在容載比大于2時造成的安全影響相對較小，在容載比不斷增加(負荷不斷加重)時變壓器安全損失加速上升；C_f/C_e為維修費用與電力上網(wǎng)費用之比，將維修費用折算至電量損失。

7.雙指標評估模型

為細化變壓器運行情況評估方法，通過改進和多側面描述來完善對變壓器損耗及成本的描述，本發(fā)明采用以下綜合周期成本占比來評估變壓器節(jié)能情況。

上式中，η_i為成本指標，表示成本量對利潤占比，體現(xiàn)經(jīng)濟性，CI_i為變壓器一次性投入折至當年的折舊費用，CM_i為當年例行維護成本，CD_i為報廢成本平攤至當年，C_g為基礎上網(wǎng)電費，C_p為單位電價平均利潤，H_Δ,H_C,H_cr分別為變壓器運行損耗、環(huán)流損耗及安全損耗，∑H表示該變壓器用電總量，CO_i為運行成本。η_i越低表示單位成本所能造成的利潤越高，其效益越好。

其中，C_g為基礎電價，C_p為單位電價平均利潤，H_Δ,H_C,H_cr分別為變壓器運行損耗、環(huán)流損耗及安全損耗，ΣH表示該變壓器用電總量，CO_i為第i年運行成本。η_loss表示整體損耗費用占收益的比例，該比例越低說明變壓器效率越高，是從變壓器節(jié)能方面改進的評估指標。

將計算值η_loss，η_i分別代入分級圖得到二維的適應性等級，按照損耗等級對變壓器運行適應性進行評價，適應性等級越低，表示適應性越好。

應用例：相關計算及實現(xiàn)步驟如下：

1.收集待測變壓器、變電站點及電網(wǎng)的相關參數(shù)，包括：電壓等級，壽命周期(一般為20年)，變壓器銘牌標注的空載有功損耗，空載無功損耗，短路有功損耗，短路無功損耗，容量，變壓器全年帶電時間，網(wǎng)絡功率因數(shù)，前三年內(nèi)上一等級供區(qū)內(nèi)變壓器故障停電總容量及對應時間，及變壓器外部屬性：(1)硅鋼片或非晶合金片和階梯接縫；(2)剪切毛刺情況；(3)運行噪聲，風扇噪聲；(4)變壓器在線監(jiān)測情況；(5)內(nèi)部工藝改善。

2.對變壓器所帶負荷情況進行細化至小時級，取得全年變壓器負荷日高峰，依照典型負荷日24小時負荷分布情況按比例縮放24小時負荷至每天，獲得全年每小時變壓器負荷量。采集量如圖2所示。

3.對于圖4中C1-C6部分，按照前述計算公式進行計算，得到各分項成本或損耗。

4.用公式17，18計算節(jié)能可變損耗與利潤比值作為評價指標得到終值后代入圖1找到對應的分級區(qū)間，確認區(qū)間后，按照附圖說明中評價方式進行評價。圖1的分級圖依據(jù)大量計算值及現(xiàn)有110kV變壓器分級情況綜合繪制。