变电设备动态增容系统的设计与实现

吴秋莉，邓雨荣，张炜，梁俊斌，吕泽承

(广西电网有限责任公司电力科学研究院，南宁市530023)



变电设备动态增容系统的设计与实现

吴秋莉，邓雨荣，张炜，梁俊斌，吕泽承

(广西电网有限责任公司电力科学研究院，南宁市530023)

变电站内设备容量逐渐成为限制电网输送能力的瓶颈，该文对变电设备动态增容技术进行了研究，并设计研发了一套变电设备动态增容系统。系统通过采集变压器温度、电流等状态监测参量，依据GB/T 1094.7油浸式电力变压器负载导则和变压器热电路等效模型对变压器的过负载能力进行计算，并利用电流分流算法对过负荷后，变电回路中的断路器、互感器和隔离开关进行过负载能力校核，结合电网运行方式以及风险评估值，对变电设备的运行状态和增容能力进行分析评估。试点应用情况表明，系统计算结果可为调度人员的操作提供科学依据。

动态增容；过负荷；热点温度；热路模型；状态监测

0 引 言

近年来随着国民经济的高速发展，电网的建设速度已难以适应经济发展对电力的需求，供用电形势日趋严峻。电网规划建设滞后和输电能力不足问题日益突出，进一步加剧了电网和电源发展不协调的矛盾。现阶段国家相关电力部门主要采取对输电线路增容，例如通过提高运行温度、短时动态增容、新型耐热线路等多项技术提高线路的输电能力[1-2]。但目前对变电设备(变压器、断路器、隔离开关等)增容研究不足，使之成为限制电网输送能力的新瓶颈[3]。

在制约电网变电容量限额进一步提高的因素中，变压器过负载能力是主要原因[4]。当变电站出现“N-1”事故情况时，如果变压器有较高的过载能力，不仅能够避免变压器因过载发生损坏，还能够给调度留出一定时间，将负荷控制在安全稳定的范围内[5]。目前变压器增容措施一般从设计、制造环节上提高变压器的抗短路能力，如改进变压器线圈的绕紧度；改进干燥系统和工艺装置，保证干燥质量；改进线圈组装工艺，控制线圈的轴向公差，或改变铁芯制造工艺等。这些措施虽然能实现变压器增容，但都涉及到变压器改造，还需停电处理，在经济上很不划算。

本文通过调度SCADA/EMS/在线数据，对需增容的变压器的热学参量进行实时监测，根据变压器电流分配增容模型进行动态实时分析，为电网调度运行，安排负荷限额提供有力的辅助决策支持，便于合理安排运行方式，从而达到动态增容的目的。在此基础上，设计研发一套变电设备动态增容系统，并在现有的某500 kV变电站的1号主变上进行试点运用。

1 总体架构设计

变电设备动态增容系统从架构上分为三层，分别为监测设备层、动态分析层、辅助决策层，如图1所示。

图1 总体架构Fig.1 Overall architecture

图1中监测设备层和动态分析层分布于变电站内，监测设备层将变电站内各类监测设备的数据通过标准的IEC 61850通信协议与动态分析层的变电站在线监测综合处理单元进行交互，将实时监测数据提交至在线监测综合处理单元的状态监测数据库中。同时结合SCADA系统提供的相关数据，进行动态增容能力分析，并将监测数据及分析结果通过电网公司的电力综合数据网远传至辅助决策层的电网公司电气设备安全预警决策平台(以下简称主站平台)服务器，进行展示，为电网生产和调度部门提供参考。

监测设备层主要由硬件设备即在线监测装置组成，根据《DL/T 1146 DL/T 860 实施技术规范》及相关电网运行备用管理规定等技术要求，采用智能汇控柜方式，主要由主智能电子设备(intelligent electronic device, IED)、智能汇控柜处理器、多个子IED(各个监测单元)、交换机等组成。系统各单元之间采用光纤连接，满足IEC 61850通信规约，采用模块化、标准化、就地化设计原则，满足高压设备“全景式监测”的要求，并具备良好的扩展性。监测设备层的主要作用就是将各个监测单元分析处理后的实时监测数据汇总至主IED，然后统一发送至动态分析层，智能汇控柜与动态分析层服务器之间的通信同样也遵循IEC 61850规约及《变电设备在线监测装置数据传输规约》。

动态分析层位于变电站内，主要运行于变电站在线监测综合处理单元上，其负责接收监测设备层提供的实时监测数据，并负责和变电站SCADA系统通过IEC 104进行交互，获取变电设备的电流和电压等数据。通过这些数据，动态分析层分析模块通过特定的增容分析模型和算法，对变电设备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电设备能够持续运行的时间等分析结果，并通过电网公司的电力综合数据网提交至辅助决策层的数据中心服务器。

辅助决策层位于电网公司电气设备监测预警中心，运行于主站平台应用服务器上的数据接收模块，通过电力综合数据网与站端分析层进行交互，获取站端变电设备动态增容能力计算模块的输出数据，存至数据库服务器，并提供Web服务、B/S架构的客户端浏览软件和用户界面展示接口，电力生产管理人员可以通过浏览器远程调取查看。

2 关键参量的在线监测

监测设备层主要由在线监测装置组成，主要包括环境监测单元、色谱微水监测单元、套管绝缘监测单元、铁芯接地电流监测单元、冷却装置监测单元、工况信息监测单元等组成。环境监测单元对整个变电站的环境参数进行监测、变压器工况信息监测单元由变电站监控后台获取部分监测数据，其他监测单元的传感器装置安装在变压器及其附件上，主要采集变压器设备的关键参量数据。

变压器过负荷运行将引起多方面的效应。因此，系统除采集实时计算数据外，还需要采集变压器状态数据信息才能保证过负荷运行的可靠性。环境监测单元主要提供环境气象数据。色谱微水、套管绝缘、铁芯接地电流等监测单元主要提供对变压器运行状态的监测信息。按照相关规程进行状态评价和风险评价，状态正常的可以进行动态增容，风险评价排序作为优先增容的建议。冷却装置及工况信息监测单元则主要提供变压器设备的关键热学参量数据。

数据采集传感器与信号处理子IED之间统一采用RS485通信接口，子IED对原始信号进行滤波处理与信号特征量提取，然后将处理后的数据上传到主IED进行数据汇总与统一管理，IED之间的数据通信采用IEC 61850标准通信协议。主IED通过IEC 61850将汇总后的监测数据统一上传至动态分析层的变电站在线监测综合处理单元，SCADA系统提供开关电流计算所需的功率数据，并且通过IEC 104通信协议直接与动态分析层的变电站在线监测综合处理单元通信。站端将计算分析结果部分反馈给主IED进行闭环控制，如变压器散热器风扇及油泵的运行控制。

3 动态增容能力实时分析

3.1 动态增容系统实现流程

动态增容分析系统(图2)主要对预防性试验数据、运行数据(电压、电流)、历史数据和在线监测数据等进行综合处理，此外，还需考虑其他因素，包括：附件运行情况、外观检查情况、运行年限、运行环境、设备缺陷等[6]。主要以相关热学模型的仿真计算结果为依据，提出设备输送容量或电流限额的参考值。对冷却系统保留25%左右的余量，以及时应对过负荷状态下出现温升过快的状况。

调度结合辅助决策层变电设备过负荷能力预测模块的信息及调度实际要求，决定是否进行相应设备的过负荷操作。过负荷操作后，通过对变压器运行状态进行实时监测，周期性地对系统进行风险分析。如果系统安全性符合要求，则循环进行动态增容流程。

以变压器事故和故障统计资料为基础，分析变压器可能的故障模式。对变压器进行风险源分析，根据概率统计失效可能性，将可能性划分为极高，较高，一般，较低，极低5个等级。并根据《GB/T 1094.7—2008电力变压器第7部分：油浸式电力变压器负载导则》、《GB/T 15164 —1994油浸式电力变压器负载导则》及相应的试验数据估算变压器的寿命情况，并根据《电网运行安全风险管理规定》进行危害辨识和风险评估，发布相关设备的过负荷能力数据信息及变压器风险等级。如果通过风险评估，发现系统安全受到影响，则进行减负荷策略评估，将策略发送至主站平台，供调度决策。

3.2 过负荷风险评估

当变压器工作在正常周期性负载下，需要对影响负荷输送的主变压器、断路器、隔离开关和电流互感器等设备进行动态增容前/后的风险评估，以决定是否可以增加这些设备的负荷。

变压器过负荷风险评估的前提条件是分析变压器过负荷能力。在过负荷运行允许的条件下，结合变压器当前运行状态、变压器冷却器运行情况以及与变压器相关联的开关设备及线路电流分配核算情况，综合分析变压器设备过负荷运行的风险程度，风险评估算法流程如图3所示。

图2 动态增容系统实现流程Fig.2 Implementation process of dynamic capacity-increase system

图3 动态增容风险评估算法流程Fig.3 Risk assessment algorithm flow of dynamic capacity-increase

3.3 变压器过负荷能力分析

当变压器工作在正常周期性负载工况下，如果风险评估结果显示变压器以及相关设备增加负载前/后的风险等级较低，则可以对变压器进行过负荷能力分析。

变压器过负荷能力分析以当前变压器运行状况作为计算初始值，采用2种计算方式：(1)0.5 h内变压器运行可承受的最大负载率；(2)在1.5倍过负荷状态下变压器可持续运行时长。2种方法都采用绕组热点温度的最大上限值作为衡量准则。预冷分析则模拟计算变压器在当前负载率的条件下，运行一段时长，变压器的热点温度是否超过最大允许值，若超过则开启风扇冷却系统，否则保持当前运行状态。散热器效率核算主要通过比较变压器中层油在实际运行中的等效热阻与额定状态下的等效热阻来判断散热器是否工作良好。

变压器过负荷运行风险评估必须实时核算与变压器相关联的开关电流是否超过开关允许的上限电流值，核算采用线路的有功功率和无功功率作为电流分配模型的输入值。由于站内线路相互关联，因此，一条线路的功率发生改变时，需要对所有相关联的开关电流进行重新匹配计算。根据简化后的开关电流分配模型计算各个开关的电流值，若某个开关的电流值超过上限值则认为开关线路无法满足变压器过负荷运行；反之，则允许。

变压器当前状态评估是用来判断变压器过负荷运行时设备是否出现异常状况，通过对变压器油色谱数据、套管绝缘数据以及铁芯接地电流数据等的监测，综合评价变压器目前的运行状况是否正常。若某项状态数据出现异常则应停止过负荷运行。

变压器过负荷能力估算流程如图 4所示。

图4 变压器过载能力估算流程图Fig.4 Estimating process of transformer overload capacity

根据导则GB/T 15164—1994和GB/T 1094.7—2008计算变压器绕组热点温度，基于该热点温度计算出的允许过载时间为TO；根据变压器热路模型法计算变压器绕组热点温度，基于该热点温度计算出的允许过载时间为TW；T2为根据热路模型法计算的变压器附件(如套管接头、接线柱等)的允许过载时间。

3.4 变压器绕组热点温度及热特性原理

变压器内部温度的异常升高是变压器老化、运行寿命缩短、发生故障最主要的因素[7-8]。而绕组热点温度是衡量变压器内部温度变化的主要指标，为变压器过负荷运行的可持续性提供重要的参考依据。

为了计算变压器最热点温度，对油浸式变压器的热特性进行如下假设：(1)油箱内的油温从底部到顶部，是线性分布的；(2)绕组任何位置的温升，由下至上也是线性分布的，并与油温线平行，两平行线之间的差值为用电阻法测出的绕组平均温升和油平均温升的差，取常数gr；(3)考虑到杂散损耗的影响，绕组最热点温升比绕组顶部平均温升高H·gr，其中H为变压器热点系数，取1.3，如图5所示。

图5 变压器沿绕组高度的温度分布Fig.5 Transformer temperature distribution with winding height

变压器负载导则GB/T 15164—1994和GB/T 1094.7—2008是基于变压器顶层油温的变化来计算热点温度，在稳态条件下能够得到较为准确的计算结果，但是在变压器暂态过载条件下计算结果并不十分准确，因此本系统考虑变压器绕组热点温度变化的暂态过程，采用热路模型法进行计算。建立一个基于变压器中层油温的等效热路模型，采用3个分别表征热点温度的子模型进行分步计算。根据变压器的热学参数推导出如下计算公式[9-10]：

(1)

(2)

(3)

式中：upu为随温度变化的油流粘度函数；θmor为额定容量下中层油温对环境温度的温升；R为当前负载下铜损与空损比；Rr为额定下铜损与空损比；K为当前负荷电流与额定电流比；Psun为光照功率；Pfe为铁损；Camb为整个变压器的热容；n为常数，经验取值0.8；T为2次采样的时间间隔，min；θI1为第1次采样的顶层油温；θI2为第2次采样的顶层油温；θmoil1为对应θI1计算出的中层油温；θmoil2为对应θI2计算出的中层油温；θamb1和θamb2为环境温度数据；θmoil为中层油温；θIr为额定容量下顶层油温对中层油温的温升；θhr为额定容量下热点温度对顶层油温的温升；Cmoil为除变压器外壳体外剩余部分的热容；Chs为绕组的热容；Ramb、Rmoil、Rhs分别为额定容量下相对应的热电阻；θh1为对应θI1计算出的热点温度；θh2为对应θI2计算出的热点温度。

3.5 开关设备动态增容能力校核

在过负荷工况前，先以就地监测层开关增容参数监测模块提供的电流监测参量为输入量对开关电流分配模型进行验证，再以验证过的模型校核主变压器最严重过负荷情况下相关开关设备电流的分配情况，并判断是否超过允许的范围。在过负荷工况后，立即检查断路器的气体压力是否符合相关标准要求[11]。

4 分析结果

为验证变电设备动态增容系统中所用模型和算法的准确性和可靠性，通过对电网现有的某500 kV变电站1号主变进行过负载能力计算，计算结果与导则GB/T 1094.7—2008中的值进行对比。

4.1 变压器相关指标参数

冷却方式：油浸风冷(ONAF)

顶层油温升(相对于环境温度)：38.3 K

负载损耗与空载损耗比率R：1 000

油温指数x：0.8

绕组温度指数y：1.3

热模型常数k11：0.5

热模型常数k21：3.0

热模型常数k22：2.0

热点系数H：1.3

额定电流下绕组平均温度对油平均温度梯度gr：14.5 K

绕组时间常数w：7 min

油的时间常数o：150 min

4.2 实测结果与计算结果

变压器运行时间及负载率分布如表1所示。通过本系统计算的各阶段分析结果如表2所示，1.5倍负载率可运行时长为600 min，若可运行时长大于600 min，则循环计算结束。

表1 变压器运行时间及负载率分布

Table 1 Transformer operation time and load rate distribution

注：当前环境温度为25.6 ℃，初始顶层油温为38.3 ℃。

表2 变压器各运行阶段的温度变化

Table 2 Transformer temperature trend on operation stages

注：最大负载率为半小时可运行最大负载率；1.5倍负载率可运行时长为600 min。

图6为导则中顶层油温数据值与本程序计算结果，图7为导则中热点温度数据值与本程序计算结果。由图6、7可知导则中的数据与本文计算结果吻合度较高，表明变电设备动态增容系统中所用模型和算法准确、可靠。

5 结 语

变电设备动态增容技术可以为电网的系统安全提供现场实时分析依据，较好地解决了变电设备限制电网输送能力的瓶颈问题；为电网调度运行人员提供在线调度运行指导数据，及时为电网调度运行安排负荷限额提供有力的辅助决策支持，最大限度地提高电网变电容量限额和电网输送能力。该技术的推广应用必将在提高电网输送能力及容量限额、稳定运行水平中发挥积极的作用，从而确保电网安全。

图6 顶层油温对比图Fig.6 Comparison of top oil temperature

图7 热点油温对比图Fig.7 Comparison of hot oil temperature

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张 炜(1983)，男，高级工程师，从事电力设备状态监测与故障诊断方面研究；

梁俊斌(1979)，男，在站博士后，副教授，从事电力设备状态监测与故障诊断方面研究；

吕泽承(1972)，男，高级工程师，从事电力设备状态监测与故障诊断方面研究。

(编辑：张小飞)

Design and Implementation of Substation Equipment Dynamic Capacity-Increase System

WU Qiuli, DENG Yurong, ZHANG Wei, LIANG Junbin, LYU Zecheng

(Guangxi Electric Power Company Electric Power Science Research Institute, Nanning 530023, China)

As for new bottleneck to limit the transmission capacity of power grid caused by equipment’s capacity in substation, the dynamic capacity-increase technology of substation equipments were studied, and the dynamic capacity-increase system was designed for substation equipments. Through collecting condition monitoring parameters such as the temperature and current of transformer, this paper calculated the load capacity of transformer according to the ‘Guide for Oil Immersed Power Transformer Load’ (GB/T 1094.7) and the thermal equivalent circuit model of transformer. Then, the load capacities of circuit breaker, transformer and isolating switch in substation circuit after overload were checked by using current shunt algorithm. Combined with the operation mode of power grid and the risk assessment value, the running state and capacity-increase ability of substation equipment were analyzed and estimated. The pilot application shows that the calculation results of the system can provide a scientific basis for the operation of scheduling personnel.

dynamic capacity-increase; overload; hot-spot temperature; thermal circuit model; condition monitoring

南方电网公司科技项目(K-GX2011-013、K-GX2015-002)。

TM 63

A

1000-7229(2015)05-0066-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.011

2015-02-27

2015-03-30

吴秋莉(1985)，女，通信作者，助理工程师，从事电力设备状态监测与故障诊断方面研究；

邓雨荣(1965)，男，教授级高级工程师，从事电力设备状态监测与故障诊断方面研究；