1.本发明属于变压器技术领域，尤其是生命周期预维护提示液浸式数字化配电变压器及维护方法。
背景技术：2.随着现代电力电子技术的快速发展，配电网信息化程度逐步提高，传统配电网已经发展为电气量复杂、运行数据量测精确、状态可观的智能配电网，对配电变压器的运行状态可量测及可观性也提出更高的要求。传统配电变压器结构简单、效率高、运行可靠、经济性好，但其功能单一，仅能实现电压变换、隔离和能量传输，难以满足智能配电网的需求。随着变压器市场的饱和，变压器制造企业的工作重心已经开始向保障投用产品安全运行方向转变，同时客户市场也在寻求一种更加便捷的运维检修模式，一种能够提供在线状态监测、异常报警、生命周期预维护提示的数字化配电变压器产品需求强烈。
3.配电变压器是配电网中比较贵重的电气设备之一，并且它的投入并不是一次性的，因为它的寿命受设计、生产和使用多方面因素的影响。目前，我们大部分用户无法准确判断运行中变压器的正常使用年限，许多变压器可能由于使用不当，频繁过负荷，寿命很短，但同时也有一部分变压器由于负荷量小，或长期闲置不用，其寿命又大大超过设计寿命。若为前者，用户一般会为更换提前准备，储存备用设备，以防设备突然故障；而若为后者，用户无法得知变压器的剩余寿命，若在设计使用年限开始更换，便会造成使用浪费，因此准确计算变压器的剩余寿命年限及维护周期非常重要。
技术实现要素：4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出生命周期预维护提示液浸式数字化配电变压器及维护方法，能够对提升变压器的运行可观性和可靠性发挥重要的推动作用，帮助用户实时掌握变压器的投入年限、运行状态、剩余寿命，从而可以为用户运维检修及设备更换提供最合理的数据支撑，并为变压器在整个生命周期中实现更高效的资产管理提供支持。
5.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
6.一种生命周期预维护提示液浸式数字化配电变压器，包括配电变压器单元、传感器监测单元和数据分析及传输单元和监控平台，传感器监测单元安装在配电变压器单元上，监测配电变压器单元的运行与状态数据，数据分析及传输单元连接传感器监测单元，用于传输监测的运行与状态数据，监控平台通过无线通信连接数据分析及传输单元，用于计算配电变压器单元的生命周期维护分析结果。
7.而且，所述配电变压器单元包括油箱、箱盖、高压套管、低压套管、无励磁分接开关、压力释放阀和吊耳，其中油箱内充满变压器油，箱盖覆盖在油箱顶部，箱盖顶部分别设有高压套管、低压套管、无励磁分接开关、压力释放阀和吊耳。
8.而且，所述传感器监测单元包括超声波油位传感器、数字化智能监测终端和油温
油压微水一体式传感器，超声波油位传感器设置在油箱底部，用于变压器油位测量；数字化智能监测终端设置在箱盖顶部，油温油压微水一体式传感器设置在油箱侧壁，用于变压器顶层油温、变压器内部压力以及变压器油微水含量的数据采集；数字化智能监测终端用于控制超声波油位传感器和油温油压微水一体式传感器的本地化通信定频采集，采集内容包括配电变压器单元多种运行参数的数据。
9.而且，所述多种参数包括三相电压、电流、功率因数和不平衡率电信号以及顶层油温、油位和油压力物理信号。
10.一种生命周期预维护提示的液浸式数字化配电变压器的计算方法，包括以下步骤：
11.步骤1、传感器监测单元采集配电变压器单元的运行与状态参数，并输入至数据分析及传输单元；
12.步骤2、数据分析及传输单元通过无线通信将运行与状态参数传输至监控平台；
13.步骤3、监控平台针对配电变压器单元进行建模；
14.步骤4、监控平台根据步骤1的运行与状态参数和步骤2构建的模型，对模型进行求解，得到变压器绕组热点温度，同时与变压器绕组最高热点温度进行对比，若小于等于与变压器绕组最高热点温度，则进行步骤4；否则变压器异常报警，并进行步骤4；
15.步骤5、监控平台对模型进行求解，得到变压器剩余寿命t
(last)
，同时与变压器设定剩余寿命进行对比，若小于等于变压器设定剩余寿命，则返回步骤1，否则进行变压器预维护或更换提示。
16.而且，所述步骤3包括以下步骤：
17.步骤3.1、计算变压器绕组时间常数：
[0018][0019]
其中，τ
hs,r
为额定负载情况下的变压器绕组时间常数，τ
hs,pu
是任意负载绕组时间常数与额定绕组时间常数关系的相对绕组时间常数，r为额定负载损耗与空载损耗之比；k为负载系数，m为经验系数，δθ
hs,r
为额定热点对顶层油温升，τ
hs
为变压器绕组时间常数，δθ
hs
为热点对顶层油温升；p
load,r
为额定负载损耗，p
no-load
为额定空载损耗，
[0020]
步骤3.2、计算变压器内部热电温升：
[0021][0022]
步骤3.3、通过四阶runge-kutta高精度单步算法求解步骤3.2中变压器内部热电温升：
[0023]
θ
hs
＝θ
oil
+δθ
hs
[0024]
其中，θ
hs
为变压器绕组热点温度，θ
oil
为变压器顶层油温；
[0025]
步骤3.4、根据步骤3.3中计算的结果，计算变压器日相对寿命损失v
(day)
：
[0026][0027]
其中，
[0028]
步骤3.5、根据步骤3.4中计算的变压器日相对寿命损失v
(day)
，计算变压器的实际电气寿命及剩余寿命：
[0029][0030]
其中，n为变压器投运天数，v
(real)
为变压器实际寿命损失率，t
(real)
为变压器实际电气寿命，t
(design)
为变压器设计寿命，t
(last)
为变压器剩余寿命，t
(run)
为变压器实际投运时间，t
(set)
为变压器设定剩余寿命。
[0031]
而且，所述步骤5中变压器设定剩余寿命由用户根据电气寿命损失趋势进行设定。
[0032]
本发明的优点和积极效果是：
[0033]
1、本发明在变压器周侧设置传感器监测单元和数据分析及传输单元，同时在监控平台建立难以直接量测的参数计算模型，进行变压器运行过程中采集变压器的油位、油面温度、绕组温度、电气寿命、三相不平衡率、功率因数等数据，并根据采集的数据与建立的模型计算变压器的状态以及剩余寿命，实现了配电变压器运行工作状态的全面监测，同时根据电气寿命损失趋势设定预维护提醒阈值，可向绑定的终端平台发送维护提醒信息，为客户的运维检修提供便利，为变压器在整个生命周期中实现更高效的资产管理提供支持。
[0034]
2、本发明设置的传感器监测单元和数据分析及传输单元采用体积小巧、安装方便的智能监测传感器组件，其总装简单便捷，生产效率高，可对变压器的电气量、状态量进行实时监测，为用户制定运维检修计划提供数据支撑，提高供电可靠性。
[0035]
3、本发明的监控平台通过四阶runge-kutta高精度单步算法求解变压器内部热电温升公式，计算得到变压器绕组热点温度，进而计算得到变压器剩余寿命，能够帮助客户实时掌握变压器的投入年限、运行状态及剩余寿命，为变压器在整个生命周期中实现更高效的资产管理提供支持。
附图说明
[0036]
图1为本发明的结构图；
[0037]
图2为本发明的变压器绕组热点温度计算模型结构图；
[0038]
图3为本发明变压器电气寿命计算逻辑框图。
[0039]
1-油箱，2-箱盖，3-高压套管，4-低压套管，5-无励磁分接开关，6-压力释放阀，7-吊耳，8-数字化智能监测终端，9-油温油压微水一体式传感器，10-超声波(一体外贴式)油位传感器。
具体实施方式
[0040]
以下结合附图对本发明做进一步详述。
[0041]
一种生命周期预维护提示液浸式数字化配电变压器，如图1所示，包括配电变压器单元、传感器监测单元和数据分析及传输单元和监控平台，传感器监测单元安装在配电变压器单元上，监测配电变压器单元的运行与状态数据，数据分析及传输单元连接传感器监测单元，用于传输监测的运行与状态数据，监控平台通过无线通信连接数据分析及传输单元，用于计算配电变压器单元的生命周期维护分析结果。配电变压器单元采用数字集成技术，在变压器生产过程中，将超声波(一体外贴式)油位传感器、电流互感器、油温传感器等智能组件及监测终端辅件与变压器器身进行集成。
[0042]
配电变压器单元包括油箱1、箱盖2、高压套管3、低压套管4、无励磁分接开关5、压力释放阀6和吊耳7，其中油箱内充满变压器油，箱盖覆盖在油箱顶部，箱盖顶部分别设有高压套管、低压套管、无励磁分接开关、压力释放阀和吊耳。
[0043]
传感器监测单元包括超声波(一体外贴式)油位传感器10、数字化智能监测终端8和油温油压微水一体式传感器9，超声波油位传感器设置在油箱底部，用于变压器油位测量，该传感器采用分辨率为0.1mm的高频双晶探头，测量精度高，贴于油箱表面安装，无需开孔，安装维护简易。数字化智能监测终端设置在箱盖顶部，用于实现数字化智能监测终端内嵌的电气同步数据采集卡，油箱侧壁的油温油压微水一体式传感器，油箱底部超声波(一体外贴式)油位传感器的数据本地化通信定频采集，功率因数、三相不平衡率等数据的边缘计算，并通过远程无线方式对采集和计算数据进行远传，该终端的采集电压及供电电源直接取自变压器低压侧母线。油温油压微水一体式传感器设置在油箱侧壁，将压敏传感器、热敏传感器以及微水检测传感器集成一体化，进行变压器顶层油温、变压器内部压力以及变压器油微水含量的数据采集。
[0044]
多种参数包括三相电压、电流、功率因数和不平衡率电信号以及顶层油温、油位和油压力物理信号。
[0045]
其中，采用超声波(一体外贴式)油位传感器替代传统油位计，利用超声波指向性好、穿透力强及传播距离远等特性，实现测量油位实时性、准确性高，同时提供多信号接口，可满足不同数据传输协议要求。
[0046]
一种生命周期预维护提示的液浸式数字化配电变压器的计算方法，如图3所示，包括以下步骤：
[0047]
步骤1、传感器监测单元采集配电变压器单元的运行与状态参数，并输入至数据分析及传输单元。
[0048]
步骤2、数据分析及传输单元通过无线通信将运行与状态参数传输至监控平台。
[0049]
步骤3、监控平台针对配电变压器单元进行建模。
[0050]
而且，所述步骤3包括以下步骤：
[0051]
步骤3.1、变压器负载的增加会加大变压器内部绕组损耗，从而引起绕组热电温度升高，热电温升方程可由如下微分方程表示：
[0052][0053]
其中，τ
hs
为变压器绕组时间常数，受负载系数的影响会发生相应变化，可在根据式
(2)测量计算求得；δθ
hs
为热点对顶层油温升；δθ
hs,r
为额定热点对顶层油温升；m为经验系数，表明电阻和油粘度变化的影响，受冷却方式影响，其不同冷却方式下的经验系数取值如表1所示；k为负载系数。
[0054]
表1不同冷却形式下的经验系数m取值
[0055][0056]
上述微分方程中已知量为：m，τ
hs
，δθ
hs,r
；输入量为k；输出量为δθ
hs
。
[0057]
步骤3.2、计算变压器绕组时间常数：
[0058][0059]
其中，τ
hs,r
为额定负载情况下的变压器绕组时间常数，通过热拟合求得，τ
hs,pu
是描述任意负载绕组时间常数与额定绕组时间常数关系的相对绕组时间常数，r为额定负载损耗与空载损耗之比p
load,r
为额定负载损耗，p
no-load
为额定空载损耗。
[0060]
步骤3.3、如图2所示，采用matlab中的simulink工具箱对变压器绕组热点温升微分方程搭建仿真模型，利用四阶runge-kutta高精度单步算法计算变压器实时的绕组热点温升，变压器绕组热点温度为顶层油温与绕组热点温升之和：
[0061]
θ
hs
＝θ
oil
+δθ
hs
[0062]
其中，θ
hs
为变压器绕组热点温度，θ
oil
为变压器顶层油温；
[0063]
步骤3.4、变压器绕组热点温度θ
hs
与变压器寿命的关系可用相对寿命损失来衡量，所谓相对寿命损失即绕组最热点温度为θ
hs
时的寿命损失率与国际电工委员会(iec)规定的绕组最热点98℃时正常寿命损失率之比，用v表示，根据国际6度法则可知，变压器用绝缘件在80～140℃范围内，温度每升高6℃，其绝缘寿命损失增加一倍，据此可得出相对寿命损失为：
[0064][0065]
变压器绕组热点温度由变压器绕组热点温度为顶层油温与绕组热点温升之和求得，其计算频率取决于用户设置的变压器顶层油温采集频率，以5min采集周期为例，此时变压器日相对寿命损失v
(day)
：
[0066]
[0067]
其中，
[0068]
步骤3.5、从变压器投运日开始计算，以日为周期，取变压器日相对寿命损失平均值为实际寿命损失率，据此可求得变压器的实际电气寿命及剩余寿命：
[0069][0070]
其中，n为变压器投运天数，v
(real)
为变压器实际寿命损失率，t
(real)
为变压器实际电气寿命，t
(design)
为变压器设计寿命，t
(last)
为变压器剩余寿命，t
(run)
为变压器实际投运时间，t
(set)
为变压器设定剩余寿命。
[0071]
步骤4、监控平台根据步骤1的运行与状态参数和步骤2构建的模型，对模型进行求解，得到变压器绕组热点温度，同时与变压器绕组最高热点温度进行对比，若小于等于与变压器绕组最高热点温度，则进行步骤4；否则变压器异常报警，并进行步骤4。
[0072]
步骤5、监控平台对模型进行求解，得到变压器剩余寿命，同时与变压器设定剩余寿命进行对比，若小于等于变压器设定剩余寿命，则返回步骤1，否则进行变压器预维护或更换提示。其中变压器设定剩余寿命由用户根据电气寿命损失趋势进行设定，当实际寿命损失达到提醒阈值，可向绑定的终端平台发送维护提醒信息。
[0073]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
技术特征：1.一种生命周期预维护提示液浸式数字化配电变压器，其特征在于：包括配电变压器单元、传感器监测单元和数据分析及传输单元和监控平台，传感器监测单元安装在配电变压器单元上，监测配电变压器单元的运行与状态数据，数据分析及传输单元连接传感器监测单元，用于传输监测的运行与状态数据，监控平台通过无线通信连接数据分析及传输单元，用于计算配电变压器单元的生命周期维护分析结果。2.根据权利要求1所述的一种生命周期预维护提示液浸式数字化配电变压器，其特征在于：所述配电变压器单元包括油箱、箱盖、高压套管、低压套管、无励磁分接开关、压力释放阀和吊耳，其中油箱内充满变压器油，箱盖覆盖在油箱顶部，箱盖顶部分别设有高压套管、低压套管、无励磁分接开关、压力释放阀和吊耳。3.根据权利要求1或2所述的一种生命周期预维护提示液浸式数字化配电变压器，其特征在于：所述传感器监测单元包括超声波油位传感器、数字化智能监测终端和油温油压微水一体式传感器，超声波油位传感器设置在油箱底部，用于变压器油位测量；数字化智能监测终端设置在箱盖顶部，油温油压微水一体式传感器设置在油箱侧壁，用于变压器顶层油温、变压器内部压力以及变压器油微水含量的数据采集；数字化智能监测终端用于控制超声波油位传感器和油温油压微水一体式传感器的本地化通信定频采集，采集内容包括配电变压器单元多种运行参数的数据。4.根据权利要求3所述的一种生命周期预维护提示液浸式数字化配电变压器，其特征在于：所述多种参数包括三相电压、电流、功率因数和不平衡率电信号以及顶层油温、油位和油压力物理信号。5.一种如权利要求1至4任一项所述的生命周期预维护提示的液浸式数字化配电变压器的维护方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、传感器监测单元采集配电变压器单元的运行与状态参数，并输入至数据分析及传输单元；步骤2、数据分析及传输单元通过无线通信将运行与状态参数传输至监控平台；步骤3、监控平台针对配电变压器单元进行建模；步骤4、监控平台根据步骤1的运行与状态参数和步骤2构建的模型，对模型进行求解，得到变压器绕组热点温度，同时与变压器绕组最高热点温度进行对比，若小于等于与变压器绕组最高热点温度，则进行步骤4；否则变压器异常报警，并进行步骤4；步骤5、监控平台对模型进行求解，得到变压器剩余寿命，同时与变压器设定剩余寿命进行对比，若小于等于变压器设定剩余寿命，则返回步骤1，否则进行变压器预维护或更换提示。6.根据权利要求5所述的一种生命周期预维护提示液浸式数字化配电变压器的维护方法，其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：步骤3.1、计算变压器绕组时间常数：
其中，τ
hs,r
为额定负载情况下的变压器绕组时间常数，τ
hs,pu
是任意负载绕组时间常数与额定绕组时间常数关系的相对绕组时间常数，r为额定负载损耗与空载损耗之比；k为负载系数，m为经验系数，δθ
hs,r
为额定热点对顶层油温升，τ
hs
为变压器绕组时间常数，δθ
hs
为热点对顶层油温升；p
load,r
为额定负载损耗，p
no-load
为额定空载损耗，步骤3.2、计算变压器内部热电温升：步骤3.3、通过四阶runge-kutta高精度单步算法求解步骤3.2中变压器内部热电温升：θ
hs
＝θ
oil
+δθ
hs
其中，θ
hs
为变压器绕组热点温度，θ
oil
为变压器顶层油温；步骤3.4、根据步骤3.3中计算的结果，计算变压器日相对寿命损失v
(day)
：其中，步骤3.5、根据步骤3.4中计算的变压器日相对寿命损失v
(day)
，计算变压器的实际电气寿命及剩余寿命：其中，n为变压器投运天数，v
(real)
为变压器实际寿命损失率，t
(real)
为变压器实际电气寿命，t
(design)
为变压器设计寿命，t
(last)
为变压器剩余寿命，t
(run)
为变压器实际投运时间，t
(set)
为变压器设定剩余寿命。7.根据权利要求5所述的生命周期预维护提示液浸式数字化配电变压器的维护方法，其特征在于：所述步骤5中变压器设定剩余寿命由用户根据电气寿命损失趋势进行设定。
技术总结本发明涉及生命周期预维护提示液浸式数字化配电变压器及维护方法，通过在变压器周侧设置传感器监测单元和数据分析及传输单元，同时在监控平台建立难以直接量测的参数计算模型，进行变压器运行过程中采集变压器的油位、油面温度、绕组温度、电气寿命、三相不平衡率、功率因数等数据，并根据采集的数据与建立的模型计算变压器的状态以及剩余寿命，实现了配电变压器运行工作状态的全面监测，同时根据电气寿命损失趋势设定预维护提醒阈值，可向绑定的终端平台发送维护提醒信息，为客户的运维检修提供便利，为变压器在整个生命周期中实现更高效的资产管理提供支持。效的资产管理提供支持。效的资产管理提供支持。
技术研发人员：杜建中 史嫣 崔晨磊 张德举 方浩然 孙韶楠 李蕴 乔玉衡 苗欣 冯圆 齐昕 袁枭枭 高伯凯
受保护的技术使用者：国家电网有限公司 特变电工京津冀智能科技有限公司
技术研发日：2022.03.30
技术公布日：2022/7/5
