基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大型礦用隔爆型干式變壓器動(dòng)態(tài)溫升預(yù)測(cè)研究
近年來(lái)，礦用隔爆型移動(dòng)變電站（簡(jiǎn)稱移變）的單機(jī)容量不斷增加。目前全國(guó)首臺(tái)c級(jí)絕緣大容量3150kVA移變也試制成功并已投入工業(yè)試運(yùn)行。
礦用隔爆型干式變壓器作為移動(dòng)變電站的核心設(shè)備，由于其特殊的結(jié)構(gòu)及工作制，正確計(jì)算和預(yù)測(cè)其主要部位的溫度特性特別是其動(dòng)態(tài)特性對(duì)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)及過(guò)負(fù)荷能力等性能分析都有很大的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也是提高移動(dòng)變電站可靠性和安全性的重要保證。
變壓器的動(dòng)態(tài)溫升分析，傳統(tǒng)方法是根據(jù)變壓器的熱傳遞過(guò)程，經(jīng)過(guò)近似和簡(jiǎn)化處理，建立其熱模型進(jìn)行模擬數(shù)值計(jì)算21.但由于變壓器熱模型是一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，材料的多種多樣，各參數(shù)的依賴關(guān)系都較復(fù)雜，要較準(zhǔn)確的建立其動(dòng)態(tài)熱模型十分困難，對(duì)于采用混合絕緣的礦用隔爆型干式變壓器則更明顯。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的非線性映射能力、自組織結(jié)構(gòu)、高度并行處理方式和不需預(yù)先建模等優(yōu)點(diǎn)，為方便、快捷、準(zhǔn)確的計(jì)算和預(yù)測(cè)變壓器的動(dòng)態(tài)溫升提供了可能，對(duì)于特定工作條件下的動(dòng)態(tài)溫升預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯。本文將改進(jìn)型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于隔爆型干式變壓器負(fù)載動(dòng)態(tài)溫升預(yù)測(cè)，證明了該方法的可行性和優(yōu)越性。
二、隔爆型干式變壓器的熱傳遞模型和動(dòng)態(tài)溫升特點(diǎn)礦用隔爆型移動(dòng)變電站直接工作地點(diǎn)靠近采煤黃守道（1962―）湖南資興人，副教授，博士研究生。
殼內(nèi)主要熱源鐵芯和繞組發(fā)出的熱量先從內(nèi)部由傳導(dǎo)方式傳遞到該部分散熱表面，然后以對(duì)流和輻射方式由散熱面?zhèn)鬟f給殼內(nèi)空氣，通過(guò)空氣的對(duì)流，把來(lái)自鐵芯和繞組的熱量傳給隔爆外殼，加熱了的隔爆外殼通過(guò)輻射和周圍空氣對(duì)流把熱量散走。同時(shí)熱源通過(guò)傳導(dǎo)、空氣對(duì)流等方式把熱量傳遞給器身其它絕緣件使其升溫。熱源一方面通過(guò)冷卻媒質(zhì)空氣把熱量散發(fā)到殼外，另一方面，殼內(nèi)各熱源之間也發(fā)生著熱交換。因而使得其熱模型變得更加復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法分析其動(dòng)態(tài)溫升過(guò)程非常困難。
大容量隔爆型干式變壓器的另一個(gè)特點(diǎn)是各部分的相對(duì)發(fā)熱時(shí)間常數(shù)較高，殼內(nèi)各部分溫度場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，以一臺(tái)3150kVAC級(jí)隔爆干變?yōu)槔?，其線圈部分標(biāo)準(zhǔn)額定溫升為150IK損耗溫度為170*Ct3，導(dǎo)線采用NOMEX紙包無(wú)氧銅導(dǎo)線，170°C時(shí)電阻率為0.2741 mm2/m，電流密度0.9A/mm2，線圈平均溫升120K隔爆外殼溫升42K根據(jù)發(fā)熱時(shí)間常數(shù)估算公式：溫升（K線電流密度（A/mm2）。知線圈的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)為：目前，我國(guó)大多煤礦都采用一天四班制，三班工作，一班設(shè)備維護(hù)檢修的工作制形式，每天移變工作時(shí)間在18小時(shí)左右，變壓器實(shí)際運(yùn)行于以24小時(shí)為一周期的間斷長(zhǎng)期工作制形式。所以變壓器在非穩(wěn)定溫升狀態(tài)下工作時(shí)間較長(zhǎng)，只有正確對(duì)其主要部位的動(dòng)態(tài)溫升進(jìn)行分析、計(jì)算和預(yù)測(cè)，才能較準(zhǔn)確的確定變壓器的實(shí)際過(guò)負(fù)荷能力，達(dá)到準(zhǔn)確的選用各部分的絕緣材料，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目的。
三、BPNN的隔爆型干式變壓器動(dòng)態(tài)溫升預(yù)測(cè)模型從上述的隔爆型干式變壓器熱傳遞模型可知，來(lái)自鐵芯和線圈的兩主要熱源發(fā)出的熱量一方面本身儲(chǔ)存一部分熱量使其溫升增加，另一方面通過(guò)各種熱交換方式把熱量散發(fā)出去使周圍的結(jié)構(gòu)件，殼內(nèi)空氣和隔爆外殼溫升增加，忽略系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境的影響，隨著時(shí)間的增加，系統(tǒng)最后達(dá)到一個(gè)發(fā)熱和散熱過(guò)程的動(dòng)態(tài)平衡，各部分溫升達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。變壓器結(jié)構(gòu)確定后，內(nèi)部鐵芯和線圈的損耗發(fā)熱主要決定于系統(tǒng)電壓和負(fù)載電流，同時(shí)又與其某時(shí)刻的溫度有關(guān)。撇開(kāi)系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜的函數(shù)數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們可以簡(jiǎn)單認(rèn)為：變壓器內(nèi)部溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，可以看作是一個(gè)基于已知模型，在某種給定工況和初始條件下，某部位的溫升對(duì)于時(shí)間的一個(gè)連續(xù)函數(shù)，當(dāng)然這個(gè)連續(xù)函數(shù)是高度非線性的，難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá)。對(duì)于在零初始狀態(tài)下，周圍環(huán)境溫度影響較小，電網(wǎng)輸入電壓波動(dòng)不大的給定礦用隔爆型干式變壓器內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)動(dòng)態(tài)溫升過(guò)程通過(guò)簡(jiǎn)化可以近似的看作是：輸入電壓U，二次電流12和時(shí)間T與各關(guān)鍵點(diǎn)01 ~0n之間的一個(gè)高度非線性映射關(guān)系。
?。ㄒ唬?span>BP（Back-propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型），都存在一個(gè)輸入層有n個(gè)神經(jīng)元，隱層有2n+1個(gè)神經(jīng)元，輸出層有m個(gè)神經(jīng)元的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用來(lái)精確表達(dá)該連續(xù)函數(shù)Y=9（x）。
（二）隔爆型干式變壓器的動(dòng)態(tài)溫升預(yù)測(cè)BP網(wǎng)絡(luò)模型以我廠近期開(kāi)發(fā)的3150kVA移動(dòng)變電站為例，其模型和預(yù)測(cè)對(duì)象是在零初始溫升下，變壓器在各負(fù)載情況下24小時(shí)內(nèi)，箱殼、鐵芯、鐵芯封板、高壓引線、低壓線圈的溫升動(dòng)態(tài)變化情況，基于ko-mogorov定理，理論上我們可以米用一BP網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)其映射F：⑴，I2T）*（01~05）。通過(guò)對(duì)樣本的自適應(yīng)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練后，在不需要預(yù)先建模的情況下可以一次求解出各關(guān)鍵點(diǎn)的動(dòng)態(tài)溫升。這正是我們利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)求解非線性問(wèn)題的明顯優(yōu)勢(shì)。