變壓器監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與使用

0引言

農(nóng)電系統(tǒng)中，變壓器是最主要的耗能設(shè)備。在整個農(nóng)電網(wǎng)中，由于所用變壓器數(shù)量眾多，總?cè)萘亢艽螅浜哪芤蚕喈斂捎^。據(jù)統(tǒng)計，在整個農(nóng)電系統(tǒng)中，變壓器損耗要占到農(nóng)電網(wǎng)損耗的 60%70%.

因此，研究變壓器的經(jīng)濟運行、降低變壓器的損耗對整個農(nóng)電系統(tǒng)的“降損節(jié)能”意義重大，同時對緩解農(nóng)村電力供需緊張狀況也有其積極的意義。農(nóng)用變壓器經(jīng)濟運行是在確保農(nóng)用變壓器安全運行及傳輸電量相同的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，通過擇優(yōu)選取變壓器的經(jīng)濟運行方式、變壓器位置的優(yōu)化組合以及調(diào)節(jié)變壓器運行電壓等技術(shù)措施，最大限度地降低變壓器的電能損耗和提高電源側(cè)的功率因數(shù)。

目前，我國農(nóng)用變壓器大都是在自然狀態(tài)下運行的，即使一些已開展了變壓器經(jīng)濟運行的農(nóng)村變電站，其節(jié)能運行效果并不十分令人滿意。這是因為該經(jīng)濟運行方式都是基于對農(nóng)用變壓器的歷史運行數(shù)據(jù)進行手工分析計算，由于手工計算難度大、耗時多，而且效率低，尤其是農(nóng)電系統(tǒng)負荷受季節(jié)性的影響很大，使得數(shù)據(jù)的采集選擇具有偶然性，不利于進行正確的分析和判定;同時，由于所有計算都是離線進行的，確定的變壓器運行方式需經(jīng)運行方式管理部門下達給調(diào)度部門，再由調(diào)度員下令農(nóng)電站進行變壓器的操作，這使得計算結(jié)果不能得到及時執(zhí)行;另外，由于農(nóng)電站運行人員的頻繁操作，容易引起誤操作，從而影響了農(nóng)電站的安全運行。為此，筆者開發(fā)了農(nóng)電變壓器經(jīng)濟運行實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實時采集變壓器的電壓、電流等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對變壓器的損耗及運行電壓進行分析、計算和判斷，從而挑選出損耗最小的運行方式(即經(jīng)濟運行方式)，并自動投切變壓器及調(diào)節(jié)分接頭，從而達到實時控制的目的。

1 農(nóng)用變壓器經(jīng)濟運行判定原則

1.1 經(jīng)濟運行方式的計算和判定

變壓器經(jīng)濟運行就是通過不同的運行方式組合，尋求降低變壓器有功功率損耗和無功功率損耗的途徑。因變壓器綜合功率損耗既考慮了有功功率損耗，又考慮了因其消耗無功功率而使電網(wǎng)增加的有功功率損耗，所以農(nóng)電變壓器的綜合功率損耗計算式常作為農(nóng)電系統(tǒng)中變壓器經(jīng)濟運行的基礎(chǔ)計算式。農(nóng)電變壓器綜合功率損耗隨負載的增加而呈非線性變化。因變壓器間技術(shù)參數(shù)的不同和制造工藝的差異，導(dǎo)致了各變壓器間或多個變壓器組合間(并列或分列運行)在供應(yīng)相同負載的情況下綜合功率損耗有高有低，則農(nóng)電變壓器經(jīng)濟運行方式的判定原則是：在供應(yīng)相同負載的條件下，在可供選擇的所有方式中，選定綜合功率損耗最小的運行方式即為經(jīng)濟運行方式。

1.2 主變運行電壓調(diào)節(jié)

農(nóng)用變壓器總損耗的固定部分(空載損耗)與農(nóng)電網(wǎng)運行電壓的平方成正比。由于農(nóng)電網(wǎng)中負荷的性質(zhì)和數(shù)量波動很大，高峰時電網(wǎng)末端電壓嚴重不足，低谷時電網(wǎng)末端電壓升高，這將使主變的空載損耗大幅度增加。因變壓器空載損耗占據(jù)了變壓器總損耗的主要部分，所以通過調(diào)節(jié)主變運行電壓來保證末端用戶電壓偏移在允許范圍內(nèi)，對降低主變損耗、提高變壓器經(jīng)濟運行水平具有積極的意義。

本文所開發(fā)的變壓器經(jīng)濟運行實時監(jiān)控系統(tǒng)通過實時監(jiān)測主變的母線電壓，自動控制主變分接頭位置，以升高或降低輸出電壓，使母線電壓維持在額定電壓附近，并實時顯示有載調(diào)壓變壓器的輸出電壓、分接頭的檔位及自動記錄有載分接開關(guān)動作的累計次數(shù)。當有載分接開關(guān)處于上、下兩個極限分接位置時，可進行升、降壓閉鎖。調(diào)壓精度可在1%～5%內(nèi)分 9 檔連續(xù)可調(diào)。為便于操作，除“自動”方式之外，還可選擇“手動”方式。在“手動”方式下，用按鈕即可進行升壓與降壓操作。

2 變壓器經(jīng)濟運行實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

變壓器經(jīng)濟運行實時監(jiān)控系統(tǒng)由分布式智能測控單元和主機兩部分組成，主機和測控單元是通過Profibus-DP 現(xiàn)場總線相連。主機采用 IDC610 型工控機，配西門子公司的CP5613 網(wǎng)絡(luò)通信適配卡。智能測控單元由以80C196KC 為核心的測量控制部分和以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片 SPC3 為核心的 Profibus-DP 接口部分組成。兩部分相互配合可完成對 8 條線路的測量計算，同時對各開關(guān)閉合、斷開狀態(tài)進行巡回檢測，以掌握當前變壓器的運行方式、運行電壓及分接頭位置;并把所得到的變壓器運行信息通過 Profibus-DP 總線上傳給主機。主機通過計算和判斷以得出變壓器當前的經(jīng)濟運行方式和最佳運行電壓，并通過Profibus-DP 總線下傳給智能測控單元，測控單元通過其開關(guān)量輸出回路完成對變壓器的投切和分接頭位置的調(diào)節(jié)。

2.2 智能測控單元設(shè)計

智能測控單元的核心部件是 80C196KC 單片機和 Profibus 協(xié)議芯片 SPC3.單片機 80C196KC 主要完成數(shù)據(jù)采集、處理及控制輸出;SPC3 負責(zé)將主站送來的數(shù)據(jù)拆包并將其送往 80C196KC，同時將80C196KC 傳來的數(shù)據(jù)打包上傳給主站。變壓器兩側(cè)的三相電流和電壓信號及母線電壓經(jīng)二次電流、電壓互感器變成 05V 的交流信號，再經(jīng)調(diào)理電路進入單片機的 A/D 轉(zhuǎn)換通道。

由于 80C196KC 內(nèi)含 16kB 的 EPROM，因此片外無需再擴充 EPROM，另有 8 個 10 位的 A/D 轉(zhuǎn)換通道，可選擇采樣時間和轉(zhuǎn)換時間以加速轉(zhuǎn)換過程。外接一片 8k 的 E 2 PROM 28C64 用來保存變比參數(shù)、站地址、識別號等，以免掉電丟失。80C196KC 與 SPC3 之間通過 DRAM(雙口 RAM)IDT7130 來交換數(shù)據(jù)。選用MAX706 作為硬件看門狗芯片，以完成上電復(fù)位、電源波動復(fù)位及程序出錯復(fù)位。開關(guān)量信號經(jīng)由繼電器干節(jié)點輸出，并具有返?；芈?，以確保完成對變壓器的正確投切。當電壓滿足調(diào)壓判據(jù)時，80C196KC的輸出端口輸出高電平，經(jīng)隔離、放大后去觸發(fā)雙向可控硅，使可控硅導(dǎo)通，從而控制單相電動機轉(zhuǎn)動，來改變分接頭的位置，達到調(diào)壓的目的。

2.3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計可分為主站軟件設(shè)計和從站軟件設(shè)計兩部分來進行。從站軟件的設(shè)計包括有：80C196KC，SPC3 的初始化;啟動 A/D 轉(zhuǎn)換中斷;SPC3 與主站之間的通信;SPC3 中斷服務(wù);80C196KC 數(shù)據(jù)采集中斷服務(wù)和輸出控制等。由于 SPC3 集成了完整的 Profibus-DP 協(xié)議，因此 80C196KC 不用參與處理 Profibus-DP 狀態(tài)機。

80C196KC 的主要任務(wù)是在完成對現(xiàn)場采樣處理的同時，根據(jù) SPC3 產(chǎn)生的中斷，對接收到的主站發(fā)送的輸出數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)存，同時組織要通過 SPC3 發(fā)給主站的數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求組織外部診斷。

主站運行在 SOFT.NET DP/Windows NT4.0 for PROFIBUS 環(huán)境下。Windows NT4.0 與專用通信軟件包的配合使用，從而保證了整套系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運行。自行開發(fā)的變壓器經(jīng)濟運行控制軟件根據(jù)智能測控從站上傳的變壓器運行狀態(tài)數(shù)據(jù)(運行數(shù)據(jù)和運行方式)，運用變壓器經(jīng)濟運行算法計算并判斷變壓器經(jīng)濟運行方式及分接頭應(yīng)處的最佳位置，并通過 Profibus-DP 總線下傳至智能測控從站，智能測控從站通過其繼電器輸出節(jié)點控制變壓器的投切，經(jīng)可控硅完成對分接頭位置的調(diào)節(jié)。

作為主站最基本的功能配置，主站計算機還實時顯示各變壓器的運行方式、分接頭檔位、運行參數(shù)(電流、電壓、有功功率、無功功率等)及日負荷曲線，并對各變壓器的投切狀態(tài)及分接頭調(diào)整過程做出詳細的記錄。同時，主站還對各變壓器過負荷、過電壓及低壓運行等非正常運行做出判斷，并產(chǎn)生報警(電力報警系統(tǒng)的研究與使用)提示，以最直觀的方式顯示出非正常運行狀態(tài)。

考慮到農(nóng)電站負荷波動較大，為避免短時間內(nèi)變壓器負荷波動而導(dǎo)致頻繁投切變壓器或調(diào)節(jié)分接頭，保證農(nóng)電站的安全運行，特別在主站控制軟件中設(shè)計了對安全約束條件的判斷。主站軟件首先要對連續(xù) 3 次采集數(shù)據(jù)進行計算，當判斷為相同的經(jīng)濟運行方式后，才去啟動投切或調(diào)節(jié)程序;其次，在投切或調(diào)節(jié)程序中，還要判斷每天的投切、調(diào)節(jié)次數(shù)是否超過變壓器現(xiàn)場安全運行的規(guī)定。上次變壓器投切、調(diào)節(jié)后要滿足一定的運行時間，同時參考前一天記錄的負荷曲線，估計目前負荷要持續(xù)相當一段的經(jīng)濟運行時間。通過采取這些措施，提高了變壓器經(jīng)濟運行實時監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

3 結(jié)束語

近年來，微機在變電站綜合自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨成熟，微機應(yīng)用于變壓器經(jīng)濟運行控制的研究取得了一些進展，開發(fā)出了一些產(chǎn)品。然而，這些產(chǎn)品要么是模板的組裝，要么是用現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品單獨組網(wǎng)，不但價格昂貴，而且靈活性較差，都不太適合于農(nóng)電系統(tǒng)。有關(guān)針對農(nóng)用變壓器經(jīng)濟運行的微機監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品國內(nèi)至今還未見報到。

筆者開發(fā)的農(nóng)電系統(tǒng)變壓器實時監(jiān)控系統(tǒng)，無論在算法原理上，還是在硬件組成上，都充分考慮了農(nóng)用變壓器運行的特點，采用先進的軟、硬件技術(shù)設(shè)計來完成。在某農(nóng)用變壓器運行表明：該系統(tǒng)計算判斷準確，投切和調(diào)節(jié)穩(wěn)定、可靠，節(jié)能效益明顯，達到了設(shè)計的最初要求。

由于本系統(tǒng)的智能測控從站具有標準的Profibus-DP 接口，因此可以和農(nóng)電站綜合自動化系統(tǒng)中帶有標準的 Profibus-DP 接口產(chǎn)品無縫集成而組成一個 PROFIBUS-DP 網(wǎng)，以實現(xiàn)信息集成和功能集成，這使得整個農(nóng)電網(wǎng)的自動化水平大為提高，真正實現(xiàn)了農(nóng)電系統(tǒng)安全、高效、穩(wěn)定、節(jié)能的運行目的。

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