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?，其耗能也相當可觀。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上，充分利用現(xiàn)有設備，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動作的累計次數(shù)。當有載分接開關處于上、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，以完成上電復位、電源波動復位及程序出錯復位。開關量信號經(jīng)由繼電器干節(jié)點輸出，并具有返校回路，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 軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計可分為主站軟件設計和從站軟件設計兩部分來進行。從站軟件的設計包括有：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;80C196KC 數(shù)據(jù)采集中斷服務和輸出控制等。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)中的應用日趨成熟，微機應用于變壓器經(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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