变压器监控系统开发与使用

0引言

农电系统中，变压器是最主要的耗能设备。在整个农电网中，由于所用变压器数量众多，总容量很大，其耗能也相当可观。据统计，在整个农电系统中，变压器损耗要占到农电网损耗的 60%70%.

因此，研究变压器的经济运行、降低变压器的损耗对整个农电系统的“降损节能”意义重大，同时对缓解农村电力供需紧张状况也有其积极的意义。农用变压器经济运行是在确保农用变压器安全运行及传输电量相同的基础上，充分利用现有设备，通过择优选取变压器的经济运行方式、变压器位置的优化组合以及调节变压器运行电压等技术措施，最大限度地降低变压器的电能损耗和提高电源侧的功率因数。

目前，我国农用变压器大都是在自然状态下运行的，即使一些已开展了变压器经济运行的农村变电站，其节能运行效果并不十分令人满意。这是因为该经济运行方式都是基于对农用变压器的历史运行数据进行手工分析计算，由于手工计算难度大、耗时多，而且效率低，尤其是农电系统负荷受季节性的影响很大，使得数据的采集选择具有偶然性，不利于进行正确的分析和判定;同时，由于所有计算都是离线进行的，确定的变压器运行方式需经运行方式管理部门下达给调度部门，再由调度员下令农电站进行变压器的操作，这使得计算结果不能得到及时执行;另外，由于农电站运行人员的频繁操作，容易引起误操作，从而影响了农电站的安全运行。为此，笔者开发了农电变压器经济运行实时监控系统。该系统通过实时采集变压器的电压、电流等现场数据，对变压器的损耗及运行电压进行分析、计算和判断，从而挑选出损耗最小的运行方式(即经济运行方式)，并自动投切变压器及调节分接头，从而达到实时控制的目的。

1 农用变压器经济运行判定原则

1.1 经济运行方式的计算和判定

变压器经济运行就是通过不同的运行方式组合，寻求降低变压器有功功率损耗和无功功率损耗的途径。因变压器综合功率损耗既考虑了有功功率损耗，又考虑了因其消耗无功功率而使电网增加的有功功率损耗，所以农电变压器的综合功率损耗计算式常作为农电系统中变压器经济运行的基础计算式。农电变压器综合功率损耗随负载的增加而呈非线性变化。因变压器间技术参数的不同和制造工艺的差异，导致了各变压器间或多个变压器组合间(并列或分列运行)在供应相同负载的情况下综合功率损耗有高有低，则农电变压器经济运行方式的判定原则是：在供应相同负载的条件下，在可供选择的所有方式中，选定综合功率损耗最小的运行方式即为经济运行方式。

1.2 主变运行电压调节

农用变压器总损耗的固定部分(空载损耗)与农电网运行电压的平方成正比。由于农电网中负荷的性质和数量波动很大，高峰时电网末端电压严重不足，低谷时电网末端电压升高，这将使主变的空载损耗大幅度增加。因变压器空载损耗占据了变压器总损耗的主要部分，所以通过调节主变运行电压来保证末端用户电压偏移在允许范围内，对降低主变损耗、提高变压器经济运行水平具有积极的意义。

本文所开发的变压器经济运行实时监控系统通过实时监测主变的母线电压，自动控制主变分接头位置，以升高或降低输出电压，使母线电压维持在额定电压附近，并实时显示有载调压变压器的输出电压、分接头的档位及自动记录有载分接开关动作的累计次数。当有载分接开关处于上、下两个极限分接位置时，可进行升、降压闭锁。调压精度可在1%～5%内分 9 档连续可调。为便于操作，除“自动”方式之外，还可选择“手动”方式。在“手动”方式下，用按钮即可进行升压与降压操作。

2 变压器经济运行实时监控系统设计

2.1 系统组成

变压器经济运行实时监控系统由分布式智能测控单元和主机两部分组成，主机和测控单元是通过Profibus-DP 现场总线相连。主机采用 IDC610 型工控机，配西门子公司的CP5613 网络通信适配卡。智能测控单元由以80C196KC 为核心的测量控制部分和以网络协议芯片 SPC3 为核心的 Profibus-DP 接口部分组成。两部分相互配合可完成对 8 条线路的测量计算，同时对各开关闭合、断开状态进行巡回检测，以掌握当前变压器的运行方式、运行电压及分接头位置;并把所得到的变压器运行信息通过 Profibus-DP 总线上传给主机。主机通过计算和判断以得出变压器当前的经济运行方式和最佳运行电压，并通过Profibus-DP 总线下传给智能测控单元，测控单元通过其开关量输出回路完成对变压器的投切和分接头位置的调节。

2.2 智能测控单元设计

智能测控单元的核心部件是 80C196KC 单片机和 Profibus 协议芯片 SPC3.单片机 80C196KC 主要完成数据采集、处理及控制输出;SPC3 负责将主站送来的数据拆包并将其送往 80C196KC，同时将80C196KC 传来的数据打包上传给主站。变压器两侧的三相电流和电压信号及母线电压经二次电流、电压互感器变成 05V 的交流信号，再经调理电路进入单片机的 A/D 转换通道。

由于 80C196KC 内含 16kB 的 EPROM，因此片外无需再扩充 EPROM，另有 8 个 10 位的 A/D 转换通道，可选择采样时间和转换时间以加速转换过程。外接一片 8k 的 E 2 PROM 28C64 用来保存变比参数、站地址、识别号等，以免掉电丢失。80C196KC 与 SPC3 之间通过 DRAM(双口 RAM)IDT7130 来交换数据。选用MAX706 作为硬件看门狗芯片，以完成上电复位、电源波动复位及程序出错复位。开关量信号经由继电器干节点输出，并具有返校回路，以确保完成对变压器的正确投切。当电压满足调压判据时，80C196KC的输出端口输出高电平，经隔离、放大后去触发双向可控硅，使可控硅导通，从而控制单相电动机转动，来改变分接头的位置，达到调压的目的。

2.3 软件设计

本系统的软件设计可分为主站软件设计和从站软件设计两部分来进行。从站软件的设计包括有：80C196KC，SPC3 的初始化;启动 A/D 转换中断;SPC3 与主站之间的通信;SPC3 中断服务;80C196KC 数据采集中断服务和输出控制等。由于 SPC3 集成了完整的 Profibus-DP 协议，因此 80C196KC 不用参与处理 Profibus-DP 状态机。

80C196KC 的主要任务是在完成对现场采样处理的同时，根据 SPC3 产生的中断，对接收到的主站发送的输出数据进行转存，同时组织要通过 SPC3 发给主站的数据，并根据要求组织外部诊断。

主站运行在 SOFT.NET DP/Windows NT4.0 for PROFIBUS 环境下。Windows NT4.0 与专用通信软件包的配合使用，从而保证了整套系统的长期安全稳定运行。自行开发的变压器经济运行控制软件根据智能测控从站上传的变压器运行状态数据(运行数据和运行方式)，运用变压器经济运行算法计算并判断变压器经济运行方式及分接头应处的最佳位置，并通过 Profibus-DP 总线下传至智能测控从站，智能测控从站通过其继电器输出节点控制变压器的投切，经可控硅完成对分接头位置的调节。

作为主站最基本的功能配置，主站计算机还实时显示各变压器的运行方式、分接头档位、运行参数(电流、电压、有功功率、无功功率等)及日负荷曲线，并对各变压器的投切状态及分接头调整过程做出详细的记录。同时，主站还对各变压器过负荷、过电压及低压运行等非正常运行做出判断，并产生报警(电力报警系统的研究与使用)提示，以最直观的方式显示出非正常运行状态。

考虑到农电站负荷波动较大，为避免短时间内变压器负荷波动而导致频繁投切变压器或调节分接头，保证农电站的安全运行，特别在主站控制软件中设计了对安全约束条件的判断。主站软件首先要对连续 3 次采集数据进行计算，当判断为相同的经济运行方式后，才去启动投切或调节程序;其次，在投切或调节程序中，还要判断每天的投切、调节次数是否超过变压器现场安全运行的规定。上次变压器投切、调节后要满足一定的运行时间，同时参考前一天记录的负荷曲线，估计目前负荷要持续相当一段的经济运行时间。通过采取这些措施，提高了变压器经济运行实时监控系统的可靠性。

3 结束语

近年来，微机在变电站综合自动化系统中的应用日趋成熟，微机应用于变压器经济运行控制的研究取得了一些进展，开发出了一些产品。然而，这些产品要么是模板的组装，要么是用现成的网络产品单独组网，不但价格昂贵，而且灵活性较差，都不太适合于农电系统。有关针对农用变压器经济运行的微机监控系统产品国内至今还未见报到。

笔者开发的农电系统变压器实时监控系统，无论在算法原理上，还是在硬件组成上，都充分考虑了农用变压器运行的特点，采用先进的软、硬件技术设计来完成。在某农用变压器运行表明：该系统计算判断准确，投切和调节稳定、可靠，节能效益明显，达到了设计的最初要求。

由于本系统的智能测控从站具有标准的Profibus-DP 接口，因此可以和农电站综合自动化系统中带有标准的 Profibus-DP 接口产品无缝集成而组成一个 PROFIBUS-DP 网，以实现信息集成和功能集成，这使得整个农电网的自动化水平大为提高，真正实现了农电系统安全、高效、稳定、节能的运行目的。

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