0 引言

    運(yùn)行過程中變壓器自身產(chǎn)生的有功功率損耗和無功功率損耗占電能損耗約30%^[1]。目前在變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論研究方面方案很多，被采用最多的是臨界點(diǎn)劃分法和臨界區(qū)間劃分法?；谂R界點(diǎn)劃分法的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析能有效降低損耗，但此方法要求變壓器投切操作頻繁，存在安全隱患；基于臨界區(qū)間劃分法的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析可減少投切操作，但是節(jié)能性稍差。另一方面，目前國內(nèi)外都研制了較多基于配電變壓器的管理控制單元，主要有配電變壓器測控終端、智能無功補(bǔ)償終端、電能測量控制終端^[2-4]。但是針對變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題始終沒有研發(fā)出一套完整且適用的智能終端，這也使得很多經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論難以付諸實(shí)踐。

    本文意在設(shè)計(jì)一種基于臨界區(qū)間劃分法的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制及柔性投切裝置，主要設(shè)計(jì)負(fù)載功率檢測電路、交流電信號(hào)檢測電路、接觸器分合閘時(shí)間檢測電路和柔性投切點(diǎn)檢測控制電路。此裝置可減少變壓器運(yùn)行損耗，并有效控制變壓器投切操作的次數(shù)，柔性投切技術(shù)可保障變壓器在高壓環(huán)境下的安全性。

1 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間分析

    變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的概念是通過分析變壓器效率而提出的，在每個(gè)臨界區(qū)間左右各自對應(yīng)一種經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，若臨界區(qū)間包含即將發(fā)生的運(yùn)行方式，則變壓器保持當(dāng)前運(yùn)行方式不變^[5]。

1.1 單臺(tái)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間分析

    變壓器的效率指輸出有功功率與輸入有功功率的百分比^[6]，其表達(dá)式為：

式中，P₁為變壓器輸入有功功率，P₂為輸出有功功率；U為變壓器輸出電壓，I為輸出電流，I_N為額定電流；cos_φ為功率因素，ΔP₀為空載損耗，ΔP_k為負(fù)載損耗(如此注釋，下文出現(xiàn)變壓器A、B的空載損耗和負(fù)載損耗均表示為ΔP_A0、ΔP_Ak和?駐P_B0、ΔP_Bk)。

    對式(1)中I求導(dǎo)，得變壓器最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行電流I_e：

    根據(jù)安全性要求，可確定變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間上限為其額定負(fù)載；區(qū)間下限為使得變壓器運(yùn)行效率與額定負(fù)載下運(yùn)行效率相等的最小負(fù)載值^[7]。根據(jù)下式：

1.2 兩臺(tái)非等參數(shù)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間分析

    一般情況下實(shí)際配電變電站中配備的變壓器均會(huì)配備兩臺(tái)高容量非等參數(shù)的變壓器A、B用于實(shí)際供電，依據(jù)單臺(tái)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間的上下限分析方法，可得變壓器A、B單獨(dú)運(yùn)行及并列運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)區(qū)間上下限負(fù)載值，如表1所示。

    假設(shè)變壓器容量S_AN<S_BN，且三者經(jīng)濟(jì)區(qū)間出現(xiàn)交集，即臨界區(qū)間，則在臨界區(qū)間內(nèi)為使變壓器安全地處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況，變壓器保持當(dāng)前運(yùn)行方式不變。對于三繞組變壓器的分析，可參照雙繞組變壓器分析方法類推。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

    變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制及柔性投切裝置的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。配電基站配備兩臺(tái)變壓器，其運(yùn)行方式分為變壓器A、B分別單獨(dú)運(yùn)行和A、B并列運(yùn)行，由交流接觸器控制變壓器投切改變其運(yùn)行方式。本裝置根據(jù)預(yù)設(shè)變壓器參數(shù)生成變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行臨界區(qū)間，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器輸出端所帶負(fù)載、線路電參量和交流接觸器開關(guān)量，智能判別當(dāng)前變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，按需求發(fā)送變壓器投切指令。柔性投切模塊接收到投切指令后通過捕捉交流接觸器兩端電信號(hào)，在接觸器兩端電壓為零時(shí)投入變壓器，或在接觸器上電流為零時(shí)切出變壓器完成經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制。

2.2 整體及主要模塊介紹

    變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制及柔性投切裝置的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

    (1)電參量采集模塊中，通過交流電壓電流互感器將變壓器輸出端的強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成弱電信號(hào)，經(jīng)運(yùn)放復(fù)制壓縮再經(jīng)加法器將負(fù)電壓抬升為正電壓完成信號(hào)采集。其中AD采樣頻率為50 kHz，信號(hào)幅值壓縮和加法器均采用OP07系列的運(yùn)算放大器。

    (2)負(fù)載端功率檢測模塊采用ADE7755高精度電能測量集成芯片，其不僅能正確測量標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)的有功功率，而且還能測量非正弦信號(hào)的有功功率，完全符合實(shí)際供電系統(tǒng)中阻、容、感性負(fù)載對變壓器輸出信號(hào)造成的影響^[8]。ADE7755使用其上CF管腳高頻輸出脈沖至微處理器，STM32計(jì)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)有功功率。

    負(fù)載功率檢測電路如圖3示，其中V1P、V1N前端電路V2P和V2N前端電路分別構(gòu)成電流、電壓差分電路，電壓信號(hào)通過R8～R15對電網(wǎng)線電壓進(jìn)行衰減。另外為了補(bǔ)償相位失調(diào)誤差，R16、C5和R5、C2要相匹配，從而使采樣電壓電流相位相匹配。CF輸出高頻脈沖經(jīng)光耦隔離將信號(hào)傳至STM32的PB4外部中斷。

    (3)交流接觸器的分合閘操作時(shí)間^[9]對變壓器過零點(diǎn)投切的時(shí)機(jī)把握十分重要，需提前多次試驗(yàn)分合閘時(shí)間并將歷史數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，最終系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)在提前預(yù)測接觸器響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)配合電壓電流過零點(diǎn)投切變壓器。接觸器分合閘時(shí)間檢測電路如圖4所示。

    (4)接觸器兩端的交流電壓及流過其上的交流電流經(jīng)互感器轉(zhuǎn)換成弱電交流信號(hào)，通過過零比較器將其轉(zhuǎn)換成正負(fù)脈沖信號(hào)，便于微處理器捕捉過零點(diǎn)^[10]，而后通過二極管濾除負(fù)電壓即可。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制軟件實(shí)現(xiàn)

    根據(jù)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行臨界區(qū)間劃分法可知，對于不同變電站的變壓器配置，系統(tǒng)需要設(shè)定各臺(tái)變壓器的參數(shù)值，其中主要包括機(jī)組容量、空載損耗和負(fù)載損耗，生成此配置下變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制策略。根據(jù)有功功率的實(shí)時(shí)值，系統(tǒng)自動(dòng)判別當(dāng)前變壓器是否處在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，若否則發(fā)送相應(yīng)變壓器投切指令，系統(tǒng)進(jìn)入柔性投切子程序，程序流程圖如圖5所示。

3.2 柔性投切軟件實(shí)現(xiàn)

    柔性投切技術(shù)主要考慮捕捉交流接觸器觸點(diǎn)前端電壓過零點(diǎn)和接觸器上電流過零點(diǎn)投切變壓器，可有效控制接觸器在分合閘瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的浪涌電流和電壓閃變的不利影響。柔性投切程序流程圖如圖6所示。

    控制器在T時(shí)刻發(fā)出投切指令，為設(shè)置延時(shí)零時(shí)刻時(shí)間基準(zhǔn)，打開過零點(diǎn)脈沖輸入芯片的外部中斷管腳，將接收到的第一個(gè)過零點(diǎn)信號(hào)作為延時(shí)零時(shí)刻時(shí)間基準(zhǔn)，則為使得接觸器在過零點(diǎn)投切變壓器，微處理器驅(qū)動(dòng)繼電器有效延時(shí)ΔT為：

其中，n為使ΔT為正的最小整數(shù)，f為電網(wǎng)頻率，T_arc為接觸器觸點(diǎn)息弧時(shí)間。延時(shí)時(shí)間到則執(zhí)行分合閘指令，即可在電壓或電流信號(hào)過零點(diǎn)將待操作變壓器連接或分離系統(tǒng)。

3.3 接觸器分合閘時(shí)間預(yù)測方法

    交流接觸器分合閘時(shí)間主要由其供電電壓和環(huán)境溫度決定，本文提出雙線性插值法預(yù)測本次分合閘時(shí)間，其示意如圖7所示。接觸器分合閘時(shí)間T_o與供電電壓U_i、環(huán)境溫度T_j的關(guān)系由雙線性插值法表示為：

    從圖7可知，坐標(biāo)軸中每個(gè)矩形區(qū)域都對應(yīng)唯一的雙線性插值法系數(shù)a_i，j、b_i，j、c_i，j、d_i，j，為減小單片機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，將檢測得到的供電電壓和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)歸一化：

其中U、T為實(shí)測值，ε、λ為處理值，則最終接觸器分合閘預(yù)測公式為：

    將各矩形區(qū)域?qū)?yīng)的雙線性插值法系數(shù)和邊界值存入微處理器待用，在執(zhí)行柔性投切子程序時(shí)調(diào)用相應(yīng)系數(shù)便可準(zhǔn)確預(yù)測該次接觸器分合閘所需時(shí)間。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 分合閘時(shí)間檢測實(shí)驗(yàn)

    本系統(tǒng)采用以500 W單相變壓器和施耐德LC1E25交流接觸器為模擬實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行柔性切換實(shí)驗(yàn)，測量接觸器分合閘時(shí)間，得到工作電壓為190 V~235 V、環(huán)境溫度為-20 ℃~40 ℃的分合閘時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

    從圖8(a)、(b)變化趨勢可得如下結(jié)論：

    (1)在固定環(huán)境溫度下，供電電壓與接觸器分合閘時(shí)間呈反比關(guān)系，供電電壓越高，接觸器分合閘時(shí)間越?。?/p>

    (2)在固定供電電壓下，環(huán)境溫度對接觸器分合閘時(shí)間的影響呈現(xiàn)非線性變化關(guān)系，當(dāng)溫度從-20 ℃增大到40 ℃過程中，接觸器分合閘時(shí)間先減小再增大，在0 ℃～5 ℃段，分合閘時(shí)間最小。

    從圖8(a)、(b)變化量值可得如下結(jié)論：

    (1)在接觸器的額定工作電壓220 V，環(huán)境溫度為20 ℃下，接觸器的合閘時(shí)間約為70 ms，分閘時(shí)間約為60 ms；

    (2)供電電壓對接觸器分合閘時(shí)間的影響最大為19.82 ms，環(huán)境溫度對接觸器分合閘時(shí)間的影響最大為10.31 ms；

    (3)比較圖8(a)、(b)可知供電電壓和環(huán)境溫度對接觸器合閘時(shí)間的影響更大，這是因?yàn)闄C(jī)械式交流接觸器在分閘過程中更多依賴于接觸器機(jī)械彈簧控制接觸器開關(guān)分離。

    圖9為當(dāng)變壓器在電壓過零點(diǎn)和任意時(shí)刻投入變壓器至供電回路輸出端電壓波形，可知當(dāng)變壓器任意時(shí)刻投入變壓器，其輸出端電壓發(fā)生劇烈抖動(dòng)，抖動(dòng)幅值超10 V(實(shí)際電壓超500 V)，持續(xù)時(shí)間約為3 ms；而在電壓過零點(diǎn)投入變壓器時(shí)，其電壓變化較小，且系統(tǒng)可以得到迅速恢復(fù)。

4.2 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行案例分析

    以浙江省500 kV春曉變電站為例，分析采用臨界區(qū)間劃分法控制變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所能實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益。表2為此變電站配備的變壓器信息。

    變壓器運(yùn)行有功功率損耗如下：

    C_B根據(jù)式(9)中CA類推。其中C_A、C_B為A、B變壓器并列運(yùn)行的負(fù)載分配系數(shù)，根據(jù)式(9)得表3。

    若采用變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制及柔性投切裝置，可使得該變電站2臺(tái)變壓器始終處于經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)，則其損耗為10 312.32 kWh；如不采用變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制，為滿足地區(qū)供電需求及供電安全性能，必須采用24 h A、B變壓器并列運(yùn)行，其運(yùn)行損耗為17 015.04 kWh。從上述分析可得，研制變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制及柔性切換裝置是十分有必要的。

5 結(jié)論

    實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)可較準(zhǔn)確地檢測得到變壓器電參量、負(fù)載端功率和接觸器分合閘時(shí)間，電壓電流過零點(diǎn)投切指令發(fā)送準(zhǔn)確，投切動(dòng)作執(zhí)行可靠，變壓器柔性投切技術(shù)可大幅度降低系統(tǒng)參數(shù)波動(dòng)的不利特性。此外通過分析大型變電站變壓器運(yùn)行規(guī)律，此裝置應(yīng)用于實(shí)際變電站可大幅減小變壓器運(yùn)行損耗，可帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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