張慧賢，苗靈霞，曹俊杰

（1.黃淮學(xué)院 電子科學(xué)與工程系，河南 駐馬店 463000；2.駐馬店市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站，河南 駐馬店 463000）

基于PLC的有載調(diào)容變壓器控制系統(tǒng)研究

張慧賢1，苗靈霞1，曹俊杰2

（1.黃淮學(xué)院 電子科學(xué)與工程系，河南 駐馬店 463000；2.駐馬店市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站，河南 駐馬店 463000）

針對農(nóng)村電網(wǎng)中配電變壓器因季節(jié)性負(fù)荷不均而出現(xiàn)的過載和輕載問題，以非晶合金材料鐵芯變壓器為基礎(chǔ)，采用西門子 S7-200PLC核心控制器，設(shè)計(jì)了有載調(diào)容變壓器控制系統(tǒng)．該控制系統(tǒng)通過互感器和變送器實(shí)時(shí)采集變壓器電流，并與設(shè)定值比較后控制分接開關(guān)的自動切換．

有載調(diào)容；變壓器；控制器；分接開關(guān)

0 引言

在城鄉(xiāng)及企業(yè)電網(wǎng)中，晝夜負(fù)荷變化顯著，且季節(jié)性負(fù)荷變化幅度比較大，因此，配電變壓器本身的負(fù)載及功率因數(shù)是變化的，具有較低負(fù)荷以及超載運(yùn)行的可能性．若配電變壓器容量選得過大，則會經(jīng)常出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，其空載損耗可達(dá)整個(gè)配電損耗的40%左右；若配電變壓器的容量選得過小，則在負(fù)載率大于80%后，損耗率呈正比例緩慢上升，配電變壓器負(fù)載損耗隨之增大．最新資料統(tǒng)計(jì)顯示，我國全年變壓器總的電能損失3000多億kW·h，相當(dāng)于三個(gè)中等用電量省份用電電量之和，而中壓系統(tǒng)中配電變壓器的損耗約占整個(gè)配電系統(tǒng)損耗的50%[1]．隨著電力需求的快速增長和能源的日益緊張，如何最大化地減少配電變壓器的損耗，成為人們目前研究的重要課題．

用非晶合金材料制作變壓器的鐵芯，變壓器的空載電流較傳統(tǒng)硅鋼片鐵芯變壓器下降約80%，有顯著的節(jié)能效果．因此，將有載調(diào)容技術(shù)與非晶合金材料鐵芯變壓器結(jié)合起來，當(dāng)負(fù)荷較輕或接近空載時(shí)，由大容量自動調(diào)為小容量運(yùn)行，可大幅度降低空載損耗；在負(fù)載進(jìn)入大負(fù)載不良運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由小容量自動切換為大容量，可有效降低負(fù)載損耗，對于農(nóng)村電網(wǎng)有較好的適用性[2]．

1 有載調(diào)容系統(tǒng)的構(gòu)成

有載調(diào)容配電變壓器主要由S11型油浸式配電變壓器、有載調(diào)容分接開關(guān)、有載調(diào)容控制器、傳感器及相關(guān)附件組成．圖1為有載調(diào)容控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和驅(qū)動輸出模塊，數(shù)據(jù)采集由傳感器及模擬量、開關(guān)量輸入單元實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理由PLC主單元實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動輸出包括電機(jī)驅(qū)動單元和數(shù)據(jù)顯示單元等．

圖1 有載調(diào)容控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

有載調(diào)容系統(tǒng)的工作原理為：首先通過互感器將配電變壓器350 A左右的大電流轉(zhuǎn)換為毫安級交流微電流，然后通過變送器變?yōu)?～5 V標(biāo)準(zhǔn)信號送入PLC模擬量輸入模塊的輸入端；經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，輸出開關(guān)量信號控制驅(qū)動電機(jī)使分接開關(guān)觸點(diǎn)滑動，接通不同繞組線圈，進(jìn)而使變壓器在不同容量之間切換，完成帶電情況下的容量調(diào)節(jié)；系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定與調(diào)節(jié)過程可通過文本顯示器實(shí)現(xiàn)，文本顯示器通過RS232與PLC實(shí)現(xiàn)串口通信．

2 有載調(diào)容系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 有載調(diào)容控制器設(shè)計(jì)

有載調(diào)容控制器在整個(gè)有載調(diào)容變壓器中起中心控制的作用，可完成數(shù)據(jù)采集、分析判斷、存儲顯示以及發(fā)送指令等功能．圖2所示為有載調(diào)容控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖，主要由中央處理單元、采集單元、通信單元、輸入單元、輸出單元、控制面板單元及電源組成．由于PLC本身具有很高的可靠性和抗干擾能力，因此可以滿足各種惡劣環(huán)境下的應(yīng)用需求．

圖2 有載調(diào)容控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)采用西門子S7-200CPU224（繼電器輸出型）主單元作為有載調(diào)容控制器的核心控制器，外接EM235模擬量4入1出擴(kuò)展模塊．S7-200CPU224內(nèi)含14輸入10輸出數(shù)字量I/O口，通過數(shù)據(jù)線與EM235擴(kuò)展模塊相連．

輸入單元主要實(shí)現(xiàn)電流信號與開關(guān)信號的采集與轉(zhuǎn)換，即通過對模擬量的采集和開關(guān)量的檢測，根據(jù)所獲得被控對象的相關(guān)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，確定是否滿足控制條件．如果滿足控制條件則實(shí)現(xiàn)升容，否則實(shí)現(xiàn)降容．

輸出單元主要通過PLC驅(qū)動分接開關(guān)實(shí)現(xiàn)調(diào)容開關(guān)的高、低容量投切轉(zhuǎn)換．控制參數(shù)的顯示與設(shè)置通過自帶RS232接口的文本顯示器實(shí)現(xiàn)，可以顯示電流和電壓，并根據(jù)實(shí)際負(fù)載大小修改高、低容量的定值參數(shù)，保證變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行．

2.2 調(diào)容變壓器及分接開關(guān)設(shè)計(jì)

調(diào)容變壓器根據(jù)負(fù)荷大小進(jìn)行大、小容量的調(diào)整，主要是通過調(diào)容開關(guān)改變繞組的聯(lián)結(jié)方式來實(shí)現(xiàn)的，如圖3(a)、(b)所示．

圖3 調(diào)容變壓器的聯(lián)結(jié)方式

當(dāng)變壓器運(yùn)行在大容量狀態(tài)時(shí)，三相高壓繞組接成三角形，同時(shí)低壓繞組并聯(lián)；當(dāng)變壓器運(yùn)行在小容量狀態(tài)時(shí)，三相高壓繞組接成星形，同時(shí)低壓繞組串聯(lián)．每相低壓繞組由三部分組成：第一部分（I段）匝數(shù)較少，另外兩部分（II，III段）采取雙線并繞的方式，匝數(shù)較多．大容量狀態(tài)時(shí)，II、III段并聯(lián)再與I段串聯(lián)；小容量狀態(tài)時(shí)，I、II、III段全部串聯(lián)．由大容量狀態(tài)調(diào)節(jié)為小容量狀態(tài)時(shí)，高壓繞組變?yōu)樾切谓臃?，同時(shí)低壓繞組匝數(shù)增加，且低壓繞組匝數(shù)的增加比例與高壓繞組相電壓降低的比例相同，從而保證輸出電壓不變．高壓繞組聯(lián)結(jié)方式的改變、低壓繞組并串聯(lián)的轉(zhuǎn)換以及各分接部分的調(diào)整，均由特制的無勵磁調(diào)容開關(guān)完成．大容量狀態(tài)變?yōu)樾∪萘繝顟B(tài)時(shí)，低壓線圈匝數(shù)的增加使得鐵心的磁通密度大幅度降低，從而硅鋼片的單位損耗變小，變壓器的空載損耗和空載電流隨之變小，這就達(dá)到了降損節(jié)能的目的[3―4]．

如圖4所示，調(diào)容分接開關(guān)設(shè)計(jì)為立式筒形結(jié)構(gòu)．筒體上分布著高低壓繞組接線柱，外設(shè)手動調(diào)容手柄及高低容顯示窗，高低容的切換指令通過PLC輸出，然后驅(qū)動電機(jī)完成高低容量切換．電機(jī)的啟動與停止是通過限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，其減速機(jī)構(gòu)為一對精加工的齒輪．在操作機(jī)構(gòu)頂部設(shè)有防水罩，用于保證操作機(jī)構(gòu)安全，延長使用壽命．

圖4 分接開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)相關(guān)計(jì)算分析：每臺S11型有載調(diào)容配電變壓器每年可比同容量的普通變壓器節(jié)約電量 6750 kW·h；按綜合電價(jià)每千瓦時(shí)0.6元計(jì)算，每臺有載調(diào)容變壓器每年可節(jié)約4050元；按每千瓦時(shí)電量耗煤0.38 kg計(jì)算，每臺有載調(diào)容變壓器每年可節(jié)約煤炭2.565 t，減少CO2排放量7.11 t；預(yù)計(jì)可在5年內(nèi)收回成本[5]．

非晶合金有載調(diào)容變壓器的設(shè)計(jì)，可解決長期以來農(nóng)村地區(qū)因變壓器負(fù)載運(yùn)行不平衡而造成的空載和負(fù)載損耗問題，并可替代原有子母變壓器的運(yùn)行模式，極大地提高供電的自動化水平和效率，對提高供電系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性具有積極的意義．總之，有載調(diào)容變壓器能夠滿足農(nóng)網(wǎng)智能化發(fā)展的要求，有著廣闊的市場前景．

[1] 王金麗．有載調(diào)容變壓器綜合經(jīng)濟(jì)性分析及應(yīng)用研究[J]．高壓電器，2009，45(3)：32―35．

[2] 陳玉國．調(diào)容配電變壓器的原理與性能分析[J]．變壓器，1998，35(1)：24―25．

[3] 劉偉，段玉波，姜建國．油田有載調(diào)容變壓器節(jié)能控制系統(tǒng)的開發(fā)[J]．自動化技術(shù)與應(yīng)用，2003，22(1)：26―29．

[4] 樸在林，王冬冬，鄭鈺．配電變壓器無弧有載自動調(diào)容仿真分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(2)：224―228．

[5] 李慶領(lǐng)，陳志豪．S11調(diào)容變壓器推廣及發(fā)展的設(shè)想[J]．河南電力，2006，(3)：32―33．

TM402，TP273

A

1006-5261(2012)02-0028-02

2012-03-08

河南省科技廳科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（112102210348）

張慧賢（1975―），男，甘肅天水人，講師，碩士，太原理工大學(xué)博士研究生．

〔責(zé)任編輯 張繼金〕