CN101425687A - 变压器经济运行自动控制方法及备用自动投切综合装置 - Google Patents

Abstract

变压器经济运行自动控制方法及备用自动投切综合装置，该装置由CPU插件、电源插件、交流插件、信号插件、人机对话插件共同构成；提供的变压器经济运行自动控制方法，它包括以下步骤：a)自动投切综合装置预测模块根据历史负荷数据对未来24小时内负荷进行预测，建立目标节省电量函数判断变压器经济运行时间区间，将此预测区间作为变压器经济运行的一个判据；b)根据采样控制中计算得到的交流量和开关量，判断开关的位置和负荷电流值是否满足经济运行的条件；c)在预测区间内，当运行电流I大于经济运行电流

，则综合装置自动投入二台变压器运行；当运行电流小于经济运行电流

，则综合装置自动退出一台变压器运行；d)当只有一台变压器在运行中且因故障退出运行时，则另一台处于备用状态的变压器由本综合装置自动投入运行，维持对用户的连续供电。

Description

变压器经济运行自动控制方法及备用自动投切综合装置

技术领域

本发明属于电力电子技术中的变电或配电技术领域，特别是涉及一种变压器经济运行自动控制方法及备用自动投切综合装置。

技术背景

变压器是一种应用广泛的电气设备，在变换电压及传递功率的过程中，其自身要产生有功功率损耗和无功功率损耗。变压器的损耗在电网线损中所占的比例较大，变压器能否经济运行，关系到企业的效益，为了降低变压器电能损失，除了选用高效变压器之外，开展变压器经济运行控制也是一项重要措施。

目前，在变压器经济运行方面，仍有一些变电运行人员存在着一些不恰当的认识和做法，比如仅仅根据负载系数判定变压器是否运行合理，为减少操作宁愿用一台小容量变压器重负荷运行，而不采用两台变压器经济运行等。另外，由于缺少自动控制装置，一些变电站依靠人工开展变压器经济运行，不仅劳动强度大，而且也不能保证最佳的节能效果；还有大量的无人值守变电站无法实现经常性的人工操作，经济运行控制难以实现。因此，开发电力变压器经济运行自动控制系统具有重要的意义，它是当前解决电力系统经济运行的一个重要措施之一，也是减少电力系统损耗率的一种有效方法。

在现有技术中，变压器的经济运行一般是根据仪表记录的负荷参数或实际投运的负载设备，结合经济运行条件，由工作人员作出判断并开出操作票，再通过倒闸操作实现人工切换，这种传统的控制方式存在以下不足：

(1)由于变压器并列运行有严格的条件限制，而由人工判断的准确性受到许多客观因素的影响，造成不能及时准确地投切变压器，未达到经济运行的目的，甚至因判断失误而出现误操作的现象，使变压器切换动作的可靠性和时实性不能得到保证；

(2)这种控制模式需要值班人员全程参与，阻碍了无人值守变配电站的发展，使变配电系统难以做到真正的自动化；

(3)由于缺少自动控制装置，一些变电站依靠人工开展变压器经济运行，不仅劳动强度大，而且人为操作频繁，很容易带来误操作事故，存在安全隐患，严重影响了供电的可靠性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足而提供的一种变压器经济运行自动控制方法及备用自动投切综合装置。该综合装置可实现两台并列运行的变压器经济运行控制，同时也可实现变压器的备用投切功能，既实现变压器运行的经济性又保障其供电的可靠性。

本发明可以通过以下技术方案来加以实现：

1.提供的变压器经济运行自动控制方法，它包括以下步骤：

a)本自动投切综合装置预测模块根据历史负荷数据对未来24小时内负荷进行预测，建立目标节省电量函数判断变压器经济运行时间区间，将此预测区间作为变压器经济运行的一个判据；

b)根据采样控制中计算得到的交流量和开关量，判断开关的位置和负荷电流值是否满足经济运行的条件；

c)在预测区间内，当运行电流I大于经济运行电流 $I_{\mathrm{\Σ}}=I_N\sqrt{{2P}_0/P_K},$ 则综合装置自动投入二台变压器运行；当运行电流小于经济运行电流 $I_{\mathrm{\Σ}}=I_N\sqrt{{2P}_0/P_K},$ 则综合装置自动退出一台变压器运行；

d)当只有一台变压器在运行中且因故障退出运行时，则另一台处于备用状态的变压器由本综合装置自动投入运行，维持对用户的连续供电。

2.一种变压器自动投切综合装置，其特征在于：所述的自动投切综合装置由CPU插件、电源插件、交流插件、信号插件、人机对话插件共同构成；其中：所述的电源插件由两个开关稳压电源HAS10-24-N、HAT15-05V12-NFCI组成，为自动投切综合装置提供24V、5V、±12V直流工作电源；交流插件由电流变换器“TA”和电压变换器“TV”元件组成，用于变压器将二次侧电流、电压信号转换为弱电信号，并输给A/D器件进行转换和强、弱电隔离；开关信号插件由继电器、光电耦合器元件构成，实现自动投切综合装置开关量输入信号采集以及断路器操作回路的控制；人机对话插件由键盘、液晶显示、信号灯构成，实现初始参数设置和修改以及电气量的显示；CPU插件由微处理器、A/D转换电路、串口通信电路、I²C电路等构成，对输入交流信号进行处理计算并保存，根据实时负荷数据、预测负荷值、开关状态判定变压器的运行状态并发出控制命令。

附图说明

图1为自动投切综合装置的总体电路框图。

图2为主模块插件的电路框图。

图3为主模块稳压电源电路图。

图4为复位电路原理图。

图5为以太网接口原理图。

图6为A/D转换电路原理图。

图7为RS-232串行接口电路图。

图8为I²C接口电路图。

图9为LCD接口电路图。

图10为开关量输入输出电路。

图11为输出光电耦合电路。

图12为输入光电耦合电路。

图13为自动投切综合装置的控制程序流程图。

图14为1#主接线。

图15为2#主接线。

图16为自动投切综合装置背板端子接线图。

图17为自动投切综合装置背面端子说明图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的变压器经济运行自动控制方法及备用自动投切综合装置作进一步描述：

电源插件(2)为自动投切综合装置提供工作电源，提供了一套寿命长、可靠性高、纹波小，满足快速瞬变脉冲群抗干扰要求的电源。它由两个开关稳压电源HAS10-24-N和HAT15-05V12-NFCI构成，电源的输入均为DC220V/AC220V，HAS10-24-N的输出为24V的直流电源，HAT15-05V12-NFCI的输出为5V、±12V的直流电源。其中，5V主要用于CPU插件(1)，经过三端稳压芯片LM1086变换为3.3V，给微处理器MCF5282(6)提供工作电源；±12V主要用于集成运放的工作电源；24V用作信号插件(4)的中间继电器的工作电源。

由于输电线路电气参数即电流、电压信号是经过相应的电压互感器(TV)和电流互感器(TA)转化为0～5A的电流和0～100V的电压信号，远远超过了本装置弱电系统0～3.3V的输入容许范围。因此，自动投切综合装置的交流插件(3)主要是将输入的模拟电流电压量经过二次变换与低通滤波变换后，全部转换为弱电压信号，供给CPU插件(1)模数转换用；同时经过这些变换，也实现微机监控装置在电路上与电力系统二次回路隔离，并通过变换器初级和次级绕组之间的屏蔽绕组的接地来防止来自高压侧电磁干扰。本装置有两块交流插件(3)，分别用于采集两台变压器高压侧和低压侧的三相电压、二相电流信号：U_1Ha、U_1Hb、U_1Hc、U_1La、U_1Lb、U_1Lc、I_1a、I_1c、U_2Ha、U_2Hb、U_2Hc、U_1La、U_2Lb、U_2Lc、I_2a、I_2c，共16路模拟信号。

信号插件(4)由继电器、光电耦合器元件构成，对自动投切综合装置开关量输入、输出信号采集以及断路器操作回路的控制。开关量输入信号采集主要是将开入量输入的强电信号经过光电隔离之后变为适合CPU处理的弱电信号，然后送入CPU插件(1)以便CPU处理；开出量输出信号将CPU的控制命令输出用于控制出口继电器，它经过外部光电隔离TLP521-4后，输出给小型继电器K401，继电器线圈接通使其触点闭合，从而完成对变压器的投切操作。自动投切综合装置共设计了16路开出量，用户可以根据自己的需要选用。

人机对话插件(5)由键盘、液晶显示、信号灯三部分组成，通过三者的相互配合，操作员可以进行各种参数或数据的修改及查看，并能及时发现电力系统中的一些故障，从而进行快速有效的处理。

CPU插件(1)中的A/D转换电路(7)将模拟量输入插件中送入的模拟量信号进行采样，再结合信号插件(4)送入的反映变压器状态的开关量信号，从而确定是否需要对变压器进行投切，如果需要，则通过信号插件(4)中的出口继电器来控制变压器的投切，从而达到变压器经济运行的目的。同时，CPU插件(1)还要将各种电气数据和继电器动作参数经串口通信电路(8)与上位机进行通信，从而实现上位机对现场的监视。

自动投切综合装置上电后，初始程序对软件、硬件进行初始化定义，自动投切综合装置进行硬件自检、人机界面自检、人机界面自检和键盘操作、串行通讯口通讯；主控制程序按照固定的采样周期接收采样中断信号中断进入采样控制程序，在采样控制程序中进行交流量和开关量采集。此时，提供的自动投切综合装置按以下工作流程进行：

1)利用短期负荷预测得到未来24小时内的负荷预测曲线，以此预测曲线求出变压器在不同组合方式运行下的损耗差值，建立目标节省电量函数分别求出在两种运行方式下损耗的差值，即切换后节约的电能，将此节约电能与目标节省电能w₀(单位：kWh)比较，选择最佳时段切换运行方式。该目标节能函数可表示为：

$w\left(t\right)={\∫}_{t_0}^{t_1}({\mathrm{\Δp}}_{\mathrm{II}}-{\mathrm{\Δp}}_I)\mathrm{dt}-w_0$

式中：Δp_I为单台变压器运行方式下的损耗；Δp_II为两台变压器方式下的损耗；w₀为变压器经济运行目标节省电能(人为设置的定值)。

当w(t)>0时，表明在t₀～t₁这段时间内，二台变压器切换为一台变压器运行所节约的电量达到或超过预定目标，可以实施切换操作；当w(t)≤0时，则表明在t₀～t₁这段时间内，二台变压器切换为一台变压器运行所节约的电量未达到预定目标，不必实施切换操作。

2)根据采样控制中计算得到的交流量和第1)步计算结果，确定投切时刻：在预测可投切时间段内，当运行电流小于经济运行电流 $I_{\mathrm{\Σ}}=I_N\sqrt{{2P}_0/P_K},$ 则自动投切综合装置发出跳闸命令自动退出一台变压器实现单台运行；当运行电流I大于经济运行电流 $I_{\mathrm{\Σ}}=I_N\sqrt{{2P}_0/P_K},$ 则自动投切综合装置自动发出合闸命令投入已退出运行的变压器变为双台运行；

3)变压器备用投切：当单台变压器在运行中突然发生故障跳闸时，则由自动投切综合装置自动发出合闸命令投入另一台已退出运行的变压器，维持对用户的连续供电。

本发明针对变电站的接线方式设计了两种可供选择的方案：一种是母线分段。一种是母线不分段的情况。针对两种接线方式的切换判据如下：

(一)在附图14中，1#接线图工作方式为：

1.经济运行

1)在经济运行条件状态下，原来状态为两台变压器运行，如果负荷电流小于经济运行电流，则需要切除一台变压器。

其条件为：

a：1#变压器+2#变压器运行→1#变压器运行

其条件为： $\left\{\begin{array}{c}{I}_1>I_2\\ w\left(t\right)>0\end{array}\right.$

动作：合6DL，跳4DL，跳3DL

b：1#变压器+2#变压器运行→2#变压器运行

其条件为： $\left\{\begin{array}{c}{I}_2>I_1\\ w\left(t\right)>0\end{array}\right.$

动作：合6DL，跳2DL，跳1DL

2)在经济运行条件状态下，原来状态为一台变压器运行，如果负荷电流大于经济运行电流，则需要投入另一台变压器。

其条件为：

I₁+I₂>I_∑+ΔI

a：1#变压器运行→1#变压器+2#变压器运行

其条件为：

动作：合3DL，合4DL，断6DL。

b：2#变压器运行→1#变压器+2#变压器运行

其条件为：

动作：合1DL，合2DL，断6DL。

2.变压器备投

1)备投1#变压器：

其条件为：

操作：

断开4DL；

合1DL，合2DL；(装置报1#变压器投入信号)

1)备投2#变压器：

其条件为：

操作：

断开2DL；

合3DL，合4DL；(装置报2#变压器投入信号)

(二)在附图15中，2#接线图工作方式为：

1.经济运行：根据总电流的大小决定投入一台变压器或者两台变压器；包括：1#变压器+2#变压器运行→1#变压器运行；1#变压器+2#变压器运行→2#变压器运行；2#变压器运行→1#变压器+2#变压器运行；2#变压器运行→1#变压器+2#变压器运行；四种切换和四种工作方式。

1)在经济运行条件状态下，原来状态为两台变压器运行，如果负荷电流小于经济运行电流，则需要切除一台变压器。

其条件为：

a：1#变压器+2#变压器运行→1#变压器运行

其条件为： $\left\{\begin{array}{c}{I}_1>I_2\\ w\left(t\right)>0\end{array}\right.$

动作：跳4DL，跳3DL

b：1#变压器+2#变压器运行→2#变压器运行

其条件为： $\left\{\begin{array}{c}{I}_2>I_1\\ w\left(t\right)>0\end{array}\right.$

动作：跳2DL，跳1DL

2)在经济运行条件状态下，原来状态为一台变压器运行，如果负荷电流大于经济运行电流，则需要投入另一台变压器。

其条件为：

I₁+I₂>I_∑+ΔI

a：1#变压器运行→1#变压器+2#变压器运行

其条件为：

动作：合3DL，合4DL，装置发2#变压器投入信号。

b：2#变压器运行→1#变压器+2#变压器运行

其条件为：

动作：合1DL，合2DL，断6DL，装置发1#变压器投入信号。

2.变压器备投：系统始终有一台变压器运行，当处于工作的一台变压器或者线路出现故障时另一台变压器自动投入，保证用电设备不长期停电。

1)备投1#变压器：

其条件为：

操作：

合1DL，合2DL；(装置报1#变压器投入信号，发断4DL信号)

1)备投2#变压器：

其条件为：

操作：

合3DL，合4DL；(装置报2#变压器投入信号，发断2DL信号)

附图1、附图2中，各模块的工作原理如下：

16位的CPU：具有较高的执行速度和较强的功能，进行保护逻辑运算，同时完成事件的记录；CPLD用来进行逻辑控制；开关量输入模块：开关量经过光电隔离，进入CPU，再由CPU处理开关量状态；开关量输出模块：CPU发出命令，由CPLD进行逻辑控制来输出开关量，再经过光电耦合电路转换成+24V信号输出；交流量采集模块：电流、电压等交流量首先经过互感器变换成小电压信号，然后滤波及运放电路、保持采样电路，进入A/D转换器转换后，进入CPU；FLASH用来存放装置运行的程序以及保护定值和保护事件；RAM作为时钟芯片和存放信息事件；键盘操作模块：按键闭合信号经过总线缓冲器后和CPU的数据总线相连，由CPU来处理信号；RS485通讯模块：CPU的同步串行接口经过转换器后，再经过RS485转换器与外部进行通讯；出口继电器：送出命令信号。

本方案所述的电路器件，其型号如下：

 

元件代号	名称	型号
			D1	中央处理器	MCF5282
D5	A/D转换器	AD976
			U301，U401	光电耦合器	TLP521
D11	三端集成稳压器	LM1086-3.3
			D10	电源电压监控器	IMP811S
D13	以太网物理层控制器	VT6103
			D15	RS232转换器	MAX3232
D28	EEPROM	24LC256
			D27	时钟芯片	PCF8563
D2	模拟多路开关	MAX306
			U30	图形点阵液晶显示模块	CM320240-2

本发明提供的自动投切综合装置，其外接线方式如下：

a)交流量连接高低压侧两端母线的电压(U)和低压侧两端母线的电流(I)；

b)开关量输入连接6个断路器开关位置辅助接点；

c)开关量的输出连接6个断路器的操作回路；

在附图10中，高低压侧两端母线电压(U)分别连接到装置的N101、N101′、N102、N102′、N103、N103′、N104、N104′、N105、N105′、N106、N106′、N201、N201′、N202、N202′、N203、N203′、N204、N204′、N205、N205′、N206、N206′端子上。低压侧母线电流分别连接到N107、N107′、N108、N108′、N207、N207′、N208、N208′。1DL～6DL的开关位置辅助接点(开关的合位信号和跳位信号)分别接到装置的N302、N303、N304、N305、N315、N316、N317、N318、N308、N309、N310、N311端子上。跳、合闸输出端子N401、N402、N403、N404、N405、N406、N407、N408、N413、N414、N415、N416、N417、N418、N419、N420、N409、N410、N411、N412、N421、N422′、N423、N424分别连接到1DL～6DL的操作回路的跳、合闸回路里。两台变压器保护、操作闭锁信号分别连接到N306、N307、N313、N314端子上。RS485通讯线分别接到N503、N504、N505端子上。

本发明提供的变压器经济运行自动控制方法及自动投切综合装置，与现有技术相比，具有以下优点：

1)将变压器经济运行控制与备用投入控制相结合，实现了经济性与可靠性的合理协调；

1)在变压器经济运行控制中采用了目标节约电量判据，降低了变压器频繁投切的可能性；

3)新的硬件结构保障了具有高的可靠性；

4)广泛适用于输配电系统的变压器节能控制。

Claims (2)

1.一种变压器经济运行自动控制方法，其特征在于：所述的控制方法包括以下步骤：

a)本自动投切综合装置预测模块根据历史负荷数据对未来24小时内负荷进行预测，建立目标节省电量函数判断变压器经济运行时间区间，将此预测区间作为变压器经济运行的一个判据；

b)根据采样控制中计算得到的交流量和开关量，判断开关的位置和负荷电流值是否满足经济运行的条件；

c)在预测区间内，当运行电流I大于经济运行电流 $I_{\mathrm{\Σ}}=I_N\sqrt{{2P}_0/P_K},$ 则综合装置自动投入二台变压器运行；当运行电流小于经济运行电流 $I_{\mathrm{\Σ}}=I_N\sqrt{{2P}_0/P_K},$ 则综合装置自动退出一台变压器运行；

d)当只有一台变压器在运行中且因故障退出运行时，则另一台处于备用状态的变压器由本综合装置自动投入运行，维持对用户的连续供电。

2.一种经济运行自动控制与备用自动投切相结合的综合装置，其特征在于：所述的自动投切综合装置由CPU插件、电源插件、交流插件、信号插件、人机对话插件共同构成；其中：所述的电源插件由两个开关稳压电源HAS10-24-N、HAT15-05V12-NFCI组成，为自动投切综合装置提供24V、5V、±12V直流工作电源；交流插件由电流变换器“TA”和电压变换器“TV”元件组成，用于变压器将二次侧电流、电压信号转换为弱电信号，并输给A/D器件进行转换和强、弱电隔离；开关信号插件由继电器、光电耦合器元件构成，实现自动投切综合装置开关量输入信号采集以及断路器操作回路的控制；人机对话插件由键盘、液晶显示、信号灯构成，实现初始参数设置和修改以及电气量的显示；CPU插件由微处理器、A/D转换电路、串口通信电路、I²C电路等构成，对输入交流信号进行处理计算并保存，根据实时负荷数据、预测负荷值、开关状态判定变压器的运行状态并发出控制命令。

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