CN102313838A - 配电变压器智能负荷监测与互供方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及配电变压器智能负荷监测与互供方法，主要步骤有初始化，定时采集变压器的电压、电流信号，计算变压器所带的负荷，变压器负荷互供方法的实现和显示报警。通过装设在变压器上的数据测量单元测得配电变压器的电压、电流数据，经过中央信息处理器的计算，算得所监测变压器所带的负荷，并判断此变压器是否轻载或过载，并将信息通过GSM模块发送至监测中心的计算机上，由计算机对轻载或过载的变压器提出负荷互供方案，并发出指令，指定相应的变压器投入或切除。本发明可广泛应用于城市配电变压器的在线监测，对于提高供电可靠性，减少系统的损耗，提高变压器的使用寿命具有重要的意义。

Description

配电变压器智能负荷监测与互供方法

技术领域

本发明涉及变压器负荷在线监测领域，特别涉及变压器之间负荷互供的实现方法。

背景技术

随着城市建设的不断发展，城市用电负荷日益增长，对供电的品质和可靠性的要求越来越高。一些重要负荷即使短暂停电，也会造成重大的经济损失和不良的政治影响，因此，实现城市电网负荷的不停电转移，有着重要的意义。但是，在实际运行中，实现负荷转移的路径是根据运行经验选择的，所选的路径很可能是可行路径，而非最优路径。所以，实时监测配电变压器的负荷状况，为实现负荷互供提供参考依据，寻找最优的负荷互供方式，这对优化供电网络、减少停电时间、提高供电可靠性、保障供电连续性具有重要意义。

现有配电变压器自动投切装置如中国专利号为ZL200910118405.4的“配电变压器远距离安装并联经济运行自动投切装置”是通过监测变压器运行电流，来判断变压器是否过载，如果过载，则启动延时合闸电路，自动投入另一台变压器，若果轻载，则启动延时分闸电路，自动退出一台变压器。又如中国专利号为ZL200910001742.5的“10～20kV配电变压器并列经济运行自动投切装置”，此装置也是通过测量变压器电流，来判定变压器是否过载，从而自动投切变压器。以上这两种装置能降低电网的损耗，但只能针对相距较近的变压器，而针对城市供电变压器，这种装置暂不能实现其预定功能。

发明内容

本发明的目的是针对变压器所供负载进行在线监测，针对过载或是轻载的变压器及时预警并提出负荷互供的措施。

为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：一种配电变压器智能负荷监测与互供方法，包括如下步骤：

(1)初始化：将变压器所带的负荷上限PN存储到中央信息处理器中，并设定定时采集分析数据的时间，录入断路器具体位置和变压器编号。

(2)定时采集分析数据：采集时间到时，模数转换器将第一电压互感器、第二电压互感器、第三电压互感器、第一电流互感器、第二电流互感器和第三电流互感器采集到的模拟信号转化成数字信号，中央信息处理器对经模数转换器转换后的数字电压、电流信号进行分析处理。

其中：数据处理采用傅里叶算法，由A/D转换单元对三相电压、电流进行采样：{x_n，n＝0，1，.....，N-1}，其中N表示采样点数，x_n表示采样值；

经离散傅里叶变换得到三相的电压、电流：

$X=\frac{\sqrt{2}}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n{e}^{-j2\mathrm{k\π}/N}$

式中：X表示电压或者电流，x_n表示采样值，N表示采样点数。

(3)计算变压器所带的负荷：根据测量所得的电流信号，计算变压器所带的负载，方法如下：

$U=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}^2\left(n\right)}$

$I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2\left(n\right)}$

式中：U表示电压有效值，u(n)表示电压采样值，I表示电流有效值，i(n)表示电流采样值，N表示采样点数；

在含有谐波的情况下，变压器所带的负荷可表示为：

$P=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)i\left(n\right)$

式中：P表示变压器所带的负荷，u(n)表示电压采样值，i(n)表示电流采样值，N表示采样点数。

(4)变压器负荷互供方法的实现：监测中心的计算机在接收GSM通信单元发来的信息后进行分析处理，若是某个变压器所带的负荷P超过其所能带负荷上限P_n，则由监测中心的计算机发出指令，控制连接两台变压器之间的断路器合闸，使与负载超限变压器相接的另一台负载不超限变压器与其一起并联运行，若是有两台或是两台以上的变压器负载率低于30％，可以将这些变压器上的负载通过变压器之间的联络线转移到一台或是两台变压器上，以减少投入变压器的台数；

通过判断变压器过载或者轻载利用变压器之间的断路器的开合完成变压器之间的负荷互供。从而减少系统的损耗。

(5)显示报警：将动作的断路器的具体位置、投切时间和负载越限的变压器编号显示在监测中心的计算机上，实现监视、警示功能。

需要实施所述步骤(4)时，电压放大单元将中央信息处理器输出的电压信号放大，以控制相应的断路器的开合，实现负荷互供方案。

所述步骤(1)中设定定时采集分析数据的时间的取值范围为5-20分钟；所述变压器带的负荷的上限PN根据现场的具体情况确定。

以上的电变压器智能负荷监测与互供方法需要配合如下的装置才能实现其功能。

一种配电变压器智能负荷监测与互供装置，包括电源管理单元、数据测量单元、中央信息处理器、GSM通信单元、GSM通信终端、监测中心的计算机、键盘和电压放大单元，其中所述电源管理单元由开关电源、充电控制电路、锂电池和直流升压转换电路串联构成；所述数据测量单元由第一电压互感器、第二电压互感器、第三电压互感器、第一电流互感器、第二电流互感器和第三电流互感器串联滤波单元和模数转换器构成；所述中央信息处理器分别与GSM通信单元、键盘和电压放大单元连接，所述GSM通信终端与监测中心的计算机连接；GSM通信单元与GSM通信终端完成数据的无线传输。

所述中央信息处理器存储有变压器的负荷上限PN、定时采集分析数据的时间和断路器具体位置；所述中央信息处理器对经模数转换器转换后的数字电压、电流信号进行分析处理，包括：由A/D转换单元对三相电压、电流进行采样：{x_n，n＝0，1，.....，N-1}，其中N表示采样点数，x_n表示采样值；

由离散傅里叶变换得到三相的电压、电流：

$X=\frac{\sqrt{2}}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n{e}^{-j2\mathrm{k\π}/N}$

式中：X表示电压或者电流，x_n表示采样值，N表示采样点数；

计算变压器所带的负载，方法如下：

$U=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}^2\left(n\right)}$

$I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2\left(n\right)}$

式中：U表示电压有效值，u(n)表示电压采样值，I表示电流有效值，i(n)表示电流采样值，N表示采样点数；

在含有谐波的情况下，变压器所带的负荷可表示为：

$P=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)i\left(n\right)$

式中：P表示变压器所带的负荷，u(n)表示电压采样值，i(n)表示电流采样值，N表示采样点数。

将所述第一电压互感器、第二电压互感器、第三电压互感器、第一电流互感器、第二电流互感器和第三电流互感器分别接在要监测的配电变压器的三相上。

本发明可以及时有效的监测配电变压器的负载情况，并根据所测数据，判断变压器的运行状态，以此提出负荷互供的方法。本发明可以广泛地应用于城市配电变压器的在线监测，可以提供供电的可靠性，减少系统的损耗，同时，可提高变压器的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的工作原理示意图；

图2为本发明的系统结构框图；

图3为本发明的具体的结构框图；

图4为本发明进行负荷互供判断的流程图；

图2中：A1～An-测量及通信单元，B-计算机以及GSM通信终端；

图3中：1-数据测量单元，2-中央信息处理器，3-电源管理单元，4-GSM通信单元，5-GSM通信终端，6-监测中心的计算机，7-键盘，8-电压放大单元，9.1-第一电压互感器，9.2-第二电压互感器，9.3-第三电压互感器，10.1-第一电流互感器，10.2-第二电流互感器，10.3-第三电流互感器，11-滤波单元，12-模数转换器，13-开关电源，14-充电控制电路，15-锂电池，16-直流升压转换电路。

具体实施方式

下面结合附图做进一步说明。

参见图1：一个简单的配电变压器负荷监测与互供判定方法包括监测中心的计算机及GSM通信终端、数据测量及数据处理单元和GSM通信单元。测量单元将各个变压器的电压电流信号传送给中央信息处理器，中央信息处理器计算出各个变压器所带的负荷值并判断所监测变压器是否过载或轻载，然后通过GSM通信单元将所检测变压器的信息发送给信息监测中心的GSM通信终端，同时将信息显示在监测中心的计算机上；监测中心的工作人员也可以通过计算机以及GSM通信终端与现场的监测设备实现通信，对现场的设备进行调试并能调取监测设备的数据。监测中心的计算机在收到现场配电变压器的数据后，对数据进行分析，从全局出发对轻载或超载的变压器提出负荷互供的方案，以实现电网的最优运行。

参见图2，将各个配电变压器的地理信息设置在相应的监测设备中，现场的各个配电变压器的测量及通信单元A₁～A_n与监测中心的计算机及GSM通信终端B构成了配电变压器负荷监测及负荷互供判定系统。信息监测中心的计算机6从全局出发，统筹辖区内的配电变压器，以实现最优的负荷互供方法，达到减小系统损耗、提高供电可靠性的目的。

参见图3，一种配电变压器智能负荷监测与互供装置，包括电源管理单元3，数据测量单元1、中央信息处理器2、GSM通信单元4、GSM通信终端5、监测中心的计算机6、键盘7和电压放大单元8，其中所述电源管理单元3由开关电源13、充电控制电路14、锂电池15和直流升压转换电路16串联构成，所述数据测量单元1由第一电压互感器9.1、第二电压互感器9.2、第三电压互感器9.3、第一电流互感器10.1、第二电流互感器10.2和第三电流互感器10.3串联滤波单元11和模数转换器12构成；所述中央信息处理器2分别与GSM通信单元4、键盘7和电压放大单元8连接，所述GSM通信终端5与监测中心的计算机6连接；GSM通信单元4与GSM通信终端5完成数据的无线传输。

将所述第一电压互感器9.1、第二电压互感器9.2、第三电压互感器9.3、第一电流互感器10.1、第二电流互感器10.2和第三电流互感器10.3分别接在要监测的配电变压器的三相上，同时将所测量的配电变压器的地理信息设置在中央信息处理器2中。

参见图4，一种配电变压器智能负荷监测与互供方法，包括如下步骤：

(1)初始化：将变压器所带的负荷上限PN存储到中央信息处理器2中，并设定定时采集分析数据的时间，录入断路器具体位置和变压器编号；

(2)定时采集分析数据：采集时间到时，模数转换器12将第一电压互感器9.1、第二电压互感器9.2、第三电压互感器9.3、第一电流互感器10.1、第二电流互感器10.2和第三电流互感器10.3采集到的模拟信号转化成数字信号，中央信息处理器2对经模数转换器12转换后的数字电压、电流信号进行分析处理；

其中：数据处理采用傅里叶算法，由A/D转换单元对三相电压、电流进行采样：{x_n，n＝0，1，.....，N-1}，其中N表示采样点数，x_n表示采样值；

经离散傅里叶变换得到三相的电压、电流：

$X=\frac{\sqrt{2}}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n{e}^{-j2\mathrm{k\π}/N}$

式中：X表示电压或者电流，x_n表示采样值，N表示采样点数；

(3)计算变压器所带的负荷：根据测量所得的电流信号，计算变压器所带的负载，方法如下：

$U=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}^2\left(n\right)}$

$I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2\left(n\right)}$

式中：U表示电压有效值，u(n)表示电压采样值，I表示电流有效值，i(n)表示电流采样值，N表示采样点数；

在含有谐波的情况下，变压器所带的负荷可表示为：

$P=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)i\left(n\right)$

式中：P表示变压器所带的负荷，u(n)表示电压采样值，i(n)表示电流采样值，N表示采样点数；

(4)变压器负荷互供方法的实现：监测中心的计算机6在接收GSM通信单元4发来的信息后进行分析处理，若是某个变压器所带的负荷P超过其所能带负荷上限P_n，则由监测中心的计算机6发出指令，控制连接两台变压器之间的断路器合闸，使与负载超限变压器相接的另一台负载不超限变压器与其一起并联运行，若是有两台或是两台以上的变压器负载率低于30％，可以将这些变压器上的负载通过变压器之间的联络线转移到一台或是两台变压器上，以减少投入变压器的台数；

(5)显示报警：将动作的断路器的具体位置、投切时间和负载越限的变压器编号显示在监测中心的计算机6上，实现监视、警示功能。

Claims (5)

1.一种配电变压器智能负荷监测与互供方法，包括如下步骤：

(1)初始化：将变压器所带的负荷上限P_N存储到中央信息处理器(2)中，并设定定时采集分析数据的时间，录入断路器具体位置和变压器编号；

(2)定时采集分析数据：采集时间到时，模数转换器(12)将第一电压互感器(9.1)、第二电压互感器(9.2)、第三电压互感器(9.3)、第一电流互感器(10.1)、第二电流互感器(10.2)和第三电流互感器(10.3)采集到的模拟信号转化成数字信号，中央信息处理器(2)对经模数转换器(12)转换后的数字电压、电流信号进行分析处理；

其中：数据处理采用傅里叶算法，由A/D转换单元对三相电压、电流进行采样：{x_n，n＝0，1，.....，N-1}，其中N表示采样点数，x_n表示采样值；

经离散傅里叶变换得到三相的电压、电流：

$X=\frac{\sqrt{2}}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n{e}^{-j2\mathrm{k\π}/N}$

式中：X表示电压或者电流，x_n表示采样值，N表示采样点数；

(3)计算变压器所带的负荷：根据测量所得的电流信号，计算变压器所带的负载，方法如下：

$U=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}^2\left(n\right)}$

$I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2\left(n\right)}$

式中：U表示电压有效值，u(n)表示电压采样值，I表示电流有效值，i(n)表示电流采样值，N表示采样点数；

在含有谐波的情况下，变压器所带的负荷可表示为：

$P=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)i\left(n\right)$

式中：P表示变压器所带的负荷，u(n)表示电压采样值，i(n)表示电流采样值，N表示采样点数；

(4)变压器负荷互供方法的实现：监测中心的计算机(6)在接收GSM通信单元(4)发来的信息后进行分析处理，若是某个变压器所带的负荷P超过其所能带负荷上限P_n，则由监测中心的计算机(6)发出指令，控制连接两台变压器之间的断路器合闸，使与负载超限变压器相接的另一台负载不超限变压器与其一起并联运行，若是有两台或是两台以上的变压器负载率低于30％，可以将这些变压器上的负载通过变压器之间的联络线转移到一台或是两台变压器上，以减少投入变压器的台数；

(5)显示报警：将动作的断路器的具体位置、投切时间和负载越限的变压器编号显示在监测中心的计算机(6)上，实现监视、警示功能。

2.根据权利要求1所述一种配电变压器智能负荷监测与互供方法，其特征在于：需要实施所述步骤(4)时，电压放大单元(8)将中央信息处理器(2)输出的电压信号放大，以控制相应的断路器的开合，实现负荷互供方案。

3.根据权利要求1所述一种配电变压器智能负荷监测与互供方法，其特征在于：所述步骤(1)中设定定时采集分析数据的时间的取值范围为5-20分钟；所述变压器带的负荷的上限PN根据现场的具体情况确定。

4.一种配电变压器智能负荷监测与互供装置，包括电源管理单元(3)，其中所述电源管理单元(3)由开关电源(13)、充电控制电路(14)、锂电池(15)和直流升压转换电路(16)串联构成；其特征在于：还包括数据测量单元(1)、中央信息处理器(2)、GSM通信单元(4)、GSM通信终端(5)、监测中心的计算机(6)、键盘(7)、电压放大单元(8)，其中所述数据测量单元(1)由第一电压互感器(9.1)、第二电压互感器(9.2)、第三电压互感器(9.3)、第一电流互感器(10.1)、第二电流互感器(10.2)和第三电流互感器(10.3)串联滤波单元(11)和模数转换器(12)构成；所述中央信息处理器(2)分别与GSM通信单元(4)、键盘(7)和电压放大单元(8)连接，所述GSM通信终端(5)与监测中心的计算机(6)连接；GSM通信单元(4)与GSM通信终端(5)完成数据的无线传输；

所述中央信息处理器(2)存储有变压器的负荷上限P_N、定时采集分析数据的时间和断路器具体位置；所述中央信息处理器(2)对经模数转换器(12)转换后的数字电压、电流信号进行分析处理，包括：由A/D转换单元对三相电压、电流进行采样：{x_n，n＝0，1，.....，N-1}，其中N表示采样点数，x_n表示采样值；

由离散傅里叶变换得到三相的电压、电流：

$X=\frac{\sqrt{2}}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n{e}^{-j2\mathrm{k\π}/N}$

式中：X表示电压或者电流，x_n表示采样值，N表示采样点数；

计算变压器所带的负载，方法如下：

$U=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}^2\left(n\right)}$

$I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2\left(n\right)}$

式中：U表示电压有效值，u(n)表示电压采样值，I表示电流有效值，i(n)表示电流采样值，N表示采样点数；

在含有谐波的情况下，变压器所带的负荷可表示为：

$P=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)i\left(n\right)$

式中：P表示变压器所带的负荷，u(n)表示电压采样值，i(n)表示电流采样值，N表示采样点数。

5.根据权利要求4所述一种配电变压器智能负荷监测与互供装置，其特征在于：将所述第一电压互感器(9.1)、第二电压互感器(9.2)、第三电压互感器(9.3)、第一电流互感器(10.1)、第二电流互感器(10.2)和第三电流互感器(10.3)分别接在要监测的配电变压器的三相上。

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