CN200994062Y - 智能型配电变压器监控装置 - Google Patents

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Abstract

智能型配电变压器监控装置，属于配电网监控技术领域，数据处理与控制电路51上连接有无功功率补偿电路54和数据存储电路，无功功率补偿电路54的输出端连接无功补偿电容器9的开关，数据输出电路为无线通讯传输模块56。可以测量、长期储存并无线传送配电变压器的电压、电流的谐波参数、谐波畸变率、变压器油温等运行数据，控制无功功率补偿装置一次性地投入或切除所需电容器组，响应速度快，避免了投切振荡，补偿精度高，有效降低网损，提高了配电网的运行质量。满足了电力工业尘产中对配电变压器运行状况实行监控并进行无功补偿的使用要求。

Description

智能型配电变压器监控装置
所属技术领域
本实用新型涉及一种电功率、功率因数等参数的测量控制装置，属于配电网监控技术领域，特别是一种智能型配电变压器监控装置。
技术背景
随着电力工业的发展，电力行业对配电网管理水平的要求越来越高。但是，当前在配电变压器上安装的传统关口电能表仅能计量负荷所消耗的电能，无法测量三相电压有效值、三相电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数和电压、电流的谐波参数，也没有定时记录上述配电变压器电能参数和及时回传参数的功能。而这些参数对于配电变压器的管理却是至关重要的，如果没有掌握这些第一手数据，电力工作者就无法对配电变压器进行有效地管理。为了得到这些数据，传统的方法是派出专门的测量队伍，携带测量设备定期进行巡测。这种方法的弊端有：1、测量所得数据有限，每台配电变压器只能得到一个时间点的测量数据，无法得到配电变压器的长期运行数据。2、测量工作消耗大量的人力和物力，效率低下，造成人员工作时间和物资的浪费。而且对配电变压器的测量工作具有危险性，工作人员必须接触配电变压器的强电部分，危险性很大，操作不慎则有可能造成人员伤亡。3、无法得到电压、电流的谐波参数，这在大量非线性负荷得到广泛应用的条件下是一个很大的缺陷，无法对负荷给电网造成的谐波污染进行评估。4、在配电网中，大部分负荷的功率因数都无法达到国家规定的标准，有必要进行无功功率补偿。传统的做法是单独安装一套静态无功功率补偿装置，所提供的无功补偿功率无法随负荷所需无功功率的变化而变化，造成有时欠补偿，有时过补偿。而且，对于三相不平衡负荷而言，需要进行分相无功功率补偿，这也是传统静态无功功率补偿装置无法满足的，往往会造成无功功率需求小的某一相过补偿，而无功功率需求大的某一相欠补偿。5、无法掌握配电变压器的使用安全情况，配电变压器往往因超负荷过载运行而烧损。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术的缺陷和不足，而提供一种数据处理量大，测量及控制管理方便、使用安全的智能型配电变压器监控装置。它不仅可以测量、存储配电变压器的各项运行数据并进行下传，还可以通过无功功率补偿装置进行动态的无功功率补偿。
本实用新型的技术解决方案是：智能型配电变压器监控装置，其数据处理与控制电路分别连接电量测量电路和数据输出电路，数据处理与控制电路上连接有无功功率补偿电路和数据存储电路，无功功率补偿电路的输出端连接无功补偿电容器的开关，数据输出电路为无线通讯传输模块。
本实用新型所述的数据处理与控制电路为中央处理器或单片机，数据存储电路为非易失大容量数据存储器。
本实用新型还可以在数据处理与控制电路上连接有键盘操作与显示电路。
本实用新型还可以在数据处理与控制电路上连接有变压器温度测量电路，变压器温度测量电路的输入端与变压器上的变压器油温传感器和环境温度传感器连接。
本实用新型的无线通讯传输模块采用GRPS通讯接口。
本实用新型所述的无功补偿电容器的开关为交流接触器或负荷开关或晶闸管。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和积极效果：
1.采用数据处理量较大的中央处理器或单片机，配合大容量数据存储器，满足了配电变压器供电负荷各种运行数据测量和计算的要求，可以得到电压、电流的谐波参数、谐波畸变率等，为评估非线性负荷对电力系统的污染提供了原始资料。可以及时采集配电变压器的数据，并由数据存储电路储存或调出，以得到配电变压器的长期运行数据；
2.数据存储电路采用非易失大容量数据存储器即Flash芯片，具有容量大，成本低，装置停电后数据不丢失等优点；
3.采用变压器温度测量电路来监测配电变压器的过载情况，为及时制止配电变压器的超负荷运行，保障配电网的正常运行提供了安全可靠的监控手段；
4.采用无线通讯方式下传测量数据，无须工作人员进行强电作业，降低了工作人员的危险性与劳动强度，提高了工作效率。而且配电变压器的无线监控措施还极大地方便了配电网的管理和维护工作；
5.无功功率补偿电路提供了动态无功功率补偿的输出控制接口，可以替代无功功率补偿装置的控制器。在与无功功率补偿装置配合使用时，不仅可以测得三相的功率因数，还可以测得三相负荷所需要补偿的无功功率；不仅可以实现三相负荷统一补偿或分相补偿，还可以实现补偿功率随负荷的改变而相应改变。可以一次性地投入或切除所需电容器组，响应速度快，避免了投切振荡，补偿精度高，有效降低网损，提高了配电网的运行质量。此外，由于可以测得三相电压的谐波畸变率，还可以实现补偿电容器的谐波保护，当三相电压的谐波畸变率超标，可能引起补偿电容器的谐波电流过大而烧毁补偿电容器时，本实用新型可自动闭锁输出的开关信号，使所有电容器组退出运行，避免了补偿电容器的损坏。本实用新型装置还简化了无功功率补偿装置的电路结构，减少了电器元器件，降低了无功功率补偿装置的生产成本。
附图说明
图1是本实用新型的安装接线示意图
图2是本实用新型的结构原理框图
图3是电量测量电路52与电压互感器3和电流互感器4连接的示意图
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述：
参见图1，图2，图3，本实用新型的安装接线如图1所示，配电变压器1通过低压母线2向负荷6供电，高精度的电压互感器3将母线2的三相线电压转换为标准的5V电压，高精度的电流互感器4将负荷三相线电流转换为标准的1A(或5A)电流，标准的电压和电流信号输入本实用新型的智能型配电变压器监控装置5中，智能型配电变压器监控装置5对输入的电压、电流信号进行处理，计算出各种电量参数，并完成数据存储与传输、无功功率补偿容量的计算与控制信号的输出等工作，动态地向无功补偿电容器9发出控制指令。
本实用新型智能型配电变压器监控装置5的结构原理框图如图2所示，其数据处理与控制电路51分别连接电量测量电路52和数据输出电路，数据处理与控制电路51上连接有无功功率补偿电路54和数据存储电路55，无功功率补偿电路54的输出端连接无功补偿电容器9的开关，数据输出电路为无线通讯传输模块56。本装置5的运行步骤如下：
1、系统运行后，首先上电自检，保证各个功能电路功能正常；
2、由数据处理与控制电路51对各功能电路进行初始化的工作；
3、数据处理与控制电路51从电量测量电路52和变压器温度测量电路53中读取相应的数据；
4、数据处理与控制电路51将所读取得数据与时间一起存入数据存储电路55中；
5、由键盘操作与显示电路57轮流显示各个测量数据；
6、利用测得的三相无功功率数据，经过计算处理，通过动态的无功功率补偿电路54输出相应的控制信号，对无功补偿电容9进行动态无功功率补偿；
7、数据处理与控制电路51通过无线通讯传输模块56判断是否收到下传数据的命令，如果收到该命令，则从数据存储电路55中调取存储的相应数据，经无线通讯传输模块56下传数据，否则不做任何数据传输处理。
在正常情况下，重复步骤3～7应可以实现智能型配电变压器监控装置5的所有功能。如果遇到停电或装置死机重启，则需要从步骤1开始运行。
本实用新型核心控制的各功能电路均采用模块化设计，其基本原理如下：数据处理与控制电路51为中央处理器或单片机。中央处理器或单片机上带有看门狗、RS232串行通讯接口、系统参数存储芯片和时钟芯片等。其中，中央处理器或单片机可采用高性能的Atmel公司生产的AT89C55WD单片机，自带20k字节的程序存储器，功能强大，能够实现复杂的逻辑控制；看门狗可采用MAX813芯片，当AT89C55WD单片机受到外界干扰，导致程序紊乱时，看门狗可以使单片机复位，重新正常运行；RS232串行通讯接口可采用MAX232芯片，用来实现AT89S55单片机串行通讯接口的电平与标准RS232电平的转换；系统参数存储芯片可采用FAIRCHILD公司生产的FM24C02芯片，用来存放装置ID、变压器容量、谐波参数、电压互感器变比、电流互感器变比、相电压允许工作范围、电压畸变率允许范围、电流畸变率允许工作范围、数据记录间隔、补偿电容基本单位容量、分补电容组数、共补电容组数等重要的系统信息，由于采用非易失的EEROM存储芯片，保证了系统信息的可靠性；时钟芯片可采用PCF8563T串行接口时钟芯片，为系统提供时间和日期。
电量测量电路52与电压互感器3和电流互感器4的连接如图1，图3所示，电量测量电路52的输入端连接有电压互感器3和电流互感器4。电压互感器3将配电变压器1低压端三相母线2上的各相电压转换成为电量测量电路52可以测量的信号，而电流互感器3则可直接利用配电变压器1低压端三相母线2上已安装的负荷电流互感器，将其各相的输入电流信号变换为电压信号。为真实反映配电网运行的各项参数，在配电变压器1低压端三相母线2上不设置滤波装置。电流互感器4和电压互感器3将低压端三相母线2上各相的电压和电流信号输入电量测量电路52中。电量测量电路52可由电能计量芯片构成，电能计量芯片可采用珠海炬力公司生产的ATT7022B高精度三相电能计量芯片，可以测量三相电压有效值、三相电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数和电压、电流的谐波参数，通过SPI串行数据总线与数据处理与控制电路51如单片机进行通讯，将测量的各个数据传输到数据处理与控制电路51进行统一处理。
数据处理与控制电路51上连接有变压器温度测量电路53，变压器温度测量电路53可由多路开关和AD转换芯片构成，多路开关可采用Analog Devices公司生产的ADG621芯片，AD转换芯片可采用Analog Devices公司生产的ADS1100芯片。变压器温度测量电路53的输入端与变压器1上的变压器油温传感器7和环境温度传感器8连接。变压器油温传感器7和环境温度传感器8均可采用AD590温度传感器，其作用是将温度信号转换为模拟电信号，输入AD转换芯片转换为数据处理与控制电路51如单片机可以处理的数字信号。变压器油温传感器7设置于配电变压器1的内部，环境温度传感器8设置于配电变压器1的外部，两传感器分别获取配电变压器1内、外部温度变化的动态数据.通过对配电变压器1油温数据的比较分析，来监测配电变压器1负荷过载情况，以便于及时采取措施，防止配电变压器1因过载而烧损，保证配电变压器1使用的安全。
无功功率补偿电路54及控制接口则可由并口扩展芯片和光隔芯片组成。并口扩展芯片可采用81C55H芯片，可以提供22位数字量输出；光隔芯片可采用NEC2501芯片组合而成，将控制电路与外围电路隔离，避免外围电路对控制电路的干扰。无功功率补偿电路54的输出端连接无功补偿电容器9的开关。由于无功补偿电容器9的类型较多，故无功补偿电容器9的开关可以为交流接触器或负荷开关或晶闸管。无功功率补偿电路54及控制接口替代了无功功率补偿装置的控制器。在与无功功率补偿装置配合使用时，根据所测得三相的功率因数和三相负荷所需要补偿的无功功率，一次性地投入或切除所需电容器组。不仅可以实现三相负荷统一补偿或分相补偿，还可以实现补偿功率随负荷的改变而相应改变。此外，当三相电压的谐波畸变率超标，可能引起补偿电容器的谐波电流过大而烧毁补偿电容器时，通过无功功率补偿电路54可自动闭锁输出的开关信号，使所有电容器组退出运行，从而实现补偿电容器的谐波保护。
数据存储电路55为非易失大容量数据存储器。它由大容量存储芯片Flash组成。可采用Atmel公司生产的AT26DF0081A芯片具有4M字节的存储空间，可以存储大量实时数据，以备数据下传。
数据输出电路为无线通讯传输模块56。无线通讯传输模块56既可以是近距离无线通讯数传电台的终端，又可以由远程通讯终端构成。当作为远程通讯终端时，无线通讯传输模块56可采用GRPS通讯接口。远程通讯终端可采用以Sony-Ericsson公司生产的工业级GPRS通讯模块GR47为核心的GRPS通讯接口，它可以接受数据处理与控制电路51如AT89C55WD单片机通过串行通讯接口发来的数据，并转换成为满足GPRS通讯协议要求的数据包，通过中国移动GPRS网络与服务器连接，以无线通讯方式双向传输数据。
数据处理与控制电路51上连接有键盘操作与显示电路57。键盘显示模块电路57可由键盘显示接口芯片和数码管、键盘电路组成。键盘显示接口芯片可采用ZLG7290芯片，用来控制数码管和按键。数码管可由6个8段LED数码管组成，键盘电路则可由3×3的机械按键组成，用于人机交互，以便于管理及维护人员在现场对配电变压器1或本实用新型装置5进行调试和维护。
实际工作时，由数据处理与控制电路51如单片机(AT89S55)按照编制好的程序，统一控制各个电路模块芯片，其中，时钟芯片(PCF8563T)、键盘显示接口芯片(ZLG7290)、EEROM芯片和AD转换芯片(ADS1100)均通过I2C总线与单片机(AT89S55)连接，非易失大容量存储芯器(AT26DF0081A)和电能计量芯片(ATT7022B)采用SPI总线与单片机(AT89S55)连接。三相电压和三相电流经电压互感器2和电压互感器3变换后输入电量测量电路52即电能计量芯片(ATT7022B)，经处理后得到各测量数据，单片机(AT89S55)则在规定的时间间隔内从电能计量芯片(ATT7022B)和AD转换芯片(ADS1100)中读取测量数据，并从时钟芯片(PCF8563T)中读取日期和时间，然后写入非易失大容量存储器(AT26DF0081A)保存。同时，根据读取得无功功率数据，计算得到需要投入或切除的无功补偿电容器9的组数，然后向无功功率补偿电路54中的并口扩展芯片(81C55H)写入相应的数字量，通过光隔芯片(NEC2501)输出电平，控制无功补偿电容器9的开关，可以最短于20毫秒测得三相负荷各需要补偿的无功功率，并通过无功功率补偿电路54的输出端向无功补偿电容器9的开关输出控制电平，实现三相负荷的动态补偿。此外，如果单片机(AT89S55)收到通过无线通讯传输模块56如远程通讯终端模块(GR47)传来的下传数据命令，则将非易失大容量存储器(AT26DF0081A)中的数据读出，通过远程通讯终端(GR47)向服务器传输。
按照本实用新型结构设计的一台柱上式变压器监控及无功补偿装置已经在国家电力公司电力工业电气设备质量检验测试中心进行了型式试验，试验结果表明三相电压、电流的测量精度达到0.2级，有功功率的测量精度达到0.5级，无功功率的测量精度达到1级，功率因数、谐波参数的测量精度达到2级。由此可见，本实用新型完全满足了电力工业生产中对配电变压器运行状况实行监控并进行无功补偿的使用要求。

Claims (6)

1.智能型配电变压器监控装置，其数据处理与控制电路(51)分别连接电量测量电路(52)和数据输出电路，其特征在于：数据处理与控制电路(51)上连接有无功功率补偿电路(54)和数据存储电路(55)，无功功率补偿电路(54)的输出端连接无功补偿电容器(9)的开关，数据输出电路为无线通讯传输模块(56)。
2.根据权利要求1所述的智能型配电变压器监控装置，其特征在于：数据处理与控制电路(51)为中央处理器或单片机，数据存储电路(55)为非易失大容量数据存储器。
3.根据权利要求1或2所述的智能型配电变压器监控装置，其特征在于：数据处理与控制电路(51)上连接有键盘操作与显示电路(57)。
4.根据权利要求1或2所述的智能型配电变压器监控装置，其特征在于：数据处理与控制电路(51)上连接有变压器温度测量电路(53)，变压器温度测量电路(53)的输入端与变压器(1)上的变压器油温传感器(7)和环境温度传感器(8)连接。
5.根据权利要求1所述的智能型配电变压器监控装置，其特征在于：无线通讯传输模块(56)采用GRPS通讯接口。
6.根据权利要求1所述的智能型配电变压器监控装置，其特征在于：无功补偿电容器(9)的开关为交流接触器或负荷开关或晶闸管。
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