基于PLC的有載調容變壓器控制系統研究

張慧賢，苗靈霞，曹俊杰

（1.黃淮學院 電子科學與工程系，河南 駐馬店 463000；2.駐馬店市農業(yè)機械化技術推廣站，河南 駐馬店 463000）

基于PLC的有載調容變壓器控制系統研究

張慧賢1，苗靈霞1，曹俊杰2

（1.黃淮學院 電子科學與工程系，河南 駐馬店 463000；2.駐馬店市農業(yè)機械化技術推廣站，河南 駐馬店 463000）

針對農村電網中配電變壓器因季節(jié)性負荷不均而出現的過載和輕載問題，以非晶合金材料鐵芯變壓器為基礎，采用西門子 S7-200PLC核心控制器，設計了有載調容變壓器控制系統．該控制系統通過互感器和變送器實時采集變壓器電流，并與設定值比較后控制分接開關的自動切換．

有載調容；變壓器；控制器；分接開關

0 引言

在城鄉(xiāng)及企業(yè)電網中，晝夜負荷變化顯著，且季節(jié)性負荷變化幅度比較大，因此，配電變壓器本身的負載及功率因數是變化的，具有較低負荷以及超載運行的可能性．若配電變壓器容量選得過大，則會經常出現“大馬拉小車”的現象，其空載損耗可達整個配電損耗的40%左右；若配電變壓器的容量選得過小，則在負載率大于80%后，損耗率呈正比例緩慢上升，配電變壓器負載損耗隨之增大．最新資料統計顯示，我國全年變壓器總的電能損失3000多億kW·h，相當于三個中等用電量省份用電電量之和，而中壓系統中配電變壓器的損耗約占整個配電系統損耗的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，將有載調容技術與非晶合金材料鐵芯變壓器結合起來，當負荷較輕或接近空載時，由大容量自動調為小容量運行，可大幅度降低空載損耗；在負載進入大負載不良運行狀態(tài)時，由小容量自動切換為大容量，可有效降低負載損耗，對于農村電網有較好的適用性[2]．

1 有載調容系統的構成

有載調容配電變壓器主要由S11型油浸式配電變壓器、有載調容分接開關、有載調容控制器、傳感器及相關附件組成．圖1為有載調容控制系統結構圖，主要包括數據采集、數據處理和驅動輸出模塊，數據采集由傳感器及模擬量、開關量輸入單元實現，數據處理由PLC主單元實現，驅動輸出包括電機驅動單元和數據顯示單元等．

圖1 有載調容控制系統結構圖

有載調容系統的工作原理為：首先通過互感器將配電變壓器350 A左右的大電流轉換為毫安級交流微電流，然后通過變送器變?yōu)?～5 V標準信號送入PLC模擬量輸入模塊的輸入端；經過數據處理后，輸出開關量信號控制驅動電機使分接開關觸點滑動，接通不同繞組線圈，進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節(jié)；系統參數的設定與調節(jié)過程可通過文本顯示器實現，文本顯示器通過RS232與PLC實現串口通信．

2 有載調容系統設計

2.1 有載調容控制器設計

有載調容控制器在整個有載調容變壓器中起中心控制的作用，可完成數據采集、分析判斷、存儲顯示以及發(fā)送指令等功能．圖2所示為有載調容控制器的硬件結構圖，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)境下的應用需求．

圖2 有載調容控制器硬件結構圖

本設計采用西門子S7-200CPU224（繼電器輸出型）主單元作為有載調容控制器的核心控制器，外接EM235模擬量4入1出擴展模塊．S7-200CPU224內含14輸入10輸出數字量I/O口，通過數據線與EM235擴展模塊相連．

輸入單元主要實現電流信號與開關信號的采集與轉換，即通過對模擬量的采集和開關量的檢測，根據所獲得被控對象的相關參數和運行狀態(tài)，確定是否滿足控制條件．如果滿足控制條件則實現升容，否則實現降容．

輸出單元主要通過PLC驅動分接開關實現調容開關的高、低容量投切轉換．控制參數的顯示與設置通過自帶RS232接口的文本顯示器實現，可以顯示電流和電壓，并根據實際負載大小修改高、低容量的定值參數，保證變壓器經濟運行．

2.2 調容變壓器及分接開關設計

調容變壓器根據負荷大小進行大、小容量的調整，主要是通過調容開關改變繞組的聯結方式來實現的，如圖3(a)、(b)所示．

圖3 調容變壓器的聯結方式

當變壓器運行在大容量狀態(tài)時，三相高壓繞組接成三角形，同時低壓繞組并聯；當變壓器運行在小容量狀態(tài)時，三相高壓繞組接成星形，同時低壓繞組串聯．每相低壓繞組由三部分組成：第一部分（I段）匝數較少，另外兩部分（II，III段）采取雙線并繞的方式，匝數較多．大容量狀態(tài)時，II、III段并聯再與I段串聯；小容量狀態(tài)時，I、II、III段全部串聯．由大容量狀態(tài)調節(jié)為小容量狀態(tài)時，高壓繞組變?yōu)樾切谓臃ǎ瑫r低壓繞組匝數增加，且低壓繞組匝數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．高壓繞組聯結方式的改變、低壓繞組并串聯的轉換以及各分接部分的調整，均由特制的無勵磁調容開關完成．大容量狀態(tài)變?yōu)樾∪萘繝顟B(tài)時，低壓線圈匝數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，這就達到了降損節(jié)能的目的[3―4]．

如圖4所示，調容分接開關設計為立式筒形結構．筒體上分布著高低壓繞組接線柱，外設手動調容手柄及高低容顯示窗，高低容的切換指令通過PLC輸出，然后驅動電機完成高低容量切換．電機的啟動與停止是通過限位開關實現的，其減速機構為一對精加工的齒輪．在操作機構頂部設有防水罩，用于保證操作機構安全，延長使用壽命．

圖4 分接開關結構圖

根據相關計算分析：每臺S11型有載調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；按綜合電價每千瓦時0.6元計算，每臺有載調容變壓器每年可節(jié)約4050元；按每千瓦時電量耗煤0.38 kg計算，每臺有載調容變壓器每年可節(jié)約煤炭2.565 t，減少CO2排放量7.11 t；預計可在5年內收回成本[5]．

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

[1] 王金麗．有載調容變壓器綜合經濟性分析及應用研究[J]．高壓電器，2009，45(3)：32―35．

[2] 陳玉國．調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．油田有載調容變壓器節(jié)能控制系統的開發(fā)[J]．自動化技術與應用，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容仿真分析[J]．農業(yè)工程學報，2011，27(2)：224―228．

[5] 李慶領，陳志豪．S11調容變壓器推廣及發(fā)展的設想[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)展計劃項目（112102210348）

張慧賢（1975―），男，甘肅天水人，講師，碩士，太原理工大學博士研究生．

〔責任編輯 張繼金〕