基于PLC的變電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)研究

焦玉成 陳海霞 陳 瑞，2

（1.三江學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，南京 210012；2.南京華瑞杰自動(dòng)化設(shè)備有限公司，南京 210000）

電力是一種使用便捷的優(yōu)質(zhì)的二次能源，我國(guó)對(duì)電力需求快速增長(zhǎng)，缺電成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“甁頸”。在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，從發(fā)電、供電一直到用電，需要經(jīng)過(guò)3～5 次的變壓過(guò)程，變壓器要產(chǎn)生有功功率損耗和無(wú)功功率損耗，電能損耗占總的發(fā)電量的10%左右[1]。

電力系統(tǒng)中的負(fù)荷時(shí)刻都在變化著，變壓器輕載運(yùn)行與超負(fù)荷運(yùn)行都會(huì)增加損耗。減少變壓器損耗的方法有兩種，一是更換或采用高效變壓器，二是采用技術(shù)措施使變壓器運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。文獻(xiàn)[2]采用的是高效節(jié)能變壓器降低損耗，文獻(xiàn)[3]的液壓變壓器則是要求每個(gè)變壓器需要一個(gè)液壓控制系統(tǒng)對(duì)其控制，文獻(xiàn)[4]提出了選擇最優(yōu)的終端負(fù)載模式容量變壓器。如充分利用電網(wǎng)中現(xiàn)有變壓器，通過(guò)一個(gè)有效的運(yùn)行控制總系統(tǒng)，優(yōu)選變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行容量，對(duì)負(fù)載實(shí)施經(jīng)濟(jì)調(diào)度，可以更進(jìn)一步的降低變壓器的功率損耗，提高供電效率?？刂葡到y(tǒng)的一次投入，可以將節(jié)電產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)利益2～3年收回。

1 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行基礎(chǔ)

1.1 變壓器損耗

變壓器的損耗主要有鐵損和銅損兩部分。變壓器的鐵損是指變壓器運(yùn)行時(shí)鐵心中的渦流損耗與磁滯損耗之和，用PFE表示。當(dāng)變壓器空載時(shí)，變壓器的損耗即空載損耗P，幾乎等于鐵損。在電源、電壓和頻率不變的情況下，鐵損僅和磁通密度有關(guān)，而幾乎與負(fù)載無(wú)關(guān)，所以，無(wú)論空載還是有載，變壓器的鐵損都幾乎不變。

當(dāng)變壓器有載時(shí)，除了有固定的鐵損外，還有負(fù)載電流流過(guò)原、副線(xiàn)圈所產(chǎn)生的電阻損耗，即銅損Pcu，其大小與負(fù)載電流平方成正比。負(fù)荷變化會(huì)引起變壓器出現(xiàn)“大馬拉小車(chē)”或者是變壓器出現(xiàn)超載的現(xiàn)象。無(wú)論是“大馬拉小車(chē)”還是變壓器超載，都會(huì)加大變壓器的負(fù)載損耗，只有在負(fù)荷變化的時(shí)候，投入相對(duì)應(yīng)的變壓器容量，改變變壓器的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，才能在最大程度上降低變壓器的損耗，同時(shí)保證變壓器的效率。

1.2 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論分析

1）單臺(tái)變壓器經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)[5]為

式中，βJP表示變壓器的有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)；PO表示變壓器的空載損耗；PK表示變壓器的短路損耗。

在功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)條件下，變壓器有功功率損耗率最低（即效率最高）?？紤]到變壓器運(yùn)行時(shí)無(wú)功在系統(tǒng)中傳輸所引起的有功損耗，最佳負(fù)荷率修正為[6]

式中，CJ為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，取0.1～0.15。

由最佳負(fù)荷率的公式可以看出，變壓器的最高效率并不出現(xiàn)在滿(mǎn)載時(shí)，一般在 50%左右，但我們具體在選擇變壓器容量時(shí)，要根據(jù)負(fù)載情況和最佳負(fù)荷率，選擇合理的變壓器，使變壓器處于最佳經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，達(dá)到節(jié)電目的。

2）臨界負(fù)載與變壓器運(yùn)行臺(tái)數(shù)

當(dāng)變壓器容量相同、參數(shù)相同時(shí)，對(duì)變壓器運(yùn)行臺(tái)數(shù)的進(jìn)行選擇[1]，有

式中，N表示臺(tái)數(shù)；SN表示變壓器的額定容量；表示N臺(tái)與（N+1）臺(tái)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的臨界負(fù)載。

上述公式說(shuō)明，降低功率損耗，可以通過(guò)經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)，即調(diào)整輸出視在功率與額定容量之比。在具體選擇變壓器臺(tái)數(shù)時(shí)，要根據(jù)負(fù)載情況和綜合功率負(fù)載系數(shù)，選擇合理的變壓器運(yùn)行臺(tái)數(shù)，使變壓器處于最佳經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，達(dá)到節(jié)電目的。

2 建立控制系統(tǒng)

基于變壓器的損耗，變壓器的效率和負(fù)載系數(shù)，研究及設(shè)計(jì)一種變壓器實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的節(jié)約能源是非常必要的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)載的電壓與電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，模擬量輸入。然后控制系統(tǒng)對(duì)采集到的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算，接著由控制系統(tǒng)控制數(shù)字量輸出用于調(diào)節(jié)變壓器的投切量。圖1為控制系統(tǒng)框圖。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主變壓器運(yùn)行確定

系統(tǒng)模型選用3 臺(tái)參數(shù)相似的變壓器并列運(yùn)行，給負(fù)載提供電能，圖2為變壓器并列運(yùn)行示意圖。在實(shí)際的電網(wǎng)系統(tǒng)中，負(fù)載在不同時(shí)間段是不同的。所以，系統(tǒng)模型的負(fù)載為可變負(fù)載，用于模擬實(shí)際負(fù)載變化。變壓器的投入量由接觸器控制，當(dāng)控制系統(tǒng)的輸出模塊有輸出信號(hào)時(shí)，接器線(xiàn)圈得電，串聯(lián)在主回路中的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，將變壓器投入運(yùn)行；當(dāng)輸出模塊沒(méi)有信號(hào)時(shí)，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，變壓器退出運(yùn)行。通過(guò)根據(jù)負(fù)載變化而實(shí)時(shí)控制變壓器的投入量，使變電系統(tǒng)負(fù)荷率為最佳負(fù)荷率Oβ′。由于每處實(shí)際負(fù)載大小與負(fù)荷曲線(xiàn)不同，所以臨界負(fù)載與變壓器運(yùn)行臺(tái)數(shù)可根據(jù)式（3）具體運(yùn)算，以降低變壓器的損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖2 變壓器并列運(yùn)行示意圖

3.2 控制系統(tǒng)硬件

可編程序控制器（PLC）技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)相當(dāng)成熟[7]。其品種齊全，功能繁多，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。本控制系統(tǒng)模型使用三菱Q00J 系列CPU，QPLC 的離散輸入點(diǎn)（QX40-S1）來(lái)實(shí)現(xiàn)遙信、用PLC 的離散輸出點(diǎn)（QY22）來(lái)實(shí)現(xiàn)遙控、用 PLC 的模擬采樣輸入（A/D）來(lái)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、用PLC 的通信功能（RS232）來(lái)實(shí)現(xiàn)和主機(jī)的通信，PLC 與各個(gè)智能設(shè)備站采用CC-Link 通信。以PLC 為核心的控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地采集負(fù)載的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)，進(jìn)行有功、無(wú)功損耗、負(fù)載系數(shù)的計(jì)算分析判斷，選擇變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，并根據(jù)變壓器運(yùn)行方式的變化自動(dòng)地投切變壓器，從而達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。

圖3 硬件系統(tǒng)圖

實(shí)際控制對(duì)象不一樣，PLC 方案在具體設(shè)計(jì)時(shí)，必須：

1）獲取操作點(diǎn)數(shù)。了解配電網(wǎng)的基本情況及自動(dòng)化的具體要求，確定系統(tǒng)需要進(jìn)行遙控、遙信、遙測(cè)、甚至遙調(diào)的設(shè)備，統(tǒng)計(jì)各處需要這4種信號(hào)的具體點(diǎn)數(shù)。

2）確定通信方案。根據(jù)配電網(wǎng)的規(guī)模及分布情況，確定總體設(shè)計(jì)方案，主要是通信方案的設(shè)計(jì)和選擇。

3）PLC 選型。根據(jù)各處各種操作的點(diǎn)數(shù)以及所確定的通信方案，選擇恰當(dāng)型號(hào)的PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。

3.3 采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)只需檢測(cè)負(fù)載功率與變壓器投入容量，采集系統(tǒng)采用易實(shí)現(xiàn)的直流采樣方案。在采集模擬量之前，先利用互感器將負(fù)載的大電流大電壓采集過(guò)來(lái)，后變換器將交流轉(zhuǎn)化成直流，然后再使用A／D 轉(zhuǎn)換元件將直流量表示成數(shù)字量.

4 軟件編程與通信

GX Developer 是三菱PLC 的編程軟件，它支持梯形圖、指令表、SFC、ST 和FB、Label 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，可進(jìn)行程序的在線(xiàn)更改、監(jiān)控及調(diào)試，具有異地讀寫(xiě)PLC 程序功能?；谶@樣的功能，PLC 可以根據(jù)電網(wǎng)遙測(cè)、遙控等要求不斷更新。

整個(gè)軟件系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際負(fù)載的規(guī)律性與不確定性，設(shè)計(jì)了3種控制方式，即負(fù)載實(shí)時(shí)控制方式、周期控制方式、應(yīng)急手動(dòng)控制模式。在不同的負(fù)載情況下，不同的運(yùn)行模式之間可相互轉(zhuǎn)換。具體程序流程圖如圖3所示。

人機(jī)界面用于運(yùn)行控制、模式設(shè)置、負(fù)荷電參量反饋、負(fù)載率實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、變壓器運(yùn)行狀態(tài)等。

主站（控制中心）和智能設(shè)備站（人機(jī)界面）、遠(yuǎn)程設(shè)備站等之間通過(guò)循環(huán)傳送進(jìn)行通信。主站和智能設(shè)備站之間的交換信號(hào)（定位完成，定位開(kāi)始等等）使用遠(yuǎn)程輸入RX 和遠(yuǎn)程輸出RY 進(jìn)行通信[8]。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)使用遠(yuǎn)程寄存器RWw 和遠(yuǎn)程寄存器RWr 進(jìn)行通信。在CC-Link 編程時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)能夠檢測(cè)數(shù)據(jù)鏈接狀態(tài)以及和遠(yuǎn)程Ι/O 站、遠(yuǎn)程設(shè)備站、本地站、智能設(shè)備站、備用主站互鎖的程序，而且還要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)出錯(cuò)處理程序。

圖4 部分程序流程圖

5 系統(tǒng)節(jié)能效果分析

某區(qū)根據(jù)實(shí)際負(fù)載選取3 臺(tái)SCB9 型6.3kV、1000kVA 干式變壓器臺(tái)并列運(yùn)行，根據(jù)式（3）可算出當(dāng)0＜S＜644kVA 時(shí)，投入一臺(tái)變壓器為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式；當(dāng)644kVA＜S＜1115kVA 時(shí)，投入兩臺(tái)變壓器為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式；當(dāng)1115kVA＜S＜1577kVA時(shí)，投入3 臺(tái)變壓器為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。

節(jié)約電量[6]按公式 ΔΔAz=ΔΔAP+KΔΔAQ運(yùn)算，其中 ZAΔΔ 為節(jié)約的綜合電量(kW·h)；ΔΔAP為節(jié)約的有功功率；ΔΔAQ為節(jié)約的無(wú)功功率；K為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量（kW/kvar），取0.05～0.07。

經(jīng)查相關(guān)資料[10]，變壓器的空載損耗為1.72kW，短路損耗為8.3kW，已知變壓器的功率因子為0.6，一年有8760h。具體算法可參照文獻(xiàn)[9]。根據(jù)計(jì)算，3 臺(tái)1000kVA 干式變壓器并列運(yùn)行，并采用經(jīng)濟(jì)控制方式與直接用一臺(tái)3000kVA 干式變壓器運(yùn)行，每年可節(jié)約有功電量33485kW·h，無(wú)功電量25114kvar·h，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)到18201 元/年。

6 結(jié)論

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)負(fù)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、分析，以此來(lái)控制變壓器的運(yùn)行臺(tái)數(shù)具有很好的實(shí)用性。首先，通過(guò)實(shí)時(shí)采集控制，進(jìn)行計(jì)算，準(zhǔn)確性高、適用性強(qiáng)。其次，該系統(tǒng)通過(guò)投切變壓器的運(yùn)行方式，不但實(shí)現(xiàn)容易，操作簡(jiǎn)單，而且能夠有效地降低變壓器的損耗。還可以與觸摸屏人機(jī)界面交互控制，實(shí)現(xiàn)人性化、智能化操作。

由于PLC 模塊的可擴(kuò)展性，所以實(shí)際的運(yùn)行系統(tǒng)可以在原來(lái)的基礎(chǔ)上不斷完善（如將采集系統(tǒng)采用交流采集），也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電能質(zhì)量。

[1] 胡景生.變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[M].北京：中國(guó)電力出版社,1999.

[2] TAKAGΙ M,YAMAMOTO H,YAMAJΙ K.An evaluation of amorphous transformers using the load curve pattern model for a pole transformer[J].Electrical engineering in Japan EΙ SCΙ,2009,169(3).

[3] HO T H,AHN K K.Saving energy control of cylinder drive using hydraulic transformer combined with an assisted hydraulic Circuit[J].ΙCCAS-SΙCE Ιnternational Joint Conference (ΙCCAS-SΙCE 2009),2009 ΙCCAS-SΙCE.[v.3].

[4] 高木雅昭,山本博巳,山地憲治,Masaski Takagi,Hiromi Yamamoto,Kenji Yamaji.需要家の負(fù)荷パターンに基づいた最適容量選定手法によるアモルファス変圧器の評(píng)価[J].《電気學(xué)會(huì)論文誌.B,電力·エネルギ-部門(mén)誌》,2009.1.

[5] 曲鴻春,咸日常,趙愛(ài)麗.變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行技術(shù)的最新研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(1).

[6] 李華榮,劉玉梅.變壓器最佳運(yùn)行狀態(tài)的分析[J].純堿工業(yè),2004(3).

[7] 宋伯生主編.PLC 編程理論、算法及技.[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[8] MΙTSUBΙSHΙ Q Series CC-Link network system reference manual (the main station,local station).

[9] 丁濤.變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院,2004.

[10] 方大千.變壓器速查速算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2007:78-83.