基于STM32的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及柔性投切裝置設(shè)計(jì)*

何孫東，李 青，童仁園，施 閣

(中國計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

基于STM32的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及柔性投切裝置設(shè)計(jì)*

何孫東，李 青，童仁園，施 閣

(中國計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

我國配電站分布廣，變壓器運(yùn)行造成的損耗大。系統(tǒng)以單相雙繞組變壓器為實(shí)驗(yàn)對象，簡要介紹基于臨界區(qū)間劃分法的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論，提出柔性投切技術(shù);裝置硬件重點(diǎn)包括負(fù)載功率、接觸器分合閘時(shí)間及電壓電流過零點(diǎn)等測量模塊;列明控制主流程和柔性切換關(guān)鍵思路，提出雙線性插值法預(yù)測接觸器分合閘時(shí)間思想。實(shí)驗(yàn)表明，負(fù)載功率、電壓電流過零點(diǎn)檢測準(zhǔn)確，接觸器分合閘時(shí)間與供電電壓和環(huán)境溫度關(guān)聯(lián)密切，隨供電電壓增大而減小，隨環(huán)境溫度升高時(shí)間先減少再增加;柔性投切技術(shù)能大幅度降低投切變壓器帶來的不利特性。以浙江省500 kV春曉變電站為例，分析得變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及柔性投切裝置帶來的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

變壓器;臨界區(qū)間;經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;柔性投切;過零檢測

0 引言

運(yùn)行過程中變壓器自身產(chǎn)生的有功功率損耗和無功功率損耗占電能損耗約 30%[1]。目前在變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論研究方面方案很多，被采用最多的是臨界點(diǎn)劃分法和臨界區(qū)間劃分法。基于臨界點(diǎn)劃分法的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析能有效降低損耗，但此方法要求變壓器投切操作頻繁，存在安全隱患;基于臨界區(qū)間劃分法的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析可減少投切操作，但是節(jié)能性稍差。另一方面，目前國內(nèi)外都研制了較多基于配電變壓器的管理控制單元，主要有配電變壓器測控終端、智能無功補(bǔ)償終端、電能測量控制終端[2-4]。但是針對變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題始終沒有研發(fā)出一套完整且適用的智能終端，這也使得很多經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論難以付諸實(shí)踐。

本文意在設(shè)計(jì)一種基于臨界區(qū)間劃分法的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制及柔性投切裝置，主要設(shè)計(jì)負(fù)載功率檢測電路、交流電信號檢測電路、接觸器分合閘時(shí)間檢測電路和柔性投切點(diǎn)檢測控制電路。此裝置可減少變壓器運(yùn)行損耗，并有效控制變壓器投切操作的次數(shù)，柔性投切技術(shù)可保障變壓器在高壓環(huán)境下的安全性。

1 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間分析

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的概念是通過分析變壓器效率而提出的，在每個(gè)臨界區(qū)間左右各自對應(yīng)一種經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，若臨界區(qū)間包含即將發(fā)生的運(yùn)行方式，則變壓器保持當(dāng)前運(yùn)行方式不變[5]。

1.1 單臺變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間分析

變壓器的效率指輸出有功功率與輸入有功功率的百分比[6]，其表達(dá)式為：

式中，P1為變壓器輸入有功功率，P2為輸出有功功率;U為變壓器輸出電壓，I為輸出電流，IN為額定電流;cosφ為功率因素，ΔP0為空載損耗，ΔPk為負(fù)載損耗(如此注釋，下文出現(xiàn)變壓器A、B的空載損耗和負(fù)載損耗均表示為 ΔPA0、ΔPAk和 ΔPB0、ΔPBk)。

對式(1)中 I求導(dǎo)，得變壓器最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行電流 Ie：

根據(jù)安全性要求，可確定變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間上限為其額定負(fù)載;區(qū)間下限為使得變壓器運(yùn)行效率與額定負(fù)載下運(yùn)行效率相等的最小負(fù)載值[7]。根據(jù)下式：

解得變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間下限Ix為：

綜上所述，且根據(jù)視在功率與電流的關(guān)系可得單臺變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間的上限為 SN，下限為 INΔP0/ΔPk，最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載為

1.2 兩臺非等參數(shù)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間分析

一般情況下實(shí)際配電變電站中配備的變壓器均會配備兩臺高容量非等參數(shù)的變壓器A、B用于實(shí)際供電，依據(jù)單臺變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間的上下限分析方法，可得變壓器A、B單獨(dú)運(yùn)行及并列運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)區(qū)間上下限負(fù)載值，如表1所示。

表1 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間上下限

假設(shè)變壓器容量SAN＜SBN，且三者經(jīng)濟(jì)區(qū)間出現(xiàn)交集，即臨界區(qū)間，則在臨界區(qū)間內(nèi)為使變壓器安全地處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況，變壓器保持當(dāng)前運(yùn)行方式不變。對于三繞組變壓器的分析，可參照雙繞組變壓器分析方法類推。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制及柔性投切裝置的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。配電基站配備兩臺變壓器，其運(yùn)行方式分為變壓器A、B分別單獨(dú)運(yùn)行和A、B并列運(yùn)行，由交流接觸器控制變壓器投切改變其運(yùn)行方式。本裝置根據(jù)預(yù)設(shè)變壓器參數(shù)生成變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行臨界區(qū)間，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器輸出端所帶負(fù)載、線路電參量和交流接觸器開關(guān)量，智能判別當(dāng)前變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，按需求發(fā)送變壓器投切指令。柔性投切模塊接收到投切指令后通過捕捉交流接觸器兩端電信號，在接觸器兩端電壓為零時(shí)投入變壓器，或在接觸器上電流為零時(shí)切出變壓器完成經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制。

圖1 裝置設(shè)計(jì)原理

2.2 整體及主要模塊介紹

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制及柔性投切裝置的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 裝置系統(tǒng)框圖

(1)電參量采集模塊中，通過交流電壓電流互感器將變壓器輸出端的強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)換成弱電信號，經(jīng)運(yùn)放復(fù)制壓縮再經(jīng)加法器將負(fù)電壓抬升為正電壓完成信號采集。其中AD采樣頻率為50 kHz，信號幅值壓縮和加法器均采用OP07系列的運(yùn)算放大器。

(2)負(fù)載端功率檢測模塊采用ADE7755高精度電能測量集成芯片，其不僅能正確測量標(biāo)準(zhǔn)正弦信號的有功功率，而且還能測量非正弦信號的有功功率，完全符合實(shí)際供電系統(tǒng)中阻、容、感性負(fù)載對變壓器輸出信號造成的影響[8]。ADE7755使用其上CF管腳高頻輸出脈沖至微處理器，STM32計(jì)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)有功功率。

負(fù)載功率檢測電路如圖3示，其中V1P、V1N前端電路V2P和V2N前端電路分別構(gòu)成電流、電壓差分電路，電壓信號通過R8～R15對電網(wǎng)線電壓進(jìn)行衰減。另外為了補(bǔ)償相位失調(diào)誤差，R16、C5和 R5、C2要相匹配，從而使采樣電壓電流相位相匹配。CF輸出高頻脈沖經(jīng)光耦隔離將信號傳至STM32的PB4外部中斷。

圖3 負(fù)載功率檢測電路

(3)交流接觸器的分合閘操作時(shí)間[9]對變壓器過零點(diǎn)投切的時(shí)機(jī)把握十分重要，需提前多次試驗(yàn)分合閘時(shí)間并將歷史數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器，最終系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)在提前預(yù)測接觸器響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)配合電壓電流過零點(diǎn)投切變壓器。接觸器分合閘時(shí)間檢測電路如圖4所示。

圖4 接觸器分合閘時(shí)間檢測電路圖

(4)接觸器兩端的交流電壓及流過其上的交流電流經(jīng)互感器轉(zhuǎn)換成弱電交流信號，通過過零比較器將其轉(zhuǎn)換成正負(fù)脈沖信號，便于微處理器捕捉過零點(diǎn)[10]，而后通過二極管濾除負(fù)電壓即可。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行臨界區(qū)間劃分法可知，對于不同變電站的變壓器配置，系統(tǒng)需要設(shè)定各臺變壓器的參數(shù)值，其中主要包括機(jī)組容量、空載損耗和負(fù)載損耗，生成此配置下變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制策略。根據(jù)有功功率的實(shí)時(shí)值，系統(tǒng)自動判別當(dāng)前變壓器是否處在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，若否則發(fā)送相應(yīng)變壓器投切指令，系統(tǒng)進(jìn)入柔性投切子程序，程序流程圖如圖5所示。

3.2 柔性投切軟件實(shí)現(xiàn)

柔性投切技術(shù)主要考慮捕捉交流接觸器觸點(diǎn)前端電壓過零點(diǎn)和接觸器上電流過零點(diǎn)投切變壓器，可有效控制接觸器在分合閘瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的浪涌電流和電壓閃變的不利影響。柔性投切程序流程圖如圖6所示。

圖5 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制主流程

圖6 柔性投切程序流程圖

控制器在T時(shí)刻發(fā)出投切指令，為設(shè)置延時(shí)零時(shí)刻時(shí)間基準(zhǔn)，打開過零點(diǎn)脈沖輸入芯片的外部中斷管腳，將接收到的第一個(gè)過零點(diǎn)信號作為延時(shí)零時(shí)刻時(shí)間基準(zhǔn)，則為使得接觸器在過零點(diǎn)投切變壓器，微處理器驅(qū)動繼電器有效延時(shí)ΔT為：

其中，n為使 ΔT為正的最小整數(shù)，f為電網(wǎng)頻率，Tarc為接觸器觸點(diǎn)息弧時(shí)間。延時(shí)時(shí)間到則執(zhí)行分合閘指令，即可在電壓或電流信號過零點(diǎn)將待操作變壓器連接或分離系統(tǒng)。

3.3 接觸器分合閘時(shí)間預(yù)測方法

交流接觸器分合閘時(shí)間主要由其供電電壓和環(huán)境溫度決定，本文提出雙線性插值法預(yù)測本次分合閘時(shí)間，其示意如圖7所示。接觸器分合閘時(shí)間To與供電電壓 Ui、環(huán)境溫度 Tj的關(guān)系由雙線性插值法表示為：

圖7 雙線性插值法示意圖

從圖7可知，坐標(biāo)軸中每個(gè)矩形區(qū)域都對應(yīng)唯一的雙線性插值法系數(shù) ai，j、bi，j、ci，j、di，j， 為減小單片機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，將檢測得到的供電電壓和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)歸一化：

其中 U、T為實(shí)測值，ε、λ為處理值，則最終接觸器分合閘預(yù)測公式為：

將各矩形區(qū)域?qū)?yīng)的雙線性插值法系數(shù)和邊界值存入微處理器待用，在執(zhí)行柔性投切子程序時(shí)調(diào)用相應(yīng)系數(shù)便可準(zhǔn)確預(yù)測該次接觸器分合閘所需時(shí)間。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 分合閘時(shí)間檢測實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)采用以500 W單相變壓器和施耐德LC1E25交流接觸器為模擬實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行柔性切換實(shí)驗(yàn)，測量接觸器分合閘時(shí)間，得到工作電壓為190 V～235 V、環(huán)境溫度為-20℃～40℃的分合閘時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 分合閘時(shí)間統(tǒng)計(jì)

從圖8(a)、(b)變化趨勢可得如下結(jié)論：

(1)在固定環(huán)境溫度下，供電電壓與接觸器分合閘時(shí)間呈反比關(guān)系，供電電壓越高，接觸器分合閘時(shí)間越小;

(2)在固定供電電壓下，環(huán)境溫度對接觸器分合閘時(shí)間的影響呈現(xiàn)非線性變化關(guān)系，當(dāng)溫度從-20℃增大到40℃過程中，接觸器分合閘時(shí)間先減小再增大，在0℃～5℃段，分合閘時(shí)間最小。

從圖8(a)、(b)變化量值可得如下結(jié)論：

(1)在接觸器的額定工作電壓220 V，環(huán)境溫度為20℃下，接觸器的合閘時(shí)間約為70 ms，分閘時(shí)間約為60 ms;

(2)供電電壓對接觸器分合閘時(shí)間的影響最大為19.82 ms，環(huán)境溫度對接觸器分合閘時(shí)間的影響最大為10.31 ms;

(3)比較圖 8(a)、(b)可知供電電壓和環(huán)境溫度對接觸器合閘時(shí)間的影響更大，這是因?yàn)闄C(jī)械式交流接觸器在分閘過程中更多依賴于接觸器機(jī)械彈簧控制接觸器開關(guān)分離。

圖9為當(dāng)變壓器在電壓過零點(diǎn)和任意時(shí)刻投入變壓器至供電回路輸出端電壓波形，可知當(dāng)變壓器任意時(shí)刻投入變壓器，其輸出端電壓發(fā)生劇烈抖動，抖動幅值超10 V(實(shí)際電壓超500 V)，持續(xù)時(shí)間約為3 ms;而在電壓過零點(diǎn)投入變壓器時(shí)，其電壓變化較小，且系統(tǒng)可以得到迅速恢復(fù)。

圖9 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)柔性投切變壓器效果

4.2 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行案例分析

以浙江省500 kV春曉變電站為例，分析采用臨界區(qū)間劃分法控制變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所能實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益。表2為此變電站配備的變壓器信息。

表2 變壓器信息

變壓器運(yùn)行有功功率損耗如下：

CB根據(jù)式(9)中CA類推。其中 CA、CB為 A、B變壓器并列運(yùn)行的負(fù)載分配系數(shù)，根據(jù)式(9)得表3。

表3 日負(fù)載值及變壓器運(yùn)行損耗分析

若采用變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制及柔性投切裝置，可使得該變電站2臺變壓器始終處于經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)，則其損耗為 10 312.32 kWh;如不采用變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制，為滿足地區(qū)供電需求及供電安全性能，必須采用24 h A、B變壓器并列運(yùn)行，其運(yùn)行損耗為17 015.04 kWh。從上述分析可得，研制變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制及柔性切換裝置是十分有必要的。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)可較準(zhǔn)確地檢測得到變壓器電參量、負(fù)載端功率和接觸器分合閘時(shí)間，電壓電流過零點(diǎn)投切指令發(fā)送準(zhǔn)確，投切動作執(zhí)行可靠，變壓器柔性投切技術(shù)可大幅度降低系統(tǒng)參數(shù)波動的不利特性。此外通過分析大型變電站變壓器運(yùn)行規(guī)律，此裝置應(yīng)用于實(shí)際變電站可大幅減小變壓器運(yùn)行損耗，可帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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(收稿日期：2015-04-09)

作者簡介:

王波(1980-)，男，博士，講師，主要研究方向：醫(yī)學(xué)圖像處理及計(jì)算智能。

杜曉昕(1983-)，通信作者，女，碩士，副教授，主要研究方向： 計(jì)算智能及醫(yī)學(xué)智能診斷技術(shù)，E-mail：xiaoxin_du@163.com。

Development of transformer economic operation control and flexible switching device based on STM32

He Sundong，Li Qin，Tong Renyuan，Shi Ge
(Institute of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

Substation widely distributed in China，transformer operation made great loss.System experimental subject was singlephase two-winding transformer.Transformer economic operation theory was introduced briefly based on critical interval division method，and flexible switching technique was proposed to reduce risks caused by switching operations.Important hardware measurement module consisted of load power，AC contactor operation time and voltage current zero-crossing.Main control and flexible switching design ideas，included Bilinear interpolation method，were stated.The experimental data shows load power and voltage current zero-crossing are detected exactly，and AC contactor operation time，supply voltage and environment temperature are intimately linked，the former declines with the supply voltage increasing，decreases first and then increases with environment temperature increasing.Transformer flexible switching could greatly reduce unfavorable characteristics.Finally Chunxiao 500 kV substation in Zhejiang transformer economic operation analysis shows the equipment can make significant economic benefits.

transformer;critical interval;economic operation;flexible switching;zero-crossing detection

TP23

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.039

何孫東，李青，童仁園，等.基于 STM32的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及柔性投切裝置設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(8)：138-142.

英文引用格式:He Sundong，Li Qin，Tong Renyuan，et al.Development of transformer economic operation control and flexible switching device based on STM32[J].Application of Electronic Technique，2015，41(8)：138-142.

2015-04-22)

何孫東(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：檢測技術(shù)與自動化裝置。

李青(1955-)，通信作者，男，教授，主要研究方向：電子測量與控制技術(shù)，E-mail：lq13306532957@163.com。

童仁園(1984-)，男，博士，主要研究方向：測試與傳感技術(shù)。

浙江省重大科技專項(xiàng)重點(diǎn)工業(yè)項(xiàng)目(2011C11069)