基于PLC的有載調(diào)容調(diào)壓變壓器控制系統(tǒng)

作者/戴蕾、周國平，南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院

基于PLC的有載調(diào)容調(diào)壓變壓器控制系統(tǒng)

作者/戴蕾、周國平，南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院

在現(xiàn)代社會，電力成為人們生活生產(chǎn)的必需品，變壓器的出現(xiàn)使得電力傳送和節(jié)能得到一定改善，但也由此帶來了變壓器本身對電力系統(tǒng)造成浪費的問題。有載調(diào)容調(diào)壓變壓器的出現(xiàn)，有效地解決了變壓器因為容量過大造成的電能損耗，并且及時調(diào)整電壓使得電能質(zhì)量得到保障。對長期節(jié)能計劃起到了至關(guān)重要的作用。本文對有載調(diào)容調(diào)壓變壓器進(jìn)行拓展，加入控制系統(tǒng)，使得有載調(diào)容調(diào)壓變壓器更加智能化。

有載調(diào)容調(diào)壓；節(jié)能；智能

引言

傳統(tǒng)變壓器在工作時容量是一定的。如果變壓器的容量過大，那么勢必有相當(dāng)一部分的容量剩余，造成資源的浪費；更加嚴(yán)重的是，剩余容量如果太大，那么變壓器的空載損耗將會變得非常大。如果變壓器的容量選的過小，一方面電力需求在快速增長，對變壓器的容量要求就會越來越高；另一方面負(fù)載占比增大之后，變壓器的負(fù)載損耗會隨之增大。所以如何靈活地選擇變壓器的容量就會顯得很關(guān)鍵。負(fù)載在變化的同時電壓也隨之波動，電壓的變化決定了電能質(zhì)量的好壞。本文旨在傳統(tǒng)變壓器上加一個控制系統(tǒng)，由于PLC較于其他的控制手段更為靈活，便捷，操作也更為簡單，可以讓變壓器的控制更為安全，滿足控制需求，本次設(shè)計采用PLC作為CPU。

運(yùn)用 PLC 自動控制技術(shù)實現(xiàn)變壓器的自動化，可以將計算機(jī)技術(shù)、傳感器、電力電子等各種手段結(jié)合起來并且該系統(tǒng)可以在比較極端的情況下控制，在各種環(huán)境中高效穩(wěn)定運(yùn)行，工作人員只需在控制室中實時地觀測即可，有效地減小了工作量。更重要的是可以降低人為操作時誤操作可能性，保證設(shè)備穩(wěn)定安全的運(yùn)行，也保證了工作人員的人身安全。

1. 總體設(shè)計

有載調(diào)壓調(diào)容控制系統(tǒng)的工作原理為：首先，上位機(jī)通過傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到電壓、電流、功率等信息，然后將這些模擬量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過作為下位機(jī)的PLC進(jìn)行約定通信規(guī)約，以約定的規(guī)約將這些信息傳遞到PLC中，經(jīng)過PLC內(nèi)部的處理器進(jìn)行信息的整合與處理，發(fā)出指令，即開關(guān)量信號控制接觸器觸點動作，控制不同的線圈進(jìn)行動作，從而達(dá)到調(diào)整變壓器分接頭位置以及變壓器的接線方式，實現(xiàn)變壓器的調(diào)壓和調(diào)容?？梢酝ㄟ^RS232與上位機(jī)實現(xiàn)串口通訊，也可以通過WIFI模塊實現(xiàn)。

2. 硬件設(shè)計

本次設(shè)計的基于PLC的有載調(diào)容調(diào)壓變壓器控制系統(tǒng)本由200KVA/63KVA，10KV/400V的配電變壓器、有載分接開關(guān)、有載調(diào)容控制器、傳感器及其相關(guān)元器件等組成。在這個控制系統(tǒng)中主要有數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、驅(qū)動模塊，完成數(shù)據(jù)傳輸、分析判斷、發(fā)送指令、顯示等功能。其中,數(shù)據(jù)采集模塊主要由上位機(jī)利用傳感器進(jìn)行采集，并且進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，傳遞到作為下位機(jī)的PLC之中，以此來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞；在數(shù)據(jù)處理模塊，主要由PLC實現(xiàn)；驅(qū)動輸出主要包括接觸器輸出單元，數(shù)據(jù)顯示單元、以及無功補(bǔ)償模塊等。

2.1 電量采集與通訊模塊

變壓器電量采集部分是由各個硬件電路模塊共同構(gòu)成的，為適應(yīng)當(dāng)前電網(wǎng)公司對電力營銷現(xiàn)代化信息管理的要求和發(fā)展，保證能夠及時、準(zhǔn)確且可靠地采取電能信息，針對有載調(diào)壓調(diào)容變壓器的特點和電能信息采集與管理系統(tǒng)關(guān)于計量、采集和傳輸?shù)囊?，利用微處理器及?yīng)用技術(shù)、傳感器技術(shù)等，本次設(shè)計采用CS5464計量芯片實現(xiàn)了對電壓，電流，功率等參數(shù)的測量，可以通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊。這一部分電路以CS5464芯片作為主體結(jié)構(gòu)，外圍配備電壓電流采集電路，整流濾波電路，串口通訊電路等，可以直接和不同量程的電壓電流傳感器配合，簡化接口設(shè)計，提高功率測量的精確和穩(wěn)定。芯片采集有載調(diào)壓調(diào)容變壓器的所有電量，包括電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率、周期、相位等。并將采集出來的數(shù)據(jù)通過串口通訊至上位機(jī)進(jìn)行變壓器的PLC控制。

2.2 無功補(bǔ)償模塊

有載調(diào)容調(diào)壓變壓器在進(jìn)行調(diào)壓調(diào)容時，也將同時對其無功調(diào)容形成改變，所以在對有載調(diào)壓調(diào)容變壓器控制系統(tǒng)系統(tǒng)完成初步的設(shè)計后，需要對這個電力系統(tǒng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償?shù)姆治?、研究，進(jìn)而能夠使電力系統(tǒng)的無功功率滿足電網(wǎng)運(yùn)行要求的補(bǔ)償，以達(dá)到節(jié)約電能的目的。

在系統(tǒng)已經(jīng)對電量進(jìn)行采集等工作后，主要是利用控制器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，得到哦實時的無功功率數(shù)據(jù)，設(shè)計出無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)的硬件，以及它的軟件控制策略，驅(qū)動繼電器的線圈，最后控制接觸器的開關(guān)閉合來投切相應(yīng)的補(bǔ)償電容器，制定出電容器的無功補(bǔ)償組合等，最后達(dá)到對電力系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行實時補(bǔ)償。

無功功率補(bǔ)償硬件系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 無功補(bǔ)償裝置系統(tǒng)圖

2.3 Wi fi模塊

調(diào)壓調(diào)容變壓器的wif控制如同智能電器，從復(fù)雜繁瑣的操作轉(zhuǎn)變?yōu)楦奖愀旖莸牟僮鞣绞?，自動調(diào)壓調(diào)容實現(xiàn)了減少更多的人力操作的功能，且可以遠(yuǎn)距離安全操作，wif控制保證了人生安全，在時間上也更靈活多變。

要進(jìn)行wif控制首先需將管理終端接入計算機(jī)，可利用計算機(jī)進(jìn)行對終端的訪問，計算機(jī)開啟熱點，手機(jī)連入熱點利用app對終端進(jìn)行訪問，也可以將終端ip置于云端，手機(jī)app利用ip對云端終端進(jìn)行訪問即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程wif控制。

2.4 調(diào)容調(diào)壓開關(guān)的配合

傳統(tǒng)的變壓器采用機(jī)械開關(guān)，機(jī)械開關(guān)簡單方便，使用門檻低且價格低廉，缺點是控制難度大，反應(yīng)時間長，對外界要求高，且對電能質(zhì)量有影響，還必須外加絕緣油保持開關(guān)的安全，因此需要增加額外的輔助裝置。為了使得有載調(diào)容調(diào)壓變壓器更加智能，本次設(shè)計將用電力電子有載分接開關(guān)取代機(jī)械開關(guān)，電力電子開關(guān)調(diào)壓速度快，可控性高，穩(wěn)定安全，且設(shè)備體積小，不需要額外的輔助設(shè)備。

3. 軟件設(shè)計

3.1 整體控制流程圖

上位機(jī)采集電壓、電流、功率等信息，通訊至PLC中，輸入模塊將這些數(shù)據(jù)變換輸送到PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)過CPU的計算、處理輸出相關(guān)的開關(guān)量驅(qū)動繼電器線圈閉合與斷開，繼而接觸器的線圈通過繼電器的得電與失電，從而得電與失電，然后驅(qū)動相應(yīng)的分接開關(guān)閉合與斷開，調(diào)整變壓器分接頭位置和變壓器繞組的聯(lián)結(jié)方式，實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的功能。

由此，可以設(shè)計出整個PLC控制系統(tǒng)的流程圖，如圖2所示。

圖2 電量采集通訊模塊流程圖

3.2 Wi fi控制模塊

利用現(xiàn)有軟件進(jìn)行設(shè)計簡單的app，對app的結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局，排版并可進(jìn)行簡單的操作，針對app的制作，流程圖如圖3所示。

4. 總結(jié)

本文對基于PLC的有載調(diào)容調(diào)壓控制系統(tǒng)做了一個簡

圖3 Wifi控制模塊流程圖

單大體的介紹。在主控上采用可編程控制器，從而使得系統(tǒng)簡單可靠地運(yùn)行。輔助以各種智能有效的模塊：電量采集通訊模塊負(fù)責(zé)電量等數(shù)據(jù)的收集傳輸，無功功率補(bǔ)償模塊使得電能更加穩(wěn)定安全，再對開關(guān)進(jìn)行設(shè)計和改造，輔助以Wif控制，使得變壓器更加節(jié)能和安全，對電力系統(tǒng)的發(fā)展有至關(guān)重要的推進(jìn)作用。

＊ [1]張慧賢，苗靈霞，曹俊杰.基于PLC的有載調(diào)容變壓器控制系統(tǒng)的研究[J].天中學(xué)刊，2012，27(2)：28—29.

＊ [2]劉振亞.中國電力與能源[M].北京: 中國電力出版社, 2012.

＊ [3]劉斌，岳青，孫毅衛(wèi)等.調(diào)容調(diào)壓變壓器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究[J].變壓器，2015，52（5）：23—25.

＊ [4]CS5464電能計量芯片技術(shù)手冊.

＊ [5]江友華，顧勝堅，方勇.電力電子技術(shù)在有載調(diào)壓變壓器中的應(yīng)用[J].電力建設(shè)，2006，27(12):75—77.

＊ [6]Bernard Hochart. Power transformer handbook. Saint—Quen, France: Butterworth E.Co.(Publishers) Ltd., Chapter 2, 1987

＊ [7]H.A. Fohrhaltz. Load Tap—changing with Vacuum Interrupte rs[J]. IEEE Trans. On power Apparatus and Systems. Vol. PAS—86,No.4,April 1967:422—428