基于單片機(jī)控制的可調(diào)容量節(jié)能型變壓器

尹立強(qiáng),潘燦林,崔微微

（河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要?jiǎng)恿κ悄茉?放眼世界,能源的發(fā)展又是以電力為中心.變壓器在電力系統(tǒng)中的數(shù)量極其廣泛,但其總的電能損耗約占發(fā)電量的百分之十左右,所以節(jié)能型變壓器的應(yīng)用迫在眉睫[1-2].在這種形式下,采用技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制、降低變壓器損耗、有效節(jié)約電能就具有很高的研究?jī)r(jià)值.

目前已開發(fā)的能實(shí)現(xiàn)變壓器經(jīng)濟(jì)投切的自動(dòng)裝置主要是在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)某一區(qū)域的負(fù)荷功率,根據(jù)目標(biāo)節(jié)能函數(shù)分別計(jì)算不同運(yùn)行方式下的損耗差異,比較不同工作方式下的節(jié)能值與運(yùn)行損耗,判決是否需要切換[3].此種方式雖然在一定程度上降低了經(jīng)濟(jì)成本,節(jié)約了電能,但是切換周期較長(zhǎng),節(jié)能程度較低.另外該裝置切換時(shí)的智能化程度較低,操作不夠便捷.

本文研究的基于單片機(jī)控制的可調(diào)容量節(jié)能型變壓器,能夠?qū)崟r(shí)收集變壓器工作時(shí)的各項(xiàng)參數(shù),根據(jù)負(fù)載的變化,由控制器發(fā)出切換指令進(jìn)行高、低容量檔位之間的切換,減少變壓器的鐵芯損耗,達(dá)到顯著的節(jié)電效果.為了能夠?qū)崿F(xiàn)特殊情況下的切換控制,變壓器內(nèi)部安裝了GPRS DTU模塊,可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控,工作人員可隨時(shí)查看變壓器的運(yùn)行狀況,能夠遠(yuǎn)距離控制變壓器高低檔位之間是否需要進(jìn)行切換.本系統(tǒng)尤其適用于用電量變化周期較短的用戶,如在新型智能化小區(qū)以及單班制工廠等短期內(nèi)用電量變化較大的場(chǎng)合,推廣使用效率高,在很大程度上能夠?qū)崿F(xiàn)降損節(jié)能.

1 系統(tǒng)工作原理

基于單片機(jī)控制的可調(diào)容量節(jié)能型變壓器以單片機(jī)為控制處理中心,通過(guò)負(fù)載數(shù)據(jù)的采集,由控制中心決定是否進(jìn)行不同容量檔位的切換,能夠有效地降低變壓器的損耗,實(shí)現(xiàn)電能的合理分配,整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主要功能如下：

（1）采集終端使用多功能電能表把變壓器的運(yùn)行參數(shù)等信息收集后傳到控制中心,控制中心將當(dāng)前變壓器的負(fù)荷與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較,確定是否需要進(jìn)行切換,如需切換,控制器發(fā)出切換指令送至切換開關(guān)進(jìn)行切換.

（2）控制中心與變壓器內(nèi)部安裝的GPRS DTU模塊相連,可根據(jù)需要將變壓器當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)傳送到工作人員,以便工作人員隨時(shí)隨地地掌握變壓器的運(yùn)行狀況.在特殊情況下,工作人員可通過(guò)DTU模塊“通知”控制中心進(jìn)行切換或者保持當(dāng)前運(yùn)行容量的檔位,人為干預(yù)結(jié)束后,由工作人員發(fā)出相應(yīng)指令,告知控制中心繼續(xù)按原切換方案繼續(xù)工作.

（3）為了避免切換過(guò)于頻繁,采用了規(guī)定時(shí)間內(nèi)滯后余量的方式,由大擋到小檔有30 min延時(shí),小擋到大擋有0.5 min延時(shí),以免動(dòng)作過(guò)于頻繁出現(xiàn)“乒乓效應(yīng)”,延時(shí)數(shù)值可按負(fù)載性質(zhì)由控制器任意調(diào)整.系統(tǒng)工作原理框圖見圖1.

圖1 可調(diào)容量節(jié)能型變壓器原理Fig.1 Principle of energy-saving transformer with adjustable capacity

2 硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊由多功能電能表實(shí)現(xiàn),能夠?qū)崟r(shí)采集數(shù)據(jù),計(jì)算當(dāng)前用電量和負(fù)荷功率.多功能電能表以現(xiàn)代微處理器為控制中心,采用交流采樣技術(shù)設(shè)計(jì)而成,具有很強(qiáng)的信息采集能力和處理功能,常用于測(cè)量高、低壓電網(wǎng)電量.多功能電能表具有多路開關(guān)量和模擬量輸出,可以測(cè)量實(shí)時(shí)電量、計(jì)量電能、分析電力品質(zhì)、統(tǒng)計(jì)和記錄常用電力參數(shù)數(shù)據(jù).為了便于通信,多功能電能表具有2路通信接口,其還具備時(shí)鐘精度高、故障報(bào)警、繼電保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[4].

多功能電能表采用了專門處理電能的芯片,經(jīng)電阻分壓后的電壓、經(jīng)電流互感器在取樣電阻上取樣后的電流被輸入專門電能芯片進(jìn)行處理,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送到CPU進(jìn)行計(jì)算.由于采用了數(shù)字轉(zhuǎn)換分析,大大提高了其電壓電流采樣分辨率,保證其有充分的時(shí)間更加精確的測(cè)量電能,因而顯著改善了電能表的計(jì)量準(zhǔn)確度[5].多功能電能表的工作原理框圖如圖2所示.

圖2多功能電能表工作原理框圖Fig.2 Working principle of multifunctional electric energy meter

圖2 中CPU用于處理各種輸入輸出數(shù)據(jù)并可完成分時(shí)計(jì)費(fèi)；專用電能芯片中的數(shù)據(jù)可通過(guò)串行接口讀出,根據(jù)預(yù)定的時(shí)間段可完成分時(shí)有功電能計(jì)量和最大需量計(jì)量,LCD顯示器可顯示需要顯示的各項(xiàng)數(shù)據(jù)；多功能電能表與外圍電路設(shè)備進(jìn)行通訊傳輸時(shí)可采用紅外接口或RS485接口；多功能電能表可完成運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè),將各種數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中[6].

2.2 控制處理中心

系統(tǒng)以單片機(jī)為控制處理中心.單片機(jī)具有功耗小、外觀小巧、應(yīng)用方便等特點(diǎn),在各種工業(yè)和民用嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用.單片機(jī)的主要特點(diǎn)可歸納如下：

（1）集成度高,體積小,可靠性高.單片機(jī)具有很高的集成度,在一塊晶體芯片上集成了其各功能部件,故此單片機(jī)體積非常小.遵照工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求,設(shè)計(jì)芯片時(shí)內(nèi)部布線很短,相較于一般通用的CPU,單片機(jī)具有較強(qiáng)的抗工業(yè)噪音性能.因?yàn)閱纹瑱C(jī)許多信號(hào)通道均在一個(gè)芯片內(nèi),其程序指令,常數(shù)及表格等被固化在ROM中,不易破壞,所以具有較強(qiáng)的可靠性[7].

（2）控制功能強(qiáng).單片機(jī)對(duì)專門的控制功能具有很強(qiáng)的適用性,其自帶的分支轉(zhuǎn)移能力、I/O口的邏輯操作、位處理能力等極為豐富的指令系統(tǒng),可以滿足對(duì)不同對(duì)象的控制.

（3）電壓低,功耗小,容易制作便攜式產(chǎn)品.大部分單片機(jī)內(nèi)的工作電壓僅為1.8～3.6 V,工作電流更是微乎其微,僅為數(shù)百微安.這一特點(diǎn)使得單片機(jī)能夠非常便利地滿足便攜式系統(tǒng)的需要.

（4）易擴(kuò)展.單片機(jī)內(nèi)部具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所需的部件,外部具有若干個(gè)擴(kuò)展的引腳,例如三總線和并行、串行輸入/輸出等.采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)就變得簡(jiǎn)單容易了.另外單片機(jī)還具有優(yōu)異的性價(jià)比.

系統(tǒng)單片機(jī)選取STC89C52,STC89C52主要功能特性為：可兼容MCS51指令系統(tǒng),具有8K可反復(fù)擦寫Flash ROM,它還具有32個(gè)雙向I/O口、3個(gè)256×8 bit內(nèi)部RAM、6位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷、2個(gè)串行中斷、2個(gè)外部中斷源、2個(gè)讀寫中斷口線,其時(shí)鐘頻率為0～24 MHz,還具有可編程UART串行通道,另外還采用了3級(jí)加密位、低功耗空閑和掉電模式,還可以用軟件對(duì)其進(jìn)行睡眠和喚醒功能的設(shè)置[8].

2.3 DTU模塊

模塊采用GPRS DTU無(wú)線傳輸功能,電力工作人員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握變壓器運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷狀況,保障電力公司的供電管理和服務(wù)質(zhì)量提高到一個(gè)新的水平,提高電力公司現(xiàn)代化管理水平,促進(jìn)其工業(yè)智能化的發(fā)展.

GPRS DTU作為一種成熟的無(wú)線通信技術(shù),具有3個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：①永遠(yuǎn)在線,GPRS一旦被激活,將保持恒在線狀態(tài),不會(huì)出現(xiàn)掉線問(wèn)題,這一點(diǎn)與無(wú)線專線網(wǎng)絡(luò)相似；②高速傳輸,GPRS采用分組交換方式,數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)171.2 kbit/s.③按量收費(fèi),GPRS計(jì)費(fèi)方式科學(xué)合理,按照用戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)量計(jì)費(fèi),在線狀態(tài)下如果沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸,也不收費(fèi)[9].

系統(tǒng)首先需要對(duì)GPRS模塊進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置,然后才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.相關(guān)設(shè)置工作包括：

（1）采用AT+IPR=38 400命令將通信傳輸速率設(shè)置為38 400 bit/s或其他合適的值,系統(tǒng)默認(rèn)比特率為9 600 bit/s.

（2）采用AT+CGD CONT=1,“IP”“CMNET”命令將GPRS接入網(wǎng)關(guān)設(shè)置為移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng).

（3）采用AT+CGCLASS=“B”將移動(dòng)終端類型設(shè)置為B類,允許終端同時(shí)監(jiān)控多種業(yè)務(wù),但任一時(shí)刻只能運(yùn)行其中的一項(xiàng)業(yè)務(wù),即GPRS上網(wǎng)和GSM的語(yǔ)音通信只能二者選其一.

（4）利用AT+CGACT=1測(cè)試GPRS服務(wù)是否開通,1命令激活GPRS.如果返回“OK”,則GPRS連接成功；如果返回“ERROR”,則意味著GPRS失敗,遇到該情況時(shí),應(yīng)查詢SIM卡的GPRS業(yè)務(wù)是否開通以及是否正確安裝了GPRS模塊天線等問(wèn)題[10-11].

2.4 切換開關(guān)

切換開關(guān)內(nèi)部包含C1、C2兩個(gè)交流接觸器,其主要依靠交流接觸器的閉合來(lái)控制電機(jī)的順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)高、低容量的切換.在切換開關(guān)中,升容按鈕為ANS,當(dāng)按下此按鈕時(shí),交流接觸器C1通電閉合,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針,調(diào)換完成后,行程開關(guān)斷開其常閉觸點(diǎn),控制線路的電源被切斷,導(dǎo)致接觸器C1斷電,電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),行程開關(guān)閉合其常開觸點(diǎn),變壓器狀態(tài)為高容,此時(shí)高壓側(cè)為角接,低壓側(cè)為并聯(lián)方式.切換開關(guān)中的降容按鈕為ANJ,當(dāng)按下此按鈕時(shí),交流接觸器C2通電閉合,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針,調(diào)換完成以后,行程開關(guān)斷開其常閉觸點(diǎn),控制線路的電源被切斷,導(dǎo)致接觸器C2斷電,電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),行程開關(guān)閉合其常開觸點(diǎn),變壓器狀態(tài)為低容,高壓側(cè)為星接,低壓側(cè)為串聯(lián)方式[12].圖3為切換開關(guān)接線原理圖.

圖3 切換開關(guān)接線圖Fig.3 Wiring diagram of diverter switch

2.5 可調(diào)容量節(jié)能變壓器節(jié)能原理

調(diào)容變壓器可根據(jù)負(fù)荷大小進(jìn)行容量的切換,它具有高、低兩個(gè)容量,兩種不同容量的繞組分別采用了三角形和星形的接法.

2.5.1 高壓側(cè)高、低容量設(shè)計(jì)原理 大小容量線圈的匝數(shù)不變,導(dǎo)線截面按滿足大容量電流設(shè)計(jì).大容量線圈為角接,小容量線圈為星接.則其容量表達(dá)式分別為

式（1）、式（2）中：S△、SY分別為調(diào)容變壓器的高、低容量,單位為 kVA；I△、IY分別為高、低容量時(shí)的相電流,單位為A；U△、UY分別為高、低容量時(shí)的相電壓,單位為V.

變壓器處于高、低不同容量時(shí)的短路阻抗表達(dá)式分別為

式（3）、式（4）中：U△k、UYk分別為變壓器高、低容量時(shí)的短路阻抗,采用百分比的形式；N△、NY分別為變壓器高、低容量時(shí)的的高壓線圈匝數(shù)；et△、etY分別為變壓器高、低容量時(shí)的匝電勢(shì),單位為V.

又由于N△=NY,所以式（4）又可表達(dá)為

而630 kVA以下容量的短路阻抗均為4%,即U△k=UYk,則從式（3）和式（6）得

把它代入式（5）,得

比較式（1）和式（8）,可得

即為了保證大小容量的短路阻抗相近,變壓器高容量應(yīng)約為低容量的3倍[13].

2.5.2 低壓側(cè)設(shè)計(jì)原理 由于高、低容量時(shí)高壓線圈匝數(shù)相同,而低容量時(shí)的相電流為高容量的倍,即0.577倍,因此低容量的低壓匝數(shù)應(yīng)為高容量的倍,即為1.732倍,這樣才能保證低容量的高低線圈的安匝數(shù)相等.低壓繞組包括三部分,第一和第二部分繞組截面為第三部分的50%,第一部分和第二部分并聯(lián)后占低壓總匝數(shù)的73%,第三部分占低壓總匝數(shù)的27%.高容量時(shí)低壓繞組第一、二部分并聯(lián)后再與第三部分串聯(lián)；低容量時(shí)低壓繞組第一、二部分串聯(lián)后再與第三部分串聯(lián)[14].高、低容量的具體聯(lián)結(jié)變化如圖4所示.

圖4 調(diào)容變壓器大、小容量時(shí)的聯(lián)接方式Fig.4 Connection mode of large and small capacity transformer

在由高容量切換到低容量的過(guò)程中,有載調(diào)容變壓器的高壓相電壓減小到原來(lái)的低壓匝數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)的1.73倍,由等式可知,當(dāng)高壓匝數(shù)不變時(shí),若低壓側(cè)匝數(shù)增加,則變壓器鐵心磁通密度會(huì)降低,減少了硅鋼片的單位損耗,也降低了空載損耗和空載電流.一般來(lái)說(shuō),變壓器處于低容量時(shí),其空載損耗和空載電流分別約為同一系列損耗的30%和70%,由此可見,調(diào)容變壓器具有顯著的降損節(jié)能效果[15].

3 測(cè)試分析

3.1 切換模塊的測(cè)試

STC89C52單片機(jī)的串口可擴(kuò)展為兩路分別與電能表和DTU模塊連接,兩者均采用RS485標(biāo)準(zhǔn),采用分時(shí)工作方式.實(shí)際測(cè)試時(shí)將電能表的RS485接口經(jīng)MAX485轉(zhuǎn)換器后與單片機(jī)的UART串口連接,STC89C52單片機(jī)通過(guò)RXD引腳讀取電能表的功率數(shù)據(jù).單片機(jī)與電能表DTSD1945-2的連接如圖5所示.

圖5 單片機(jī)與電能表引腳連接圖Fig.5 Pin connection diagram of SCM and Electric energy meter

本測(cè)試選取的變壓器容量為630/200 kVA,即高容為630 kVA,低容為200 kVA.單片機(jī)STC89C52的引腳P2.0作為控制輸出口,其后接繼電器,分別控制切換開關(guān)的升容按鈕ANS和降容按鈕ANJ.控制器設(shè)定的閾值功率為180 kVA.測(cè)量時(shí),為了便于進(jìn)行觀察,由高容量切換到低容量時(shí),設(shè)定延遲時(shí)間為30 s,由低容量切換到高容量時(shí),延遲時(shí)間設(shè)定為5 s,實(shí)際工作時(shí),設(shè)定該延遲時(shí)間應(yīng)盡可能小,以避免出現(xiàn)超負(fù)荷現(xiàn)象.

以某配電小區(qū)用電量為測(cè)試對(duì)象,根據(jù)電能表測(cè)量采集的數(shù)據(jù),該小區(qū)通常在20：00—22：00出現(xiàn)最大負(fù)荷,負(fù)荷值范圍為567～620 kVA,偶爾會(huì)在13：00左右出現(xiàn)一次用電高峰期,負(fù)荷值約為504 kVA,但運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較短,持續(xù)為1～2 h左右,此時(shí)變壓器工作在高容狀態(tài),一般在03：00—04：00出現(xiàn)最小負(fù)荷,負(fù)荷值約為126 kVA之間,負(fù)荷波動(dòng)控制在合理范圍以內(nèi),符合小區(qū)居民用電需求.從整體用電量時(shí)間分布來(lái)看,變壓器每天工作在低容量的時(shí)間占比近似為40%,采用調(diào)容控制方式,避免了變壓器出現(xiàn)大馬力拉空車的現(xiàn)象.由此可見,調(diào)容變壓器具有顯著的節(jié)能效果.

3.2 單片機(jī)與DTU模塊之間的通信

單片機(jī)通過(guò)DTU模塊與外部移動(dòng)終端雙向通訊,單片機(jī)與DTU模塊可以采用RS485串口實(shí)現(xiàn)交互通信.DTU模塊一方面將接收的調(diào)容變壓器運(yùn)行參數(shù)信息傳輸?shù)揭苿?dòng)終端,另一方面接收移動(dòng)終端的控制指令.單片機(jī)與DTU模塊的連接,使得單片機(jī)根據(jù)需要將調(diào)容變壓器當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)傳送到工作人員,以便工作人員隨時(shí)隨地地掌握變壓器的運(yùn)行狀況.在特殊情況下,工作人員可通過(guò)DTU模塊“通知”單片機(jī)進(jìn)行切換或者保持當(dāng)前運(yùn)行容量的檔位.通信模塊相應(yīng)引腳連接如圖6所示.DTU采用RS485接口與單片機(jī)的串口2連接,數(shù)據(jù)位為7位,校驗(yàn)方式為偶校驗(yàn),比特率設(shè)為9.6 kbit/s.

圖6 單片機(jī)通信模塊引腳連接圖Fig.6 SCM communication module pin connection diagram

根據(jù)設(shè)置進(jìn)行連接測(cè)試,結(jié)果顯示：當(dāng)工作人員向DTU發(fā)“TQ”時(shí),單片機(jī)停止切換,容量固定停在高容量上.

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制變壓器容量自動(dòng)切換,工作狀態(tài)良好,運(yùn)行可靠.系統(tǒng)還可根據(jù)用戶需要靈活地進(jìn)行功能擴(kuò)展,因?yàn)槎喙δ茈娔鼙砭哂写鎯?chǔ)功能,用戶可根據(jù)需要設(shè)置需要保存的數(shù)據(jù)時(shí)間,工作人員若需查詢之前某個(gè)時(shí)間段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),可通過(guò)DTU模塊與控制中心及電能表之間的的串口通信方便地查詢所需信息.