有載調(diào)壓變壓器開關(guān)控制器的設(shè)計方案的研究

林震鑫 朱玉奇 侯誠志

（南京科技職業(yè)學(xué)院 電氣與控制工程學(xué)院，江蘇 南京 210048）

1 課題研究的背景

人類社會的進(jìn)步、生產(chǎn)效能的提高體現(xiàn)出科技發(fā)展的重要。電的使用與應(yīng)用，也是世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展歷程的終南捷徑。我們能更好地應(yīng)用電能，讓電成為我們生活中不可缺少的關(guān)鍵一環(huán)。既然用電的需求如此廣泛，那么如何提高電網(wǎng)電能質(zhì)量就成了各企業(yè)當(dāng)下解決問題重中之重?，F(xiàn)代我們的社會，百姓生產(chǎn)生活是離不開用電的，電是由發(fā)電、供電和用電三方面統(tǒng)籌協(xié)調(diào)運(yùn)行的。隨著科技的進(jìn)步，讓人們更多的去依賴自動化和智能化，如果電能質(zhì)量不穩(wěn)定，如因機(jī)器故障造成核心文件的丟失，再比如一些大型工廠瞬間的電壓波動就會造成生產(chǎn)停車和原料破壞，這些經(jīng)濟(jì)損失和人員損失是不可預(yù)估的。

緊跟著工業(yè)方面科學(xué)技術(shù)的全面發(fā)展，世界配電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題也更多地受到了各國人民的重視。我國的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也非常冗雜，在電網(wǎng)運(yùn)行過程中也屢次出現(xiàn)各種電能質(zhì)量問題，給人們帶來了非常不好的用戶體驗(yàn)，對他們的生產(chǎn)生活造成了不少影響。所以提高電能質(zhì)量的問題迫在眉睫。

負(fù)荷側(cè)同時也是電源側(cè)，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可以說是相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，使供電配電總系統(tǒng)的電能質(zhì)量更加的惡化。從1990-1995年，由CSI、CEA、EPRI三方主導(dǎo)進(jìn)行了3次范圍全面的有關(guān)電能質(zhì)量治理水平的全面調(diào)查。調(diào)查的主要對象分別有：穩(wěn)定狀態(tài)下的電能質(zhì)量、供電突然中斷電壓的偏差、電壓的總諧波畸變率和電壓波動與閃變，還有暫態(tài)電能質(zhì)量，比如瞬時斷電、電壓驟降、電壓驟升和電壓脈沖等。這些來之不易的第一手資料對于全面把握North America的電能質(zhì)量水平起到非常重要的作用，為以后的運(yùn)行維護(hù)打下良好的基礎(chǔ)。

2021年2月17日，得克薩斯州發(fā)生大面積停電，約有336萬戶居民用電無法正常供應(yīng)，其主要原因與電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力不足，從近年來國外電力結(jié)構(gòu)的變化趨勢來看，煤電等傳統(tǒng)發(fā)電形式呈下降趨勢，新型能源開始占據(jù)美利堅合眾國的電力市場。國外的電力系統(tǒng)的組成復(fù)雜，出現(xiàn)很多“三不管”地區(qū)，這也就是本次事件發(fā)生的主要原因之一。

就現(xiàn)在而言，國際上電能使用率在百分之五十六上下波動，而我國目前的電能使用效率只有大概百分之三十五，大部分的原因就是由于我國電能的質(zhì)量治理有效措施不足所導(dǎo)致。如果我國全國大范圍提高電能質(zhì)量，以此提高電能的使用效率，將對節(jié)能減排起到至關(guān)重要的作用，會使我國的電能應(yīng)用方面取得一個質(zhì)的飛躍。

就目前國內(nèi)外趨勢來看，國內(nèi)對于有載調(diào)壓開關(guān)控制器方面的研究起步晚，發(fā)展也略遜一頭，但發(fā)展進(jìn)步空間很大。有載調(diào)壓控制也是目前發(fā)展的主導(dǎo)發(fā)展趨勢。中國傳統(tǒng)的傳統(tǒng)變壓器有載調(diào)壓裝置采用機(jī)械式有載分接開關(guān)，其動作原理是切換機(jī)械式開關(guān)的動作（包括其驅(qū)動齒輪）容易導(dǎo)致操作性事故，降低了變壓器的可靠性。機(jī)械開關(guān)在動作時，會產(chǎn)生一定的電弧，使開關(guān)的觸點(diǎn)逐漸燒蝕，在操作一定次數(shù)后，必須更換觸頭，而且電弧的產(chǎn)生會導(dǎo)致變壓器油質(zhì)下降，造成變壓器繞組的絕緣水平下降，導(dǎo)致匝間短路或相間短路據(jù)統(tǒng)計，1990年全國110—500kV變壓器事故中，有載調(diào)壓分接開關(guān)的事故和故障分別占變壓器各種總故障的18%和12.5%，500kV變壓器的57次故障中有載分接開關(guān)故障約占23%，事故和故障率高，而且有上升的趨勢。由于機(jī)械式開關(guān)的動作時間長，一般為5秒。因此，傳統(tǒng)有載調(diào)壓變壓器只用于穩(wěn)態(tài)的電壓調(diào)節(jié)。

在變壓器調(diào)容、調(diào)壓控制策略方面。2011年，范聞博，韓篩根介紹了有載調(diào)容控制系統(tǒng)的組成和主要功能模塊，設(shè)計了有載調(diào)容變壓器經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行策略。2013年，孟鎮(zhèn)介紹了一種臨界經(jīng)濟(jì)容量的計算方法，設(shè)計了一套無弧有載調(diào)容配電變壓器的控制系統(tǒng)，提出了一種基于灰色理論負(fù)荷預(yù)測模型的切換策略，以避免由于短期負(fù)荷波動而頻繁切換調(diào)容開關(guān)。2014年，孫逸采用模塊化的思想，進(jìn)行了基于永磁機(jī)構(gòu)的10KV智能控制器的設(shè)計。在控制器研究與設(shè)計方面。2018年，鄧俊青設(shè)計了有載調(diào)容調(diào)壓智能控制器，并驗(yàn)證了該控制器的可行性。

2 開關(guān)控制器的設(shè)計方案

本課題的設(shè)計目的在于：讓多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換、CPU芯片、程序存儲器、自動復(fù)位電路、液晶顯示、開關(guān)量輸入、軟件程序等這幾模塊共同運(yùn)行，進(jìn)行變壓器的有載調(diào)壓。開關(guān)控制器是指按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來控制電動機(jī)的開始、轉(zhuǎn)速、停止和反向的主令裝置。它是由指令譯碼器、指令寄存器、程序計數(shù)器、操作控制器和時序產(chǎn)生器五個元器件組成的，它是相當(dāng)于大腦一樣的存在。其優(yōu)點(diǎn)是智能化程度高、可靠性高、測量精度高，為變壓器精確調(diào)壓和檢測人員進(jìn)行檢測提供便利。

就開關(guān)控制器的設(shè)計方案，創(chuàng)新之處在于：借助大數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以對調(diào)壓起到幫助作用，在何時進(jìn)行升壓降壓需要利用大數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)其實(shí)是IT行業(yè)的術(shù)語，指的是無法在一定時間范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進(jìn)行捕捉、管理和處理的數(shù)據(jù)集合。本系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)信息采集了江蘇省徐州市供電西局的一個月內(nèi)負(fù)荷、電壓電流記錄數(shù)據(jù)，形成一個調(diào)壓專家系統(tǒng)，利用自適應(yīng)模糊控制技術(shù)分析，將海量數(shù)字信息進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)挖掘，最終形成可適應(yīng)性的調(diào)壓調(diào)容系統(tǒng)。這對我們準(zhǔn)確地控制電壓的平穩(wěn)提供了一個科學(xué)的依據(jù)，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用可以及時解析故障、問題和缺陷的根源，對一個地區(qū)的變壓器工作情況進(jìn)行分析可以使我們隨機(jī)應(yīng)變、因事制宜，哪個數(shù)據(jù)不穩(wěn)我們就采用哪一個對應(yīng)的檔位更有利于我們的工作。還可以利用手機(jī)APP遠(yuǎn)程操控開關(guān)控制器，對變壓器電壓的調(diào)節(jié)。

有載調(diào)壓控制裝置，包括調(diào)壓控制器與調(diào)壓控制器相連接的無功補(bǔ)償裝置、調(diào)壓傳動裝置和變壓器；調(diào)壓控制器根據(jù)變壓器的電量參數(shù)計算無功補(bǔ)償策略，并將無功補(bǔ)償策略發(fā)送至無功補(bǔ)償裝置，以使無功補(bǔ)償裝置根據(jù)無功補(bǔ)償策略控制投切狀態(tài)；當(dāng)無功功率穩(wěn)定后，調(diào)壓控制器根據(jù)變壓器的電量參數(shù)和擋位信息計算調(diào)壓策略，并將調(diào)壓策略發(fā)送至調(diào)壓傳動裝置。開關(guān)控制器指令分成兩部分：操作碼和地址碼。操作碼用來指示指令的操作性質(zhì)，如加法、減法等；地址碼給出本條指令的操作數(shù)地址或形成操作數(shù)地址的有關(guān)信息。

在裝置的調(diào)試運(yùn)行過程中，它可以適應(yīng)多種尺寸的控制裝置的固定，操作者隨時可以將控制裝置取出，方便更換控制策略，一人操作即可完成，節(jié)省時間，提高效率。通過測量件，避免出現(xiàn)控制裝置單側(cè)受力的現(xiàn)象，控制裝置固定比較穩(wěn)定。

此次設(shè)計的有載調(diào)壓變壓器開關(guān)控制器，能配合變壓器的使用，實(shí)現(xiàn)有載自動調(diào)壓控制。