變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行自動(dòng)投切裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

趙淑莉

（山西焦煤霍州煤電有限公司公共事業(yè)服務(wù)分公司， 山西 臨汾 031400）

引言

煤礦供電系統(tǒng)是設(shè)備運(yùn)行完成生產(chǎn)任務(wù)的動(dòng)力，變壓器作為供配電系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，其承擔(dān)著電能功率的傳遞和變壓任務(wù)。統(tǒng)計(jì)表明，變壓器在實(shí)際應(yīng)用中其自身耗能占據(jù)總耗能的6%左右。也就是說，變壓器具有極大的節(jié)能空間。目前，雖然在煤礦生產(chǎn)中已經(jīng)采用了高效節(jié)能的變壓器，但是就其運(yùn)行方式而言可存在極大的改進(jìn)，保證其處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀態(tài)[1]。因此，根據(jù)煤礦供電系統(tǒng)的工況對(duì)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式進(jìn)行自動(dòng)投切尤為重要。本文重點(diǎn)對(duì)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的自動(dòng)投切策略及裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論

在實(shí)際應(yīng)用中，變壓器的工作損耗可以分為空載損耗、短路損耗兩類。其中，空載損耗主要指的是變壓器有功功率的損失，短路損耗指的是變壓器無功功率的損失，有功功率損耗與無功功率損耗之和為綜合功率損耗[2]。從理論上講，變壓器的損耗與其所承擔(dān)的負(fù)載有關(guān)。

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，指的是確保其所承擔(dān)負(fù)載系數(shù)的上限控制在1、下限為βJZ2。當(dāng)變壓器復(fù)雜系數(shù)位于1.33βJZ2和0.75 之間時(shí)，說明其工作狀態(tài)處于最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域。

目前，煤礦供電網(wǎng)絡(luò)中常見的變壓器類型為雙繞組變壓器，本文以雙繞組變壓器展開一系列的研究。根據(jù)供電方式的不同，可將變壓器運(yùn)行方式分為并列運(yùn)行和分列運(yùn)行。對(duì)于并列運(yùn)行的變壓器而言，可通過基于符合對(duì)其運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)節(jié)從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的；對(duì)于分列運(yùn)行變壓器，主要通過保證各個(gè)變壓器的工況位于其各自經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 變壓器自動(dòng)投切裝置的設(shè)計(jì)

保證變壓器根據(jù)負(fù)載的變化投切至最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間為節(jié)能運(yùn)行的主要措施之一。但是，在實(shí)際實(shí)施過程中，采用人工投切方式不僅效率低下，而且存在誤動(dòng)作的問題。因此，設(shè)計(jì)一款自動(dòng)投切裝置實(shí)現(xiàn)變壓器根據(jù)負(fù)載變化的自動(dòng)投切功能，對(duì)變壓器運(yùn)行的安全性和節(jié)能性具有重要意義[3]。

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，變壓器自動(dòng)投切裝置需采集變壓器的電壓、電流等參數(shù)信號(hào)換算得出實(shí)時(shí)負(fù)載情況；然后，對(duì)比變壓器的運(yùn)行狀態(tài)、斷路器狀態(tài)等開關(guān)量進(jìn)行采集，并結(jié)合第一步所獲取的負(fù)載情況判斷變壓器投入和切除的條件，并得出相應(yīng)的控制指令。

本工程中，變壓器自動(dòng)投切裝置所采用的核心處理為DSP，具體型號(hào)為DSP2812 控制器，該控制器對(duì)應(yīng)的主頻為96 MHz；該裝置采用AD7607 數(shù)據(jù)采集芯片對(duì)變壓器電壓、電流及斷路器的狀態(tài)進(jìn)行采集；采用RS485 通信芯片實(shí)現(xiàn)控制器與上位機(jī)的通信。

該自動(dòng)投切裝置上位機(jī)顯示器采用以單片機(jī)為CPU 的LCD 液晶顯示屏，通過顯示器可實(shí)時(shí)掌握變壓器運(yùn)行的實(shí)時(shí)電壓值、電流值及負(fù)載情況；同時(shí)，顯示器可對(duì)變壓器及自動(dòng)投切裝置的動(dòng)作、故障、運(yùn)行、通信等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示。

3 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行自動(dòng)投切策略

基于對(duì)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論的深入研究可知，實(shí)現(xiàn)變壓器處于其最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域的核心在于保證變壓器能夠根據(jù)負(fù)載對(duì)其運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整控制。而在實(shí)際應(yīng)用中，其調(diào)整控制的依據(jù)為臨界負(fù)載功率。鑒于煤礦生產(chǎn)工況的復(fù)雜性，其對(duì)應(yīng)的負(fù)載處于動(dòng)態(tài)變化并且可能在負(fù)荷臨界的位置上下波動(dòng)，按照最初的投切策略，變壓器需頻繁切換工作狀態(tài)，極易導(dǎo)致供電網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定和不安全。因此，結(jié)合煤礦實(shí)際生產(chǎn)工況制定切實(shí)、有效、穩(wěn)定的自動(dòng)投切策略是非常有必要的。

鑒于變壓器并列運(yùn)行和分列運(yùn)行兩種狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式所依據(jù)的臨界負(fù)荷值及其負(fù)載的分配規(guī)律存在極大的差異。以分列運(yùn)行變壓器為主，本小節(jié)將對(duì)分列變壓器的自動(dòng)投切策略進(jìn)行優(yōu)化。配電室分列運(yùn)行變壓器的參數(shù)見表1。

表1 配電室分列運(yùn)行變壓器關(guān)鍵參數(shù)

經(jīng)調(diào)研，1 號(hào)變壓器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的臨界負(fù)載功率與實(shí)際負(fù)載功率的對(duì)比如圖1 所示。

圖1 1 號(hào)變壓器臨界負(fù)載功率與實(shí)際負(fù)載功率對(duì)比

目前，所有變壓器的控制主要通過判斷1 號(hào)變壓器臨界負(fù)載功率和實(shí)際負(fù)載功率的大小進(jìn)行決策。當(dāng)實(shí)際負(fù)載功率大于臨界負(fù)載功率時(shí)，1 號(hào)和2號(hào)變壓器分列運(yùn)行；當(dāng)實(shí)際負(fù)載功率小于臨界負(fù)載功率時(shí)，1 號(hào)變壓器單獨(dú)運(yùn)行。

為減少變壓器在正常工況下的切換次數(shù)和避免在負(fù)載波動(dòng)時(shí)頻繁切換的問題。本工程基于模糊決策法和時(shí)段控制法將自動(dòng)投切點(diǎn)改進(jìn)為自動(dòng)投切區(qū)間，從而降低自動(dòng)投切裝置對(duì)符合曲線的依賴性，提升其投切的靈敏性。優(yōu)化后的自動(dòng)投切區(qū)間見表2。

表2 分列運(yùn)行變壓器自動(dòng)投切區(qū)間

4 結(jié)語

本文重點(diǎn)完成了變壓器投切裝置的自動(dòng)化設(shè)計(jì)和切換策略的優(yōu)化，總結(jié)如下：

1）基于DSP 控制為核心和數(shù)據(jù)采集芯片對(duì)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)及斷路器狀態(tài)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切功能。

2）將傳統(tǒng)的投切點(diǎn)采用模糊決策法和時(shí)段控制法將投切點(diǎn)優(yōu)化為投切區(qū)間，不僅減少了變壓器的投切數(shù)量，還能夠達(dá)到每天節(jié)約3.41 kW·h 的效果。