基于PLC與觸摸屏的變壓器組投切監(jiān)控系統(tǒng)

焦玉成　王正浩　陳瑞　高橋

摘? 要：變壓器作為輸配電過程中最重要的電氣設(shè)備之一，總?cè)萘砍^發(fā)電機(jī)總?cè)萘浚a(chǎn)生的損耗也占線損很大部分，變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)的成本和效益有著直接的影響?；赑LC與觸摸屏的變壓器組投切監(jiān)控系統(tǒng)以PLC為控制器，利用互感器、變送器來實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶側(cè)用電數(shù)據(jù)采集，觸摸屏和人機(jī)組態(tài)畫面來對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。依據(jù)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原理，輸出驅(qū)動(dòng)變壓器組自動(dòng)投切，從而實(shí)現(xiàn)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，降損節(jié)能。

關(guān)鍵詞：PLC；變壓器；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP277；TM313? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）11-0056-05

Monitoring System of Transformer Unit Switching Based on PLC and Touch Screen

JIAO Yucheng1， WANG Zhenghao1， CHEN Rui2， GAO Qiao1

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering， Sanjiang University， Nanjing? 210012， China;

2.Nanjing Estable Electric Power Technology Co.， Ltd.， Nanjing? 210012， China）

Abstract： As one of the most important electrical equipment in the process of transmission and distribution， the total capacity of transformer exceeds the total capacity of the generator， and the loss generated accounts for a large part of the line loss. The economical operation of transformer has a direct impact on the cost and benefit of power system. The monitoring system of transformer unit switching based on PLC and touch screen takes PLC as the controller， and uses the transformer and transmitter to realize the user side power consumption data acquisition， uses the touch screen and human-machine configuration screen to monitor the control system. According to the economical operation principle of the transformer， the system output drives the automatic switching of the transformer unit， so as to realize the economical operation of the transformer， reduce loss and save energy.

Keywords： PLC; transformer; economical operation; monitor

0? 引? 言

在電力系統(tǒng)中，配電變壓器是傳輸、分配電能的重要電氣設(shè)備，是必不可缺的電氣設(shè)備之一。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，由于變壓器數(shù)量大、分布廣，在運(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總量占電能損耗比例約30%，存在很大的節(jié)約潛能。根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)分析計(jì)算，要是變壓器處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)下，每年至少能夠節(jié)省總用電量1%的電能損耗。所以，節(jié)約電能，開展對(duì)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究是十分有必要的。若將變壓器有效地控制在最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，則可以降低變壓器的功率損耗，從而降低配電線路網(wǎng)損[1]。太原理工大學(xué)成立了變壓器的經(jīng)濟(jì)研究所，胡景生教授利用臨界值法作為控制變壓器投切的方法，并通過理論實(shí)踐說明變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用節(jié)能方法。變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是指在不同的負(fù)載下，有效調(diào)節(jié)變壓器的投切量和運(yùn)行方式，確保傳輸電量保持不變，讓變壓器的損耗盡量降低至最小。

將計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器、電力電子等各種手段結(jié)合起來，并運(yùn)用高可靠性的可編程控制器實(shí)現(xiàn)變壓器運(yùn)行的自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以在比較極端的情況下控制，在各種惡劣環(huán)境中高效穩(wěn)定運(yùn)行，工作人員只需要在中央控制室中實(shí)時(shí)地觀測(cè)即可，從而有效地減小人力工作量[2]。本文利用臨界值法作為變壓器投切的理論基礎(chǔ)，運(yùn)用PLC作為控制器，觸摸屏作為人機(jī)監(jiān)控工具，完成多臺(tái)變壓器自動(dòng)投切監(jiān)控系統(tǒng)。

1? 基于PLC的變壓器組投切方案

1.1? 變壓器組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行基礎(chǔ)

變壓器運(yùn)行時(shí)的有功功率損耗是由空載損耗和負(fù)載損耗兩部分組成的。其空載損耗在接入電源后是一個(gè)常數(shù)，在空載和運(yùn)行時(shí)沒有變化，與所帶負(fù)載大小無關(guān)。而其負(fù)載損耗則與變壓器實(shí)際所帶負(fù)載的平方成正比。為了達(dá)到最佳的節(jié)能效果，在2臺(tái)以上的變壓器運(yùn)行系統(tǒng)中，隨著負(fù)載的變化需要經(jīng)常調(diào)節(jié)變壓器的運(yùn)行方式[3]。

變壓器在投入運(yùn)行時(shí)，有功功率、無功功率和無功功率損耗都和負(fù)載大小成非線性關(guān)系。所以無功損耗率、有功損耗率和綜合功率損耗率也隨著負(fù)載的變化而變化。根據(jù)其綜合功率損耗率計(jì)算式為：

變壓器組的效率并不是隨著負(fù)載越大就越高，變壓器在綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)下運(yùn)行時(shí)其綜合功率損耗率最低。雙繞組變壓器的最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域與變壓器的綜合功率損耗有關(guān)[4]，GB/T 13462—2008《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》中規(guī)定了變壓器在額定負(fù)載運(yùn)行為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域的上限，與上限額定綜合功率損耗相等的另一點(diǎn)為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的下限。經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域的上限負(fù)載系數(shù)為0.75，下限負(fù)載系數(shù)為1.33 βJZ2[1]。所以在控制變壓器投切時(shí)，要根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載情況，時(shí)刻使變壓器處于最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到節(jié)電、節(jié)能目的。變壓器組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最常用的是臨界點(diǎn)劃分法，首先計(jì)算出經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)，再畫出不同負(fù)載損耗的曲線，求其交點(diǎn)來獲得功率臨界點(diǎn)，從而劃分出經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間[5]。

1.2? 變壓器組自動(dòng)投切方案

采用臨界點(diǎn)劃分法的思路是：用戶側(cè)負(fù)載功率小于臨界負(fù)載功率點(diǎn)時(shí)，投入主變壓器，當(dāng)負(fù)載功率大于臨界負(fù)載功率點(diǎn)時(shí)，增加投入備用變壓器。變壓器并列運(yùn)行方式需要滿足下列條件：一是要求繞組聯(lián)結(jié)存在一樣的組別；其二是要求變壓器具有一樣的變比；其三變壓器的短路阻抗需要盡可能接近，要求差值維持在5%內(nèi)；最后，要求容量相差不能過大[6]。這樣才能夠確保并聯(lián)變壓器之間具有良好負(fù)載依據(jù)的容量比有效分配，避免其中某臺(tái)出現(xiàn)過載或輕載等情況，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)變壓器具有容量的有效利用。

本文的變壓器組投切方案如圖1所示。本系統(tǒng)包括電量采集、運(yùn)算與分析（PLC控制器）、輸出驅(qū)動(dòng)（數(shù)字量輸出）空載投切變壓器。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)載的電壓與電流信號(hào)，采用負(fù)荷預(yù)算與實(shí)時(shí)控制結(jié)合的方法，PLC運(yùn)算分析采集到的電壓、電流、功率因數(shù)等電量，由控制系統(tǒng)輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)電器，控制變壓器組變壓器的投入與斷開，實(shí)現(xiàn)根據(jù)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)變壓器的投切量，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

本系統(tǒng)擬選用三臺(tái)參數(shù)相似的變壓器并列運(yùn)行給負(fù)載提供電能為例。圖2為變壓器組并列運(yùn)行控制系統(tǒng)的主電路示意圖。在實(shí)際的電網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶側(cè)負(fù)荷都為可變負(fù)載。變壓器組的投入量由PLC驅(qū)動(dòng)的接觸器控制，當(dāng)控制系統(tǒng)的輸出模塊在控制系統(tǒng)程序運(yùn)算后有輸出信號(hào)時(shí)，接觸器線圈得電，串聯(lián)在主電路中的接觸器常開觸點(diǎn)閉合，將所對(duì)應(yīng)的變壓器投入運(yùn)行；反之，當(dāng)常開觸點(diǎn)斷開，對(duì)應(yīng)的變壓器則退出運(yùn)行。根據(jù)用戶側(cè)負(fù)荷變化而實(shí)時(shí)控制變壓器組的實(shí)際投入量，可使供電系統(tǒng)負(fù)荷率盡量為最佳負(fù)荷率范圍區(qū)間。臨界負(fù)載與變壓器運(yùn)行臺(tái)數(shù)可根據(jù)式（1）（2）具體運(yùn)算，控制負(fù)載系數(shù)。降低變壓器的損耗，達(dá)到降低電網(wǎng)損耗、實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC一般根據(jù)變壓器投切控制系統(tǒng)所需要I/O點(diǎn)數(shù)和控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選型。本系統(tǒng)根據(jù)綜合性價(jià)比選用西門子S7-1500系列PLC型號(hào)CPU 1515。選用開關(guān)電源對(duì)控制電路中低壓元器件供電，型號(hào)為DRP-480-24。電壓互感器型號(hào)選用擇明ZMPT107，額定輸入輸出電流為2 mA。電流互感器型號(hào)選用LMZJ1 1000/5，一次側(cè)電流5～3 000 A，二次側(cè)電流5 A、1 A，額定電壓為0.5 kV。電壓變送器將交流電壓轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出直流電壓的設(shè)備。電流互感器將主回路的大電流變?yōu)?～5 A，這個(gè)0～5 A可直接接于電度表或電流表。由于像PLC器件輸入端的電流為0～20 mA，所以再用電流變送器將0～5 A的電流變成標(biāo)準(zhǔn)的可以接入自控儀器的4～20 mA電流。一次側(cè)回路的電量參數(shù)經(jīng)由互感器接入采集電路。圖3為電量采集電路圖，采用多功能電度表實(shí)時(shí)采集電氣線路的電量參數(shù)。

對(duì)于變壓器組的信號(hào)采集，需要用到電壓、電流互感器和電壓、電流變送器。T4、T5、T6為電壓互感器。V1、V2、V3為電流互感器。V4、V5、V6為電壓變送器。V7、V8、V9為電流變送器。圖4為變壓器組信號(hào)采集電路圖。

PLC輸出驅(qū)動(dòng)電流較小，可先驅(qū)動(dòng)中間繼電器后再驅(qū)動(dòng)交流接觸器。K1～K8八個(gè)中間繼電器和KM4～KM11八個(gè)接觸器來實(shí)現(xiàn)對(duì)ABC三個(gè)變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的接通斷開控制。變壓器組控制用接觸器的投切控制回路見圖5，可看出，首先由PLC輸出驅(qū)動(dòng)中間繼電器，再由中間繼電器通斷交流接觸器，最后再由接觸器實(shí)現(xiàn)變壓器組的投切控制。

PLC開關(guān)量輸入主要應(yīng)用于特殊情況下的手動(dòng)控制，包括急停功能、手動(dòng)啟動(dòng)停止系統(tǒng)、系統(tǒng)正常工作控制。開關(guān)量輸出則用于驅(qū)動(dòng)中間繼電器。模擬量輸入模塊通過采集電路來接收變壓器側(cè)各相的電壓、電流、電量數(shù)據(jù)，如圖6所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)采集電路采集電網(wǎng)側(cè)電壓、電流、功率等信息，經(jīng)由PLC匹配的模擬量模塊接收后保存至可編程控制器的輸入映像寄存器，然后程序掃描進(jìn)行計(jì)算、處理，驅(qū)動(dòng)相關(guān)的輸出點(diǎn)控制中間繼電器線圈閉合與斷開。通過中間繼電器的得電與失電，繼而改變接觸器線圈的通斷狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的變壓器的投入與切除，實(shí)現(xiàn)PLC根據(jù)負(fù)載變化靈活地投入運(yùn)行，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

系統(tǒng)的程序控制流程如圖7所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，經(jīng)自檢無其他問題后直接進(jìn)入自動(dòng)投切控制方式。對(duì)采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析后，依據(jù)本文前述的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論規(guī)則運(yùn)算處理，最終確定變壓器投切臺(tái)數(shù)，對(duì)控制變壓器投切運(yùn)行的接觸器發(fā)出命令，實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到電網(wǎng)運(yùn)行節(jié)能降耗的要求。

4? 基于觸摸屏的監(jiān)控設(shè)計(jì)

WINCC flexible組態(tài)仿真軟件是西門子官方推出的對(duì)其觸摸屏進(jìn)行編程的工具，用來操作和監(jiān)控機(jī)器與設(shè)備。監(jiān)控畫面如圖8所示，沒按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，運(yùn)行指示燈顯示未紅色，表示系統(tǒng)沒有運(yùn)行。監(jiān)控畫面中顯示有4個(gè)負(fù)載，包括辦公室、一號(hào)工廠、二號(hào)工廠、三號(hào)工廠。并顯示對(duì)A相電壓電流、B相電壓電流、C相電壓電流進(jìn)行實(shí)時(shí)電量采集。從而來判斷變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件，并對(duì)變壓器組投切進(jìn)行控制。

5? 結(jié)? 論

本系統(tǒng)利用PLC可編程控制器對(duì)并聯(lián)變壓器組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)投切控制，并在組態(tài)畫面中對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。在PLC編程設(shè)計(jì)方面，考慮到系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性與對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的處理，結(jié)合硬件電路設(shè)計(jì)了系統(tǒng)啟停控制程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)計(jì)算程序、變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行判斷程序以及變壓器組投切控制程序。并通過組態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器組投切的實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)采集到的內(nèi)部數(shù)據(jù)及時(shí)運(yùn)算并進(jìn)行判斷變壓器組是否投切，作出輸出驅(qū)動(dòng)響應(yīng)。

本次基于PLC的變壓器組投切監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還是比較成功的，可以基本實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)PLC的程序可以根據(jù)要求不斷完善，簡(jiǎn)單可行。對(duì)于變壓器組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的實(shí)際意義和價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：焦玉成（1979—），女，漢族，江蘇南京人，副教授，碩士研究生，研究方向：電力系統(tǒng)、電氣工程、新能源等；王正浩（2000—），男，漢族，河南洛陽人，技術(shù)服務(wù)工程師，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化等；陳瑞（1988—），男，漢族，江蘇南京人，工程師，本科，研究方向：無功電壓、電量線損、電氣工程、工業(yè)自動(dòng)化、新能源等；高橋（1997—），男，漢族，江蘇南京人，技術(shù)服務(wù)工程師，本科，研究方向：電氣工程、自動(dòng)化等。

收稿日期：2022-12-06