基于單片機(jī)的配網(wǎng)變壓器能耗自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)

侯永輝，王賽爽

（1.河南省計(jì)量測(cè)試科學(xué)研究院，鄭州 450000；2.華北水利水電大學(xué) 電氣工程學(xué)院，鄭州 450000）

目前，變壓器的總能耗約占整體發(fā)電量的10%，當(dāng)前監(jiān)測(cè)變壓器能耗的方式有2 種：①監(jiān)測(cè)電力需求側(cè)區(qū)域內(nèi)負(fù)載功率，通過節(jié)能函數(shù)對(duì)不同運(yùn)行類型的損耗進(jìn)行相應(yīng)的差異比較，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整變壓器配比，這雖然能夠節(jié)能并降低成本，但是存在節(jié)能幅度不夠大、切換周期較長(zhǎng)、切換不夠智能化、操作復(fù)雜等缺陷；②結(jié)合單片機(jī)監(jiān)測(cè)與控制配網(wǎng)變壓器的能耗，實(shí)時(shí)掌控變壓器運(yùn)行的不同參數(shù)，通過變壓器負(fù)載的變化，自動(dòng)化調(diào)節(jié)變壓器容量，達(dá)到降本增效、節(jié)約能源的目的。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將單片機(jī)作為監(jiān)測(cè)控制中心，采集變壓器運(yùn)行時(shí)的負(fù)載數(shù)據(jù)[1-2]。分析負(fù)載數(shù)據(jù)，切換對(duì)應(yīng)變壓器容量的檔位，從而合理分配電能，控制配網(wǎng)變壓器的能耗。結(jié)合單片機(jī)進(jìn)行配網(wǎng)變壓器的自動(dòng)檢測(cè)與控制的整體流程如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of automatic detection and control system

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊采集配網(wǎng)變壓器的運(yùn)行參數(shù)，將數(shù)據(jù)信息傳送到控制中心，并與給定閾值進(jìn)行比較，通過比較判定是否需要調(diào)整檔位。若需要調(diào)整檔位，控制中心發(fā)出指令，指令開關(guān)接受指令并進(jìn)行相應(yīng)的切換[3]。

控制中心連接GPRS DTU 模塊，通過該模塊與變壓器的實(shí)時(shí)通信，以便及時(shí)了解數(shù)據(jù)信息[4-6]。同時(shí)可以通過GPRS DTU 模塊進(jìn)行備選的人工干預(yù)調(diào)檔，保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行。同時(shí)，設(shè)置了針對(duì)時(shí)間的滯后余量，減少檔位調(diào)整次數(shù)，降低變壓器能耗。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)信息采集模塊

將多功能電子式電能表作為采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的模塊，采集實(shí)時(shí)信息并計(jì)算負(fù)荷功率以及實(shí)時(shí)電量。多功能表的具體工作原理示意圖如圖2 所示。

圖2 多功能表工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the working principle of the multi-function meter

圖2 中，配網(wǎng)電壓通過電阻分壓，通過電流互感器以及電壓互感器進(jìn)行電流取樣并傳入電能芯片。通過A/D 轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，而后傳輸?shù)紺PU 中進(jìn)一步分析計(jì)算。CPU 能夠讀取電能芯片采集到的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)能夠處理其他輸出以及輸入的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)費(fèi)。按照對(duì)應(yīng)的時(shí)間段劃分，計(jì)量最大需求量以及有功電能。對(duì)應(yīng)的LCD 顯示器能夠顯示運(yùn)算采集到的數(shù)據(jù)信息。

多功能表通過RS485 接口或者是紅外接口與其他電路設(shè)備進(jìn)行通信傳輸。同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行過程當(dāng)中不同參數(shù)的變化，并記錄存儲(chǔ)。

2.2 控制處理中心

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，選擇STC89C52 型號(hào)的單片機(jī)。該型號(hào)單片機(jī)能夠兼容MCS51 的指令系統(tǒng)，同時(shí)Flash ROM 能夠?qū)崿F(xiàn)反復(fù)擦寫，雙向I/O 口的個(gè)數(shù)為32 個(gè)，內(nèi)部RAM 的個(gè)數(shù)為3 個(gè)，規(guī)格為256×8 bit，6位的可編程計(jì)數(shù)器的中斷，串行中斷的數(shù)量為2個(gè)，外部中斷源的數(shù)量為2 個(gè)，讀寫中斷口線的數(shù)量為2 個(gè)，0～24 MHz 的時(shí)鐘頻率，加密位3 級(jí)，同時(shí)具備低功耗空閑以及掉電模式，并包括可編程的UART串口。該芯片能夠通過軟件設(shè)置相應(yīng)的喚醒以及睡眠功能。

對(duì)于Δt的兩個(gè)解,根據(jù)實(shí)際抓取情況進(jìn)行取舍,然后確定抓取位置和抓取路徑。如果兩個(gè)解全部符合要求,那么選擇時(shí)間比較短的解;如果兩個(gè)解全部不符合要求,那么將放棄對(duì)此工件的抓取同時(shí)做好漏抓記錄。

2.3 GPRS DTU

GPRS DTU 模塊為對(duì)應(yīng)的無線傳輸模塊，通過該模塊能夠準(zhǔn)確及時(shí)地傳輸配網(wǎng)變壓器數(shù)據(jù)信息。在應(yīng)用GPRS DTU 模塊時(shí)，需要先設(shè)置GPRS DTU模塊的相關(guān)參數(shù)，才能夠保證數(shù)據(jù)信息的可靠傳輸。

首先將通信時(shí)的傳輸速率設(shè)定為38400 bit/s，該設(shè)置通過AT+IPR=38400 指令進(jìn)行設(shè)定，該值在GPRS DTU 模塊中初始默認(rèn)值為9600 bit/s，可以依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

二是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)定為移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)。采用的指令為AT+CGD CONT=1，“IP”“CMNET”，通過該指令更改GPRS 對(duì)應(yīng)的接入網(wǎng)關(guān)。

三是設(shè)置移動(dòng)終端，采用的指令為AT+CG CLASS=“B”，通過該指令設(shè)置B 類移動(dòng)終端，通過移動(dòng)終端對(duì)不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行同時(shí)監(jiān)控，但對(duì)于任意時(shí)刻，只能在GSM 語(yǔ)音通信以及GPRS 服務(wù)當(dāng)中選擇其中的一項(xiàng)運(yùn)行，無法同時(shí)運(yùn)行多項(xiàng)業(yè)務(wù)。

四是測(cè)試GPRS 服務(wù)，通過AT+CGACT=1 激活GPRS 服務(wù)。當(dāng)返回之后顯示ERROR 時(shí)，表明沒有激活GPRS 服務(wù)，需要確認(rèn)SIM 卡的業(yè)務(wù)開通情況并檢查GPRS 模塊的天線是否安裝正確。當(dāng)返回之后顯示OK 時(shí)，表明GPRS 服務(wù)已經(jīng)成功激活。

2.4 檔位切換

閉合或者斷開對(duì)應(yīng)的交流接觸器使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式為逆時(shí)針或者是順時(shí)針，從而切換變壓器低容量或者是高容量的檔位。系統(tǒng)設(shè)計(jì)C1、C2 兩個(gè)交流接觸器，檔位切換的開關(guān)接線具體示意圖如圖3所示。

圖3 檔位切換示意圖Fig.3 Schematic diagram of gear switching

圖3 中，ANS 表示升容按鈕即高檔位按鈕。當(dāng)按下ANS 高檔位按鈕時(shí)，C1 交流接觸器得電閉合，電機(jī)按照順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)檔成功后，行程開關(guān)的常閉觸點(diǎn)斷開，對(duì)應(yīng)的控制線路電源失電，C1 交流接觸器失電，電機(jī)不再轉(zhuǎn)動(dòng)，行程開關(guān)常開觸點(diǎn)閉合，變壓器改變?yōu)楦呷萘繝顟B(tài)，此時(shí)低壓側(cè)為并聯(lián)方式，高壓側(cè)為三角形連接。ANJ 表示降容按鈕即低檔位按鈕。當(dāng)按下ANJ 低檔位按鈕，C2 交流接觸器得電閉合，電機(jī)按照逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)檔成功后，行程開關(guān)的常閉觸點(diǎn)斷開，對(duì)應(yīng)的控制電路電源失電，C2 交流接觸器失電，電機(jī)不再轉(zhuǎn)動(dòng)，行程開關(guān)常開觸點(diǎn)閉合，變壓器改變?yōu)榈腿萘繝顟B(tài)，此時(shí)低壓側(cè)為串聯(lián)方式，高壓側(cè)為星形連接。

2.5 變壓器可調(diào)容量設(shè)計(jì)

改進(jìn)配網(wǎng)變壓器，保證其能夠依據(jù)負(fù)載進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜萘空{(diào)整，當(dāng)變壓器為高容量時(shí)，繞組采用三角形接法，當(dāng)變壓器為低容量時(shí)，繞組采用星形接法。

由于大容量線圈以及小容量線圈的匝數(shù)一定，因此在進(jìn)行導(dǎo)線截面的設(shè)計(jì)時(shí)，需要以大容量線圈為基礎(chǔ)依據(jù)。其中，大容量線圈三角形連接，小容量線圈采用星形連接的方式。容量表達(dá)式為

式中：SΔ、SY分別為配網(wǎng)可調(diào)變壓器的高容量、低容量；IΔ為高容量時(shí)相電流；IY為低容量時(shí)相電流；UΔ為高容量時(shí)相電壓；UY為低容量時(shí)對(duì)應(yīng)的相電壓。

配網(wǎng)變壓器在高容量以及低容量下，對(duì)應(yīng)的短路阻抗可以通過式（3）、式（4）求?。?/p>

式中：UΔk為變壓器處于高容量時(shí)的短路阻抗；UYk為處于低容量時(shí)的短路阻抗；NΔ為高容量時(shí)的高壓線圈匝數(shù)；NY為低容量時(shí)對(duì)應(yīng)匝數(shù)；etΔ為高容量時(shí)的匝電勢(shì)；etY為低容量對(duì)應(yīng)的匝電勢(shì)。

當(dāng)變壓器容量在630 kVA 以下時(shí)，短路阻抗通常為4%，所以UYk=UΔk，可以推導(dǎo)出：

由式（7）以及式（5）可以推導(dǎo)出：

由式（1）以及式（8）可以推導(dǎo)出：

式（9）中，當(dāng)變壓器低容量為高容量的33.3%左右時(shí)，能夠保證短路阻抗相對(duì)一致。

由于高容量高壓線圈與低容量高壓線圈的匝數(shù)應(yīng)當(dāng)相等，且高容量的相電流為低容量相電流的1.732 倍，因此對(duì)于低壓線圈的匝數(shù)而言，高容量的數(shù)量應(yīng)當(dāng)為低容量數(shù)量的0.577 倍。低壓繞組當(dāng)中共包含3 個(gè)部分，其中第一部分以及第二部分的截面積應(yīng)當(dāng)為第三部分的0.5 倍，第三部分應(yīng)當(dāng)為低壓線圈總匝數(shù)的0.27 倍，第一部分以及第二部分通過并聯(lián)應(yīng)當(dāng)為總匝數(shù)的0.73 倍。變壓器在不同容量下的聯(lián)結(jié)示意圖如圖4 所示。

圖4 變壓器不同容量聯(lián)結(jié)示意圖Fig.4 Schematic diagram of transformer connection with different capacities

變壓器在進(jìn)行調(diào)檔時(shí)，由高檔位向低檔位轉(zhuǎn)換需要將高壓側(cè)的相電壓變?yōu)樵瓉淼?.577 倍，低壓側(cè)的匝數(shù)變?yōu)橹暗?.73 倍。

依據(jù)式（10），當(dāng)高壓線圈的匝數(shù)恒定時(shí)，低壓線圈增加匝數(shù)之后，會(huì)導(dǎo)致變壓器鐵芯降低對(duì)應(yīng)的磁通密度，硅鋼片的損耗會(huì)有所降低，從而導(dǎo)致空載電流以及空載損耗降低。通常，當(dāng)變壓器為低容量時(shí)，空載電流可以降低為一般損耗的70%，空載損耗降低為一般損耗的30%。

3 結(jié)果測(cè)試與分析

3.1 檔位切換測(cè)試

STC89C52 型號(hào)單片機(jī)可以擴(kuò)展兩路串口，連接GPRS DTU 模塊以及多功能表。連接時(shí)，均通過RS485標(biāo)準(zhǔn)，分時(shí)工作。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，通過MAX485 轉(zhuǎn)換器聯(lián)結(jié)單片機(jī)UART 接口以及多功能表RS485 接口。單片機(jī)通過RXD 引腳讀取功率數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行實(shí)際測(cè)試時(shí)，變壓器容量規(guī)格設(shè)定630/200 kVA，其中630 kVA 為高容量，200 kVA 為低容量?？刂破鲗?duì)應(yīng)功率的閾值設(shè)定為180 kVA。實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)，高容量向低容量的切換滯后時(shí)間余量設(shè)定為30 s，低容量向高容量的切換滯后時(shí)間余量設(shè)置5 s。低容量向高容量切換的滯后時(shí)間應(yīng)當(dāng)在實(shí)際情況允許的前提下盡量小，以減少超負(fù)荷情況的發(fā)生。

測(cè)試以某小區(qū)用電為測(cè)試主體，電力數(shù)據(jù)信息的采集通過多功能表完成。該小區(qū)一天內(nèi)的用電負(fù)荷情況如圖5 所示。

圖5 小區(qū)一天用電負(fù)荷Fig.5 Electricity load of the community in one day

圖5 中，小區(qū)03：00～04：00 時(shí)間段的負(fù)荷通常 最小，12：00～13：00 時(shí)間段用電負(fù)荷為高峰期，21：00～22：00 到達(dá)一天時(shí)間內(nèi)的最大用電負(fù)荷。

改進(jìn)系統(tǒng)變壓器的能耗與常規(guī)配網(wǎng)變壓器的能耗對(duì)比如圖6 所示。

圖6 變壓器負(fù)載損耗對(duì)比Fig.6 Comparison of transformer load losses

圖6 中，改進(jìn)后變壓器低檔位的占比接近52%，改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)配網(wǎng)變壓器的能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化控制，能夠減少變壓器系統(tǒng)能耗。

3.2 GPRS DTU 模塊及系統(tǒng)對(duì)比

移動(dòng)終端與單片機(jī)的雙向通訊通過GPRS DTU 模塊實(shí)現(xiàn)。GPRS DTU 模塊與單片機(jī)進(jìn)行交互通信的接口為RS485 串口。通常情況下，依靠相應(yīng)的閾值能夠進(jìn)行相應(yīng)的檔位調(diào)節(jié)。當(dāng)特殊情況下無法自動(dòng)進(jìn)行檔位調(diào)節(jié)時(shí)，也可以由工作人員通過GPRS DTU 模塊進(jìn)行檔位切換。

將改進(jìn)的變壓器監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)與常規(guī)變壓器系統(tǒng)對(duì)比。不考慮其他因素，比較1 個(gè)季度內(nèi)的小區(qū)未停電戶數(shù)比例，比較結(jié)果如圖7 所示。

圖7 未停電戶數(shù)比例Fig.7 Proportion of households without power outages

圖7 中，改進(jìn)系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比，未停電用戶的比例平均超過93%，這表明設(shè)計(jì)系統(tǒng)降低變壓器能耗的同時(shí)，也能保證用電穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

通過結(jié)合STC89C52 型號(hào)的單片機(jī)，將其作為控制中心，接收變壓器運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，并依據(jù)結(jié)果給出相應(yīng)的控制指令，將GPRS DTU 模塊作為通信模塊。經(jīng)過實(shí)例驗(yàn)證，變壓器能耗能夠大幅下降，在用電負(fù)荷較低的情況下，變壓器可以依據(jù)用電負(fù)荷進(jìn)行相應(yīng)檔位的調(diào)節(jié)，在保證相應(yīng)電力需要的同時(shí)，更好地減少損耗，保證電力系統(tǒng)最大程度節(jié)約能源并穩(wěn)定可靠運(yùn)行。