0 引言

    運行過程中變壓器自身產生的有功功率損耗和無功功率損耗占電能損耗約30%^[1]。目前在變壓器經濟運行理論研究方面方案很多，被采用最多的是臨界點劃分法和臨界區間劃分法。基于臨界點劃分法的經濟運行分析能有效降低損耗，但此方法要求變壓器投切操作頻繁，存在安全隱患；基于臨界區間劃分法的經濟運行分析可減少投切操作，但是節能性稍差。另一方面，目前國內外都研制了較多基于配電變壓器的管理控制單元，主要有配電變壓器測控終端、智能無功補償終端、電能測量控制終端^[2-4]。但是針對變壓器經濟運行問題始終沒有研發出一套完整且適用的智能終端，這也使得很多經濟運行理論難以付諸實踐。

    本文意在設計一種基于臨界區間劃分法的變壓器經濟運行控制及柔性投切裝置，主要設計負載功率檢測電路、交流電信號檢測電路、接觸器分合閘時間檢測電路和柔性投切點檢測控制電路。此裝置可減少變壓器運行損耗，并有效控制變壓器投切操作的次數，柔性投切技術可保障變壓器在高壓環境下的安全性。

1 變壓器經濟運行區間分析

    變壓器經濟運行區的概念是通過分析變壓器效率而提出的，在每個臨界區間左右各自對應一種經濟運行方式，若臨界區間包含即將發生的運行方式，則變壓器保持當前運行方式不變^[5]。

1.1 單臺變壓器經濟運行區間分析

    變壓器的效率指輸出有功功率與輸入有功功率的百分比^[6]，其表達式為：

式中，P₁為變壓器輸入有功功率，P₂為輸出有功功率；U為變壓器輸出電壓，I為輸出電流，I_N為額定電流；cos_φ為功率因素，ΔP₀為空載損耗，ΔP_k為負載損耗(如此注釋，下文出現變壓器A、B的空載損耗和負載損耗均表示為ΔP_A0、ΔP_Ak和?駐P_B0、ΔP_Bk)。

    對式(1)中I求導，得變壓器最佳經濟運行電流I_e：

    根據安全性要求，可確定變壓器的經濟運行區間上限為其額定負載；區間下限為使得變壓器運行效率與額定負載下運行效率相等的最小負載值^[7]。根據下式：

1.2 兩臺非等參數變壓器經濟運行區間分析

    一般情況下實際配電變電站中配備的變壓器均會配備兩臺高容量非等參數的變壓器A、B用于實際供電，依據單臺變壓器經濟運行區間的上下限分析方法，可得變壓器A、B單獨運行及并列運行時的經濟區間上下限負載值，如表1所示。

    假設變壓器容量S_AN<S_BN，且三者經濟區間出現交集，即臨界區間，則在臨界區間內為使變壓器安全地處于經濟運行狀況，變壓器保持當前運行方式不變。對于三繞組變壓器的分析，可參照雙繞組變壓器分析方法類推。

2 系統硬件設計

2.1 系統設計原理

    變壓器經濟運行控制及柔性投切裝置的設計原理如圖1所示。配電基站配備兩臺變壓器，其運行方式分為變壓器A、B分別單獨運行和A、B并列運行，由交流接觸器控制變壓器投切改變其運行方式。本裝置根據預設變壓器參數生成變壓器經濟運行臨界區間，通過實時監測變壓器輸出端所帶負載、線路電參量和交流接觸器開關量，智能判別當前變壓器經濟運行狀態，按需求發送變壓器投切指令。柔性投切模塊接收到投切指令后通過捕捉交流接觸器兩端電信號，在接觸器兩端電壓為零時投入變壓器，或在接觸器上電流為零時切出變壓器完成經濟運行控制。

2.2 整體及主要模塊介紹

    變壓器經濟運行控制及柔性投切裝置的系統框圖如圖2所示。

    (1)電參量采集模塊中，通過交流電壓電流互感器將變壓器輸出端的強電信號轉換成弱電信號，經運放復制壓縮再經加法器將負電壓抬升為正電壓完成信號采集。其中AD采樣頻率為50 kHz，信號幅值壓縮和加法器均采用OP07系列的運算放大器。

    (2)負載端功率檢測模塊采用ADE7755高精度電能測量集成芯片，其不僅能正確測量標準正弦信號的有功功率，而且還能測量非正弦信號的有功功率，完全符合實際供電系統中阻、容、感性負載對變壓器輸出信號造成的影響^[8]。ADE7755使用其上CF管腳高頻輸出脈沖至微處理器，STM32計量單位時間內的脈沖數轉換成對應有功功率。

    負載功率檢測電路如圖3示，其中V1P、V1N前端電路V2P和V2N前端電路分別構成電流、電壓差分電路，電壓信號通過R8～R15對電網線電壓進行衰減。另外為了補償相位失調誤差，R16、C5和R5、C2要相匹配，從而使采樣電壓電流相位相匹配。CF輸出高頻脈沖經光耦隔離將信號傳至STM32的PB4外部中斷。

    (3)交流接觸器的分合閘操作時間^[9]對變壓器過零點投切的時機把握十分重要，需提前多次試驗分合閘時間并將歷史數據存入數據存儲器，最終系統運行時在提前預測接觸器響應時間的同時配合電壓電流過零點投切變壓器。接觸器分合閘時間檢測電路如圖4所示。

    (4)接觸器兩端的交流電壓及流過其上的交流電流經互感器轉換成弱電交流信號，通過過零比較器將其轉換成正負脈沖信號，便于微處理器捕捉過零點^[10]，而后通過二極管濾除負電壓即可。

3 系統軟件設計

3.1 變壓器經濟運行控制軟件實現

    根據變壓器經濟運行臨界區間劃分法可知，對于不同變電站的變壓器配置，系統需要設定各臺變壓器的參數值，其中主要包括機組容量、空載損耗和負載損耗，生成此配置下變壓器經濟運行控制策略。根據有功功率的實時值，系統自動判別當前變壓器是否處在經濟運行狀態，若否則發送相應變壓器投切指令，系統進入柔性投切子程序，程序流程圖如圖5所示。

3.2 柔性投切軟件實現

    柔性投切技術主要考慮捕捉交流接觸器觸點前端電壓過零點和接觸器上電流過零點投切變壓器，可有效控制接觸器在分合閘瞬間產生強大的浪涌電流和電壓閃變的不利影響。柔性投切程序流程圖如圖6所示。

    控制器在T時刻發出投切指令，為設置延時零時刻時間基準，打開過零點脈沖輸入芯片的外部中斷管腳，將接收到的第一個過零點信號作為延時零時刻時間基準，則為使得接觸器在過零點投切變壓器，微處理器驅動繼電器有效延時ΔT為：

其中，n為使ΔT為正的最小整數，f為電網頻率，T_arc為接觸器觸點息弧時間。延時時間到則執行分合閘指令，即可在電壓或電流信號過零點將待操作變壓器連接或分離系統。

3.3 接觸器分合閘時間預測方法

    交流接觸器分合閘時間主要由其供電電壓和環境溫度決定，本文提出雙線性插值法預測本次分合閘時間，其示意如圖7所示。接觸器分合閘時間T_o與供電電壓U_i、環境溫度T_j的關系由雙線性插值法表示為：

    從圖7可知，坐標軸中每個矩形區域都對應唯一的雙線性插值法系數a_i，j、b_i，j、c_i，j、d_i，j，為減小單片機的運算負擔，將檢測得到的供電電壓和環境溫度數據歸一化：

其中U、T為實測值，ε、λ為處理值，則最終接觸器分合閘預測公式為：

    將各矩形區域對應的雙線性插值法系數和邊界值存入微處理器待用，在執行柔性投切子程序時調用相應系數便可準確預測該次接觸器分合閘所需時間。

4 實驗分析

4.1 分合閘時間檢測實驗

    本系統采用以500 W單相變壓器和施耐德LC1E25交流接觸器為模擬實驗對象進行柔性切換實驗，測量接觸器分合閘時間，得到工作電壓為190 V~235 V、環境溫度為-20 ℃~40 ℃的分合閘時間，實驗結果如圖8所示。

    從圖8(a)、(b)變化趨勢可得如下結論：

    (1)在固定環境溫度下，供電電壓與接觸器分合閘時間呈反比關系，供電電壓越高，接觸器分合閘時間越小；

    (2)在固定供電電壓下，環境溫度對接觸器分合閘時間的影響呈現非線性變化關系，當溫度從-20 ℃增大到40 ℃過程中，接觸器分合閘時間先減小再增大，在0 ℃～5 ℃段，分合閘時間最小。

    從圖8(a)、(b)變化量值可得如下結論：

    (1)在接觸器的額定工作電壓220 V，環境溫度為20 ℃下，接觸器的合閘時間約為70 ms，分閘時間約為60 ms；

    (2)供電電壓對接觸器分合閘時間的影響最大為19.82 ms，環境溫度對接觸器分合閘時間的影響最大為10.31 ms；

    (3)比較圖8(a)、(b)可知供電電壓和環境溫度對接觸器合閘時間的影響更大，這是因為機械式交流接觸器在分閘過程中更多依賴于接觸器機械彈簧控制接觸器開關分離。

    圖9為當變壓器在電壓過零點和任意時刻投入變壓器至供電回路輸出端電壓波形，可知當變壓器任意時刻投入變壓器，其輸出端電壓發生劇烈抖動，抖動幅值超10 V(實際電壓超500 V)，持續時間約為3 ms；而在電壓過零點投入變壓器時，其電壓變化較小，且系統可以得到迅速恢復。

4.2 變壓器經濟運行案例分析

    以浙江省500 kV春曉變電站為例，分析采用臨界區間劃分法控制變壓器經濟運行所能實現的經濟效益。表2為此變電站配備的變壓器信息。

    變壓器運行有功功率損耗如下：

    C_B根據式(9)中CA類推。其中C_A、C_B為A、B變壓器并列運行的負載分配系數，根據式(9)得表3。

    若采用變壓器經濟運行控制及柔性投切裝置，可使得該變電站2臺變壓器始終處于經濟節能運行狀態，則其損耗為10 312.32 kWh；如不采用變壓器經濟運行控制，為滿足地區供電需求及供電安全性能，必須采用24 h A、B變壓器并列運行，其運行損耗為17 015.04 kWh。從上述分析可得，研制變壓器經濟運行控制及柔性切換裝置是十分有必要的。

5 結論

    實驗表明，本系統可較準確地檢測得到變壓器電參量、負載端功率和接觸器分合閘時間，電壓電流過零點投切指令發送準確，投切動作執行可靠，變壓器柔性投切技術可大幅度降低系統參數波動的不利特性。此外通過分析大型變電站變壓器運行規律，此裝置應用于實際變電站可大幅減小變壓器運行損耗，可帶來可觀的經濟效益。

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