基于PLC與觸摸屏的變壓器組投切監控系統

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備之一，總容量超過發電機總容量，所產生的損耗也占線損很大部分，變壓器經濟運行對電力系統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控系統以PLC為控制器，利用互感器、變送器來實現對用戶側用電數據采集，觸摸屏和人機組態畫面來對控制系統進行監控。依據變壓器經濟運行原理，輸出驅動變壓器組自動投切，從而實現變壓器的經濟運行，降損節能。

關鍵詞：PLC；變壓器；經濟運行；監控

中圖分類號：TP277；TM313? 文獻標識碼：A? 文章編號：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

在電力系統中，配電變壓器是傳輸、分配電能的重要電氣設備，是必不可缺的電氣設備之一。根據數據顯示，由于變壓器數量大、分布廣，在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總量占電能損耗比例約30%，存在很大的節約潛能。根據相關的數據分析計算，要是變壓器處于經濟運行狀態下，每年至少能夠節省總用電量1%的電能損耗。所以，節約電能，開展對變壓器的經濟運行研究是十分有必要的。若將變壓器有效地控制在最佳經濟運行狀態，則可以降低變壓器的功率損耗，從而降低配電線路網損[1]。太原理工大學成立了變壓器的經濟研究所，胡景生教授利用臨界值法作為控制變壓器投切的方法，并通過理論實踐說明變壓器經濟運行是一種經濟實用節能方法。變壓器經濟運行是指在不同的負載下，有效調節變壓器的投切量和運行方式，確保傳輸電量保持不變，讓變壓器的損耗盡量降低至最小。

將計算機技術、傳感器、電力電子等各種手段結合起來，并運用高可靠性的可編程控制器實現變壓器運行的自動化控制系統可以在比較極端的情況下控制，在各種惡劣環境中高效穩定運行，工作人員只需要在中央控制室中實時地觀測即可，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，運用PLC作為控制器，觸摸屏作為人機監控工具，完成多臺變壓器自動投切監控系統。

1? 基于PLC的變壓器組投切方案

1.1? 變壓器組經濟運行基礎

變壓器運行時的有功功率損耗是由空載損耗和負載損耗兩部分組成的。其空載損耗在接入電源后是一個常數，在空載和運行時沒有變化，與所帶負載大小無關。而其負載損耗則與變壓器實際所帶負載的平方成正比。為了達到最佳的節能效果，在2臺以上的變壓器運行系統中，隨著負載的變化需要經常調節變壓器的運行方式[3]。

變壓器在投入運行時，有功功率、無功功率和無功功率損耗都和負載大小成非線性關系。所以無功損耗率、有功損耗率和綜合功率損耗率也隨著負載的變化而變化。根據其綜合功率損耗率計算式為：

變壓器組的效率并不是隨著負載越大就越高，變壓器在綜合功率經濟負載系數下運行時其綜合功率損耗率最低。雙繞組變壓器的最佳經濟運行區域與變壓器的綜合功率損耗有關[4]，GB/T 13462—2008《電力變壓器經濟運行》中規定了變壓器在額定負載運行為經濟運行區域的上限，與上限額定綜合功率損耗相等的另一點為經濟運行區的下限。經濟運行區域的上限負載系數為0.75，下限負載系數為1.33 βJZ2[1]。所以在控制變壓器投切時，要根據實時負載情況，時刻使變壓器處于最佳經濟運行狀態，達到節電、節能目的。變壓器組經濟運行最常用的是臨界點劃分法，首先計算出經濟負載系數，再畫出不同負載損耗的曲線，求其交點來獲得功率臨界點，從而劃分出經濟運行區間[5]。

1.2? 變壓器組自動投切方案

采用臨界點劃分法的思路是：用戶側負載功率小于臨界負載功率點時，投入主變壓器，當負載功率大于臨界負載功率點時，增加投入備用變壓器。變壓器并列運行方式需要滿足下列條件：一是要求繞組聯結存在一樣的組別；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；最后，要求容量相差不能過大[6]。這樣才能夠確保并聯變壓器之間具有良好負載依據的容量比有效分配，避免其中某臺出現過載或輕載等情況，有效實現對多臺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。本系統包括電量采集、運算與分析（PLC控制器）、輸出驅動（數字量輸出）空載投切變壓器。系統實時采集電網系統負載的電壓與電流信號，采用負荷預算與實時控制結合的方法，PLC運算分析采集到的電壓、電流、功率因數等電量，由控制系統輸出驅動開關電器，控制變壓器組變壓器的投入與斷開，實現根據負荷自動調節變壓器的投切量，達到經濟運行的目的。

本系統擬選用三臺參數相似的變壓器并列運行給負載提供電能為例。圖2為變壓器組并列運行控制系統的主電路示意圖。在實際的電網系統中，用戶側負荷都為可變負載。變壓器組的投入量由PLC驅動的接觸器控制，當控制系統的輸出模塊在控制系統程序運算后有輸出信號時，接觸器線圈得電，串聯在主電路中的接觸器常開觸點閉合，將所對應的變壓器投入運行；反之，當常開觸點斷開，對應的變壓器則退出運行。根據用戶側負荷變化而實時控制變壓器組的實際投入量，可使供電系統負荷率盡量為最佳負荷率范圍區間。臨界負載與變壓器運行臺數可根據式（1）（2）具體運算，控制負載系數。降低變壓器的損耗，達到降低電網損耗、實現節能的目的。

2? 系統硬件設計

PLC一般根據變壓器投切控制系統所需要I/O點數和控制系統經濟性進行選型。本系統根據綜合性價比選用西門子S7-1500系列PLC型號CPU 1515。選用開關電源對控制電路中低壓元器件供電，型號為DRP-480-24。電壓互感器型號選用擇明ZMPT107，額定輸入輸出電流為2 mA。電流互感器型號選用LMZJ1 1000/5，一次側電流5～3 000 A，二次側電流5 A、1 A，額定電壓為0.5 kV。電壓變送器將交流電壓轉換成按線性比例輸出直流電壓的設備。電流互感器將主回路的大電流變為0～5 A，這個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的電流變成標準的可以接入自控儀器的4～20 mA電流。一次側回路的電量參數經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時采集電氣線路的電量參數。

對于變壓器組的信號采集，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為變壓器組信號采集電路圖。

PLC輸出驅動電流較小，可先驅動中間繼電器后再驅動交流接觸器。K1～K8八個中間繼電器和KM4～KM11八個接觸器來實現對ABC三個變壓器一次側和二次側的接通斷開控制。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輸出驅動中間繼電器，再由中間繼電器通斷交流接觸器，最后再由接觸器實現變壓器組的投切控制。

PLC開關量輸入主要應用于特殊情況下的手動控制，包括急停功能、手動啟動停止系統、系統正常工作控制。開關量輸出則用于驅動中間繼電器。模擬量輸入模塊通過采集電路來接收變壓器側各相的電壓、電流、電量數據，如圖6所示。

3? 系統軟件設計

信號采集電路采集電網側電壓、電流、功率等信息，經由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，然后程序掃描進行計算、處理，驅動相關的輸出點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，驅動相應的變壓器的投入與切除，實現PLC根據負載變化靈活地投入運行，以達到經濟運行的目的。

系統的程序控制流程如圖7所示。系統啟動后，經自檢無其他問題后直接進入自動投切控制方式。對采集的相關數據進行有效分析后，依據本文前述的變壓器經濟運行理論規則運算處理，最終確定變壓器投切臺數，對控制變壓器投切運行的接觸器發出命令，實現最佳運行狀態，達到電網運行節能降耗的要求。

4? 基于觸摸屏的監控設計

WINCC flexible組態仿真軟件是西門子官方推出的對其觸摸屏進行編程的工具，用來操作和監控機器與設備。監控畫面如圖8所示，沒按下啟動按鈕時，運行指示燈顯示未紅色，表示系統沒有運行。監控畫面中顯示有4個負載，包括辦公室、一號工廠、二號工廠、三號工廠。并顯示對A相電壓電流、B相電壓電流、C相電壓電流進行實時電量采集。從而來判斷變壓器經濟運行條件，并對變壓器組投切進行控制。

5? 結? 論

本系統利用PLC可編程控制器對并聯變壓器組的經濟運行進行自動投切控制，并在組態畫面中對系統運行狀態進行遠程監控。在PLC編程設計方面，考慮到系統的運行可靠性與對數據實時采集的處理，結合硬件電路設計了系統啟?？刂瞥绦?、數據采集程序、數據計算程序、變壓器經濟運行判斷程序以及變壓器組投切控制程序。并通過組態仿真實現對變壓器組投切的實時運行監控。當負載發生變化時，系統能根據采集到的內部數據及時運算并進行判斷變壓器組是否投切，作出輸出驅動響應。

本次基于PLC的變壓器組投切監控系統的設計還是比較成功的，可以基本實現預期的設計要求。同時PLC的程序可以根據要求不斷完善，簡單可行。對于變壓器組的經濟運行有著重要的實際意義和價值。

參考文獻：

[1] 邱必寶，英燏，宋新勇.變壓器經濟運行及節能潛力分析 [J].科技風，2022（2）：109-111.

[2] 戴蕾，周國平.基于PLC的有載調容調壓變壓器控制系統 [J].電子制作，2017（15）：62-63+59.

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[4] 薛成林.數據中心變壓器經濟運行分析 [J].建筑電氣，2019，38（7）：43-50.

[5] 李百可，鞠振河，潘冬輝.工業園區多臺變壓器經濟運行方式研究 [J].沈陽工程學院學報：自然科學版，2018，14（2）：149-153+192.

[6] 王函.探討配電變壓器經濟運行控制系統的設計及實現 [J].科學與財富，2017（25）：230.

作者簡介：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、電氣工程、新能源等；王正浩（2000—），男，漢族，河南洛陽人，技術服務工程師，本科，研究方向：電氣工程及其自動化等；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、工業自動化、新能源等；高橋（1997—），男，漢族，江蘇南京人，技術服務工程師，本科，研究方向：電氣工程、自動化等。

收稿日期：2022-12-06