基于單片機的配網變壓器能耗自動監測和控制系統

侯永輝，王賽爽

（1.河南省計量測試科學研究院，鄭州 450000；2.華北水利水電大學 電氣工程學院，鄭州 450000）

目前，變壓器的總能耗約占整體發電量的10%，當前監測變壓器能耗的方式有2 種：①監測電力需求側區域內負載功率，通過節能函數對不同運行類型的損耗進行相應的差異比較，結合實際運行情況調整變壓器配比，這雖然能夠節能并降低成本，但是存在節能幅度不夠大、切換周期較長、切換不夠智能化、操作復雜等缺陷；②結合單片機監測與控制配網變壓器的能耗，實時掌控變壓器運行的不同參數，通過變壓器負載的變化，自動化調節變壓器容量，達到降本增效、節約能源的目的。

1 控制系統設計

將單片機作為監測控制中心，采集變壓器運行時的負載數據[1-2]。分析負載數據，切換對應變壓器容量的檔位，從而合理分配電能，控制配網變壓器的能耗。結合單片機進行配網變壓器的自動檢測與控制的整體流程如圖1 所示。

圖1 自動檢測與控制系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of automatic detection and control system

系統通過數據采集模塊采集配網變壓器的運行參數，將數據信息傳送到控制中心，并與給定閾值進行比較，通過比較判定是否需要調整檔位。若需要調整檔位，控制中心發出指令，指令開關接受指令并進行相應的切換[3]。

控制中心連接GPRS DTU 模塊，通過該模塊與變壓器的實時通信，以便及時了解數據信息[4-6]。同時可以通過GPRS DTU 模塊進行備選的人工干預調檔，保證系統穩定安全運行。同時，設置了針對時間的滯后余量，減少檔位調整次數，降低變壓器能耗。

2 系統硬件設計

2.1 數據信息采集模塊

將多功能電子式電能表作為采集系統數據信息的模塊，采集實時信息并計算負荷功率以及實時電量。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，配網電壓通過電阻分壓，通過電流互感器以及電壓互感器進行電流取樣并傳入電能芯片。通過A/D 轉換，將模擬量轉換為對應的數字量，而后傳輸到CPU 中進一步分析計算。CPU 能夠讀取電能芯片采集到的數據信息，同時能夠處理其他輸出以及輸入的數據，并實現分時計費。按照對應的時間段劃分，計量最大需求量以及有功電能。對應的LCD 顯示器能夠顯示運算采集到的數據信息。

多功能表通過RS485 接口或者是紅外接口與其他電路設備進行通信傳輸。同時實時監測運行過程當中不同參數的變化，并記錄存儲。

2.2 控制處理中心

在設計系統時，選擇STC89C52 型號的單片機。該型號單片機能夠兼容MCS51 的指令系統，同時Flash ROM 能夠實現反復擦寫，雙向I/O 口的個數為32 個，內部RAM 的個數為3 個，規格為256×8 bit，6位的可編程計數器的中斷，串行中斷的數量為2個，外部中斷源的數量為2 個，讀寫中斷口線的數量為2 個，0～24 MHz 的時鐘頻率，加密位3 級，同時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置相應的喚醒以及睡眠功能。

對于Δt的兩個解,根據實際抓取情況進行取舍,然后確定抓取位置和抓取路徑。如果兩個解全部符合要求,那么選擇時間比較短的解;如果兩個解全部不符合要求,那么將放棄對此工件的抓取同時做好漏抓記錄。

2.3 GPRS DTU

GPRS DTU 模塊為對應的無線傳輸模塊，通過該模塊能夠準確及時地傳輸配網變壓器數據信息。在應用GPRS DTU 模塊時，需要先設置GPRS DTU模塊的相關參數，才能夠保證數據信息的可靠傳輸。

首先將通信時的傳輸速率設定為38400 bit/s，該設置通過AT+IPR=38400 指令進行設定，該值在GPRS DTU 模塊中初始默認值為9600 bit/s，可以依據實際情況進行調整。

二是將網絡設定為移動夢網。采用的指令為AT+CGD CONT=1，“IP”“CMNET”，通過該指令更改GPRS 對應的接入網關。

三是設置移動終端，采用的指令為AT+CG CLASS=“B”，通過該指令設置B 類移動終端，通過移動終端對不同的業務進行同時監控，但對于任意時刻，只能在GSM 語音通信以及GPRS 服務當中選擇其中的一項運行，無法同時運行多項業務。

四是測試GPRS 服務，通過AT+CGACT=1 激活GPRS 服務。當返回之后顯示ERROR 時，表明沒有激活GPRS 服務，需要確認SIM 卡的業務開通情況并檢查GPRS 模塊的天線是否安裝正確。當返回之后顯示OK 時，表明GPRS 服務已經成功激活。

2.4 檔位切換

閉合或者斷開對應的交流接觸器使電機轉動的方式為逆時針或者是順時針，從而切換變壓器低容量或者是高容量的檔位。系統設計C1、C2 兩個交流接觸器，檔位切換的開關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。當按下ANS 高檔位按鈕時，C1 交流接觸器得電閉合，電機按照順時針方向轉動。調檔成功后，行程開關的常閉觸點斷開，對應的控制線路電源失電，C1 交流接觸器失電，電機不再轉動，行程開關常開觸點閉合，變壓器改變為高容量狀態，此時低壓側為并聯方式，高壓側為三角形連接。ANJ 表示降容按鈕即低檔位按鈕。當按下ANJ 低檔位按鈕，C2 交流接觸器得電閉合，電機按照逆時針方向轉動。調檔成功后，行程開關的常閉觸點斷開，對應的控制電路電源失電，C2 交流接觸器失電，電機不再轉動，行程開關常開觸點閉合，變壓器改變為低容量狀態，此時低壓側為串聯方式，高壓側為星形連接。

2.5 變壓器可調容量設計

改進配網變壓器，保證其能夠依據負載進行適當的容量調整，當變壓器為高容量時，繞組采用三角形接法，當變壓器為低容量時，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一定，因此在進行導線截面的設計時，需要以大容量線圈為基礎依據。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。容量表達式為

式中：SΔ、SY分別為配網可調變壓器的高容量、低容量；IΔ為高容量時相電流；IY為低容量時相電流；UΔ為高容量時相電壓；UY為低容量時對應的相電壓。

配網變壓器在高容量以及低容量下，對應的短路阻抗可以通過式（3）、式（4）求取：

式中：UΔk為變壓器處于高容量時的短路阻抗；UYk為處于低容量時的短路阻抗；NΔ為高容量時的高壓線圈匝數；NY為低容量時對應匝數；etΔ為高容量時的匝電勢；etY為低容量對應的匝電勢。

當變壓器容量在630 kVA 以下時，短路阻抗通常為4%，所以UYk=UΔk，可以推導出：

由式（7）以及式（5）可以推導出：

由式（1）以及式（8）可以推導出：

式（9）中，當變壓器低容量為高容量的33.3%左右時，能夠保證短路阻抗相對一致。

由于高容量高壓線圈與低容量高壓線圈的匝數應當相等，且高容量的相電流為低容量相電流的1.732 倍，因此對于低壓線圈的匝數而言，高容量的數量應當為低容量數量的0.577 倍。低壓繞組當中共包含3 個部分，其中第一部分以及第二部分的截面積應當為第三部分的0.5 倍，第三部分應當為低壓線圈總匝數的0.27 倍，第一部分以及第二部分通過并聯應當為總匝數的0.73 倍。變壓器在不同容量下的聯結示意圖如圖4 所示。

圖4 變壓器不同容量聯結示意圖Fig.4 Schematic diagram of transformer connection with different capacities

變壓器在進行調檔時，由高檔位向低檔位轉換需要將高壓側的相電壓變為原來的0.577 倍，低壓側的匝數變為之前的1.73 倍。

依據式（10），當高壓線圈的匝數恒定時，低壓線圈增加匝數之后，會導致變壓器鐵芯降低對應的磁通密度，硅鋼片的損耗會有所降低，從而導致空載電流以及空載損耗降低。通常，當變壓器為低容量時，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 結果測試與分析

3.1 檔位切換測試

STC89C52 型號單片機可以擴展兩路串口，連接GPRS DTU 模塊以及多功能表。連接時，均通過RS485標準，分時工作。在進行測試時，通過MAX485 轉換器聯結單片機UART 接口以及多功能表RS485 接口。單片機通過RXD 引腳讀取功率數據。

在進行實際測試時，變壓器容量規格設定630/200 kVA，其中630 kVA 為高容量，200 kVA 為低容量。控制器對應功率的閾值設定為180 kVA。實際監測時，高容量向低容量的切換滯后時間余量設定為30 s，低容量向高容量的切換滯后時間余量設置5 s。低容量向高容量切換的滯后時間應當在實際情況允許的前提下盡量小，以減少超負荷情況的發生。

測試以某小區用電為測試主體，電力數據信息的采集通過多功能表完成。該小區一天內的用電負荷情況如圖5 所示。

圖5 小區一天用電負荷Fig.5 Electricity load of the community in one day

圖5 中，小區03：00～04：00 時間段的負荷通常 最小，12：00～13：00 時間段用電負荷為高峰期，21：00～22：00 到達一天時間內的最大用電負荷。

改進系統變壓器的能耗與常規配網變壓器的能耗對比如圖6 所示。

圖6 變壓器負載損耗對比Fig.6 Comparison of transformer load losses

圖6 中，改進后變壓器低檔位的占比接近52%，改進系統對配網變壓器的能耗進行實時監測和自動化控制，能夠減少變壓器系統能耗。

3.2 GPRS DTU 模塊及系統對比

移動終端與單片機的雙向通訊通過GPRS DTU 模塊實現。GPRS DTU 模塊與單片機進行交互通信的接口為RS485 串口。通常情況下，依靠相應的閾值能夠進行相應的檔位調節。當特殊情況下無法自動進行檔位調節時，也可以由工作人員通過GPRS DTU 模塊進行檔位切換。

將改進的變壓器監測控制系統與常規變壓器系統對比。不考慮其他因素，比較1 個季度內的小區未停電戶數比例，比較結果如圖7 所示。

圖7 未停電戶數比例Fig.7 Proportion of households without power outages

圖7 中，改進系統與常規系統相比，未停電用戶的比例平均超過93%，這表明設計系統降低變壓器能耗的同時，也能保證用電穩定。

4 結語

通過結合STC89C52 型號的單片機，將其作為控制中心，接收變壓器運行的實時數據，同時對其進行分析計算，并依據結果給出相應的控制指令，將GPRS DTU 模塊作為通信模塊。經過實例驗證，變壓器能耗能夠大幅下降，在用電負荷較低的情況下，變壓器可以依據用電負荷進行相應檔位的調節，在保證相應電力需要的同時，更好地減少損耗，保證電力系統最大程度節約能源并穩定可靠運行。