基于PLC的变电系统经济运行控制系统研究

焦玉成 陈海霞 陈 瑞，2

（1.三江学院电气与自动化工程学院，南京 210012；2.南京华瑞杰自动化设备有限公司，南京 210000）

电力是一种使用便捷的优质的二次能源，我国对电力需求快速增长，缺电成为国民经济发展的“甁颈”。在电力系统运行中，从发电、供电一直到用电，需要经过3～5 次的变压过程，变压器要产生有功功率损耗和无功功率损耗，电能损耗占总的发电量的10%左右[1]。

电力系统中的负荷时刻都在变化着，变压器轻载运行与超负荷运行都会增加损耗。减少变压器损耗的方法有两种，一是更换或采用高效变压器，二是采用技术措施使变压器运行在经济状态。文献[2]采用的是高效节能变压器降低损耗，文献[3]的液压变压器则是要求每个变压器需要一个液压控制系统对其控制，文献[4]提出了选择最优的终端负载模式容量变压器。如充分利用电网中现有变压器，通过一个有效的运行控制总系统，优选变压器的经济运行容量，对负载实施经济调度，可以更进一步的降低变压器的功率损耗，提高供电效率。控制系统的一次投入，可以将节电产生的经济利益2～3年收回。

1 变压器经济运行基础

1.1 变压器损耗

变压器的损耗主要有铁损和铜损两部分。变压器的铁损是指变压器运行时铁心中的涡流损耗与磁滞损耗之和，用PFE表示。当变压器空载时，变压器的损耗即空载损耗P，几乎等于铁损。在电源、电压和频率不变的情况下，铁损仅和磁通密度有关，而几乎与负载无关，所以，无论空载还是有载，变压器的铁损都几乎不变。

当变压器有载时，除了有固定的铁损外，还有负载电流流过原、副线圈所产生的电阻损耗，即铜损Pcu，其大小与负载电流平方成正比。负荷变化会引起变压器出现“大马拉小车”或者是变压器出现超载的现象。无论是“大马拉小车”还是变压器超载，都会加大变压器的负载损耗，只有在负荷变化的时候，投入相对应的变压器容量，改变变压器的运行台数，才能在最大程度上降低变压器的损耗，同时保证变压器的效率。

1.2 变压器经济运行理论分析

1）单台变压器经济负载系数[5]为

式中，βJP表示变压器的有功经济负载系数；PO表示变压器的空载损耗；PK表示变压器的短路损耗。

在功率经济负载系数条件下，变压器有功功率损耗率最低（即效率最高）。考虑到变压器运行时无功在系统中传输所引起的有功损耗，最佳负荷率修正为[6]

式中，CJ为无功经济当量，取0.1～0.15。

由最佳负荷率的公式可以看出，变压器的最高效率并不出现在满载时，一般在 50%左右，但我们具体在选择变压器容量时，要根据负载情况和最佳负荷率，选择合理的变压器，使变压器处于最佳经济状态，达到节电目的。

2）临界负载与变压器运行台数

当变压器容量相同、参数相同时，对变压器运行台数的进行选择[1]，有

式中，N表示台数；SN表示变压器的额定容量；表示N台与（N+1）台的经济运行方式的临界负载。

上述公式说明，降低功率损耗，可以通过经济负载系数，即调整输出视在功率与额定容量之比。在具体选择变压器台数时，要根据负载情况和综合功率负载系数，选择合理的变压器运行台数，使变压器处于最佳经济状态，达到节电目的。

2 建立控制系统

基于变压器的损耗，变压器的效率和负载系数，研究及设计一种变压器实时控制系统对电力系统的节约能源是非常必要的。系统设计经过对电网系统负载的电压与电流信号进行实时采集，模拟量输入。然后控制系统对采集到的电压、电流信号进行处理运算，接着由控制系统控制数字量输出用于调节变压器的投切量。图1为控制系统框图。

图1 控制系统框图

3 系统硬件设计

3.1 主变压器运行确定

系统模型选用3 台参数相似的变压器并列运行，给负载提供电能，图2为变压器并列运行示意图。在实际的电网系统中，负载在不同时间段是不同的。所以，系统模型的负载为可变负载，用于模拟实际负载变化。变压器的投入量由接触器控制，当控制系统的输出模块有输出信号时，接器线圈得电，串联在主回路中的常开触点闭合，将变压器投入运行；当输出模块没有信号时，常开触点断开，变压器退出运行。通过根据负载变化而实时控制变压器的投入量，使变电系统负荷率为最佳负荷率Oβ′。由于每处实际负载大小与负荷曲线不同，所以临界负载与变压器运行台数可根据式（3）具体运算，以降低变压器的损耗，达到节能的目的。

图2 变压器并列运行示意图

3.2 控制系统硬件

可编程序控制器（PLC）技术经过几十年的发展，已经相当成熟[7]。其品种齐全，功能繁多，已广泛应用于工业控制的各个领域。本控制系统模型使用三菱Q00J 系列CPU，QPLC 的离散输入点（QX40-S1）来实现遥信、用PLC 的离散输出点（QY22）来实现遥控、用 PLC 的模拟采样输入（A/D）来实现遥测、用PLC 的通信功能（RS232）来实现和主机的通信，PLC 与各个智能设备站采用CC-Link 通信。以PLC 为核心的控制系统能实时地采集负载的电压、电流、功率等数据，进行有功、无功损耗、负载系数的计算分析判断，选择变压器经济运行方式，并根据变压器运行方式的变化自动地投切变压器，从而达到实时控制的目的。

图3 硬件系统图

实际控制对象不一样，PLC 方案在具体设计时，必须：

1）获取操作点数。了解配电网的基本情况及自动化的具体要求，确定系统需要进行遥控、遥信、遥测、甚至遥调的设备，统计各处需要这4种信号的具体点数。

2）确定通信方案。根据配电网的规模及分布情况，确定总体设计方案，主要是通信方案的设计和选择。

3）PLC 选型。根据各处各种操作的点数以及所确定的通信方案，选择恰当型号的PLC 来实现控制功能。

3.3 采集系统的设计

系统只需检测负载功率与变压器投入容量，采集系统采用易实现的直流采样方案。在采集模拟量之前，先利用互感器将负载的大电流大电压采集过来，后变换器将交流转化成直流，然后再使用A／D 转换元件将直流量表示成数字量.

4 软件编程与通信

GX Developer 是三菱PLC 的编程软件，它支持梯形图、指令表、SFC、ST 和FB、Label 语言程序设计以及网络参数设定，可进行程序的在线更改、监控及调试，具有异地读写PLC 程序功能。基于这样的功能，PLC 可以根据电网遥测、遥控等要求不断更新。

整个软件系统根据实际负载的规律性与不确定性，设计了3种控制方式，即负载实时控制方式、周期控制方式、应急手动控制模式。在不同的负载情况下，不同的运行模式之间可相互转换。具体程序流程图如图3所示。

人机界面用于运行控制、模式设置、负荷电参量反馈、负载率实时曲线、变压器运行状态等。

主站（控制中心）和智能设备站（人机界面）、远程设备站等之间通过循环传送进行通信。主站和智能设备站之间的交换信号（定位完成，定位开始等等）使用远程输入RX 和远程输出RY 进行通信[8]。数字数据使用远程寄存器RWw 和远程寄存器RWr 进行通信。在CC-Link 编程时，创建一个能够检测数据链接状态以及和远程Ι/O 站、远程设备站、本地站、智能设备站、备用主站互锁的程序，而且还要创建一个出错处理程序。

图4 部分程序流程图

5 系统节能效果分析

某区根据实际负载选取3 台SCB9 型6.3kV、1000kVA 干式变压器台并列运行，根据式（3）可算出当0＜S＜644kVA 时，投入一台变压器为经济运行方式；当644kVA＜S＜1115kVA 时，投入两台变压器为经济运行方式；当1115kVA＜S＜1577kVA时，投入3 台变压器为经济运行方式。

节约电量[6]按公式 ΔΔAz=ΔΔAP+KΔΔAQ运算，其中 ZAΔΔ 为节约的综合电量(kW·h)；ΔΔAP为节约的有功功率；ΔΔAQ为节约的无功功率；K为无功经济当量（kW/kvar），取0.05～0.07。

经查相关资料[10]，变压器的空载损耗为1.72kW，短路损耗为8.3kW，已知变压器的功率因子为0.6，一年有8760h。具体算法可参照文献[9]。根据计算，3 台1000kVA 干式变压器并列运行，并采用经济控制方式与直接用一台3000kVA 干式变压器运行，每年可节约有功电量33485kW·h，无功电量25114kvar·h，产生的经济效益可达到18201 元/年。

6 结论

系统通过对负载实时数据采集、计算、分析，以此来控制变压器的运行台数具有很好的实用性。首先，通过实时采集控制，进行计算，准确性高、适用性强。其次，该系统通过投切变压器的运行方式，不但实现容易，操作简单，而且能够有效地降低变压器的损耗。还可以与触摸屏人机界面交互控制，实现人性化、智能化操作。

由于PLC 模块的可扩展性，所以实际的运行系统可以在原来的基础上不断完善（如将采集系统采用交流采集），也可以实时监控电能质量。

[1] 胡景生.变压器经济运行[M].北京：中国电力出版社,1999.

[2] TAKAGΙ M,YAMAMOTO H,YAMAJΙ K.An evaluation of amorphous transformers using the load curve pattern model for a pole transformer[J].Electrical engineering in Japan EΙ SCΙ,2009,169(3).

[3] HO T H,AHN K K.Saving energy control of cylinder drive using hydraulic transformer combined with an assisted hydraulic Circuit[J].ΙCCAS-SΙCE Ιnternational Joint Conference (ΙCCAS-SΙCE 2009),2009 ΙCCAS-SΙCE.[v.3].

[4] 高木雅昭,山本博巳,山地憲治,Masaski Takagi,Hiromi Yamamoto,Kenji Yamaji.需要家の負荷パターンに基づいた最適容量選定手法によるアモルファス変圧器の評価[J].《電気学会論文誌.B,電力·エネルギ-部門誌》,2009.1.

[5] 曲鸿春,咸日常,赵爱丽.变压器经济运行技术的最新研究[J].电网与清洁能源,2009,25(1).

[6] 李华荣,刘玉梅.变压器最佳运行状态的分析[J].纯碱工业,2004(3).

[7] 宋伯生主编.PLC 编程理论、算法及技.[M].北京：机械工业出版社,2005.

[8] MΙTSUBΙSHΙ Q Series CC-Link network system reference manual (the main station,local station).

[9] 丁涛.变压器经济运行控制系统开发[D].郑州大学电气工程学院,2004.

[10] 方大千.变压器速查速算手册[M].北京：中国水利水电出版社,2007:78-83.