变压器实时损耗在线监测及预警系统

王勇 王秋红 张占龙

（1.重庆电力公司建设分公司，重庆400234；2.重庆电力高等专科学校,重庆400053；3.重庆大学，重庆400033）

变压器实时损耗在线监测及预警系统

王勇1王秋红2张占龙3

（1.重庆电力公司建设分公司，重庆400234；2.重庆电力高等专科学校,重庆400053；3.重庆大学，重庆400033）

研制一种变压器实时损耗在线监测及报警系统。该系统由监测终端与监控中心组成，监测终端通过采集变压器二次侧电流信号，获得变压器实时损耗。当获得损耗较高时，向监控中心发送预警，工作人员依据回传数据，采取适当治理手段，降低损耗及提高能源利用率。

损耗；监测；变压器；预警

随着我国电网规模的不断扩大，变压器的使用数量持续增长，其总损耗占总发电量的比例较大。变压器损耗按其性质可分为基波损耗与谐波损耗。其中，谐波损耗与变压器负载有关［1］。目前，现有变压器损耗计量装置，由于不能有效获取变压器运行时的谐波损耗，需同时测量高压与低压侧电压，电流获取变压器实时损耗，计量设备体积大、成本高。因此，需要一台计量准确且结构简单的变压器实时损耗在线监测系统。

本文研制的变压器实时损耗在线监测及预警装置，基于变压器运行损耗的分析［2］与GPRS无线传输技术［3］，通过采集变压器二次侧基波电流与谐波电流［4］，结合离线状态测得的变压器参数，获得变压器运行时基波铁耗、基波铜耗与谐波损耗，从而获得变压器总损耗，达到变压器损耗的在线分析与计量的目的。当变压器损耗过大时，监测终端向监测中心发送报警信号及当前变压器损耗情况。

1 系统原理

变压器运行时损耗包括：铁耗、铜耗、电解质损耗和杂散电容损耗。其中电解质损耗和杂散损耗测量比较困难，且数值偏小，一般情况下忽略不计。

1.1 简化谐波损耗模型

将线路中一次侧的电阻、电抗、激磁电阻和激磁阻抗电路参数归算到二次侧，构建h次谐波作用下变压器的简化谐波损耗模型，如图1所示［5］，模型电路基本参数由式（1）得到，其中，励磁电阻Rm，励磁电抗Xm根据开路实验计算；绕组电阻Rk，绕组电抗Xk通过短路实验获得，且工程中大多采用一次侧阻抗与二次侧阻抗相等的计算方法将绕组阻抗分离。

图1 简化的第h次谐波作用下的变压器等效电路模型

式中，k为变压器变比。

1.2 变压器谐波损耗计算

根据集肤效应原理，通过分析得到各次谐波电阻值为基波电阻的n倍，各次谐波电抗近似为基波电抗值，从而确定n次谐波产生的变压器损耗计算关系式如下：

变压器谐波总损耗计算式如下：

基于简化谐波损耗模型，通过采集二次侧谐波信号Ih（2）,根据KVL定理，确定励磁电流与一次侧电流，如式（4）、（5）所示，结合式（3），则可确定变压器谐波总损耗。这样计算变压器谐波总损耗时，只需要测量二次侧谐波电流，很大程度上简化了变压器谐波损耗计算的复杂性，减小装置体积，节约成本。

式中:Zh(1)—h次谐波下一次归算到二次侧绕组阻抗；Zh(m)—h次谐波下二次侧绕组阻抗。

1.3 变压器总损耗的确定

变压器运行总损耗ΔP由基波铁耗，基波铜耗及谐波损耗构成。基波铁耗，基波铜耗可通过空载试验和短路试验测量的空载损耗P0和短路损耗Pk确定。基波铁耗由于空载试验中空载电流通过一次绕组线圈时产生的电阻损耗与非常小，可以忽略不计，理论上认为与铁芯损耗数值P0等同，如式（6）所示。基波铜耗为当前基波电流下一次和二次绕组的电阻损耗，由于短路试验中短路损耗为额定电流下的铜耗，故铜耗PCu和短路损耗Pk关系如式（7）所示。由此得到总损耗计算公式（8）。

2 监测终端

变压器实时损耗在线监测及预警装置监测终端由电流传感器模块，信息处理模块，中央信息处理器，液晶显示器，无线通讯模块及电源模块构成，如图2所示。本装置利用电流传感器模块采集变压器二次侧电流信号，通过信号处理模块对采集信号进行滤波放大，送入中央处理器；中央信息处理器对传入信号进行分析计算，并通过控制驱动单元驱动液晶显示器显示，利用GPRS无线网络将分析数据传输至PC机，便于保存及管理人员查询。当变压器损耗较高时，向监控中心发送预警信号。

图2 监测终端硬件结构图

电流传感器模块为采集基波电流及谐波电流选用零序电流互感器。信号处理模块由滤波放大模块及A/D转换模块构成，其中滤波模块采用两级RC滤波电路，既不影响采集谐波信号，又滤除了信号的高频部分，防止信号混叠和干扰；放大电路选用MHW1224，可根据实际要求设置信号放大倍数；A/D转换模块采用DSP内部集成的转换模块。

中央信息处理器采用数字信号处理器DSP。DSP是一种可编程的高性能处理器，提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力。采用DSP实现快速傅里叶变化（FFT），相对离散傅里叶变化（DFT）减少了计算量。中央信息处理器快速傅里叶变换，得到变压器二次侧基波电流与谐波电流，通过式（5）、（6）、（7）计算当前变压器铁耗、铜耗与谐波损耗，从而获得变压器总损耗，并根据结果判断变压器损耗是否较高，采集信号流程如图3所示。

3 监控中心

监控中心的软硬件是由系统主站监控软件、GPRS通信模块和PC机组成。其中，监控中心后台系统的监控软件收集、记录、处理由监测终端回传的变压器实时损耗数据并以表格的形式显示变压器的基波铁耗，基波铜耗，谐波损耗及总损耗。管理人员可通过计算机查找变压器实时损耗的当前或历史数据情况，了解变压器运行状态及实时损耗装置工作情况。当变压器损耗超标时，后台系统接收监测终端发送的报警信号及当前变压器实时损耗情况，工作人员依据回传数据采取相应处理手段。

图3 信号流程图

4 应用分析

为了验证本装置测量结果的正确性，本实验小组依据变压器运行总损耗ΔP与输入功率P1和输出功率P2的关系及公式（7），在物理模型与微电网实验室进行变压器损耗监测实验。实验结果显示采用本文提出方法确定的变压器总损耗与变压器实际运行总损耗之间误差较小，说明了本装置总损耗计量的可靠性。结合本项目的实际情况，进行了挂网试验，试验结果较好。

5 结语

针对变压器运行总损耗的分析与计算，介绍一种配电变压器谐波损耗计算方法，并结合变压器的基本参数，获得变压器运行总损耗。本装置计量变压器损耗只需采集变压器二次侧电流信号，相对同类产品体积小，结构简单，成本低。当变压器损耗超标时，能够快速准确发送报警信号，工作人员依据回传数据，采取相应处理手段降低损耗及提高利用率的目的。

[1]汪彦良,岳智顺,王金全,等.谐波附加损耗及其降损节能分析[J].电气技术,2009(2):15-19.

[2]George J,Wakilen.电力系统谐波基本原理、分析方法和滤波器设计[M].徐政,译.北京:机械工业出版社，2005.

[3]冯俊青.基于GPRS的电网参数远程监测系统的研究与设计[D].镇江：江苏大学，2010.

[4]李洪池.基于DSP的电能质量监测系统的设计与实现[D].镇江：江苏大学，2010.

[5]张占龙，王科.变压器谐波损耗计算及影响因素分析[J].电力系统保护与控制，2011，39(4):68-72.

On-line M onitoring for Real-time Loss of the Transformer and Early W arning System

WANG Yong1WANG Qiuhong2ZHANG Zhanlong3
（1.Chongqing Electric Power College,Chongqing 400053；2.Chongqing PowerConstruction Branch Company, Chongqing 400234；3.Chongqing University,Chongqing 400033）

The article develops a transformer loss monitoring and warning online system,and introduces the theory,composition and application of the system.The whole system consists of monitoring terminal and the monitoring center.Monitoring term inal obtains transformer loss by acquisitioning transformer secondary current signal.When transformer loss is high,the staff takes order to reduce the loss and improves energy efficiency according to the data.

loss；monitoring；transformer；warning

TM406

A

1673-1980（2012）03-0160-03

2012-02-29

智能电网终端实时损耗在线检测分析系统(2011渝电科技)

王勇（1970-）,男，四川通江人，助理研究员，研究方向为电气工程。