0 引言

运行过程中变压器自身产生的有功功率损耗和无功功率损耗占电能损耗约30%^[1]。目前在变压器经济运行理论研究方面方案很多，被采用最多的是临界点划分法和临界区间划分法。基于临界点划分法的经济运行分析能有效降低损耗，但此方法要求变压器投切操作频繁，存在安全隐患；基于临界区间划分法的经济运行分析可减少投切操作，但是节能性稍差。另一方面，目前国内外都研制了较多基于配电变压器的管理控制单元，主要有配电变压器测控终端、智能无功补偿终端、电能测量控制终端^[2-4]。但是针对变压器经济运行问题始终没有研发出一套完整且适用的智能终端，这也使得很多经济运行理论难以付诸实践。

本文意在设计一种基于临界区间划分法的变压器经济运行控制及柔性投切装置，主要设计负载功率检测电路、交流电信号检测电路、接触器分合闸时间检测电路和柔性投切点检测控制电路。此装置可减少变压器运行损耗，并有效控制变压器投切操作的次数，柔性投切技术可保障变压器在高压环境下的安全性。

1 变压器经济运行区间分析

变压器经济运行区的概念是通过分析变压器效率而提出的，在每个临界区间左右各自对应一种经济运行方式，若临界区间包含即将发生的运行方式，则变压器保持当前运行方式不变^[5]。

1.1 单台变压器经济运行区间分析

变压器的效率指输出有功功率与输入有功功率的百分比^[6]，其表达式为：

式中，P₁为变压器输入有功功率，P₂为输出有功功率；U为变压器输出电压，I为输出电流，I_N为额定电流；cos_φ为功率因素，ΔP₀为空载损耗，ΔP_k为负载损耗(如此注释，下文出现变压器A、B的空载损耗和负载损耗均表示为ΔP_A0、ΔP_Ak和?驻P_B0、ΔP_Bk)。

对式(1)中I求导，得变压器最佳经济运行电流I_e：

根据安全性要求，可确定变压器的经济运行区间上限为其额定负载；区间下限为使得变压器运行效率与额定负载下运行效率相等的最小负载值^[7]。根据下式：

1.2 两台非等参数变压器经济运行区间分析

一般情况下实际配电变电站中配备的变压器均会配备两台高容量非等参数的变压器A、B用于实际供电，依据单台变压器经济运行区间的上下限分析方法，可得变压器A、B单独运行及并列运行时的经济区间上下限负载值，如表1所示。

假设变压器容量S_ANBN，且三者经济区间出现交集，即临界区间，则在临界区间内为使变压器安全地处于经济运行状况，变压器保持当前运行方式不变。对于三绕组变压器的分析，可参照双绕组变压器分析方法类推。

2 系统硬件设计

2.1 系统设计原理

变压器经济运行控制及柔性投切装置的设计原理如图1所示。配电基站配备两台变压器，其运行方式分为变压器A、B分别单独运行和A、B并列运行，由交流接触器控制变压器投切改变其运行方式。本装置根据预设变压器参数生成变压器经济运行临界区间，通过实时监测变压器输出端所带负载、线路电参量和交流接触器开关量，智能判别当前变压器经济运行状态，按需求发送变压器投切指令。柔性投切模块接收到投切指令后通过捕捉交流接触器两端电信号，在接触器两端电压为零时投入变压器，或在接触器上电流为零时切出变压器完成经济运行控制。

2.2 整体及主要模块介绍

变压器经济运行控制及柔性投切装置的系统框图如图2所示。

(1)电参量采集模块中，通过交流电压电流互感器将变压器输出端的强电信号转换成弱电信号，经运放复制压缩再经加法器将负电压抬升为正电压完成信号采集。其中AD采样频率为50 kHz，信号幅值压缩和加法器均采用OP07系列的运算放大器。

(2)负载端功率检测模块采用ADE7755高精度电能测量集成芯片，其不仅能正确测量标准正弦信号的有功功率，而且还能测量非正弦信号的有功功率，完全符合实际供电系统中阻、容、感性负载对变压器输出信号造成的影响^[8]。ADE7755使用其上CF管脚高频输出脉冲至微处理器，STM32计量单位时间内的脉冲数转换成对应有功功率。

负载功率检测电路如图3示，其中V1P、V1N前端电路V2P和V2N前端电路分别构成电流、电压差分电路，电压信号通过R8～R15对电网线电压进行衰减。另外为了补偿相位失调误差，R16、C5和R5、C2要相匹配，从而使采样电压电流相位相匹配。CF输出高频脉冲经光耦隔离将信号传至STM32的PB4外部中断。

(3)交流接触器的分合闸操作时间^[9]对变压器过零点投切的时机把握十分重要，需提前多次试验分合闸时间并将历史数据存入数据存储器，最终系统运行时在提前预测接触器响应时间的同时配合电压电流过零点投切变压器。接触器分合闸时间检测电路如图4所示。

(4)接触器两端的交流电压及流过其上的交流电流经互感器转换成弱电交流信号，通过过零比较器将其转换成正负脉冲信号，便于微处理器捕捉过零点^[10]，而后通过二极管滤除负电压即可。

3 系统软件设计

3.1 变压器经济运行控制软件实现

根据变压器经济运行临界区间划分法可知，对于不同变电站的变压器配置，系统需要设定各台变压器的参数值，其中主要包括机组容量、空载损耗和负载损耗，生成此配置下变压器经济运行控制策略。根据有功功率的实时值，系统自动判别当前变压器是否处在经济运行状态，若否则发送相应变压器投切指令，系统进入柔性投切子程序，程序流程图如图5所示。

3.2 柔性投切软件实现

柔性投切技术主要考虑捕捉交流接触器触点前端电压过零点和接触器上电流过零点投切变压器，可有效控制接触器在分合闸瞬间产生强大的浪涌电流和电压闪变的不利影响。柔性投切程序流程图如图6所示。

控制器在T时刻发出投切指令，为设置延时零时刻时间基准，打开过零点脉冲输入芯片的外部中断管脚，将接收到的第一个过零点信号作为延时零时刻时间基准，则为使得接触器在过零点投切变压器，微处理器驱动继电器有效延时ΔT为：

其中，n为使ΔT为正的最小整数，f为电网频率，T_arc为接触器触点息弧时间。延时时间到则执行分合闸指令，即可在电压或电流信号过零点将待操作变压器连接或分离系统。

3.3 接触器分合闸时间预测方法

交流接触器分合闸时间主要由其供电电压和环境温度决定，本文提出双线性插值法预测本次分合闸时间，其示意如图7所示。接触器分合闸时间T_o与供电电压U_i、环境温度T_j的关系由双线性插值法表示为：

从图7可知，坐标轴中每个矩形区域都对应唯一的双线性插值法系数a_i，j、b_i，j、c_i，j、d_i，j，为减小单片机的运算负担，将检测得到的供电电压和环境温度数据归一化：

其中U、T为实测值，ε、λ为处理值，则最终接触器分合闸预测公式为：

将各矩形区域对应的双线性插值法系数和边界值存入微处理器待用，在执行柔性投切子程序时调用相应系数便可准确预测该次接触器分合闸所需时间。

4 实验分析

4.1 分合闸时间检测实验

本系统采用以500 W单相变压器和施耐德LC1E25交流接触器为模拟实验对象进行柔性切换实验，测量接触器分合闸时间，得到工作电压为190 V~235 V、环境温度为-20 ℃~40 ℃的分合闸时间，实验结果如图8所示。

从图8(a)、(b)变化趋势可得如下结论：

(1)在固定环境温度下，供电电压与接触器分合闸时间呈反比关系，供电电压越高，接触器分合闸时间越小；

(2)在固定供电电压下，环境温度对接触器分合闸时间的影响呈现非线性变化关系，当温度从-20 ℃增大到40 ℃过程中，接触器分合闸时间先减小再增大，在0 ℃～5 ℃段，分合闸时间最小。

从图8(a)、(b)变化量值可得如下结论：

(1)在接触器的额定工作电压220 V，环境温度为20 ℃下，接触器的合闸时间约为70 ms，分闸时间约为60 ms；

(2)供电电压对接触器分合闸时间的影响最大为19.82 ms，环境温度对接触器分合闸时间的影响最大为10.31 ms；

(3)比较图8(a)、(b)可知供电电压和环境温度对接触器合闸时间的影响更大，这是因为机械式交流接触器在分闸过程中更多依赖于接触器机械弹簧控制接触器开关分离。

图9为当变压器在电压过零点和任意时刻投入变压器至供电回路输出端电压波形，可知当变压器任意时刻投入变压器，其输出端电压发生剧烈抖动，抖动幅值超10 V(实际电压超500 V)，持续时间约为3 ms；而在电压过零点投入变压器时，其电压变化较小，且系统可以得到迅速恢复。

4.2 变压器经济运行案例分析

以浙江省500 kV春晓变电站为例，分析采用临界区间划分法控制变压器经济运行所能实现的经济效益。表2为此变电站配备的变压器信息。

变压器运行有功功率损耗如下：

C_B根据式(9)中CA类推。其中C_A、C_B为A、B变压器并列运行的负载分配系数，根据式(9)得表3。

若采用变压器经济运行控制及柔性投切装置，可使得该变电站2台变压器始终处于经济节能运行状态，则其损耗为10 312.32 kWh；如不采用变压器经济运行控制，为满足地区供电需求及供电安全性能，必须采用24 h A、B变压器并列运行，其运行损耗为17 015.04 kWh。从上述分析可得，研制变压器经济运行控制及柔性切换装置是十分有必要的。

5 结论

实验表明，本系统可较准确地检测得到变压器电参量、负载端功率和接触器分合闸时间，电压电流过零点投切指令发送准确，投切动作执行可靠，变压器柔性投切技术可大幅度降低系统参数波动的不利特性。此外通过分析大型变电站变压器运行规律，此装置应用于实际变电站可大幅减小变压器运行损耗，可带来可观的经济效益。

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