有載調壓變壓器開關控制器的設計方案的研究

林震鑫 朱玉奇 侯誠志

（南京科技職業學院 電氣與控制工程學院，江蘇 南京 210048）

1 課題研究的背景

人類社會的進步、生產效能的提高體現出科技發展的重要。電的使用與應用，也是世界科學技術發展歷程的終南捷徑。我們能更好地應用電能，讓電成為我們生活中不可缺少的關鍵一環。既然用電的需求如此廣泛，那么如何提高電網電能質量就成了各企業當下解決問題重中之重。現代我們的社會，百姓生產生活是離不開用電的，電是由發電、供電和用電三方面統籌協調運行的。隨著科技的進步，讓人們更多的去依賴自動化和智能化，如果電能質量不穩定，如因機器故障造成核心文件的丟失，再比如一些大型工廠瞬間的電壓波動就會造成生產停車和原料破壞，這些經濟損失和人員損失是不可預估的。

緊跟著工業方面科學技術的全面發展，世界配電網的電能質量問題也更多地受到了各國人民的重視。我國的電網結構也非常冗雜，在電網運行過程中也屢次出現各種電能質量問題，給人們帶來了非常不好的用戶體驗，對他們的生產生活造成了不少影響。所以提高電能質量的問題迫在眉睫。

負荷側同時也是電源側，電網的結構可以說是相當的復雜，使供電配電總系統的電能質量更加的惡化。從1990-1995年，由CSI、CEA、EPRI三方主導進行了3次范圍全面的有關電能質量治理水平的全面調查。調查的主要對象分別有：穩定狀態下的電能質量、供電突然中斷電壓的偏差、電壓的總諧波畸變率和電壓波動與閃變，還有暫態電能質量，比如瞬時斷電、電壓驟降、電壓驟升和電壓脈沖等。這些來之不易的第一手資料對于全面把握North America的電能質量水平起到非常重要的作用，為以后的運行維護打下良好的基礎。

2021年2月17日，得克薩斯州發生大面積停電，約有336萬戶居民用電無法正常供應，其主要原因與電力系統的靈活調節能力不足，從近年來國外電力結構的變化趨勢來看，煤電等傳統發電形式呈下降趨勢，新型能源開始占據美利堅合眾國的電力市場。國外的電力系統的組成復雜，出現很多“三不管”地區，這也就是本次事件發生的主要原因之一。

就現在而言，國際上電能使用率在百分之五十六上下波動，而我國目前的電能使用效率只有大概百分之三十五，大部分的原因就是由于我國電能的質量治理有效措施不足所導致。如果我國全國大范圍提高電能質量，以此提高電能的使用效率，將對節能減排起到至關重要的作用，會使我國的電能應用方面取得一個質的飛躍。

就目前國內外趨勢來看，國內對于有載調壓開關控制器方面的研究起步晚，發展也略遜一頭，但發展進步空間很大。有載調壓控制也是目前發展的主導發展趨勢。中國傳統的傳統變壓器有載調壓裝置采用機械式有載分接開關，其動作原理是切換機械式開關的動作（包括其驅動齒輪）容易導致操作性事故，降低了變壓器的可靠性。機械開關在動作時，會產生一定的電弧，使開關的觸點逐漸燒蝕，在操作一定次數后，必須更換觸頭，而且電弧的產生會導致變壓器油質下降，造成變壓器繞組的絕緣水平下降，導致匝間短路或相間短路據統計，1990年全國110—500kV變壓器事故中，有載調壓分接開關的事故和故障分別占變壓器各種總故障的18%和12.5%，500kV變壓器的57次故障中有載分接開關故障約占23%，事故和故障率高，而且有上升的趨勢。由于機械式開關的動作時間長，一般為5秒。因此，傳統有載調壓變壓器只用于穩態的電壓調節。

在變壓器調容、調壓控制策略方面。2011年，范聞博，韓篩根介紹了有載調容控制系統的組成和主要功能模塊，設計了有載調容變壓器經濟和安全運行策略。2013年，孟鎮介紹了一種臨界經濟容量的計算方法，設計了一套無弧有載調容配電變壓器的控制系統，提出了一種基于灰色理論負荷預測模型的切換策略，以避免由于短期負荷波動而頻繁切換調容開關。2014年，孫逸采用模塊化的思想，進行了基于永磁機構的10KV智能控制器的設計。在控制器研究與設計方面。2018年，鄧俊青設計了有載調容調壓智能控制器，并驗證了該控制器的可行性。

2 開關控制器的設計方案

本課題的設計目的在于：讓多路轉換開關、A/D轉換、CPU芯片、程序存儲器、自動復位電路、液晶顯示、開關量輸入、軟件程序等這幾模塊共同運行，進行變壓器的有載調壓。開關控制器是指按照預定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來控制電動機的開始、轉速、停止和反向的主令裝置。它是由指令譯碼器、指令寄存器、程序計數器、操作控制器和時序產生器五個元器件組成的，它是相當于大腦一樣的存在。其優點是智能化程度高、可靠性高、測量精度高，為變壓器精確調壓和檢測人員進行檢測提供便利。

就開關控制器的設計方案，創新之處在于：借助大數據系統可以對調壓起到幫助作用，在何時進行升壓降壓需要利用大數據。大數據其實是IT行業的術語，指的是無法在一定時間范圍內用常規軟件工具進行捕捉、管理和處理的數據集合。本系統的大數據信息采集了江蘇省徐州市供電西局的一個月內負荷、電壓電流記錄數據，形成一個調壓專家系統，利用自適應模糊控制技術分析，將海量數字信息進行分布式數據挖掘，最終形成可適應性的調壓調容系統。這對我們準確地控制電壓的平穩提供了一個科學的依據，大數據的應用可以及時解析故障、問題和缺陷的根源，對一個地區的變壓器工作情況進行分析可以使我們隨機應變、因事制宜，哪個數據不穩我們就采用哪一個對應的檔位更有利于我們的工作。還可以利用手機APP遠程操控開關控制器，對變壓器電壓的調節。

有載調壓控制裝置，包括調壓控制器與調壓控制器相連接的無功補償裝置、調壓傳動裝置和變壓器；調壓控制器根據變壓器的電量參數計算無功補償策略，并將無功補償策略發送至無功補償裝置，以使無功補償裝置根據無功補償策略控制投切狀態；當無功功率穩定后，調壓控制器根據變壓器的電量參數和擋位信息計算調壓策略，并將調壓策略發送至調壓傳動裝置。開關控制器指令分成兩部分：操作碼和地址碼。操作碼用來指示指令的操作性質，如加法、減法等；地址碼給出本條指令的操作數地址或形成操作數地址的有關信息。

在裝置的調試運行過程中，它可以適應多種尺寸的控制裝置的固定，操作者隨時可以將控制裝置取出，方便更換控制策略，一人操作即可完成，節省時間，提高效率。通過測量件，避免出現控制裝置單側受力的現象，控制裝置固定比較穩定。

此次設計的有載調壓變壓器開關控制器，能配合變壓器的使用，實現有載自動調壓控制。