（控制科学与工程专业论文）配电变压器智能监控装置的研究与开发.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 配电变压器是配电网中直接面向用户的电力设备，它的工作状态直接关系 到对用户的供电质量，对其进行实时有效的监控是配电自动化的一个重要内容。 针对城乡电网配电变压器数量众多、布局分散、无功补偿不足的现状，设计开 发了基于g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 和低压动态无 功补偿技术的配电变压器智能监控装置。 首先在分析南宁电网配电变压器的运行现状和运行状况评价指标的基础 上，提出了配电变压器智能监控装置的总体设计方案及其核心设备监控终端的 硬件和软件总体框架，并详细阐述智能监控装置与配电变压器管理主站的g p r s 通信实现。 其次介绍了并联电容无功补偿原理及补偿方式的选择，在此基础上提出了 配电变压器智能监控装置的无功补偿策略，包括无功功率补偿控制器设计，补 偿电容量计算和智能混合补偿控制算法。为了解决无功补偿中经常出现的谐波 放大和浪涌电流大的问题，采用用串联电抗器和智能复合开关的方案，并对该 方案进行了可行性分析。 接着阐述了基于a r m 7 和l x c o s i i 的配电变压器监控终端的硬件和软件设 计原理。结合课题的要求对a r m 处理器和操作系统进行了选型，基于l p c 2 2 9 4 的m c u 和外围芯片进行终端的硬件设计；实现了l x c o s i i 在l p c 2 2 9 4 上的移植， 在p c o s i i 嵌入式平台的基础上编写了a p i 接口函数和底层硬件驱动程序，采用 按优先权进行多任务调度的方式解决了任务调度的实时性问题。 最后详细阐述配电变压器智能监控装置的硬件和软件测试试验，以及在广 西地区的应用情况。结果证明，该智能监控装置运行稳定可靠，达到了预期的 效果和设计要求，有利于配电变压器的安全和经济运行，同时对加强用电管理 和提高供电质量起到了积极的作用。 关键词配电变压器，监控，g p r s ，低压动态无功补偿，“c o s i i 硕士学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r sa r ee l e c t r i c a ld e v i c e sw h i c hi n f l u e n c e p o w e rs u p p l yq u a l i t yt oc u s t o m e r s s oi t i sa nk e yt a s ko fd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o nt om o n i t o rd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r s r e a l t i m e l y a n d e f f e c t i v e l y a i m i n ga tt h ec u r r e n ts i t u a t i o nt h a tt h el a r g eq u a n t i t y , t h e d i s p e r s i v ep o s i t i o na n dt h ei n s u f f i c i e n tr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o no f d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r s ，ai n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ge q u i p m e n tb a s e do n g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) a n dl o w - v o l t a g ed y n a m i cr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y , i sr e s e a r c h e d f i r s t l y , aa n a l y s i s i sd o n eo nt h ec u r r e n to p e r a t i o ns t a t e so f d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r si nn a n n i n gc i t ya n dt h ee c o n o m i co p e r a t i o n e s t i m a t e ds t a n d a r do fd i s t a l b u t i o nt r a n s f o r m e r s ，b a s e do nw h i c ht h e g e n e r a ld e s i g ns c h e m eo ft h ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ge q u i p m e n ta n dt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo v e r a l lf r a m e w o r k so ft h e k e ye q u i p m e n t m o n i t o r i n gt e r m i n a la r ep r o p o s e d ，a n dad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ng p r s c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ge q u i p m e n ta n dt h e m a s t e rs t a t i o no fm a n a g e m e n ti sp r e s e n t e d s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l eo fp a r a l l e lc a p a c i t yr e a c t i v ec o m p e n s a t i o n a n dt h es e l e c t i o no fc o m p e n s a t i o nm o d e sa r ei n t r o d u c e d ，b a s e do nw h i c h t h es t r a t e g i e so fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o ni n c l u d i n gt h ed e s i g no far e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e r , t h ec a p a c i t a n c ec a l c u l a t i o n ，t h e i n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m so fm i x e dc o m p e n s a t i o n t h e naf e a s i b i l i t y a n a l y s i si sd o n eo nh a r m o n i ca m p l i f i c a t i o na n dt h el a r g es u r g e c u r r e n ti n t h es o l u t i o nt ol o w v o l t a g er e a c t i v e - p o w e rc o m p e n s a t i o nw i t hs e r i e s r e a c t o r sa n di n t e l l i g e n tc o m p o u n ds w i t c h e s s u b s e q u e n t l y , i ti n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f t h e m o n i t o rt e r m i n a lo fd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r sb a s e do na rm 7a n d p c o s i i i ta l s op r e s e n t st h es e l e c t i o no ft h ea r mm i c r o p r o c e s s o ra n d o p e r a t i n gs y s t e mc o m b i n e dw i t ht h ed e m a n do ft h es u b j e c ta n dt h e d e s i g no ft h et e r m i n a lh a r d w a r es y s t e mb a s e do nt h em c ua n d p e r i p h e r yc h i p s i ti m p l e m e n t st h et r a n s p l a n t a t i o no f t c o s i io n l p c 2 2 9 4a n dc o m p i l e st h ea p ii n t e r f a c ef u n c t i o na n dt h eb u x o m h a r d w a r ed r i v e rp r o g r a mb a s e do n “c o s i i i ts o l v e st h er e a l t i m e l i 硕士学位论文 p e r f o r m a n c ei nt a s kp r o c e s s i n gb yu s i n gm u l t i t a s kb a s e do nd i s p a t c h i n g p r i o r i t y 。 a tt h el a s t ，i t g i v e s ad e t a i l e d d e s c r i p t i o n o nt h e i n t e l l i g e n t m o n i t o r i n ge q u i p m e n tt e s t o ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a n dt h e a p p l i c a t i o ni ng u a n g x ip r o v i n c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e l l i g e n t m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n ge q u i p m e n tr e a l i z e di nt h eo b j e c tr u n ss t a b l y a n dr e l i a b l ya n da c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t sa n dd e s i g nr e q u i r e m e n t s i t i sc o n d u c i v et ot h e s e c u r i t y a n de c o n o m i c a lt o d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r s m e a n w h i l e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ea m e n d i n gp o w e r c o n s u m p t i o nm a n a g e m e n ta n di m p r o v i n gp o w e rs u p p l yq u a l i t y k e yw o r d sd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r , m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g ， g p r s ，l o w - v o l t a g ed y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，i _ t c o s i i 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 储虢蚴嗍埤年5 月碑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 嗍哗年野丕日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 项目背景及其意义 第一章绪论 配电变压器是将电能直接分配给低压用户的电力设备，其运行数据是整个配 电网基础数据的重要组成部分。随着配电自动化建设的广泛开展，配电变压器的 智能监控已成为配电自动化系统的重要组成部分之- - 1 捌。 配电变压器智能监控装置是一种远动装置，分布在配电变压器运行现场，安 装配电变压器智能监控装置的作用主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 有利于供电企业加强对中低压线损的管理，为实现分压、分站、分线和 分台区的线损计算和理论分析提供强有力的技术手段，同时为低压电网的安全运 行分析、负荷预测、电压合格率监测等业务提供基础数据，是针对电力需求侧管 理的一个重要工具。 ( 2 ) 作为供电企业，在进行中、低压电网设计时，对居民负荷的现状必须做 科学规划，系统增容、配电变压器布点选择等日常规划工作必须有科学的依据， 这些依据可以由配电变压器监控装置来提供。 ( 3 ) 对电力系统生产部门来说，设备安全的监视是其关注的首要目标，配电 变压器监控装置能检测变压器的电流越限、三相不平衡率等参数以及缺相、停电 等状况，作为安全运行的判据。 ( 4 ) 配电变压器智能监控装置可以从两方面优化系统的经济运行：一是用最 优的智能无功补偿策略现场控制并联电容器组的投切，就地保持系统的无功平 衡，提高配电变压器总负荷的功率因数，降低技术线损；二是自动监测、存储配 电变压器的运行数据作为电力企业的一些专业分析工作，如负荷预测、线损分析、 配电网规划等提供数据，分别从技术和管理的角度提高运行的经济性【3 矧。 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力需求愈来 愈大，促使电网规模不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性要求越来越高，甚 至连发生电源的瞬时中断也不能忍受。电力法的公布和贯彻执行，更要求电力供 应部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力。对分布广泛的配电变压器，利用 高科技、自动化手段进行监控，同时为了满足对配电变压器的控制和管理功能以 及满足对整个配电网状况的了解的需要，安装配电变压器智能监控装置已势在必 行【6 1 。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 配电变压器监控装置的国内外状况 配电变压器监控装置在发达国家开始较早，大约从2 0 世纪7 0 年代开始配电变 压器监控的试点工作。目前国外的配电变压器监控系统己经形成了配变站自动 化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远方抄表等系统于 一体的配电网管理系统( d m s ) ，其功能已多达1 4 0 余种。国外著名电力系统设备 的制造厂家基本都涉足配电自动化领域，如德向西门子公司、法国施耐德公司、 美国摩托罗拉公司、英国a b b 公司、日本东芝公司等均推出了各具特色的配电变 压器监控装置。 国内配电变压器监控起步于2 0 世纪9 0 年代，配电变压器监控设备在国内的研 究和应用是近几年才开始的，国内已有多家科研单位和厂家推出了产品，并投入 现场运行，取得了一定的效果。总的来说，已推出的产品具有一定的技术应用价 值，也得到了一些用户的认可，但由于近两年来国家在配电网改造方面投入了大 量的资金、各电力公司对配电网的进一步重视以及新的用电需求的出现，已有的 装置存在的缺陷逐步显露出来。已存在的配电变压器监控装置，由于采用功能单 一的仪表或控制装置，存在监控系统功能少、所测参数不全、数据统计分析不便、 数据存储繁琐、时效性不高以及可靠性差等诸多问题。近年来，随着计算机技术 的不断发展和渗透，电力系统自动化程度不断提高，对配电变压器的参数测量、 数据处理以及数据传送的方式等也提出了更高的要求。配电变压器的监控装置已 趋向于智能化、小型化、多功能化以及具备多种方式传输数据的通信功能，从而 使电力供配电系统的自动化程度大大提高【7 】。 1 3 低压无功补偿的研究现状 低压无功补偿是配电变压器监控的一项重要功能，长期以来，我国配电变 压器低压侧电网网架薄弱，线径小，设施老化，负荷电流大，自然功率因数低， 而且结构复杂，电压质量不易控制，无功功率靠上级电网远距离输送，得不到 跟踪，降低了电网的经济效益，同时大量的非线性和冲击性负载接入电网，在 运行时产生谐波、电压波动和闪变，造成电网电压波形畸变，三相负荷不平衡， 供电质量下降，影响电网及用户设备安全和经济运行。因此，准确测量无功、 谐波等系统参量，并合理补偿和治理就显得尤为重要蝉j 。 低压无功补偿装置的研究在国外开始的比较早，如今低压电网是否安装无 功补偿装置已成为衡量配电网性能的主要指标之一。美、英等国早在8 0 年代就 使用- j t s c ( 晶闸管投切电容器) 无功补偿装置并且应用较广。8 0 年代末美国就有 2 硕七学位论文第一章绪论 d s t a t c o m ( 静止无功补偿器) 投入运行，但至今应用并不广泛。如今，芬兰诺 基亚电容器公司生产的自动投切电容器柜和自动投切带调谐滤波电容器柜作为 无功补偿装置在世界各国得到了广泛应用，尤其是后者可用于有谐波畸变的电 网的无功补偿，由于电容器组串联了调谐电抗器，装置在无功补偿的同时还可 从电网消除低次谐波的部分含量( 1 5 5 0 ) 。在日本，配电变压器低压侧电网系 统补偿电容器的自动投切率已达8 6 4 。国外无功补偿装置的安装都是基于全电 网的无功平衡和最优效率，一般包括电网重要节点补偿和设备就地补偿两种。 补偿装置都采用先进的微计算机控制，自动化程度很高。 我国从6 0 年代开始从事低压配电网无功补偿课题的研究，并设计了早期的 无功补偿控制器。自8 0 年代中期以来，颁布实施按功率因数调整电费的政策后， 我国配电变压器低压侧电网广泛采用了以交流接触器为投切电容器的成套装 置。随着电力电子技术的发展，8 0 年代后期出现了以微处理器为核心的智能化 产品，t s c 无功补偿装置在国内陆续出现。现在国内低压配电网无功补偿仍以 并联电容器为主，t s c 也得到了较多的应用，而采用自换相的电力半导体桥式 变流器来进行动态无功补偿的装置d s t a t c o m 引起了越来越多国内研究者的 关注，但因其控制复杂、成本高昂等诸多因素实际应用还有待时日 9 a o 】。近年来 由于计算机技术的发展，我国低压电网无功补偿技术的应用已得到很大改进， 低压无功补偿技术的发展己进入一个新阶段。然而，国内许多电网仍存在以下 诸多问题： ( 1 ) 无功补偿容量不足，在供电方面，配电变压器在全国大中小城市中大量 存在，而且伴随着一户一表等城网改造的开展，还会大量增加。由于资金匮乏 及重视程度不够，配电变压器区内无功补偿容量严重不足，有功损耗大，配电 变压器利用率不高。在用户方面，由于配电变压器区内低压用户很多，供电企 业管理不便，低压用户感性负荷很大。由于各用户没有统一的无功功率补偿， 造成补偿不合理，效果不明显；而且在高峰时，从电网接收无功过多，低谷时， 往往向电网反送无功。 ( 2 ) 无功补偿装置落后。在无功补偿装置上，大量的装置采用采集任选一相 的无功信号或一相电流另两相电压得出的无功信号并以此作为投切容量的依 据，但这种方式只适用三相动力为主的低压电网，它可能会对非采样相造成过 补或欠补。在投切容量的确定往往以功率因数为参考，电容器分组投切，当功 率因数滞后时，则投入一组电容器：当有超前的无功分量时，则切除一组电容 器，无功补偿的精度不高。这些装置常因为电容器容量级差大而投切精度低或 频繁投切。 ( 3 ) 集中补偿占大多数。集中补偿只能减少装设点以上线路和变压器因输送 3 硕士学位论文 第一章绪论 无功功率所产生的损耗，而不能减少用户内部通过配电线路向用电设备输送无 功功率所造成的有功损耗。由于用户内部的无功损耗没有减少，所以降损节电 效果必然受到限制，负荷所需的无功功率，仍然需要通过线路供给，依然会产 生有功损耗。 ( 4 ) 采用交流接触器作为电容器投切开关，不可避免地产生过渡过程，形成 冲击电流并引起电网电压的波动，造成接触器触点烧蚀，使得成套装置可靠性差、 维护不便。采用晶闸管投切，则常因触发脉冲控制不当，在运行过程中频繁出现 故障，导致电容器组投入冲击电流过大，损坏晶闸管和电容器，甚至在投入过程 中，由于冲击使得开关装置保护跳闸，致使补偿装置形同虚设。 1 4 论文的主要工作和结构安排 1 论文的主要工作 论文研发的配电变压器智能监控装置以低压配电变压器为监控对象，其主 要研究内容如下： ( 1 ) 研究g p r s 通信技术、低压无功补偿技术、嵌入式操作系统等在配电变压 器监控装置中的应用，提出智能监控装置的总体设计方案，从传输能力、可靠性、 系统扩容能力和经济性等方面讨论方案的可行性。 ( 2 ) 在南宁城网配电变压器低压侧电网负荷变化特点的基础上，进行低压动 态无功补偿方法的研究，从无功补偿方式、电容接线方式、电容投切算法、电容 投切执行机构优化等方面实现配电变压器智能监控装置的无功补偿策略。 ( 3 ) 设计开发基于a r m 7 微处理器和g c o s i i 的配电变压器监控终端，使其硬 件和软件符合日益复杂的配电变压器实时在线监控任务的需要。 2 论文的结构安排 论文全文分为7 章： 第一章绪论。主要介绍配电变压器智能监控装置的研究意义和国内外现状， 并进一步分析低压无功补偿技术的研究状况。 第二章配电变压器智能监控装置的总体设计方案及通信实现。首先分析南 宁电网低压配电变压器的运行现状和运行状况评价指标，在此基础上提出配电变 压器智能监控装置的总体设计方案，最后阐述智能监控装置与主站的g p r s 通信 实现方案。 第三章低压无功补偿方式及控制策略研究。首先介绍并联电容无功补偿原 理，然后在分析目前常用的低压无功补偿方式和电容接线方式的基础上阐述论文 的智能无功补偿策略。 4 硕士学位论文第一章绪论 第四章基于a r m 的配电变压器监控终端硬件设计。分别阐述主控制单元、 采集电路、微处理器外围接口电路等电路的硬件设计和工作原理。 第五章基于g c o s i i 的配电变压器监控终端软件设计。首先介绍监控终端 的嵌入式操作系统选择，接着阐述i 上c o s i i 操作系统在a r m 7 微处理器上的移 植，然后在g c o s i i 嵌入式系统平台的基础上，分析电网数据采集、电网状态 监测、无功补偿控制、通信协议数据处理、集中抄表、轮训级联功能等子任务 的软件实现。 第六章配电变压器智能监控装置的测试与应用。首先详细分析配电变压器 监控装置的硬件和软件测试过程，最后介绍配电变压器监控装置在广西地区的 应用情况。 第七章总结与展望。对论文研究内容进行总结，并展望将来进一步的工作。 硕士学位论文第二章配电变压器智能监控装置的总体设计方案及通信实现 第二章配电变压器智能监控装置总体设计方案及通信实现 2 1 配电变压器智能监控装置的需求分析 2 1 1 南宁地区配电变压器运行状况分析 在1 9 9 8 年南宁电网改造以后，南宁地区共有1 0 k v 公用配电变压器5 7 1 台， 变压器容量为4 6 3 ，2 8 0 k v a ，由于安装位置分布、安装地点等问题，造成配电 变压器地理位置分布不平衡、比较分散、运行环境恶劣。虽然大部分配电变压 器己经安装了综合监测设备，但大部分采用r s 2 3 2 或红外接口实现数据的人工 收集，检修人员每月抄收一次，由于是离线方式、实时性差，所以监测的数据 单一( 目前多数为电能计量) ，配电变压器的其他重要数据如功率因数、零序电 流、电压不平衡率、谐波含量、无功分布及越限报警等功能均缺失，难以实现 配电变压器的实时监控管理，无法为线损分析、无功区域优化、负荷预测、电 力需求侧管理提供有效数据。 目前南宁电网已装低压电容的公用配电变压器2 1 6 台，公用配电变压器低 压电容现有补偿容量为4 9 ，1 7 1 k v a ，电容总补偿量为公用配电变压器总容量的 1 0 6 ，远低于标准配置2 0 - - - 4 0 ( 按南网无功技术原则，取中间数为3 0 ) 。其 中已投运的电容容量为2 0 ，5 3 6 k v a r ，正在测试维护的电容容量为1 5 ，0 2 6 k v a r ， 因额定电压太低、老化或其他配件故障( 主要为交流接触器和无功补偿控制器) 无法投入的电容容量为1 3 ，6 0 9 k v a r ，实际电容投入率不足4 1 8 ，低压电容实 际投运的容量为公用配电变压器总容量的4 4 。另外，专用配电变压器为用户 自行管理，维护不到位，加上部分电容补偿装置严重老化，不能投入，造成低 压系统普遍无功不足，功率因数过低，导致部分低压线路末端电压低，低压网 线损大。 随着广西南宁城网和农网改造的逐步完善，一表一户、抄表到户工程的结束， 在能源紧缺，系统电源性缺电的严峻形势下，南方电网公司要求全面推进电力需 求侧管理，对线损管理、提高供电质量、保证供电的可靠性和安全性提出了更高 的要求，因此急需在配电变压器的运行现场安装采用先进通信技术的智能监控装 置，对散布在不同地理位置、数以千计的配电变压器进行实时监控和数据实时采 集，采用科学的无功补偿策略降低配电变压器和低压配网的功率损耗，保证低压 电网的供电质量。 6 硕士学位论文 第二章配电变压器智能监控装置的总体设计方案及通信实现 2 1 2 配电变压器运行状况评价指标 配电变压器运行状况的评价需要涉及到以下指标： ( 1 ) 配电变压器电流重载率 配电变压器的安全和寿命同负载有直接关系。长期过载运行将引起配电变 压器绕组温升增加，油温升高，绝缘降低，从而缩短其寿命，甚至烧坏配电变 压器 1 l 】。规定a 、b 、c 三相中任意单相电流超过电流重载阈值，则记为重载一 次，其中电流重载阈值为配电变压器额定电流的7 0 。电流重载率定义为： 口= m n( 2 1 ) 式中虬为电流重载次数，为a 、b 、c 三相电流总采集点。 ( 2 ) 配电变压器三相负荷不平衡度 配电网中多采用三相四线制接线，且存在大量的单相负载，因此配电变压 器三相不平衡运行会造成变压器运行不经济、故障率高、甚至烧损用户设钭1 2 】。 配电变压器三相负荷不平衡度计算方法如下： i 。6 = ( 一一，。i n ) ，一 ( 2 2 ) 式中，一为最大相负荷电流，曲为最小相负荷电流。 ( 3 ) 配电变压器的零序电流 目前的配电变压器一般采用巩接线，即一次侧为星形不带中性线的接线， 二次侧为星形带中性线的接线，且中性线是接地的。由于三相负载不平衡造成的 零序电流可以引起附加损耗，使得配电变压器运行温度升高，危及变压器的安全 和寿命。国家标准d l t5 7 2 1 9 9 5 电力变压器运行规程中规定y 接线的配 电变压器运行时中线零序电流不能超过变压器额定电流的2 5 。 ( 4 ) 配电变压器的最佳经济运行区 国家标准g b t 1 3 4 6 2 1 9 9 2 提出配电变压器经济运行区和最佳经济运行区的 概念，将配电变压器的运行区间划分为最佳经济运行区、经济运行区、最劣运行 区【13 1 。其中最佳经济运行区为： 1 3 3 历0 7 5 ( 2 3 ) 经济运行区为： 厉l ( 2 - 4 ) 最劣运行区为： 0 s 2( 2 5 ) 其中为负载率，厉为经济负载系数，厉计算方法如下： pj = 0p o | p kq 右 其中r 为配电变压器额定空载损耗，只为负载损耗。 7 硕七学位论文第二章配电变压器智能监控装置的总体设计方案及通信实现 ( 5 ) 配电变压器的负载波动损耗系数 论文引入负载波动损耗系数k ，来对配电变压器功率损耗动态计算【l3 1 ，负载 波动损耗系数k ，指一定时间内，配电变压器负载波动引起的负载损耗与其平均 负载损耗之比，具体定义为： k r = 臃p 2 = ( 丁 所d r ) l ( 【f l a t ) 2 ( 2 7 ) 式中屏，为耐间段的均方根负载系数，屈为t 时刻的负载系数，为耐间段的 负载率， ( 6 ) 配电变压器的电压合格率 配电变压器的电能质量直接关系到用电用户。国家标准规定供电电压1 0 k v 及以下的三相供电电压不能超过额定电压的4 - 7 ，2 2 0 v 电压不能超过额定电压的 + 7 和1 0 。电压偏高时，配电变压器铁损增加，电压偏低时，变压器铜损、线 路损耗增加，因此电压合格率直接影响到配电变压器的优化运行。 ( 7 ) 配电变压器的空载损耗和负载损耗 在1 0 k v 城乡配电网中，配电变压器损耗( 空载损耗和负载损耗) 约占配网总损 耗的5 0 左右，占有相当比例，特别是在用电低谷时，因为负荷低，运行电压高， 空载损耗更大，这样就不利于配电变压器的优化运行。 在上述指标中，电流重载率、负载系数和负载损耗都同配电变压器低压侧电 网负荷有直接的关系，反映配电变压器的安全运行因素；三相负荷不平衡度和零 序电流反映的是配电变压器的三相不平衡的运行特性；空载损耗、负载波动损耗 系数、非最优运行率反映配电变压器的经济运行特性；另外电压不合格率则反映 配电变压器的供电质量特征。这些指标都要求从配电变压器智能监控装置上报的 实时数据和统计数据中直接获得或计算出来【1 4 1 ，能单独反映配电变压器的运行 特性，并根据配电变压器运行状况对低压侧进行动态无功补偿，降低配电变压器 的功率损耗，即降低配电变压器的有功功率损耗和无功功率消耗。 2 2 配电变压器智能监控装置总体方案 配电变压器智能监控装置集电能计量、电能质量监测、配电变压器工况监 测、无功补偿四项功能于一体，如图2 1 所示，配电变压器智能监控装置由以下 几个部分组成： ( 1 ) 配电变压器监控终端。实时采集配电变压器的运行数据，并对配电变压 器运行状况和用户用电情况进行统计，根据配电变压器低压侧的负荷变化控制并 联电容器组投切，降低配电变压器功率损耗。当电力需求侧主站有数据请求时， 配电变压器监控终端通过g p r s 链路把相应数据上报到主站。 硕十学位论文第二章配电变压器智能监控装置的总体设计方案及通信实现 ( 2 ) 电力电容器。包括三相电力电容器和单相电力电容器，实现三相共补和 单相分补相结合的无功补偿策略。 ( 3 ) 快速熔断器( f f ) 和低压断路器( q f ) 。保护配电变压器智能监控装黄在电路 失压、欠压、过载和短路情况下不被损坏。 ( 4 ) 复合开关( t j ) 。低压无功补偿电容器的投切开关元件，将可控硅开关与磁 保持继电器并接，实现电压过零导通和电流过零切断。 配 电 变 压 器 侧 上上- 、 1 、主开关 1 0 f f 0 岫刚 f f n j q f 。i q f t l | q f n lf- l i b 离变压器f i t j l 1 。j t j n 上 ) 97 ? 数据采集电路 i 上 通信 微处理主 无功 利 一 控制模块 补偿 模块 r s 4 8 5 抄表 控制 与级联模块 模块 配电变压器 峪韩缘挫 图2 1 配电变压器智能监控装置结构 2 2 1 配电变压器监控终端硬件设计方案 a b c n 作为配电变压器智能监控装置的核心设备，配电变压器监控终端实现以下 功能： ( 1 ) 实时采集电压、电流、有功无功视在功率、功率因数、频率、零序电流、 线电压、电压电流不平衡度、变压器负载率、电压电流肛1 9 次谐波分量等配电 变压器运行参数，根据负荷变化情况合理控制最多1 6 组的电容投切，实时监n 8 路开关量状态并记录其状态变化信息，每隔固定时间采集用户电能表数据等。 ( 2 ) 分日、月时段统计配电台区用户有功电能量、无功电能量、最大需量及 其发生时间等。 ( 3 ) 提供以下本地通信接口：一路r s 2 3 2 本地维护接1 ：3 ，用于本地数据抄收、 参数设置、维护、调试等功能；两路r s 4 8 5 本地通信接口，分别用于与用户电能 9 硕士学位论文第二章配电变压器智能监控装置的总体设计方案及通信实现 表或交流采样装置等智能设备的通信和实现级联工作模式；一路u s b 接口，实现 配电变压器智能监控终端用户程序本地升级和数据u 盘抄收。 ( 4 ) 存储器件必须满足至少保存6 0 天以上的曲线数据、1 0 0 天以上的日统计数 据和1 2 月以上的月统计数据。 ( 5 ) 采用主流3 2 位r i s c 微处理器或3 2 位d s p 处理器，并采用嵌入式操作系统 设计方案，以保证数据转发、终端通信、数据管理等复杂功能。 ( 6 ) 系统支持g p r s 等无线通信方式，实现数据远程传输和终端远程升级。 如图2 2 所示，配电变压器监控终端硬件由微控制器核心模块、系统电源模 块、信号采集模块、无功补偿控制模块、g p r s 通信模块、微功率无线数传模块、 u 盘通信模块、状态量检测电路、键盘电路、液晶显示模块、j t a g 跟踪调试接 口等电路组成。 匠 图2 - 2 配变监控终端硬件框图 配电变压器监控终端硬件结构分为四大部分： ( 1 ) 配电变压器数据采集模块。通过电压互感器( p t ) 和电流互感器( c t ) 对变 压器二次侧的电气参数进行采集。 ( 2 ) 抄表与级联模块。配电变压器监控终端周期性地通过r s 4 8 5 接口获取最 多8 块多功能电能表的实时数据，同时周期性巡查级联从终端的主动上报需求。 ( 3 ) 通信模块。用于实现配电变压器监控终端的几种通信方式，包括本地 r s 2 3 2 串口通信、近距离微功率无线通信和远程g p r s 通信三种通信方式，其中 本地串1 2 1 通信用于终端本地调试和参数设置，微功率无线通信用于手持p d a 现 场参数设置和数据查询，g p r s 通信用于主站与终端之间的远程数据传输。 ( 4 ) 无功补偿控制模块。每隔一段时间计算出无功补偿量，并通过智能复合 开关控制相应电容器组投切动作。 l o 硕七学位论文 第二章配电变压器智能监控装置的总体设计方案及通信实现 2 2 2 配电变压器监控终端软件设计方案 由于配电变压器监控终端需要实现实时数据采集、无功补偿计算、数据转 发、数据管理等复杂功能，传统的前后台系统已经无法满足终端对实时性和可 控性的要求。随着硬件条件的改善以及嵌入式系统应用领域日益扩大，所提供 的功能越来越复杂，实时性也得到很大的改善，基于嵌入式实时系统的软件结 构设计已成为配电变压器监控终端的最佳选择。 配电变压器监控终端是建立在嵌入式软件平台的基础上，以任务为主脉络， 以实时性为优先级，并综合嵌入式平台的软硬件资源进行设计的。整个终端软 件采用模块化结构设计，每个模块被设计成只负责单独的一项功能，其优点是 利于软件的移植和修改，利用现有的通用软件包，可得到事半功倍的效果，并 且方便调试和修改。如图2 3 所示配电变压器监控终端软件主要由数据采集与处 理模块、事件监测与主动上报模块、数据存取模块、无功补偿控制模块、终端 通信处理模块、键盘显示模块、抄表处理模块、级联处理模块等组成。 配电变压器监控终端软件的开发流程如下： ( 1 ) 把实时嵌入式操作系统移植到微控制器上。 ( 2 ) 编写微控制器主控制电路外围器件的底层驱动函数。 ( 3 ) 在实时嵌入式系统接口函数的基础上开发用户应用程序，编写各模块的 功能实现程序代码。 ( 4 ) 对各个模块进行实时性优先级分类，把每个功能模块嵌入到嵌入式平台 的各个子任务中，实现各个任务的合理调度。 图2 3 配变监控终端软件结构 硕士学位论文第二章配电变压器智能监控装置的总体设计方案及通信实现 2 3 配电变压器智能监控装置与主站通信实现 目前配电变压器监控装置的应用主要有几个方面的限制因素： ( 1 ) 需要监控的对象包括配电变压器、并补电容器、用户电能表等，监控点 非常多，这给整个配电变压器监控系统的建设带来了不少难度，具体包括以下 方面：系统的拓扑结构难以组织，配电变压器监控系统的中心主站接收的数据 信息量大，这对于主站的软硬件提出非常高的要求，系统的建设费用与每套监 控装置的成本密切相关。 ( 2 ) 配电变压器数量非常多，会大大增加通信系统建设的复杂性。从目前成 熟的通信手段看，没有一种方式能够单独满足要求。因此，往往综合采用多种 通信方式，通常采取多层集结的方式，以减少通道数量和充分发挥高速信道的 能力，这样就更加增加了通信系统的建设难度。 ( 3 ) 目前南宁城网和农网中8 0 的配电变压器安装在室外。由于工作环境恶 劣，配电变压器监控装置的关键部分必须采用工业级芯片，还要考虑防雨、防雷、 散热等因素，对设备的可靠性和安全性要求高，否则供电公司将陷入繁琐的维修 工作中，维护费用也将剧增。 因此主站要监控众多的分布广的配电变压器，如何降低通信系统的造价而 且还要满足时效性能要求成为设计人员面临的重要难题【l5 1 。 2 3 1 配电变压器智能监控装置通信方式的选择 目前配电变压器监控装置与主站的通信中常用的有有线方式、全球移动通信 系统( g s m ) 短信方式以及g p r s 方式。 ( 1 ) 有线方式包括传统的现场总线和r s 4 8 5 , 总线、光纤通信等，具有简单、 投资少、使用方便的优点，但是有传输距离受限制、传输速度慢的缺点。 f 2 ) g s m 短信方式可实现主动上报、安装方便，缺点是按条收费、运营费用 较高、在短信中心服务器繁忙时无法保障信息的可靠性和及时性。 f 3 ) g p r s 是在现有的g s m 网络上发展起来的一种新型分组数据传输技术，引 入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的g s m 传输数据方式发 生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。与g s m 相比， 其频率利用率高、数据传输速率高、用户永远在线、接入速度快，且按流量计费。 通过上面对几种通信方式的比较，考虑到配电变压器分布范围广、布局分散、 无相应的有线网络，配电变压器监控装置采用维护成本低、性价比较高的g p r s 无线通信1 1 川引。 1 2 硕七学位论文 第二章配电变压器智能监控装置的总体设计方案及通信实现 2 3 2g p r s 通信技术简介 g p r s 是欧洲电信协会按g s m 标准定义的分组交换协议，目的是为g s m 用 户提供分组形式的数据业务。允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数 据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的 无线分组数据业务。其具有如下主要特点： ( 1 ) 采用分组交换技术。电路交换、报文交换和分组交换是目前通信网上的 三大交换技术。而分组交换技术是数据通信的理想选择，它极大地提高了网络 带宽的利用率。因此，g p r s 采用分组交换技术可以高效传输高速或低速数据和 指令，优化对网络资源和无线资源的利用。同时，也使得用户可长时间保证与 外部数据网的连接，而不必进行频繁的连接和断开操作，真正实现“永远在线， 永远连接”。 ( 2 ) 支持中、高速率数据传输。g p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案， 定义了c s 1 ，c s 2 ，c s 3 和c s - 4 四种编码方案，并采用附加虚拟时隙技术，使 多用户共享一时隙的多时隙合并传输技术，且向上链路和向下链路的分配是独 立的。可为用户提供9 0 5 1 7 1 2k b s 的数据传输速率。 ( 3 ) i n 络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。g p r s 的核心网络 层采用i p 技术，支持基于标准数据通信协议的应用。因此可与其他分组数据网 络( 女f l i n t e r n e t n 、x 2 5 网) 进行无缝连接，能够快速建立连接。 ( 4 ) 既支持间歇的突发式数据传输，又支持偶尔的大量数据的传输。g p r s 支持四种不同的q o s 0 艮务质量等级) 级别，能在0 5 1 秒之内恢复数据的重新传 输。可基于数据流量、业务类型及q o s 的计费，计费方式更加合理，用户使用更 加方便。 ( 5 ) 数据在m s ( 移动台) 和外部数据网络之间透明地传输。使用封装和隧道技 术：数据包用特定的g p r s 协议信息打包并在m s 和g g s n ( g p r s 网关支持节点) 之间传输。这种透明的传输方法缩减了g p r sp l m n ( 公用陆地移动网) 对外部数 据协议解释的需求，而且易于在将来引入新的互通协议。用户数据能够压缩， 并有重传协议保护，因此数据传输高效且可靠。 1 g p r s 系统组成 如图2 4 所示，g p r s 网络构建在g s m 网络的基础之上，有以下几部分构成： ( 1 ) n s s ( n 络交换子系统) 。n s s 主要由m s c ( 移动交换