王勇 王秋紅 張占龍

（1.重慶電力公司建設(shè)分公司，重慶400234；2.重慶電力高等?？茖W(xué)校,重慶400053；3.重慶大學(xué)，重慶400033）

變壓器實時損耗在線監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)

王勇1王秋紅2張占龍3

（1.重慶電力公司建設(shè)分公司，重慶400234；2.重慶電力高等專科學(xué)校,重慶400053；3.重慶大學(xué)，重慶400033）

研制一種變壓器實時損耗在線監(jiān)測及報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)由監(jiān)測終端與監(jiān)控中心組成，監(jiān)測終端通過采集變壓器二次側(cè)電流信號，獲得變壓器實時損耗。當(dāng)獲得損耗較高時，向監(jiān)控中心發(fā)送預(yù)警，工作人員依據(jù)回傳數(shù)據(jù)，采取適當(dāng)治理手段，降低損耗及提高能源利用率。

損耗；監(jiān)測；變壓器；預(yù)警

隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，變壓器的使用數(shù)量持續(xù)增長，其總損耗占總發(fā)電量的比例較大。變壓器損耗按其性質(zhì)可分為基波損耗與諧波損耗。其中，諧波損耗與變壓器負載有關(guān)［1］。目前，現(xiàn)有變壓器損耗計量裝置，由于不能有效獲取變壓器運行時的諧波損耗，需同時測量高壓與低壓側(cè)電壓，電流獲取變壓器實時損耗，計量設(shè)備體積大、成本高。因此，需要一臺計量準確且結(jié)構(gòu)簡單的變壓器實時損耗在線監(jiān)測系統(tǒng)。

本文研制的變壓器實時損耗在線監(jiān)測及預(yù)警裝置，基于變壓器運行損耗的分析［2］與GPRS無線傳輸技術(shù)［3］，通過采集變壓器二次側(cè)基波電流與諧波電流［4］，結(jié)合離線狀態(tài)測得的變壓器參數(shù)，獲得變壓器運行時基波鐵耗、基波銅耗與諧波損耗，從而獲得變壓器總損耗，達到變壓器損耗的在線分析與計量的目的。當(dāng)變壓器損耗過大時，監(jiān)測終端向監(jiān)測中心發(fā)送報警信號及當(dāng)前變壓器損耗情況。

1 系統(tǒng)原理

變壓器運行時損耗包括：鐵耗、銅耗、電解質(zhì)損耗和雜散電容損耗。其中電解質(zhì)損耗和雜散損耗測量比較困難，且數(shù)值偏小，一般情況下忽略不計。

1.1 簡化諧波損耗模型

將線路中一次側(cè)的電阻、電抗、激磁電阻和激磁阻抗電路參數(shù)歸算到二次側(cè)，構(gòu)建h次諧波作用下變壓器的簡化諧波損耗模型，如圖1所示［5］，模型電路基本參數(shù)由式（1）得到，其中，勵磁電阻Rm，勵磁電抗Xm根據(jù)開路實驗計算；繞組電阻Rk，繞組電抗Xk通過短路實驗獲得，且工程中大多采用一次側(cè)阻抗與二次側(cè)阻抗相等的計算方法將繞組阻抗分離。

圖1 簡化的第h次諧波作用下的變壓器等效電路模型

式中，k為變壓器變比。

1.2 變壓器諧波損耗計算

根據(jù)集膚效應(yīng)原理，通過分析得到各次諧波電阻值為基波電阻的n倍，各次諧波電抗近似為基波電抗值，從而確定n次諧波產(chǎn)生的變壓器損耗計算關(guān)系式如下：

變壓器諧波總損耗計算式如下：

基于簡化諧波損耗模型，通過采集二次側(cè)諧波信號Ih（2）,根據(jù)KVL定理，確定勵磁電流與一次側(cè)電流，如式（4）、（5）所示，結(jié)合式（3），則可確定變壓器諧波總損耗。這樣計算變壓器諧波總損耗時，只需要測量二次側(cè)諧波電流，很大程度上簡化了變壓器諧波損耗計算的復(fù)雜性，減小裝置體積，節(jié)約成本。

式中:Zh(1)—h次諧波下一次歸算到二次側(cè)繞組阻抗；Zh(m)—h次諧波下二次側(cè)繞組阻抗。

1.3 變壓器總損耗的確定

變壓器運行總損耗ΔP由基波鐵耗，基波銅耗及諧波損耗構(gòu)成?；ㄨF耗，基波銅耗可通過空載試驗和短路試驗測量的空載損耗P0和短路損耗Pk確定?；ㄨF耗由于空載試驗中空載電流通過一次繞組線圈時產(chǎn)生的電阻損耗與非常小，可以忽略不計，理論上認為與鐵芯損耗數(shù)值P0等同，如式（6）所示?；ㄣ~耗為當(dāng)前基波電流下一次和二次繞組的電阻損耗，由于短路試驗中短路損耗為額定電流下的銅耗，故銅耗PCu和短路損耗Pk關(guān)系如式（7）所示。由此得到總損耗計算公式（8）。

2 監(jiān)測終端

變壓器實時損耗在線監(jiān)測及預(yù)警裝置監(jiān)測終端由電流傳感器模塊，信息處理模塊，中央信息處理器，液晶顯示器，無線通訊模塊及電源模塊構(gòu)成，如圖2所示。本裝置利用電流傳感器模塊采集變壓器二次側(cè)電流信號，通過信號處理模塊對采集信號進行濾波放大，送入中央處理器；中央信息處理器對傳入信號進行分析計算，并通過控制驅(qū)動單元驅(qū)動液晶顯示器顯示，利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將分析數(shù)據(jù)傳輸至PC機，便于保存及管理人員查詢。當(dāng)變壓器損耗較高時，向監(jiān)控中心發(fā)送預(yù)警信號。

圖2 監(jiān)測終端硬件結(jié)構(gòu)圖

電流傳感器模塊為采集基波電流及諧波電流選用零序電流互感器。信號處理模塊由濾波放大模塊及A/D轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成，其中濾波模塊采用兩級RC濾波電路，既不影響采集諧波信號，又濾除了信號的高頻部分，防止信號混疊和干擾；放大電路選用MHW1224，可根據(jù)實際要求設(shè)置信號放大倍數(shù)；A/D轉(zhuǎn)換模塊采用DSP內(nèi)部集成的轉(zhuǎn)換模塊。

中央信息處理器采用數(shù)字信號處理器DSP。DSP是一種可編程的高性能處理器，提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力。采用DSP實現(xiàn)快速傅里葉變化（FFT），相對離散傅里葉變化（DFT）減少了計算量。中央信息處理器快速傅里葉變換，得到變壓器二次側(cè)基波電流與諧波電流，通過式（5）、（6）、（7）計算當(dāng)前變壓器鐵耗、銅耗與諧波損耗，從而獲得變壓器總損耗，并根據(jù)結(jié)果判斷變壓器損耗是否較高，采集信號流程如圖3所示。

3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心的軟硬件是由系統(tǒng)主站監(jiān)控軟件、GPRS通信模塊和PC機組成。其中，監(jiān)控中心后臺系統(tǒng)的監(jiān)控軟件收集、記錄、處理由監(jiān)測終端回傳的變壓器實時損耗數(shù)據(jù)并以表格的形式顯示變壓器的基波鐵耗，基波銅耗，諧波損耗及總損耗。管理人員可通過計算機查找變壓器實時損耗的當(dāng)前或歷史數(shù)據(jù)情況，了解變壓器運行狀態(tài)及實時損耗裝置工作情況。當(dāng)變壓器損耗超標時，后臺系統(tǒng)接收監(jiān)測終端發(fā)送的報警信號及當(dāng)前變壓器實時損耗情況，工作人員依據(jù)回傳數(shù)據(jù)采取相應(yīng)處理手段。

圖3 信號流程圖

4 應(yīng)用分析

為了驗證本裝置測量結(jié)果的正確性，本實驗小組依據(jù)變壓器運行總損耗ΔP與輸入功率P1和輸出功率P2的關(guān)系及公式（7），在物理模型與微電網(wǎng)實驗室進行變壓器損耗監(jiān)測實驗。實驗結(jié)果顯示采用本文提出方法確定的變壓器總損耗與變壓器實際運行總損耗之間誤差較小，說明了本裝置總損耗計量的可靠性。結(jié)合本項目的實際情況，進行了掛網(wǎng)試驗，試驗結(jié)果較好。

5 結(jié)語

針對變壓器運行總損耗的分析與計算，介紹一種配電變壓器諧波損耗計算方法，并結(jié)合變壓器的基本參數(shù)，獲得變壓器運行總損耗。本裝置計量變壓器損耗只需采集變壓器二次側(cè)電流信號，相對同類產(chǎn)品體積小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。當(dāng)變壓器損耗超標時，能夠快速準確發(fā)送報警信號，工作人員依據(jù)回傳數(shù)據(jù)，采取相應(yīng)處理手段降低損耗及提高利用率的目的。

[1]汪彥良,岳智順,王金全,等.諧波附加損耗及其降損節(jié)能分析[J].電氣技術(shù),2009(2):15-19.

[2]George J,Wakilen.電力系統(tǒng)諧波基本原理、分析方法和濾波器設(shè)計[M].徐政,譯.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

[3]馮俊青.基于GPRS的電網(wǎng)參數(shù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2010.

[4]李洪池.基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2010.

[5]張占龍，王科.變壓器諧波損耗計算及影響因素分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制，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

智能電網(wǎng)終端實時損耗在線檢測分析系統(tǒng)(2011渝電科技)

王勇（1970-）,男，四川通江人，助理研究員，研究方向為電氣工程。