有载调压变压器开关控制器的设计方案的研究

林震鑫 朱玉奇 侯诚志

（南京科技职业学院 电气与控制工程学院，江苏 南京 210048）

1 课题研究的背景

人类社会的进步、生产效能的提高体现出科技发展的重要。电的使用与应用，也是世界科学技术发展历程的终南捷径。我们能更好地应用电能，让电成为我们生活中不可缺少的关键一环。既然用电的需求如此广泛，那么如何提高电网电能质量就成了各企业当下解决问题重中之重。现代我们的社会，百姓生产生活是离不开用电的，电是由发电、供电和用电三方面统筹协调运行的。随着科技的进步，让人们更多的去依赖自动化和智能化，如果电能质量不稳定，如因机器故障造成核心文件的丢失，再比如一些大型工厂瞬间的电压波动就会造成生产停车和原料破坏，这些经济损失和人员损失是不可预估的。

紧跟着工业方面科学技术的全面发展，世界配电网的电能质量问题也更多地受到了各国人民的重视。我国的电网结构也非常冗杂，在电网运行过程中也屡次出现各种电能质量问题，给人们带来了非常不好的用户体验，对他们的生产生活造成了不少影响。所以提高电能质量的问题迫在眉睫。

负荷侧同时也是电源侧，电网的结构可以说是相当的复杂，使供电配电总系统的电能质量更加的恶化。从1990-1995年，由CSI、CEA、EPRI三方主导进行了3次范围全面的有关电能质量治理水平的全面调查。调查的主要对象分别有：稳定状态下的电能质量、供电突然中断电压的偏差、电压的总谐波畸变率和电压波动与闪变，还有暂态电能质量，比如瞬时断电、电压骤降、电压骤升和电压脉冲等。这些来之不易的第一手资料对于全面把握North America的电能质量水平起到非常重要的作用，为以后的运行维护打下良好的基础。

2021年2月17日，得克萨斯州发生大面积停电，约有336万户居民用电无法正常供应，其主要原因与电力系统的灵活调节能力不足，从近年来国外电力结构的变化趋势来看，煤电等传统发电形式呈下降趋势，新型能源开始占据美利坚合众国的电力市场。国外的电力系统的组成复杂，出现很多“三不管”地区，这也就是本次事件发生的主要原因之一。

就现在而言，国际上电能使用率在百分之五十六上下波动，而我国目前的电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国电能的质量治理有效措施不足所导致。如果我国全国大范围提高电能质量，以此提高电能的使用效率，将对节能减排起到至关重要的作用，会使我国的电能应用方面取得一个质的飞跃。

就目前国内外趋势来看，国内对于有载调压开关控制器方面的研究起步晚，发展也略逊一头，但发展进步空间很大。有载调压控制也是目前发展的主导发展趋势。中国传统的传统变压器有载调压装置采用机械式有载分接开关，其动作原理是切换机械式开关的动作（包括其驱动齿轮）容易导致操作性事故，降低了变压器的可靠性。机械开关在动作时，会产生一定的电弧，使开关的触点逐渐烧蚀，在操作一定次数后，必须更换触头，而且电弧的产生会导致变压器油质下降，造成变压器绕组的绝缘水平下降，导致匝间短路或相间短路据统计，1990年全国110—500kV变压器事故中，有载调压分接开关的事故和故障分别占变压器各种总故障的18%和12.5%，500kV变压器的57次故障中有载分接开关故障约占23%，事故和故障率高，而且有上升的趋势。由于机械式开关的动作时间长，一般为5秒。因此，传统有载调压变压器只用于稳态的电压调节。

在变压器调容、调压控制策略方面。2011年，范闻博，韩筛根介绍了有载调容控制系统的组成和主要功能模块，设计了有载调容变压器经济和安全运行策略。2013年，孟镇介绍了一种临界经济容量的计算方法，设计了一套无弧有载调容配电变压器的控制系统，提出了一种基于灰色理论负荷预测模型的切换策略，以避免由于短期负荷波动而频繁切换调容开关。2014年，孙逸采用模块化的思想，进行了基于永磁机构的10KV智能控制器的设计。在控制器研究与设计方面。2018年，邓俊青设计了有载调容调压智能控制器，并验证了该控制器的可行性。

2 开关控制器的设计方案

本课题的设计目的在于：让多路转换开关、A/D转换、CPU芯片、程序存储器、自动复位电路、液晶显示、开关量输入、软件程序等这几模块共同运行，进行变压器的有载调压。开关控制器是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的开始、转速、停止和反向的主令装置。它是由指令译码器、指令寄存器、程序计数器、操作控制器和时序产生器五个元器件组成的，它是相当于大脑一样的存在。其优点是智能化程度高、可靠性高、测量精度高，为变压器精确调压和检测人员进行检测提供便利。

就开关控制器的设计方案，创新之处在于：借助大数据系统可以对调压起到帮助作用，在何时进行升压降压需要利用大数据。大数据其实是IT行业的术语，指的是无法在一定时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合。本系统的大数据信息采集了江苏省徐州市供电西局的一个月内负荷、电压电流记录数据，形成一个调压专家系统，利用自适应模糊控制技术分析，将海量数字信息进行分布式数据挖掘，最终形成可适应性的调压调容系统。这对我们准确地控制电压的平稳提供了一个科学的依据，大数据的应用可以及时解析故障、问题和缺陷的根源，对一个地区的变压器工作情况进行分析可以使我们随机应变、因事制宜，哪个数据不稳我们就采用哪一个对应的档位更有利于我们的工作。还可以利用手机APP远程操控开关控制器，对变压器电压的调节。

有载调压控制装置，包括调压控制器与调压控制器相连接的无功补偿装置、调压传动装置和变压器；调压控制器根据变压器的电量参数计算无功补偿策略，并将无功补偿策略发送至无功补偿装置，以使无功补偿装置根据无功补偿策略控制投切状态；当无功功率稳定后，调压控制器根据变压器的电量参数和挡位信息计算调压策略，并将调压策略发送至调压传动装置。开关控制器指令分成两部分：操作码和地址码。操作码用来指示指令的操作性质，如加法、减法等；地址码给出本条指令的操作数地址或形成操作数地址的有关信息。

在装置的调试运行过程中，它可以适应多种尺寸的控制装置的固定，操作者随时可以将控制装置取出，方便更换控制策略，一人操作即可完成，节省时间，提高效率。通过测量件，避免出现控制装置单侧受力的现象，控制装置固定比较稳定。

此次设计的有载调压变压器开关控制器，能配合变压器的使用，实现有载自动调压控制。