基于PLC与触摸屏的变压器组投切监控系统

焦玉成　王正浩　陈瑞　高桥

摘  要：变压器作为输配电过程中最重要的电气设备之一，总容量超过发电机总容量，所产生的损耗也占线损很大部分，变压器经济运行对电力系统的成本和效益有着直接的影响。基于PLC与触摸屏的变压器组投切监控系统以PLC为控制器，利用互感器、变送器来实现对用户侧用电数据采集，触摸屏和人机组态画面来对控制系统进行监控。依据变压器经济运行原理，输出驱动变压器组自动投切，从而实现变压器的经济运行，降损节能。

关键词：PLC；变压器；经济运行；监控

中图分类号：TP277；TM313  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）11-0056-05

Monitoring System of Transformer Unit Switching Based on PLC and Touch Screen

JIAO Yucheng1， WANG Zhenghao1， CHEN Rui2， GAO Qiao1

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering， Sanjiang University， Nanjing  210012， China;

2.Nanjing Estable Electric Power Technology Co.， Ltd.， Nanjing  210012， China）

Abstract： As one of the most important electrical equipment in the process of transmission and distribution， the total capacity of transformer exceeds the total capacity of the generator， and the loss generated accounts for a large part of the line loss. The economical operation of transformer has a direct impact on the cost and benefit of power system. The monitoring system of transformer unit switching based on PLC and touch screen takes PLC as the controller， and uses the transformer and transmitter to realize the user side power consumption data acquisition， uses the touch screen and human-machine configuration screen to monitor the control system. According to the economical operation principle of the transformer， the system output drives the automatic switching of the transformer unit， so as to realize the economical operation of the transformer， reduce loss and save energy.

Keywords： PLC; transformer; economical operation; monitor

0  引  言

在電力系统中，配电变压器是传输、分配电能的重要电气设备，是必不可缺的电气设备之一。根据数据显示，由于变压器数量大、分布广，在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总量占电能损耗比例约30%，存在很大的节约潜能。根据相关的数据分析计算，要是变压器处于经济运行状态下，每年至少能够节省总用电量1%的电能损耗。所以，节约电能，开展对变压器的经济运行研究是十分有必要的。若将变压器有效地控制在最佳经济运行状态，则可以降低变压器的功率损耗，从而降低配电线路网损[1]。太原理工大学成立了变压器的经济研究所，胡景生教授利用临界值法作为控制变压器投切的方法，并通过理论实践说明变压器经济运行是一种经济实用节能方法。变压器经济运行是指在不同的负载下，有效调节变压器的投切量和运行方式，确保传输电量保持不变，让变压器的损耗尽量降低至最小。

将计算机技术、传感器、电力电子等各种手段结合起来，并运用高可靠性的可编程控制器实现变压器运行的自动化控制系统可以在比较极端的情况下控制，在各种恶劣环境中高效稳定运行，工作人员只需要在中央控制室中实时地观测即可，从而有效地减小人力工作量[2]。本文利用临界值法作为变压器投切的理论基础，运用PLC作为控制器，触摸屏作为人机监控工具，完成多台变压器自动投切监控系统。

1  基于PLC的变压器组投切方案

1.1  变压器组经济运行基础

变压器运行时的有功功率损耗是由空载损耗和负载损耗两部分组成的。其空载损耗在接入电源后是一个常数，在空载和运行时没有变化，与所带负载大小无关。而其负载损耗则与变压器实际所带负载的平方成正比。为了达到最佳的节能效果，在2台以上的变压器运行系统中，随着负载的变化需要经常调节变压器的运行方式[3]。

变压器在投入运行时，有功功率、无功功率和无功功率损耗都和负载大小成非线性关系。所以无功损耗率、有功损耗率和综合功率损耗率也随着负载的变化而变化。根据其综合功率损耗率计算式为：

变压器组的效率并不是随着负载越大就越高，变压器在综合功率经济负载系数下运行时其综合功率损耗率最低。双绕组变压器的最佳经济运行区域与变压器的综合功率损耗有关[4]，GB/T 13462—2008《电力变压器经济运行》中规定了变压器在额定负载运行为经济运行区域的上限，与上限额定综合功率损耗相等的另一点为经济运行区的下限。经济运行区域的上限负载系数为0.75，下限负载系数为1.33 βJZ2[1]。所以在控制变压器投切时，要根据实时负载情况，时刻使变压器处于最佳经济运行状态，达到节电、节能目的。变压器组经济运行最常用的是临界点划分法，首先计算出经济负载系数，再画出不同负载损耗的曲线，求其交点来获得功率临界点，从而划分出经济运行区间[5]。

1.2  变压器组自动投切方案

采用临界点划分法的思路是：用户侧负载功率小于临界负载功率点时，投入主变压器，当负载功率大于临界负载功率点时，增加投入备用变压器。变压器并列运行方式需要满足下列条件：一是要求绕组联结存在一样的组别；其二是要求变压器具有一样的变比；其三变压器的短路阻抗需要尽可能接近，要求差值维持在5%内；最后，要求容量相差不能过大[6]。这样才能够确保并联变压器之间具有良好负载依据的容量比有效分配，避免其中某台出现过载或轻载等情况，有效实现对多台变压器具有容量的有效利用。

本文的变压器组投切方案如图1所示。本系统包括电量采集、运算与分析（PLC控制器）、输出驱动（数字量输出）空载投切变压器。系统实时采集电网系统负载的电压与电流信号，采用负荷预算与实时控制结合的方法，PLC运算分析采集到的电压、电流、功率因数等电量，由控制系统输出驱动开关电器，控制变压器组变压器的投入与断开，实现根据负荷自动调节变压器的投切量，达到经济运行的目的。

本系统拟选用三台参数相似的变压器并列运行给负载提供电能为例。图2为变压器组并列运行控制系统的主电路示意图。在实际的电网系统中，用户侧负荷都为可变负载。变压器组的投入量由PLC驱动的接触器控制，当控制系统的输出模块在控制系统程序运算后有输出信号时，接触器线圈得电，串联在主电路中的接触器常开触点闭合，将所对应的变压器投入运行；反之，当常开触点断开，对应的变压器则退出运行。根据用户侧负荷变化而实时控制变压器组的实际投入量，可使供电系统负荷率尽量为最佳负荷率范围区间。临界负载与变压器运行台数可根据式（1）（2）具体运算，控制负载系数。降低变压器的损耗，达到降低电网损耗、实现节能的目的。

2  系统硬件设计

PLC一般根据变压器投切控制系统所需要I/O点数和控制系统经济性进行选型。本系统根据综合性价比选用西门子S7-1500系列PLC型号CPU 1515。选用开关电源对控制电路中低压元器件供电，型号为DRP-480-24。电压互感器型号选用择明ZMPT107，额定输入输出电流为2 mA。电流互感器型号选用LMZJ1 1000/5，一次侧电流5～3 000 A，二次侧电流5 A、1 A，额定电压为0.5 kV。电压变送器将交流电压转换成按线性比例输出直流电压的设备。电流互感器将主回路的大电流变为0～5 A，这个0～5 A可直接接于电度表或电流表。由于像PLC器件输入端的电流为0～20 mA，所以再用电流变送器将0～5 A的电流变成标准的可以接入自控仪器的4～20 mA电流。一次侧回路的电量参数经由互感器接入采集电路。图3为电量采集电路图，采用多功能电度表实时采集电气线路的电量参数。

对于变压器组的信号采集，需要用到电压、电流互感器和电压、电流变送器。T4、T5、T6为电压互感器。V1、V2、V3为电流互感器。V4、V5、V6为电压变送器。V7、V8、V9为电流变送器。图4为变压器组信号采集电路图。

PLC输出驱动电流较小，可先驱动中间继电器后再驱动交流接触器。K1～K8八个中間继电器和KM4～KM11八个接触器来实现对ABC三个变压器一次侧和二次侧的接通断开控制。变压器组控制用接触器的投切控制回路见图5，可看出，首先由PLC输出驱动中间继电器，再由中间继电器通断交流接触器，最后再由接触器实现变压器组的投切控制。

PLC开关量输入主要应用于特殊情况下的手动控制，包括急停功能、手动启动停止系统、系统正常工作控制。开关量输出则用于驱动中间继电器。模拟量输入模块通过采集电路来接收变压器侧各相的电压、电流、电量数据，如图6所示。

3  系统软件设计

信号采集电路采集电网侧电压、电流、功率等信息，经由PLC匹配的模拟量模块接收后保存至可编程控制器的输入映像寄存器，然后程序扫描进行计算、处理，驱动相关的输出点控制中间继电器线圈闭合与断开。通过中间继电器的得电与失电，继而改变接触器线圈的通断状态，驱动相应的变压器的投入与切除，实现PLC根据负载变化灵活地投入运行，以达到经济运行的目的。

系统的程序控制流程如图7所示。系统启动后，经自检无其他问题后直接进入自动投切控制方式。对采集的相关数据进行有效分析后，依据本文前述的变压器经济运行理论规则运算处理，最终确定变压器投切台数，对控制变压器投切运行的接触器发出命令，实现最佳运行状态，达到电网运行节能降耗的要求。

4  基于触摸屏的监控设计

WINCC flexible组态仿真软件是西门子官方推出的对其触摸屏进行编程的工具，用来操作和监控机器与设备。监控画面如图8所示，没按下启动按钮时，运行指示灯显示未红色，表示系统没有运行。监控画面中显示有4个负载，包括办公室、一号工厂、二号工厂、三号工厂。并显示对A相电压电流、B相电压电流、C相电压电流进行实时电量采集。从而来判断变压器经济运行条件，并对变压器组投切进行控制。

5  结  论

本系统利用PLC可编程控制器对并联变压器组的经济运行进行自动投切控制，并在组态画面中对系统运行状态进行远程监控。在PLC编程设计方面，考虑到系统的运行可靠性与对数据实时采集的处理，结合硬件电路设计了系统启停控制程序、数据采集程序、数据计算程序、变压器经济运行判断程序以及变压器组投切控制程序。并通过组态仿真实现对变压器组投切的实时运行监控。当负载发生变化时，系统能根据采集到的内部数据及时运算并进行判断变压器组是否投切，作出输出驱动响应。

本次基于PLC的变压器组投切监控系统的设计还是比较成功的，可以基本实现预期的设计要求。同时PLC的程序可以根据要求不断完善，简单可行。对于变压器组的经济运行有着重要的实际意义和价值。

参考文献：

[1] 邱必宝，英燏，宋新勇.变压器经济运行及节能潜力分析 [J].科技风，2022（2）：109-111.

[2] 戴蕾，周国平.基于PLC的有载调容调压变压器控制系统 [J].电子制作，2017（15）：62-63+59.

[3] 刘海峰.配电变压器经济运行分析 [J].电力需求侧管理，2009，11（5）：48-49+51.

[4] 薛成林.数据中心变压器经济运行分析 [J].建筑电气，2019，38（7）：43-50.

[5] 李百可，鞠振河，潘冬辉.工业园区多台变压器经济运行方式研究 [J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2018，14（2）：149-153+192.

[6] 王函.探讨配电变压器经济运行控制系统的设计及实现 [J].科学与财富，2017（25）：230.

作者简介：焦玉成（1979—），女，汉族，江苏南京人，副教授，硕士研究生，研究方向：电力系统、电气工程、新能源等；王正浩（2000—），男，汉族，河南洛阳人，技术服务工程师，本科，研究方向：电气工程及其自动化等；陈瑞（1988—），男，汉族，江苏南京人，工程师，本科，研究方向：无功电压、电量线损、电气工程、工业自动化、新能源等；高桥（1997—），男，汉族，江苏南京人，技术服务工程师，本科，研究方向：电气工程、自动化等。

收稿日期：2022-12-06