（纪元电气集团有限公司 浙江江山 324100）
摘要：本文介绍了一种有载调容调压变压器用控制终端的设计。该控制终端的硬件采用以ARM为核心的高性能CPU平台，针对调容调压变压器的应用特点和分接开关的控制问题，设计独特的外围模块如有载开关保护模块、宽压自适应电源模块和多种通讯模块。该控制终端的软件采用了FreeRTOS的实时操作系统，并且集成开发了包括GPRS、2.4G短距离通讯、Wi-Fi通讯和USB记录等多种通讯和记录功能。经许昌开普实验室测试表明，该控制终端符合国家电网国标Q/GDW 731-2016、GB/T7261-2008和GB/T14598.2-2011的要求。
关键词：有载调容调压变压器；控制终端；实时操作系统
0前言
据统计，我国变压器总损耗约占系统发电量的10%；而在占电网总损耗60%~65%的中、低压电网损耗中，约有60~65%损耗在配电变压器上[1,2]。配电变压器的负载随时间的变化而波动，尤其在商业区、工业区以及广大的农村电网，用电高峰时变压器满负荷甚至超负荷工作，低谷时变压器近乎空载运行，配变电负荷率很低，往往不到30%，长时间处于“大马拉小车”状态，造成变压器空载损耗严重[3-5]。由此可见，降低配电变压器的空载损耗具有很大的节能潜力,如果变压器损耗能降低1%，每年就可节约上百亿度电[6,7]。早在上世纪八十年代提出了无载调容变压器技术方案，但需要配电变压器断电操作,并且操作过程非常繁琐，在严重影响配电质量的同时，基本发挥不了节能作用[8]。在此情况下有载调容变压器技术应运而生，它可以在不断电状态下自动进行变压器容量的调节以实现节能目标。
近年，国内少数厂家已开发出了第一代有载调容调压变压器，这些产品在功能上基本满足了调容调压需求，但是在性能上却存在一定的不足和缺陷[9]。特别在控制终端方面可靠性低、稳定性差，变压器运行参数记录不全面，通信能力差等问题。针对这些普遍存在的问题，本文介绍一种经过许昌开普实验中心认证的控制终端设计方案。该终端以高性能ARM CortexTM-M4系列MCU为核心，实现手动/自动调容调压控制、电能计量、通讯和数据监控单点测控和保护等功能，还可配合后台系统组网以实现四遥功能，以达到最大限度的节能降耗、提高电网质量的目的。
1系统结构及特点
图1系统结构图
本调容调压控制终端的系统结构图如图1。根据功能和结构的划分，控制终端分为自适应隔离电源、三相电能信号采集、隔离信号输入、隔离232通讯、点阵LCD、微处理器、保护性有载开关驱动、各种通讯和Micro-SD接口等模块。在这些模块的有机组合下，本控制终端具有如下的特点：
1)以ARM CortexTM-M4的高性能MCU为核心处理器。该MCU集成片内的DSP和FPU，在高达180 MHz的工作频率下通过闪存执行时其处理性能达到225 DMIPS/608 CoreMark。
2)具有极其强大的无线通讯功能，内置WiFi、GPRS、GSM和2.4G模块等通讯接口，能通过无线局域网、无线蜂窝数据网、短信和短距离P2P通讯的方式将变压器和电网的实时数据发送到后台系统，满足国家电网的规约和标准要求。
3)具有高可靠的有线通讯功能，内置隔离RS232、隔离RS485、隔离LAN和USB-Host接口，能通过串口、以太网和U盘完成实时的异构数据存储，满足国家电网的规约和标准要求，方便实现控制终端的组网和运维。
4)各种硬件端口具有非常高的隔离等级和保护能力，满足对电磁兼容的要求，在高噪声、大干扰的复杂环境里可靠完成高速采集、运算和通讯等任务。
5)具有高可靠性的有载调容调压开关的控制能力，驱动能力强，充电迅速，即便在MCU芯片锁死的情况下仍然不会输出错误动作，以保护昂贵的有载调容调压开关和变压器本体。
6)具有很强的电源适应能力。在三相/两相/单相供电同时电压波动达±20%情况下仍然能可靠工作、驱动有载调容调压开关正常切换。
7)内置高分辨率的液晶显示屏、按钮和MicroSD卡的存储接口，软件系统采用强大的实时操作系统、通讯协议栈和文件系统。
8)具有极强的数据处理能力，能可靠采集并记录正点时刻、变压器动作、警告和故障、参数设置、控制器重启、闭锁触发等70余项数据，能同时进行数据测量、数据记录、数据查询、切换开关驱动检测和闭锁、参数整定等各种功能。
9)集成计量级的电能测量模块，能准确实时进行三相有功功率、三相无功功率、三相功率因数、三相电压、电压畸变率等40余项电能参数，并可方便进行参数校正；同时具有相位自动识别的功能。
2子模块设计
2.1 CPU模块
CPU模块是控制终端的核心模块，软件系统选用FreeRTOS实时操作系统，可更加合理、更有效的利用系统资源，保障系统的可靠性和实时性。CPU的硬件电路包含了CPU的供电回路，关键端口处增加多重保护，提高系统的EMC性能。
图2 CPU模块电路
2.2自适应电源模块
为了满足控制终端在三相、两相和单相供电且电源波动±20%情况下，都能可靠工作，特设计了此自自适应电源模块。该模块的输入方式为三相四线，经过隔离变压器后，整流成+300V左右的直流电压。此电压分为两路，一路供给电磁铁充电回路，一路供给开关电源模块，输出+15V给控制回路使用。经过特别选择的超导变压器和滤波回路，有效提高了此自适应电源的效率，满足国标相关待机功率指标的要求。
图3自适应电源模块
2.3高压驱动保护模块
本控制终端的控制对象为放置在调容调压变压器箱体内的有载分接开关上的动作电磁铁。在调容调压变压器工作时，驱动电磁铁的继电器动作时序必须严格控制，否则可能导致控制器被烧毁。故在控制终端设计时增加由硬件逻辑组成的高压驱动保护模块，当CPU的动作信号满足相应的时序逻辑后输出动作信号，否则输出保持稳态不变。
图4高压驱动保护模块
2.4三相电信号测量模块
在本控制终端使用了计量级的三相电能计量芯片，通过电流和电压互感器取样出三相的电流和电压值，通过计量芯片，直接计算出三相电流/电压的有效值、有功功率和无功功率、有功电能和无功电能等参数。
图5三相电能计量模块
3 软件设计
3.1主要功能
1）可实时远程监测变压器运行参数，同时把监测数据保存在本地存储器中和远程传输到监控主机上。
2）自动运行条件下，可以根据事先设置好的调容、调压门限，以及当前变压器运行状态，自动使变压器调节到合适的档位。
3）手动条件下，可以根据用户的指定，调节到给定的档位。
4）具备闭锁功能，变压器超出每日设定调容次数后，闭锁输出回路并使调容开关保持在高容位置。
5）具有数据越限报警功能，可现场即时上报报警信息，同时，还具有GSM手机短信报警管理系统。
6）具备短信、GPRS和串口多种通信功能。
7）具备定时和事件触发两种数据记录方式，可供监控主机随时查询。
软件架构
图6软件整体结构框架图
软件采用分层架构，如图6所示，分为3层：驱动层、设备层和应用层。驱动层主要完成与硬件直接打交道的工作；设备层是在驱动层之上，对各个设备功能模块进一步抽象；应用层在设备层提供的服务基层之上，结合实际的应用需求，实现调容调压的目的。
4系统测试
本调容调压器控制终端于2015年11月在许昌开普检测技术有限公司进行第三方型式检验，以《GB/T7261-2008继电保护和安全自动装置基本实验方法》[10]为检验方法，以《Q/GDW 731-2016 有载调容配电变压器选型导则》[11]和《GB/T14598.2-2011量度继电器和保护装置》[12]为技术要求。型式实验结果表明，本调容调压变压器符合国标的要求。
参考文献
[1]刘斌，岳青，孙毅卫等.调容调压变压器现状及发展趋势研究.变压器,2015,52(5):23-28.
[2]贾继莹,方恒福,栾大利,等.有载调容分接开关的研制[J].变压器, 2013,50(10):40-44.
[3]龙世熠.浅谈有载调容变压器设计[J]. 科技视界, 2013,(31):91.
[4]王云飞,赵自辉.有载调容调压智能变压器在配电网的应用[J]. 科技创新与应用, 2013,(25):170-171.
[5]孙茁,王晶. 调容变压器节能运行分析[J]. 电工技术, 2014,(5):9-11.
[6]周恒逸,齐飞,叶会生,等.智能型有载调容配电变压器的应用研究[J]. 湖南电力,2014,34(4):8-11.
[7]李晓慧,常文平,李吉浩.配电变压器的有载调容设计[J].变压器,2010,47(11):5-10.
[8]邱秋平,杨艳芳. 有载自动调容变压器应用效果分析[J].农村电工,2014,22(8):38.
[9]罗伟彬,范伟波.有载调容变压器故障导向安全技术研究[J].科技与创新,2014,(20):11,14.
[10]GB/T 7261-2008 继电保护和安全自动装置基本试验方法.
[11]Q/GDW 731-2016 有载调容配电变压器选型导则.国家电网公司.GB/T 14598.2-2011 量度继电器和保护装置.
论文作者:王志文,周海波
论文发表刊物:《电力设备》2016年第15期
论文发表时间:2016/11/3
标签：变压器论文; 终端论文; 模块论文; 电能论文; 通讯论文; 功能论文; 实时论文; 《电力设备》2016年第15期论文;