CN104300545A - 一种双电源供电的小区用变压器智能投切装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种双电源供电的小区用变压器智能投切装置及其工作方法。所述变压器智能投切装置包括同步实时变压器一数据采集系统、同步实时变压器二数据采集系统和变压器运行方式控制决策系统；所述变压器运行方式控制决策系统包括：前接同步实时变压器一数据采集系统的变压器一工况数据库、再接有变压器一工况分析单元，前接同步实时变压器二数据采集系统的变压器二工况数据库、再接有变压器二工况分析单元，前接小区历史负荷数据库的小区负荷预测模块、再接有小区最佳运行方式分析单元。本发明高精度，高可靠性，稳定性好，节能效果显著，多种无线接口，满足智能电网的技术要求。

Description

一种双电源供电的小区用变压器智能投切装置及其工作方法

    技术领域

    本发明涉及变压器控制技术领域，尤其涉及一种双电源供电的小区用变压器智能投切装置及其工作方法。

    背景技术

    目前，居民小区供配电系统中普通存在着配电端变压器数量多、损耗大、自动化程度低、运行维护工作量大等问题。我国大部分地区四季温度变化大，在夏、冬两季配电变压器基本上处于满负荷运行状态，而在春、秋两季很多配电变压器都处于低负荷运行状态。尤其对于新投运的配电站，变压器的容量设计裕度较大，造成的电力有功损耗增大。季节小同变压器的运行方式也小尽相同，导致变压器在很多时候都处在轻载或空载运行状态。变压器的功率因数因此下降、电流必然增大，电流在流经变压器和线路时将产生较大的功率损耗，不仅使电力系统总的有功损耗增大，也加速了变压器的绝缘老化。

    目前，国内对变压器智能投切的研究主要集中在以变压器有功功率损耗最小为目标，结合其自身的负荷预测曲线进行分析、判断，从而实现对并列运行变压器“峰投谷退”的投切控制，达到降损节能、经济运行的效果。

    然而，国内外尚未见对于小区变压器最佳智能投切方法的研究，对于小区工作变压器发生故障或缺陷时，会导致用户停电。

    发明内容

    本发明提供一种双电源供电的小区用变压器智能投切方法及其装置，旨在解决小区用变压器在不同负荷条件下，通过实时工况分析、小区历史负荷数据分析，实时确定最佳变压器运行控制方案，并由运行人员实施相应的控制，从而可以实现对并列运行变压器“峰投谷退”的投切控制，达到降损节能，经济运行的效果。

    本发明的技术方案是：所述双电源供电的小区包括变压器一和变压器二，变压器一和变压器二各自的信号系统和控制执行机构，小区历史负荷数据库，操作监控单元和操作控制系统，

所述变压器智能投切装置包括同步实时变压器一数据采集系统、同步实时变压器二数据采集系统和变压器运行方式控制决策系统；

所述变压器运行方式控制决策系统包括：

前接同步实时变压器一数据采集系统的变压器一工况数据库、再接有变压器一工况分析单元，

前接同步实时变压器二数据采集系统的变压器二工况数据库、再接有变压器二工况分析单元，

前接小区历史负荷数据库的小区负荷预测模块、再接有小区最佳运行方式分析单元，

所述变压器一工况分析单元、变压器二工况分析单元和小区最佳运行方式分析单元分别连接变压器最佳运行工况分析单元，与所述变压器最佳运行工况分析单元后接有变压器最佳运行方案生成单元。

    所述变压器运行方式控制决策系统包括一对DSP芯片，一对所述DSP芯片分别通过一对电压互感器和一对电流互感器实测变压器一、二原副边的三相电压和三相电源用于电压电流采样，并通过温度传感器采集变压器一、二的温度，电压电流采样通过芯片AD7656实时计算变压器一、二的参数，参数包括电压、电流、功率和功率因数；

    一所述DSP芯片通过GPRS通讯模块与调度中心通讯，一对所述DSP芯片之间通过RS485通讯或以太网通讯；

    一对所述DSP芯片分别通过RS485通讯各开关柜开关状态和储能开关的位置；

    一对所述DSP芯片分别与继电器和断路器通讯。

   本发明中双电源供电的小区用变压器智能投切装置的工作方法，

包括以下步骤：1）、变压器一、二运行工况信息的同步实时数据采集；

步骤1）分别从变压器一和变压器二实时采集运行工况信息，并标注时标后，将工况信息存入工况数据库，同时送操作监控单元；

其中，运行工况信息包括变压器一、二原边的三相电压和电流、副边三相电压和电流、变压器一、二的温度，各开关柜开关状态和储能开关的位置；

2）、变压器一、二历史负荷信息和实时运行工况信息的分析与最佳运行方式的确定；

步骤2）分别从变压器一工况数据库和变压器二工况数据库读出的信息进行工况分析以及调度中心提供的小区历史负荷数据库读出的信息进行小区负荷预测信息，将优化的工况信息和小区最佳负荷运行信息分别作为变压器最佳运行方案确定的依据；

一DSP芯片通过GPRS通讯，接收调度中心的历史负荷曲线，并通过RS485通讯或以太网通讯，实现变压器一、二运行参数的交换；

工况分析包括实时采集并保存配电站变压器一、二低压侧三相电流、电压以及各开关柜保护继电器、断路器状态，根据配电站实际负荷变化情况，对配电站日负荷进行预测，预测到的日负荷曲线，作为变压器一、二经济运行的一个判据；

小区负荷预测是按小区历史负荷数据信息Elman神经网络预测出当日总负荷曲线，将负荷预测结果作为变压器一、二经济运行实时控制策略的重要参考量，即作为变压器一、二是否投切和调整的一个判据；

3）、变压器一、二最佳实时运行方案生成；

步骤3）首先，计算出并列变压器一、二经济运行的临界负荷Scr；然后，通过下列判据进行操作，生成变压器一、二最佳实时运行方案；

判据1：假设实时总负荷功率为S，根据变压器特性，当0<S≤Scr时，变压器一或变压器二单台运行经济；当S ＞Scr，变压器一、二并列运行经济；

判据2：根据历史资料，采用Elman神经网络预测出当日总负荷曲线，将负荷预测结果作为变压器一、二经济运行实时控制策略的重要参考量，即作为变压器一、二是否投切和调整的一个判据；

判据3：采集各开关柜开关状态，储能开关的位置和各种保护信息，判断设备无故障，储能电机己储能；

判据4：限制变压器一、二的投切次数，连续两次的时间间隔T可以在装置中设置，在用电高峰时以变压器一、二同时运行，用电低谷时投切时间间隔t≥12小时；

判据5：根据电力系统规定单台变压器断电时间不得超过6个月，通过对变压器断电时间的监测，实现变压器一和变压器二之间的切换，使得变压器一或变压器二的断电时间不超过6个月；

4）、变压器一、二最佳实时运行方案实施；

步骤4）由操作控制系统或操作人员根据操作监控信息和最佳变压器运行方式控制方案，实施对变压器最佳运行方式控制。

步骤3）中判据2中的Elman神经网络的拓扑结构为：输入层节点数为9个，即实际历史用电量；隐含层节点数为17个，通过反复训练网络确定；输出节点数为1个，即待测用电量。

本发明包括变压器一和变压器二各自的信号系统及控制执行机构、同步实时数据采集系统、最佳变压器运行方式控制决策系统、操作监控单元和操作控制系统，且依次闭环连接组成自动控制系统；

   变压器运行方式控制决策系统的硬件包括原边和副边电压互感器、电流互感器和温度传感器，同时，采集各开关柜开关状态，储能开关的位置和各种保护信息，微控制器采用具有浮点运算功能的DSP芯片，采用交流采样技术，AD转换采用16位精度芯片AD7656，实时计算变压器的电压、电流、功率、功率因数参数，及变压器温度采集。

   变压器智能投切装置变压器一、二配备一个，其中一台装置为主设备，配备GPRS通讯，从设备不配备GPRS通讯，只通过RS485或以太网实现与主设备的通讯；通过GPRS通讯，接收调度中心的历史负荷曲线，并通过RS485或以太网通讯，实现两台（或多台）变压器运行参数的交换。

   本发明高精度，高可靠性，稳定性好，节能效果显著，多种无线接口，满足智能电网的技术要求。

   本发明中的智能投切方法包括下列步骤：

1）、双变压器运行工况信息的同步实时数据采集；

2）、变压器历史负荷信息和实时运行工况信息的分析与变压器最佳运行方式的确定；

3）、变压器最佳实时运行方案生成；

4）、变压器最佳实时运行方案实施。

本方法实现了多条件判断，满足稳定性要求；Elman神经网络方法预测精度高；融合多数据算法，减少误差。

    附图说明

图1是本发明的结构框图，

图2是本发明的功能模块框图，

图3是本发明的硬件框图，

图4是本发明的流程图；

    图中1是断路器，2是电流互感器，3是变压器一，4是电压互感器，5是温度传感器，6是DSP芯片，7是调度中心，8是变压器二。

具体实施方式

   本发明如图1-4所示，所述双电源供电的小区包括变压器一3和变压器二8，变压器一3和变压器二8各自的信号系统和控制执行机构，小区历史负荷数据库，操作监控单元和操作控制系统，

所述变压器智能投切装置包括同步实时变压器一数据采集系统、同步实时变压器二数据采集系统和变压器运行方式控制决策系统；

所述变压器运行方式控制决策系统包括：

前接同步实时变压器一数据采集系统的变压器一工况数据库、再接有变压器一工况分析单元，

前接同步实时变压器二数据采集系统的变压器二工况数据库、再接有变压器二工况分析单元，

前接小区历史负荷数据库的小区负荷预测模块、再接有小区最佳运行方式分析单元，

所述变压器一工况分析单元、变压器二工况分析单元和小区最佳运行方式分析单元分别连接变压器最佳运行工况分析单元，与所述变压器最佳运行工况分析单元后接有变压器最佳运行方案生成单元。

    如图1所示，变压器一和变压器二各自的信号系统及控制执行机构，同步实时数据采集系统（同步实时变压器一数据采集系统和同步实时变压器二数据采集系统）、最佳变压器运行方式控制决策系统、操作监控单元、操作控制系统和变压器一和变压器二各自的信号系统及控制执行机构依次闭环连接组成自动控制系统，实现变压器运行工况信息的同步采集、历史负荷信息和实时运行工况信息的分析、变压器最佳运行方式的确定、变压器最佳实时运行方案的生成、变压器最佳实时运行方案实施；

   同步实时采集系统的输出端连接操作监控单元输入端，实现变压器运行工况的实时监控；

控制决策系统的输出端连接操作控制系统的输入端，实现最佳运行方案的实时控制。

   所述变压器运行方式控制决策系统包括具有浮点运算功能的一对DSP芯片，一对所述DSP芯片分别通过一对电压互感器4和一对电流互感器2实测变压器一3和变压器二8原副边的三相电压和三相电源用于电压电流采样，并通过温度传感器5采集变压器一、二的温度，电压电流采样通过芯片AD7656实时计算变压器一、二的参数，参数包括电压、电流、功率和功率因数；

    一所述DSP芯片6通过GPRS通讯模块与调度中心7通讯，一对所述DSP芯片之间通过RS485通讯或以太网通讯；

    一对所述DSP芯片分别通过RS485通讯各开关柜开关状态和储能开关的位置；

    一对所述DSP芯片分别与继电器和断路器1通讯。

   本发明中双电源供电的小区用变压器智能投切装置的工作方法，

包括以下步骤：1）、变压器一、二运行工况信息的同步实时数据采集；

步骤1）分别从变压器一和变压器二实时采集运行工况信息，并标注时标后，将工况信息存入工况数据库，同时送操作监控单元；

其中，运行工况信息包括变压器一、二原边的三相电压和电流、副边三相电压和电流、变压器一、二的温度，各开关柜开关状态和储能开关的位置；

2）、变压器一、二历史负荷信息和实时运行工况信息的分析与最佳运行方式的确定；

步骤2）分别从变压器一工况数据库和变压器二工况数据库读出的信息进行工况分析以及调度中心提供的小区历史负荷数据库读出的信息进行小区负荷预测信息，将优化的工况信息和小区最佳负荷运行信息分别作为变压器最佳运行方案确定的依据；

一DSP芯片通过GPRS通讯，接收调度中心的历史负荷曲线，并通过RS485通讯或以太网通讯，实现变压器一、二运行参数的交换；

工况分析包括实时采集并保存配电站变压器一、二低压侧三相电流、电压以及各开关柜保护继电器、断路器状态，根据配电站实际负荷变化情况，对配电站日负荷进行预测，预测到的日负荷曲线，作为变压器一、二经济运行的一个判据；

小区负荷预测是按小区历史负荷数据信息Elman神经网络预测出当日总负荷曲线，将负荷预测结果作为变压器一、二经济运行实时控制策略的重要参考量，即作为变压器一、二是否投切和调整的一个判据；

3）、变压器一、二最佳实时运行方案生成；

步骤3）首先，计算出并列变压器一、二经济运行的临界负荷Scr；然后，通过下列判据进行操作，生成变压器一、二最佳实时运行方案；

判据1：假设实时总负荷功率为S，根据变压器特性，当0<S≤Scr时，变压器一或变压器二单台运行经济；当S ＞Scr，变压器一、二并列运行经济；

判据2：根据历史资料，采用Elman神经网络预测出当日总负荷曲线，将负荷预测结果作为变压器一、二经济运行实时控制策略的重要参考量，即作为变压器一、二是否投切和调整的一个判据；

判据3：采集各开关柜开关状态，储能开关的位置和各种保护信息，判断设备无故障，储能电机己储能；

判据4：限制变压器一、二的投切次数，连续两次的时间间隔T可以在装置中设置，在用电高峰时以变压器一、二同时运行，用电低谷时投切时间间隔t≥12小时；

判据5：根据电力系统规定单台变压器断电时间不得超过6个月，通过对变压器断电时间的监测，实现变压器一和变压器二之间的切换，使得变压器一或变压器二的断电时间不超过6个月；

4）、变压器一、二最佳实时运行方案实施；

步骤4）由操作控制系统或操作人员根据操作监控信息和最佳变压器运行方式控制方案，实施对变压器最佳运行方式控制。

步骤3）中判据2中的Elman神经网络的拓扑结构为：输入层节点数为9个，即实际历史用电量；隐含层节点数为17个，通过反复训练网络确定；输出节点数为1个，即待测用电量。

    如图4所示，本发明的流程图：

    1、步骤1）分别从变压器一和变压器二实时采集运行工况信息，并标注时标后，将工况信息存入工况信息库，同时送操作监控单元；

    运行工况信息包括变压器原边的三相电压和电流、副边三相电压和电流、变压器的温度，各开关柜开关状态，储能开关的位置和各种保护信息等。

   2、步骤2）对变压器历史负荷信息和实时运行工况信息的分析及最佳运行方式的确定：

   变压器智能投切装置每一台变压器配备一个，其中一台装置为主设备，配备GPRS通讯，从设备不配备GPRS通讯，只通过RS485或以太网实现与主设备的通讯。通过GPRS通讯，接收调度中心的历史负荷曲线，并通过RS485或以太网通讯，实现两台（或多台）变压器运行参数的交换。

    投切装置分别从变压器一和变压器二工况信息库读出的信息进行工况分析以及小区历史负荷数据库读出的信息进行小区负荷预测信息，将优化的工况信息和小区最佳负荷运行信息分别最为变压器最佳运行方案确定的依据。

    工况分析是按两台变压器的安全性、经济性和合理性原则，找出优化的工况信息；实时采集并保存配电站两台变压器低压侧三相电流、电压以及各开关柜保护继电器、断路器状态，根据配电站实际负荷变化情况，对配电站日荷进行预测，预测到的日负荷曲线，作为变压器经济运行的一个判据。

    小区负荷预测是按小区历史负荷数据信息或采用周期自回归模型方法预测出当日总负荷曲线，将负荷预测结果作为变压器经济运行实时控制策略的重要参考量，即作为变压器是否投切和调整的一个判据。

    主设备装置通过历史负荷曲线、当前变压器运行状况以及实现智能投切。具有多种投切策略，如定时投切、负荷预测和历史负荷曲线综合判断投切、调度中心手动投切等。

    3、步骤3）为变压器实时运行方案的生成：

    为了保证监控装置能准确、安全地实现变压器经济运行，监控装置的控制系统采取了多种措施，软件自动计算出两台并列变压器经济运行的临界负荷Scr。

    判据1：假设实时总负荷功率为S，根据变压器技术特性，当0<S≤Scr时，变压器一或变压器二单台运行经济；当S ＞Scr，变压器一和二并列运行经济。针对扬州市区拥有两台以上变压器的居民小区，每年空载或低载运行时间近4000个小时的现状，通过在低谷用电时段改变配电变压器运行方式，达到降低变压器空载损耗、节约生产成本的目的。如果按照变压器组负载同时低于40%时，部分变压器会停运，将负荷转移至运行变压器；当运行变压器负荷达到 95%时，停运变压器将自动投运。对于安装4台630千伏安变压器的居民小区，若两台变压器在用电低谷时段退出运行，一年可减少电量损失 10512千瓦时，节约5800多元。

    判据2：根据历史资料，采用Elman神经网络方法预测出当日总负荷曲线，将负荷预测结果作为变压器经济运行实时控制策略的重要参考量，即作为变压器是否投切和调整的一个判据。Elman神经网络拓扑结构设计为：输入层节点数为9个，即实际历史用电量；隐含层节点数为17个，通过反复训练网络确定；输出节点数为1个，即待测用电量。本发明对安装4台630千伏安变压器的居民小区，2010－2014年1月的用电量数据作为Elman神经网络训练样本，而将2014年2月、3月及4月的数据作为测试样本，即对2014年2月、3月及4月的用电量进行预测，训练结果表明，最为误差小于0.02，达到高精度预测的目的。

    判据3：采集各开关柜开关状态，储能开关的位置和各种保护信息，判断设备无故障，储能电机己储能。

    判据4：为避免频繁投切变压器，限制投切次数，连续两次的时间间隔t可以在装置中设置。

    判据5：根据电力系统规定单台变压器断电时间不得超过6个月，通过对变压器断电时间的监测，实现变压器一和变压器二之间的切换，保证单台变压器断电时间不超过6个月。

装置根据这5个判据判断是否进行变压器投切，实现变压器经济运行。

    4、步骤4）为变压器最佳运行方案实施：

   由操作控制系统或操作人员根据操作监控信息和最佳变压器运行方式控制方案，实施对变压器最佳运行方式控制。

Claims (4)

1.一种双电源供电的小区用变压器智能投切装置，所述双电源供电的小区包括变压器一和变压器二，变压器一和变压器二各自的信号系统和控制执行机构，小区历史负荷数据库，操作监控单元和操作控制系统，

其特征在于：所述变压器智能投切装置包括同步实时变压器一数据采集系统、同步实时变压器二数据采集系统和变压器运行方式控制决策系统；

所述变压器运行方式控制决策系统包括：

前接同步实时变压器一数据采集系统的变压器一工况数据库、再接有变压器一工况分析单元，

前接同步实时变压器二数据采集系统的变压器二工况数据库、再接有变压器二工况分析单元，

前接小区历史负荷数据库的小区负荷预测模块、再接有小区最佳运行方式分析单元，

所述变压器一工况分析单元、变压器二工况分析单元和小区最佳运行方式分析单元分别连接变压器最佳运行工况分析单元，与所述变压器最佳运行工况分析单元后接有变压器最佳运行方案生成单元。

2.   根据权利要求1所述的一种双电源供电的小区用变压器智能投切装置，其特征在于，所述变压器运行方式控制决策系统包括一对DSP芯片，一对所述DSP芯片分别通过一对电压互感器和一对电流互感器实测变压器一、二原副边的三相电压和三相电源用于电压电流采样，并通过温度传感器采集变压器一、二的温度，电压电流采样通过芯片AD7656实时计算变压器一、二的参数，参数包括电压、电流、功率和功率因数；

    一所述DSP芯片通过GPRS通讯模块与调度中心通讯，一对所述DSP芯片之间通过RS485通讯或以太网通讯；

    一对所述DSP芯片分别通过RS485通讯各开关柜开关状态和储能开关的位置；

    一对所述DSP芯片分别与继电器和断路器通讯。

3.   一种权利要求2所述的双电源供电的小区用变压器智能投切装置的工作方法，其特征在于，

包括以下步骤：1）、变压器一、二运行工况信息的同步实时数据采集；

步骤1）分别从变压器一和变压器二实时采集运行工况信息，并标注时标后，将工况信息存入工况数据库，同时送操作监控单元；

其中，运行工况信息包括变压器一、二原边的三相电压和电流、副边三相电压和电流、变压器一、二的温度，各开关柜开关状态和储能开关的位置；

2）、变压器一、二历史负荷信息和实时运行工况信息的分析与最佳运行方式的确定；

步骤2）分别从变压器一工况数据库和变压器二工况数据库读出的信息进行工况分析以及调度中心提供的小区历史负荷数据库读出的信息进行小区负荷预测信息，将优化的工况信息和小区最佳负荷运行信息分别作为变压器最佳运行方案确定的依据；

一DSP芯片通过GPRS通讯，接收调度中心的历史负荷曲线，并通过RS485通讯或以太网通讯，实现变压器一、二运行参数的交换；

工况分析包括实时采集并保存配电站变压器一、二低压侧三相电流、电压以及各开关柜保护继电器、断路器状态，根据配电站实际负荷变化情况，对配电站日负荷进行预测，预测到的日负荷曲线，作为变压器一、二经济运行的一个判据；

小区负荷预测是按小区历史负荷数据信息Elman神经网络预测出当日总负荷曲线，将负荷预测结果作为变压器一、二经济运行实时控制策略的重要参考量，即作为变压器一、二是否投切和调整的一个判据；

3）、变压器一、二最佳实时运行方案生成；

步骤3）首先，计算出并列变压器一、二经济运行的临界负荷Scr；然后，通过下列判据进行操作，生成变压器一、二最佳实时运行方案；

判据1：假设实时总负荷功率为S，根据变压器特性，当0<S≤Scr时，变压器一或变压器二单台运行经济；当S ＞Scr，变压器一、二并列运行经济；

判据2：根据历史资料，采用Elman神经网络预测出当日总负荷曲线，将负荷预测结果作为变压器一、二经济运行实时控制策略的重要参考量，即作为变压器一、二是否投切和调整的一个判据；

判据3：采集各开关柜开关状态，储能开关的位置和各种保护信息，判断设备无故障，储能电机己储能；

判据4：限制变压器一、二的投切次数，连续两次的时间间隔T可以在装置中设置，在用电高峰时以变压器一、二同时运行，用电低谷时投切时间间隔t≥12小时；

判据5：根据电力系统规定单台变压器断电时间不得超过6个月，通过对变压器断电时间的监测，实现变压器一和变压器二之间的切换，使得变压器一或变压器二的断电时间不超过6个月；

4）、变压器一、二最佳实时运行方案实施；

步骤4）由操作控制系统或操作人员根据操作监控信息和最佳变压器运行方式控制方案，实施对变压器最佳运行方式控制。

4.根据权利要求3所述的一种双电源供电的小区用变压器智能投切装置的工作方法，其特征在于，步骤3）中判据2中的Elman神经网络的拓扑结构为：输入层节点数为9个，即实际历史用电量；隐含层节点数为17个，通过反复训练网络确定；输出节点数为1个，即待测用电量。