基于PLC的有载调容调压变压器控制系统

自动化技术基于PLC的有载调容调压变压器控制系统作者/戴蕾、周国平，南京林业大学信息科学技术学院摘要：在现代社会，电力成为人们生活生产的必需品，变压器的出现使得电力传送和节能得到一定改善，但也由此带来了变压器本身对电 力系统造成浪费的问题。

有载调容调压变压器的出现，有效地解决了变压器因为容量过大造成的电能损耗，并且及时调整电压使得电能质 量得到保障。

对长期节能计划起到了至关重要的作用。

本文对有载调容调压变压器进行拓展，加入控制系统，使得有载调容调压变压器更 加智能化。

关键词：有载调容调压；节能；智能引言传统变压器在工作时容量是一定的。

如果变压器的容量 过大，那么势必有相当一部分的容量剩余，造成资源的浪费；更加严重的是，剩余容量如果太大，那么变压器的空载损耗 将会变得非常大。

如果变压器的容量选的过小，一方面电力 需求在快速增长，对变压器的容量要求就会越来越高；另一 方面负载占比增大之后，变压器的负载损耗会随之增大。

所 以如何灵活地选择变压器的容量就会显得很关键。

负载在变 化的同时电压也随之波动，电压的变化决定了电能质量的好 坏。

本文旨在传统变压器上加一个控制系统，由于PLC较 于其他的控制手段更为灵活，便捷，操作也更为简单，可以 让变压器的控制更为安全，满足控制需求，本次设计采用 PLC作为 CPU。

运用P L C自动控制技术实现变压器的自动化，可以将计 算机技术、传感器、电力电子等各种手段结合起来并且该系 统可以在比较极端的情況下控制，在各种环境中高效稳定运 行，工作人员只需在控制室中实时地观测即可，有效地减小 了工作量。

更重要的是可以降低人为操作时误操作可能性，保证设备稳定安全的运行，也保证了工作人员的人身安全。

1.总体设计有载调压调容控制系统的工作原理为：首先，上位机通 过传感器进行数据采集，采集到电压、电流、功率等信息，然后将这些模拟量经过A/D转换电路转换为数字量，通过作 为下位机的PLC进行约定通信规约，以约定的规约将这些信 息传递到PLC中，经过PLC内部的处理器进行信息的整合 与处理，发出指令，即开关量信号控制接触器触点动作，控 制不同的线圈进行动作，从而达到调整变压器分接头位置以 及变压器的接线方式，实现变压器的调压和调容。

可以通过 RS232与上位机实现串口通讯，也可以通过WIFI模块实现。

2•硬件设计本次设计的基于P L C的有载调容调压变压器控制系统 本由200KVA/63KVA,10KV/400V的配电变压器、有载分接开关、有载调容控制器、传感器及其相关元器件等组成。

在这个控制系统中主要有数据采集模块、数据处理模块、驱 动模块，完成数据传输、分析判断、发送指令、显示等功能。

其中，数据采集模块主要由上位机利用传感器进行采集，并 且进行模数转换之后，传递到作为下位机的PLC之中，以 此来实现数据的传递；在数据处理模块，主要由PLC实现；驱动输出主要包括接触器输出单元，数据显示单元、以及无 功补偿模块等。

■ 2.1电量采集与通讯模块变压器电量采集部分是由各个硬件电路模块共同构成 的，为适应当前电网公司对电力营销现代化信息管理的要求 和发展，保证能够及时、准确且可靠地采取电能信息，针对 有载调压调容变压器的特点和电能信息采集与管理系统关 于计量、采集和传输的要求，利用微处理器及应用技术、传 感器技术等，本次设计采用CS5464计量芯片实现了对电压，电流，功率等参数的测量，可以通过串口与上位机进行通讯。

这一部分电路以CS5464芯片作为主体结构，外围配备电压 电流采集电路，整流滤波电路，串口通讯电路等，可以直接 和不同量程的电压电流传感器配合，简化接口设计，提高功 率测量的精确和稳定。

芯片采集有载调压调容变压器的所有 电量，包括电压、电流、有功功率、无功功率、频率、周期、相位等。

并将采集出来的数据通过串口通讯至上位机进行变 压器的PLC控制。

■ 2.2无功补儅模块有载调容调压变压器在进行调压调容时，也将同时对其 无功调容形成改变，所以在对有载调压调容变压器控制系统 系统完成初步的设计后，需要对这个电力系统进行无功功率 补偿的分析、研究，进而能够使电力系统的无功功率满足电 网运行要求的补偿，以达到节约电能的目的。

在系统已经对电量进行采集等工作后，主要是利用控制 器对采集的数据进行计算处理，得到哦实时的无功功率数 据，设计出无功功率补偿系统的硬件，以及它的软件控制策 略，驱动继电器的线圈，最后控制接触器的开关闭合来投切 相应的补偿电容器，制定出电容器的无功补偿组合等，最后 达到对电力系统的无功功率进行实时补偿。

无功功率补偿硬件系统图如图1所示。

图1无功补偿装置系统图■ 2.3 Wifi 模块调压调容变压器的w ifi 控制如同智能电器，从复杂繁 琐的操作转变为更方便更快捷的操作方式，自动调压调容实 现了减少更多的人力操作的功能，且可以远距离安全操作，wifi 控制保证了人生安全，在时间上也更灵活多变。

要进行wifi 控制首先需将管理终端接入计算机，可利用 计算机进行对终端的访问，计算机开启热点，手机连入热点 利用app 对终端进行访问，也可以将终端ip 置于云端，手 机app 利用ip 对云端终端进行访问即可实现远程wifi 控制。

■ 2.4调容调压开关的配合传统的变压器采用机械开关，机械开关简单方便，使用 门槛低且价格低廉，缺点是控制难度大，反应时间长，对外 界要求高，且对电能质量有影响，还必须外加绝缘油保持开 关的安全，因此需要增加额外的辅助装置。

为了使得有载调 容调压变压器更加智能，本次设计将用电力电子有载分接开 关取代机械开关，电力电子开关调压速度快，可控性高，稳 定安全，且设备体积小，不需要额外的辅助 设备。

3.软件设计■ 3.1整体控制流程图上位机采集电压、电流、功率等信息，通讯至P LC 中，输入模块将这些数据变换输 送到PLC 的数据寄存器中，经过C P U 的计算、处理输出相关的开关量驱动继电器线圈闭合 与断开，继而接触器的线圈通过继电器的得 电与失电，从而得电与失电，然后驱动相应 的分接开关闭合与断开，调整变压器分接头 位置和变压器绕组的联结方式，实现系统所 需要的功能。

由此，可以设计出整个PLC 控制系统的 流程图，如图2所示。

图2电量采集通讯模块流程图■ 3.2 W ifi 控制模块利用现有软件进行设计简单的app ，对a p p 的结构进 行布局，撕®并可进行简单的操作，针对a p p 的制作，流 程图如图3所示。

4•总结本文对基于PLC 的有载调容调压控制系统做了一个简图3 Wifi 控制模块流程图(下转第59页）大的偏置电压和电流也会对器件的性能产生影响。

人们对电 应力的作用进行了研究，分别是在源漏栅施加电压/电流应 力，测试性能的变化。

对于电应力造成GaN器件的性能下降，目前认为主要有两种作用机制，_是热载流子效应，二是逆 压电效应[6]。

AlGaN/GaN H EM T的退化机制为由热载流子 效应引起的退化和由逆压电效应引起的退化这两种机制共 存，但是当器件工作的电压不同时，起主导地位的退化机制 不同：当VD(3<临界电压值(Vcrit)时，热载流子效应引起器 件参数、性能退化这种机制位于主导地位，而当V DS>临界 电压值(Vcrit)时，逆压电效应引起器件参数、性能退化这 种机制位于主导地位。

图4加电压VDG前后GaN器件电流比较由图4可见，偏置应力后，器件漏电流发生崩塌。

在 高栅压、低漏电压时，电流崩塌效应最显著。

随着漏电压持 续増大，电流崩塌量逐渐降低，最后接近应力前水平。

这些 结果与器件受偏置应力的影响相同。

关态应力时沟道夹断，不存在热电子效应。

但栅漏间高电压产生的强电场使得栅边 缘的近漏端产生泄漏电流。

这个电流填充势垒的表面态，使 得表面电势变负形成所谓的虚栅效应。

该效应使栅边缘近漏 端下方的沟道部分耗尽，等效为栅极长度增加。

当撤去偏置 应力后，栅下方的沟道立即响应，而虚栅下的沟道需要较长 的表面态充放电时间才能恢复。

因此，漏电流在很大程度上受到虚栅控制。

4.小结T/R组件是相控阵雷达的核心部件，应用G aN器件的 T/R组件能够大幅提高输出功率和效率。

本文主要总结了 G aN功率器件可靠性影响因素，对G aN器件的原理和失效 机理进行了分析，然后将温度、电压以及工作频率等因素对 G aN器件可靠性的影响逐一进行了探讨。

对G aN功率器件 可靠性研究及技术改进具有参考价值。

参考文献* [1]KOPP B A,BORKOWSKI M,JERINIC G.Transmit/Receive Modules [J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech,2002, 50⑶: 827-834.氺[2]KOLIAS N.MMIC Pioneers:A Historical Review of MMIC Dev elopment at Raytheon [C].IEEE MTT-S International Microwa ve Symposium Digest.Boston,USA,2009: 1405-1408.*[3]M ENEG H ESSO G,VERZELLESI G,PIEROBON R,et al.Surface-relateddraincurrentdispersioneffectsinAlGaN-GaN HEMTs [J].IEEE Transactions on Electron Devices,2004, 51(10): 1554-1561.*[4]WANG M,CHEN K J.Improvement of the Off-State Breakdo wn Voltage With Fluorine Ion Implantation in AlGaN/GaN HEM Ts [J].Electron Devices,IEEE Transactions on,2011, 58(2): 460 -465.* [5]JIMENEZ J L,CHOWDHURY U.X-Band GaN FET reliability[C].IEEE International Reliability Physics Symposium,Phoenix,USA,2008:429-435.[6]JOH J,DEL ALAMO J A.Mechanisms for Electrical Degradation of GaN High-Electron Mobility Transistors[C].IEEE Internati onal Electron Devices Meeting.San Francisco,USA,2006:1-4..(上接第63页)单大体的介绍。