1. 引言

近年来，全球对于能源节约和减排问题的关注度逐渐上升[1] [2] [3]。

根据《变压器能效提升计划(2021~2023年)》的目标，到2023年，符合《电力变压器能效限定值及能效等级》中1级、2级能效标准的高效节能变压器在网运行比例提高10%，新增高效节能变压器占比应达到75%以上[4] [5] [6]，新能效变压器即将入网，如何方便、快速、准确地判断其能效等级成为当下的首要问题。浙江物资公司联合浙江大学于2021年12月开启研制国内首台便携式节能配电变压器能效试验样机，预计该装置平均一天能完成40台配电变压器的能效试验；江苏电力科学研究院于2022年2月开启研制移动式配电变压器能效测试仪样机，预计该装置平均用时15分钟完成1台配电变压器能效测试工作。以上两种设计均具有检测时间长、安全性低、接线复杂等问题，无法完成大批量能效检测任务。

本文通过高度集成的设计，整合系统软件、控制测量电路和一体化接线模块，开发了一款一体化接线配电变压器能效检测装置。该装置在小型化、测试效率、测试精度以及安全性等方面具有显著优势。

2. 系统工作原理

能效检测系统由三相定频电源、一体化接线模块、三相电压电流互感器、信号调理单元、微处理器、LCD显示屏、温度传感器以及电源电压电流控制模块等构成，系统框图见图1。

显示屏通过人机交互获取变压器信息，微处理器与显示屏通讯并自动调取过流保护数据库，设定实验参数，控制一体化接线模块和电源控制模块完成试验接线和电源输出。电参数测量模块采集电信号，信号调理单元根据变压器容量进行量程切换、抬压和放大。微处理器采用非线性过零点算法校正测量数据，自动计算变压器空载损耗、负载损耗和短路阻抗。LCD显示屏实时显示能效指标，完成能效检测过程。

3. 系统硬件设计

3.1. 一体化接线模块设计

如图2(a)所示，一体化接线模块由控制器、三个交流接触器(K1, K2, K3)以及电力电子电源组成。在该模块中，交流接触器的上端连接变压器，下端连接电源，并由控制器进行通断控制。控制器对交流接触器的通断进行精准操作，成功实现了空负载试验接线的自动切换，从而使试验接线过程简化。当K1闭合时，K2和K3断开，从而形成变压器空载实验接线；而当K2和K3闭合、K1断开时，则形成变压器负载试验接线。这一自动切换机制不仅有效提高了实验效率，同时也显著降低了人为操作失误的风险，为试验工作带来了便捷性和可靠性。

如图2(b)所示，交流接触器采用24 V电压源作为外部驱动源，微处理器输出信号通过控制光电耦合器(光耦)的通断，从而控制三极管的工作状态，完成微处理器输出信号对交流接触器通断的控制，实现强弱电隔离。

Figure 1. System framework diagram

图1. 系统框架图

(a) (b)

Figure 2. Integrated wiring module: (a) Module block diagram; (b) Circuit design

图2. 一体化接线模块：(a) 模块框图；(b) 电路设计

3.2. 信号调理单元

如图3所示，信号调理单元包括量程切换、放大和抬压电路。针对不同容量的配电变压器，低压侧额定电压均为400 V，额定电流随容量变化。为简化实验电路，选取50 kVA、100 kVA、200 kVA和400 kVA配电变压器进行设计，以满足高压侧额定电流采集、抬压和放大的需求。以50 kVA变压器为例，采用DL-PT202H1电压互感器和DL-CT10C1.0电流互感器。电压采样通过40 kΩ限流电阻和100 Ω采样电阻，输出±1.414 V信号，经1.5 V抬升后，通过放大电路将输出放大到1.54 V~2.95 V范围。电流采样通过1000:1变比的电流互感器，采样电阻为50 Ω，输出±0.204 V信号，经0.21 V抬升后，通过放大电路将输出放大到0.25 V~3.10 V范围。

Figure 3. Signal conditioning unit

图3. 信号调理单元

为实现量程自动切换并简化实验电路，采用两个TLP521-4X芯片作为量程切换开关。其正向饱和电流为50 mA，在串联1 k电阻限流后，可由单片机输出直接驱动。单片机通过B12-15口输出不同的电压，根据待测变压器信息，自动选择相应的抬压和放大电路对电流互感器输出进行处理。

3.3. 通信电路设计

通讯电路设计旨在实现设备智能化，核心包括STM32微处理器及其外围电路(见图4)。STM32作为中央处理单元，通过Modbus RTU与外部电源设备通信。单片机通过比较电压互感器输出与变压器额定电压，实现对电力电子电源的实时监测与调整，并将数据传输至屏幕上，提供待测变压器的能效信息。

Figure 4. Communication circuit design

图4. 通信电路设计

通信电路结构包括TTL到RS-485信号的转换，RS-485采用半双工通讯技术，抗干扰能力强，适合中远距离通信的复杂环境。

4. 系统软件设计

4.1. 软件工作流程

采取调用函数库的方式进行系统程序开发，整体流程图如图5所示。实验过程中采用过流数据保护库监测电路电流，利用非线性数据优化算法对电信号进行校正，分别计算变压器空载损耗、负载损耗及短路阻抗。

Figure 5. Software testing process

图5. 软件测试流程

在实际操作中，变压器短路等问题可能会导致严重的安全隐患。尤其是在现有研究中，对于能效检测装置的过流保护设计方面存在空白，这将进一步加剧安全风险。在变压器运行过程中，如果未能有效监测和控制过流情况，可能会导致设备损坏、生产中断甚至人员伤亡等严重后果。因此，对于能效检测装置的安全性设计至关重要，必须加强过流保护机制的研究和应用，以确保设备和人员的安全。

根据《油浸式电力变压器技术参数和要求》，计算不同变压器的额定空载电流值，考虑电流峰值的影响，以额定空载电流值的1.5倍作为空载实验电流限定值。将变压器信息与空载实验电流限定值进行列表，建立配电变压器过流数据库。数据库(部分)如表1所示，第1~8列分别为变压器额定容量、高压侧额定电压、低压侧额定电压、空载损耗、联结组标号、短路阻抗、空载电流、空载试验电流限定值。

Table 1. Overcurrent protection database (partial)

表1. 过流保护数据库(部分)

该数据库由微处理器管理，通过对比变压器参数与数据库中的信息，自动设定空载限定电流，并在测试过程中实时监测。当空载电流超过限定值时，微处理器会自动切断电源，停止实验，以保护实验的安全性。

空载损耗，负载损耗计算流程如下所示。根据JB/T 501-2006《电力变压器试验导则》的要求：在进行空载损耗测试时，电压平均值与有效值之差在3%以内，且试验电压以平均值为准[7]。

空载损耗计算流程：首先计算电压畸变偏移量(d)，判断实验的有效性；再计算A、B、C三相功率(P)，求和得到三相总功率(P_k)；最后进行电压波形校正测量后的空载损耗(P₀')。

负载损耗计算流程：首先计算三相功率(P)和总功率(P_k)；其次根据高压侧额定电流(I_E)和高压侧额定电压(U_E)，以及变压器额定容量(S)计算额定电流下的负载功率(P_kd)；然后折算实验温度(t)到参考温度(T)得到折算系数(K_t)。折算直阻温度(t₁)到实验温度(t)得到折算系数(K_t1)；再通过这些折算系数，计算实验温度下的短路阻抗(U_kt)和负载损耗(P_kd)；最后通过I_E、高压侧线电阻(R_H)、低压侧额定电压(U_e)、低压侧线电阻(R_L)等数据，利用K_t1和K_t，计算得到参考温度下的短路阻抗(U_k)和负载损耗(P_t)。变压器损耗计算流程如图6所示。

4.2. 非线性数据优化算法

非线性过零点数据优化方法旨在提高电压电流互感器测量数据的准确性，消除干扰，提高测量精度。该方法是在过零点优化法的基础上进行改进的，用于实时测量空载试验中变压器能效计算所需的电压、电流。电压和电流信号通过电压互感器和电流互感器转换为电压信号进行测量。在测量过程中，由于电压或电流波形的畸变以及A/D量化误差等因素，采样数据存在一定误差，导致实时电压幅值和周期的计算结果也会产生偏差。该方法能有效降低这些偏差，具体流程如下：

(a)

(b)

Figure 6. Transformer loss calculation process: (a) Load loss calculation flowchart; (b) No-load loss calculation flowchart

图6. 变压器损耗计算流程：(a) 负载损耗计算流程图；(b) 空载损耗计算流程图

1) 建立目标函数：

理想情况下检测到的正弦波形满足u = U_nsin(t/T + φ)，建立如下目标函数：

$g\left(U_n,T,\phi \right)={{\displaystyle \underset{i}{\sum }\Vert U_n\sin \left(\frac{2\pi t_i}{T}+\phi \right)-u_i\Vert }}^2$ (1)

其中，i为取样点数，t_i和u_i分别为采样时刻与采样值。当目标函数g达到最小值时，即非线性优化后测试数据更精确，正弦函数与理想值最接近。

2) 利用牛顿迭代的方式求解上述目标函数[8] [9]；令x = [U_n, T, φ]^T，则函数f(x)可表示为：

$f\left(x\right)=U_n\sin \left(\frac{2\pi t}{T}+\phi \right)-u$ (2)

f(x)的线性化方程表示为：

$f\left(x\right)=f\left(x_0\right)+\frac{\partial f}{\partial x}\left(x-x_0\right)=f\left(x_0\right)+\frac{\partial f}{\partial x}\Delta x$ (3)

其中，x₀为设置的初始值；当∂g/∂x = 0时，函数取得极值，即：

$\Delta x={\left({\displaystyle \underset{i}{\sum }{\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)}^T\frac{\partial f}{\partial x}}\right)}^{-1}{\displaystyle \underset{i}{\sum }{\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)}^{T}f\left(x_0\right)}$ (4)

3) 获取修正参数(x)：

通过迭代过程，使用公式x = x₀ + Δx求解修正参数(x)。将x代入函数g求得x)的值。重复迭代过程，直到g(x)的值大于上一次的值，则停止整个过程，最终得到的x即为非线性过零点优化后的数据。

4.3. 电压、电流、功率测量误差分析

误差分析实验采用ZT3510智能配电终端检测仪作为标准源表，设备精度为0.1级，输出电压范围0~450 V，电流0~12 A。由于输出电流不足，为模拟400 kVA变压器高压侧额定电流，需将导线绕电流互感器三匝，相当于输出0~36 A电流。通过检测仪将不同的电压、电流信号输出至配电变压器能效检测装置的电压、电流测量模块，验证其测量精度。测量结果如图7所示。

(a) (b)

(c)

Figure 7. Voltage, current and power measurement results: (a) Voltage error; (b) Current error; (c) Power error

图7. 电压、电流、功率测量结果：(a) 电压误差；(b) 电流误差；(c) 功率误差

根据图7的数据显示，该装置在整体电压测量上的误差小于0.2%，电流测量误差小于0.5%，功率测量误差小于1%。随着电压、电流和功率的增加，测量误差呈下降趋势。这是由于样本量增加，微小的测量偏差对精度的影响减弱，导致误差百分比降低。对于最小容量的配电变压器(30 kVA)，电压检测误差为0.09%，电流检测误差为0.3%。检测结果表明，即使在最小容量下，该装置仍保持良好的检测精度。

(a) (b)

Figure 8. On-site pictures of transformers: (a) Parameter setting; (b) Field wiring

图8. 变压器现场图片：(a) 参数设置；(b) 现场接线

5. 现场测试与结果分析

5.1. 现场接线

在高电压实验室，对一台型号为S11-M-30/10、400 V/10 kV、30 kVA的配电变压器进行能效检测。该待测变压器参数设置如图8(a)所示。能效检测试验接线如图8(b)所示，被测变压器与能效检测装置距离约2 m，与操作台距离大于1 m，操作人员与高压设备距离大于0.7 m，符合国家电网10 kV高压设备安全工作规定。

5.2. 结果分析

被测变压器能效检测全自动实验流程仅需8分钟。空载损耗测试具体参数如表2所示，第2~8列分别为平均值电压U_m、方均根值电压U_r、线电流I、功率因数cosφ、电压畸变偏移量d、总空载损耗P_o、额定电压下的空载损耗P_s。

Table 2. No-load loss test data

表2. 空载损耗测试数据

负载损耗测试具体参数如表3所示。第2~第8列分别为方均根值电压U_r、线电流I、功率因数cosφ、实验温度下的短路阻抗U_kt、参考温度下的短路阻抗U_k、总负载损耗P_k、温度校正后的负载损耗P_t。

Table 3. Load test data

表3. 负载试验数据

根据表2和表3中的实测数据可知，该被测变压器电压畸变偏移量d < 3%，表明该空载实验符合要求，空载损耗为116.88 W > 80 W，负载损耗为0.6861 kW > 0.63 kW。空载损耗和负载损耗均超出GB 20052-2020规定的3级能效变压器负载损耗值，该变压器为非能效变压器。

6. 结语

本文针对配电变压器能效检测传统方法检测时间长、检测精度低、安全性低、灵活性差、操作复杂等问题，研制了一种一体化接线配电变压器能效检测装置，并对该装置的能效检测效果进行了试验研究，得出以下结论。

1) 通过对变压器进行实际测量，平均单台变压器检测时间为8分钟，显著提高了检测效率。

2) 对装置测量精度进行了多次、多参数检测，整体电压测量精度达到0.2级，电流达到0.5级，功率达到1级。

3) 在能效检测过程中，电路可能出现大电流威胁到实验设备和测试人员的安全，通过建立过流保护数据库，控制器可以快速切断电源，保证实验的安全性；装置安全距离满足国标要求，控制箱与装置实现强弱电隔离，保证试验人员的安全，安全性高。

4) 采用一体化接线设计，对装置结构进行优化，实现了空负载接线的自动切换，整个实验过程仅需进行一次接线，简化了接线步骤。

基金项目

湖北省教育厅科学研究项目“大学生创新创业训练项目质量提升的路径优化研究”(21Y066)

参考文献