電力變壓器油溫的智能控制及監(jiān)測系統(tǒng)設計

李長華，齊向東

(太原科技大學 電子信息工程學院，太原 030024)

在變電站中，大型油浸式變壓器的冷卻系統(tǒng)一般采用強迫油循環(huán)風冷式變壓器冷卻系統(tǒng)。目前，這種冷卻系統(tǒng)一般采用PID 溫控方式，以變壓器頂層油溫作為輸入量，通過 PID控制器啟停冷卻器來實現(xiàn)。在這種控制模式下，冷卻系統(tǒng)易頻繁啟動，繼電開關易腐蝕、老化而出現(xiàn)故障，且無法實現(xiàn)與監(jiān)控中心的自動化通信，經常出現(xiàn)故障，大大降低了變壓器系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，嚴重地影響了電網(wǎng)的可靠運行。變壓器在運行時經常受到負載、外界溫度等多種因素影響，無法獲得精準的油溫控制模型，使得PID溫控方式的降溫效果不是十分理想[1-4]。

針對以上存在的問題，同時為了實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡化和信息化的變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)，本文以強迫油循環(huán)風冷式冷卻系統(tǒng)為被控對象，提出應用變頻器來控制變壓器冷卻裝置，將專家的控制經驗及推理過程納入系統(tǒng)當中，對常規(guī)的模糊控制方法進行優(yōu)化，設計出一套新型的電力變壓器油溫的智能控制及監(jiān)測系統(tǒng)。本文給出一個兩臺220 kV變壓器的冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的具體設計方案，系統(tǒng)設計合理，技術方案正確，操作方便，人機交互性好，基本滿足了變電站的實際運行需要，為實現(xiàn)變電站的綜合自動化系統(tǒng)奠定了良好的基礎?？梢詮V泛應用在變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)功能目標

按照強迫油循環(huán)風冷式變壓器冷卻系統(tǒng)運行要求，本控制系統(tǒng)應具有以下功能特點：

a.能完成一般冷卻控制裝置的所有功能。

b.冷卻系統(tǒng)采用兩組獨立電源供電，工作時互為備用。

c.系統(tǒng)應有“就地”和“遠程”、“自動”和“手動”等多種操控模式，以更好地實現(xiàn)對冷卻系統(tǒng)的實時控制。

d.系統(tǒng)以變壓器負荷電流、頂層油溫為依據(jù)，實現(xiàn)對變頻器輸出頻率的控制，進而實現(xiàn)對變壓器冷卻系統(tǒng)風扇的控制，確保對主變壓器運行中油溫的控制。實時監(jiān)視主變油溫、冷卻系統(tǒng)運行工況等信息。

e.每組冷卻器中的4臺冷卻風扇能夠自動識別、自動控制啟、停，據(jù)每臺風扇的累計運行時間，均衡分配運行時間，使電動機組循環(huán)運行。

f.以固態(tài)繼電器取代傳統(tǒng)接觸器等執(zhí)行元件，實現(xiàn)控制的無觸點化，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

建立科學合理的審計質量評價機制，首先要從制度上給予質量評價相應的依據(jù)。目前我國在這一方面才剛剛起步，許多事物尚且停留在總括式概念的程度。因此金融監(jiān)管部門應當在基于本國國情的基礎上借鑒外來經驗，建立起一套適應我國國情的審計質量評價機制。加強質量評價隊伍建設，培養(yǎng)高素質的審計質量評價專業(yè)人士，提高質量評價隊伍的準入門檻，堅持擇優(yōu)錄取的同時也要合理配置人才資源，做到人盡其才。

g.通過監(jiān)測控制裝置能夠實現(xiàn)對冷卻系統(tǒng)本體(潛油泵、風扇等)、電源回路、變壓器主體等的保護控制，并發(fā)出故障顯示、報警信號等信息。

h.上位計算機除實現(xiàn)參數(shù)修改，報表打印等基本功能外，還能與變電站微機監(jiān)控系統(tǒng)通信，上傳主變油溫、冷卻系統(tǒng)故障等信息。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)硬件架構

強迫油循環(huán)風冷式變壓器冷卻系統(tǒng)主要由上位計算機監(jiān)控模塊(主控制器)、就地控制與顯示模塊、可編程控制器、電源監(jiān)視控制模塊、信息采集監(jiān)控模塊、通訊模塊、變頻器、潛油泵和冷卻系統(tǒng)風扇等構成。強迫油循環(huán)風冷式變壓器冷卻系統(tǒng)硬件組成的功能設計與架構如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)構成Fig.1 Structure of hardware system

a.上位計算機監(jiān)控模塊(主控制器)負責與其他控制模塊進行信息交流與協(xié)調，是中央處理系統(tǒng)，依靠程序指令，從串口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內讀取變壓器和冷卻系統(tǒng)各種類型的運行信息、故障信息，實現(xiàn)信息在上位計算機的動態(tài)顯示和在線參數(shù)設置等功能。

b.可編程邏輯控制器是冷卻控制系統(tǒng)的核心，主要負責模擬量、開關量的接收及輸出，對動作切換進行邏輯條件判斷，以及對冷卻系統(tǒng)風扇進行運動控制。

c.就地控制和顯示模塊實現(xiàn)在控制系統(tǒng)控制箱側的就地控制，同時其顯示面板能顯示變壓器油溫、冷卻系統(tǒng)運行工況等狀態(tài)信息。

d.信息采集監(jiān)控模塊對變壓器頂層油溫及負荷電流等信息進行實時采集，上傳至可編程邏輯控制器。同時對控制箱周圍介質、環(huán)境溫度進行監(jiān)測，進而實現(xiàn)對控制箱主體溫度的控制。

e.通訊模塊通過PLC上的RS485口與上位計算機相連接，PLC通過采取OPC通訊方式實現(xiàn)與上位計算機的通信，傳遞控制信號、狀態(tài)信息等，以便運行值班人員了解設備的運行狀態(tài)。

2.2 控制系統(tǒng)軟件架構

針對強迫油循環(huán)風冷式變壓器冷卻系統(tǒng)工作的工藝要求，結合硬件系統(tǒng)設計方案，對系統(tǒng)軟件進行總體功能架構，如圖2所示，主要由上位智能控制系統(tǒng)及底層運動控制系統(tǒng)組成。上位智能控制系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)主控程序和人機交互界面。底層運動控制系統(tǒng)主要包括電源監(jiān)視控制模塊、信息采集監(jiān)控模塊、變頻器控制等模塊，其中變頻器控制模塊控制冷卻系統(tǒng)風扇的運行。

圖2 軟件系統(tǒng)構成Fig.2 Structure of software system

2.3 控制系統(tǒng)功能模塊設計

在控制系統(tǒng)軟件架構設計完成后，對上位智能控制系統(tǒng)及底層運動控制系統(tǒng)的各子模塊進行控制具體設計。

a.人機交互界面。為方便對變壓器冷卻系統(tǒng)的管理，變壓器的上位機監(jiān)控界面設計時應該考慮加入冷卻系統(tǒng)監(jiān)控部分[5]。本系統(tǒng)主要包括就地/遠控轉換、自動/手動轉換、溫度設置和負荷監(jiān)控等控制參數(shù)的輸入界面；溫度、負荷等實時監(jiān)控界面；智能優(yōu)化界面以及用戶登陸，報表管理、報警系統(tǒng)的設計。用戶通過人機交互界面對強迫油循環(huán)風冷式變壓器冷卻系統(tǒng)工作過程進行監(jiān)控，交互界面與主控程序之間的信息數(shù)據(jù)交換協(xié)議必須根據(jù)數(shù)據(jù)屬性進行定義。

本系統(tǒng)利用計算機作為上位機，用西門子WinCC V6.2組態(tài)軟件作為程序開發(fā)軟件平臺和PLC為下位機處理器，OPC為通信標準組成一個變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)。為了能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和控制的高響應性，主控制器的采樣周期設為1 ms.

b.變頻運動控制。通過此模塊，主控程序將控制信號傳輸給變頻器，變頻器驅動冷卻系統(tǒng)風扇的運動。系統(tǒng)采用西門子MM440變頻器，PLC通過RS485接口，使用USS通信協(xié)議實現(xiàn)對變頻器的控制，包括對變頻器的起/停、故障檢測/復位、輸出頻率大小的控制。

c.通訊模塊。PPI協(xié)議是西門子S7-200系列PLC常用通信協(xié)議，但WinCC中沒有集成該協(xié)議，即WinCC不能直接監(jiān)控S7-200系列PLC組成的控制系統(tǒng)。S7-200 OPC Server是西門子公司推出的專為解決上位機監(jiān)控S7-200系列PLC控制系統(tǒng)的接口軟件。因此，WinCC可以通過該軟件與S7-200系列PLC很方便的建立通信[6]。

2.4 智能模塊設計

本系統(tǒng)主要是通過PLC主控程序將控制信號傳輸給變頻器，變頻器再驅動冷卻系統(tǒng)風扇的運動。系統(tǒng)有2組冷卻用電動機組，每組4臺冷卻用風扇。M1、M2、M3、M4既可以變頻運行又可以工頻恒速運行，組成變頻循環(huán)運行方式。系統(tǒng)首先啟動一臺冷卻風扇作為變速冷卻風扇，當變壓器油溫發(fā)生變化，變頻器輸出頻率達到50 Hz時，若散熱效果仍不能達到用戶要求，則該臺冷卻風扇退出變頻狀態(tài)，轉入工頻，啟動另外一臺冷卻風扇變頻運行。以此循環(huán)，構成“一拖四”的運行方式。

系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

a.模糊控制模塊設計

本系統(tǒng)的控制對象是變壓器油液溫度，由于系統(tǒng)油液溫度變化具有滯后性，加之溫度控制對實時性要求不高，可以只考慮溫差即可，而不必考慮溫差的變化率。所以這里選用負荷電流作為輸入量，就可以在溫度變化前根據(jù)負荷的變化來提前改變冷卻功率。綜上本文對常規(guī)的模糊控制方式進行優(yōu)化，提出用以負荷電流和頂層油溫溫差作為輸入量的模糊控制算法來控制變壓器油液的溫度。

圖3 主程序流程圖Fig.3 The main program flow chart

本系統(tǒng)采用查表法，所以設計模糊控制器的主要任務是求取模糊控制表。

根據(jù)實際強迫油循環(huán)風冷式變壓器風冷系統(tǒng)控制要求，本系統(tǒng)采用雙輸入單輸出模糊控制器以變壓器頂層溫度溫差X1和變壓器負荷電流X2作為模糊控制器的輸入語言變量。以變頻器頻率Y為輸出語言變量。根據(jù)工藝的要求和實際控制經驗，選取頂層油溫差X1的模糊子集為{溫差較大(PT)，溫差適中(ZT)，溫差較小(NT)}.模糊論域為{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，隸屬函數(shù)為鐘形隸屬函數(shù)，具體如圖4所示。

圖4 頂層溫度偏差隸屬函數(shù)Fig.4 Top temperature deviation of membership function

同理，變壓器負荷電流X2的模糊子集為{負荷較大(PT)，負荷適中(ZT)，負荷較小(NT)}.模糊論域為{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，隸屬函數(shù)為高斯函數(shù)；變頻器頻率Y的模糊子集為{PB，PM，PS，PZ，ZO，NZ，NS，NM，NB}.模糊論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，隸屬函數(shù)為三角函數(shù)。根據(jù)實際專家經驗得出模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rules

依據(jù)這些控制規(guī)則，本系統(tǒng)的蘊含算法取最小即Mamdani算法，綜合算法取最大即各規(guī)則的模糊集取“并”，解模糊算法取重心法。至此可得在溫差和負荷作用下的輸出曲面如圖5所示。

圖5 控制器的二維輸出曲面圖Fig.5 Two-dimensional output surface chart of controller

在上述離線運算過程中，最終得到模糊控制查詢表如表2所示。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 用PLC進行模糊控制查詢表的設計

根據(jù)我們離線生成的控制系統(tǒng)模糊查詢表，我們可以在PLC中結合S7-200中的填表指令(ATT)進行程序的設計，鑒于有符號的數(shù)在PLC中處理很不方便，且容易出錯，所以我們把X1、X2、Y都加上一個目標偏移量5，使得其論域從[-5，5]離散區(qū)間轉換到[0，10]離散區(qū)間，同時為了簡化程序，將Y的數(shù)值擴大100倍，這樣就得到一個新的表格3.并且把表格3中的數(shù)據(jù)按從左到右，自上至下的順序一次編號為0，1，2，3……120.

3.2 建立WinCC與PLC的OPC通信

為了實現(xiàn)組態(tài)軟件WinCC與S7-200系列PLC的OPC通信方式，上位機需安裝PC Access軟件，其中PC Access相當于一個OPC Server，WinCC從而以OPC的方式讀取PC Access中的PLC數(shù)據(jù)[7]。

a.在PC Access中組態(tài)OPC Server

在控制面板中設定PG/PC接口參數(shù)。在Access Point of the Application中選擇Computing，Interface參數(shù)選擇PC/PPI Cable。在 PC Access中創(chuàng)建PLC添加S7-200 CPU站點，然后創(chuàng)建Folder，接下來創(chuàng)建Item，最后測試通信質量。

b.在 WinCC V6.2中組態(tài) OPC Client

在WinCC變量管理器中添加一個新的驅動程序，新的驅動程序選擇OPC.CHN，在OPC GROUPS中新建一個連接，打開屬性，選擇OPC Group Setting，OPC服務器名稱為OPC Server。然后在選擇此OPC，點擊“瀏覽服務器”，依次打開，就可以找到在PC Access軟件下建立的相應PLC變量，選擇變量添加條目，以此執(zhí)行即可。

3.3 監(jiān)控畫面的設計

根據(jù)冷卻系統(tǒng)的設計思想和實施方案，在主控界面上應該包括冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)，系統(tǒng)工況操作按鈕，參數(shù)設置等。主控界面如圖6所示：

表3 控制系統(tǒng)的模糊查詢表(變化表)Tab.3 Fuzzy query tables of control system (Changed table)

圖6 主監(jiān)控界面Fig.6 The main control interface

圖7 現(xiàn)場變壓器油溫歷史曲線Fig.7 History curve of oil temperature of on-site transformer

在冷卻系統(tǒng)主畫面中，分別展示了1#、2#變壓器冷卻器組的主電源、就地/遠程、自動/手動、運行等工況的指示狀態(tài)，及其變壓器頂層油溫等參數(shù)。在趨勢曲線畫面中顯示了實時和歷史數(shù)據(jù)曲線。報警信息和報表輸出分別在相應的畫面中展示。操作者通過點擊畫面頂部的按鈕實現(xiàn)畫面間的跳轉。

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)與驗證

根據(jù)本文所述原理，該裝置在華北某變電站進行了試運行。該站有兩臺220 kV變壓器，每臺變壓器配備有兩臺1.5 kW潛油泵，4臺0.75 kW冷卻系統(tǒng)風扇。裝置能準確地控制冷卻器組的各種運行狀態(tài)，取得了良好的降溫效果，同時實現(xiàn)了對潛油泵、冷卻系統(tǒng)風扇運行工況的準確監(jiān)控，并上傳至變電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)。突破了傳統(tǒng)的控制模式，解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在的一些問題，達到了預期目的?，F(xiàn)場變壓器油溫歷史曲線如圖7所示。

5 結束語

以強迫油循環(huán)風冷式變壓器冷卻系統(tǒng)為研究對象，提出電力變壓器油溫的智能控制及監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，與傳統(tǒng)的控制方案相比，其將PLC技術、變頻技術與智能優(yōu)化技術相結合，為新一代變壓器油溫控制系統(tǒng)的設計開發(fā)與油溫控制裝備智能化的產業(yè)升級換代提供了理論支持和方法思路，對變壓器安全、可靠運行有重要的現(xiàn)實意義。

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