基于灰GM（1，1）模型的變壓器油溫監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

馬 勇 陶玉麒 張海濤 蔡桂民

（國(guó)網(wǎng)信陽(yáng)供電公司，河南 信陽(yáng)464000）

0 引言

電力變壓器作為電力系統(tǒng)中最主要的電氣設(shè)備之一，其運(yùn)行可靠性將直接影響到電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，保證變壓器運(yùn)行可靠性意義重大［1］。

目前，變壓器的冷卻方式主要有以下三種：油浸自冷式、油浸風(fēng)冷式、強(qiáng)迫循環(huán)冷卻式，其中油浸風(fēng)冷式電力變壓器占有很大份額。現(xiàn)有方法對(duì)變壓器頂層油溫的監(jiān)控仍然不是十分理想，尋求一種安全可靠的變壓器油溫智能監(jiān)控方案，對(duì)提高變壓器的運(yùn)行效率至關(guān)重要［2－3］。本文設(shè)計(jì)了一種變壓器油溫智能型監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)建立油溫灰色理論GM（1，1）數(shù)學(xué)模型對(duì)頂層油溫進(jìn)行預(yù)測(cè)，設(shè)置啟停溫度上、下限，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油溫的監(jiān)控，避免冷卻風(fēng)機(jī)頻繁啟停的問(wèn)題，保證變壓器冷卻裝置啟動(dòng)后油溫所能達(dá)到的最高值不會(huì)超過(guò)規(guī)定的上限。

1 油溫預(yù)測(cè)灰GM（1，1）數(shù)學(xué)模型建立

灰色理論是一門研究信息部分清楚、部分不清楚并帶有不確定性現(xiàn)象的應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)科［4］。

灰色模型是一種少數(shù)據(jù)模型，灰模型GM（1，1）的建立，需要的數(shù)據(jù)少到4個(gè)。油溫變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，在建模前我們假定：在較短的時(shí)間間隔內(nèi)，溫度變化率不會(huì)出現(xiàn)太大的波動(dòng)。油溫采樣時(shí)間間隔一般為10～20s，我們?nèi)〔蓸娱g隔T為10s，采樣時(shí)間為100ms，采樣開(kāi)始后，數(shù)字溫度傳感器將連續(xù)采樣得到的4個(gè)溫度值存儲(chǔ)在單片機(jī)指定的數(shù)組x（0）中，而后每采樣一次，就刪除數(shù)組中最早采集的溫度值，并將新的數(shù)據(jù)值存入而重新組成一個(gè)新的數(shù)組。

定義x（0）為原始序列，x（1）＝AGOx（0），z（1）＝MEANx（1），則對(duì)于GM（1，1）定義型為：

式中，a為發(fā)展系數(shù)；b為灰作用量，具有灰信息覆蓋，為系統(tǒng)的輸入，是灰因；x（0）（k）為可觀測(cè)的量，是系統(tǒng)行為，具有白信息覆蓋，是系統(tǒng)的“果”，稱為“白果”。

灰音和白果的邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 F46"G"7方框圖

對(duì)于原始序列x（0）及其 AGO 序列x（1），經(jīng)過(guò) GM（1，1）白化模式的響應(yīng)式如下：

通過(guò)以上變換可知，將k＝4代入式（3）可以得到第五個(gè)預(yù)測(cè)值，即油溫的預(yù)測(cè)溫度值：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以AT89S52為核心，通過(guò)數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集頂層油溫，并經(jīng)過(guò)LED數(shù)碼管顯示溫度值。整體硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

溫度傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)送入AT89S52后會(huì)進(jìn)行儲(chǔ)存，當(dāng)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)量滿足條件后，AT89S52會(huì)采用灰色預(yù)測(cè)模型算法預(yù)測(cè)下一時(shí)刻頂層油溫的趨勢(shì)，當(dāng)預(yù)測(cè)溫度值高于設(shè)定的上限溫度值時(shí)，則AT89S52發(fā)出信號(hào)開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)，三相固態(tài)繼電器導(dǎo)通，冷卻風(fēng)機(jī)工作。如果冷卻系統(tǒng)開(kāi)啟后，變壓器油溫仍不斷升高，且溫度高出上限值，則AT89S52會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)可以通過(guò)數(shù)字鍵盤(pán)模塊改上限溫度，還可以根據(jù)需要采取手動(dòng)輸入模式啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)。

2．1 控制電源模塊設(shè)計(jì)

為得到穩(wěn)定的系統(tǒng)工作電壓，本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)220VAC經(jīng)變壓裝置降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，產(chǎn)生了＋5V、＋12V直流輸出，解決了單片機(jī)與外圍輔助電路的電壓匹配問(wèn)題。電源電路如圖3所示。

2．2 溫度測(cè)控模塊設(shè)計(jì)

圖3 控制電源電路

本系統(tǒng)采用美國(guó)DALLAS公司的DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)變壓器頂層油溫的信號(hào)采集功能，可輸出精度分別為9～12位（二進(jìn)制）數(shù)字量，來(lái)直接表示所測(cè)量的溫度值，溫度值經(jīng)過(guò)DS18B20的數(shù)據(jù)總線直接輸入到AT89S52單片機(jī)進(jìn)行處理，無(wú)需A／D轉(zhuǎn)換。溫度傳感器電路連接圖如圖4所示。

圖4 溫度傳感器電路連接圖

2．3 冷卻系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)TLP521光耦與單片機(jī)進(jìn)行隔離，通過(guò)ULN2803A達(dá)林頓管提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)三相交流固態(tài)繼電器，以實(shí)現(xiàn)控制冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行的目的。系統(tǒng)采用杭州西子三相交流固態(tài)繼電器SSR－3H480D75G控制冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行，冷卻系統(tǒng)控制電路如圖5所示。

圖5 冷卻系統(tǒng)控制電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

變壓器油溫監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具備系統(tǒng)及故障檢測(cè)、相關(guān)參數(shù)設(shè)置、溫度及故障顯示、冷卻系統(tǒng)控制及保護(hù)等功能。

3．1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要功能是：調(diào)用各子程序、定值的記取、顯示器代碼生成、歷史數(shù)據(jù)保存及控制功能的實(shí)現(xiàn)等。軟件主程序流程圖如圖6所示。

3．2 風(fēng)機(jī)控制判斷子程序設(shè)計(jì)

設(shè)由GM（1，1）模型預(yù)測(cè)的T時(shí)間后溫度為Wt，系統(tǒng)設(shè)置的上限溫度為Wup。則系統(tǒng)啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)的判據(jù)為：

圖6 主程序流程圖

系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)溫度下限值Wdown，當(dāng)變壓器油溫下降過(guò)程中預(yù)測(cè)溫度低于Wdown時(shí)就停止冷卻風(fēng)機(jī)。則停止冷卻風(fēng)機(jī)的條件為：

如果變壓器油溫在Wdown≤Wt≤Wup范圍，冷卻風(fēng)機(jī)將保持原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)不變。本系統(tǒng)設(shè)定溫度上限值Wup比下限值Wdown高5℃，根據(jù)地域差別及現(xiàn)場(chǎng)需求不同，溫度上限值、下限值可由用戶自定義。風(fēng)機(jī)控制判斷子程序流程圖如圖7所示。

圖7 風(fēng)機(jī)控制判斷子程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)油溫監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了多次檢驗(yàn)和測(cè)試，并在相同條件下與普通常規(guī)控制系統(tǒng)比較，試驗(yàn)證明，達(dá)到了預(yù)想的設(shè)計(jì)要求。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程如圖8所示，基礎(chǔ)油溫25℃，環(huán)境溫度25℃左右，通過(guò)不斷增加試驗(yàn)變壓器負(fù)載，試驗(yàn)變壓器油溫上升，當(dāng)負(fù)載達(dá)到一定程度，在t1時(shí)刻，系統(tǒng)通過(guò)灰GM（1，1）模型預(yù)測(cè)的溫度達(dá)到上限值55℃時(shí)，系統(tǒng)正確控制啟動(dòng)了冷卻風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行正常穩(wěn)定，變壓器油溫變化保持在一個(gè)允許范圍以內(nèi)；當(dāng)負(fù)載增大到最大值后，隨著負(fù)載的不斷減小，油溫下降，當(dāng)溫度低于系統(tǒng)設(shè)定的預(yù)測(cè)溫度下限值50℃時(shí)，冷卻風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。相同條件下常規(guī)控制系統(tǒng)與本預(yù)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的對(duì)比示意圖如圖8所示。

圖8 常規(guī)與預(yù)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控效果對(duì)比示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種變壓器油溫監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)用灰建模的方法建立油溫的灰色GM（1，1）預(yù)測(cè)模型，采用預(yù)測(cè)溫度的方法來(lái)尋找恰當(dāng)?shù)膯?dòng)溫度，使冷卻風(fēng)機(jī)超前啟動(dòng)，達(dá)到了控制油溫的目的。本系統(tǒng)具有精度高、可靠性好等特點(diǎn)，可有效解決負(fù)荷急增情況下變壓器頂層油溫失控現(xiàn)象及溫度節(jié)點(diǎn)附近風(fēng)機(jī)啟停繼電器頻繁投切的問(wèn)題。

［1］董寶驊．大型油浸電力變壓器應(yīng)用技術(shù)［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2014．

［2］袁興起，楊雙艷．變壓器油溫監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)［J］．河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，33（5）：626－629．

［3］趙君有．灰色GM（1，1）模型及其在電力負(fù)荷預(yù)測(cè)中的優(yōu)化應(yīng)用［J］．沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，3（1）：35－37．

［4］鄧聚龍．灰預(yù)測(cè)與灰決策［M］．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002．