基于STM32的變壓器風冷控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

吳學正，黃一然

（國網(wǎng)河北省電力公司青縣供電分公司，河北滄州 062651）

基于STM32的變壓器風冷控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

吳學正，黃一然

（國網(wǎng)河北省電力公司青縣供電分公司，河北滄州 062651）

目前，變壓器風冷控制系統(tǒng)多采用可編程邏輯控制器（PLC）或數(shù)字信號處理（DSP）芯片作為控制核心，控制系統(tǒng)中考慮的影響因素較少。隨著STM32系列芯片技術(shù)的發(fā)展，其以完全具備DSP芯片主要功能模塊，并以低廉的價格成為自動控制領(lǐng)域中的重要元件。本設(shè)計參照現(xiàn)有變壓器風冷控制系統(tǒng)，設(shè)計了以STM32為主控芯片的風冷控制系統(tǒng)。加入脈沖寬度調(diào)制（PWM）軟啟動、有差值裕度的投、切溫度閥值、風機分組啟停、按負荷及繞組溫度投切、故障保護等多種功能，優(yōu)化了變壓器風冷控制系統(tǒng)，提高了風冷系統(tǒng)的可靠性，延長了其使用壽命。

風冷系統(tǒng)；差值裕度；故障保護；軟啟動

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備。目前，電力系統(tǒng)中的大容量變壓器主要為油浸式。該類型變壓器在運行中內(nèi)部鐵芯和繞組會產(chǎn)生部分損耗并以熱能的形式傳遞出去，使變壓器的溫度升高。變壓器溫升影響其帶載能力，同時也會加速絕緣老化，影響其使用壽命。變壓器風冷系統(tǒng)對提高電力系統(tǒng)的可靠性，保證變壓器安全可靠運行起著至關(guān)重要的作用。研究出經(jīng)濟高效的風冷控制系統(tǒng)對降低風冷系統(tǒng)故障率，延長風冷系統(tǒng)使用壽命具有重要意義［1-2］。

1 變壓器風冷控制系統(tǒng)優(yōu)化

1.1 主控芯片選擇

控制變壓器風冷系統(tǒng)的裝置多采用單片機、可編程邏輯控制器（PLC）。近年來，數(shù)字信號處理（DSP）芯片以本身自帶而無需另外擴展A/D轉(zhuǎn)換模塊、脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊，可選多種通信接口，抗干擾能力強等優(yōu)點代替了單片機和PLC成為控制風冷系統(tǒng)的主要元件。目前，隨著STM32系列芯片技術(shù)的發(fā)展，以具備DSP芯片優(yōu)點并以低廉的價格成為風冷控制系統(tǒng)的首選元件［3-4］。

1.2 風冷電機控制優(yōu)化

1.2.1 風冷電機控制優(yōu)化的必要性

電力變壓器風冷系統(tǒng)主要由專用鼠籠式異步電動機和安裝于電機轉(zhuǎn)子軸端的軸流式風扇組成。風扇很少出現(xiàn)故障，大多數(shù)故障是由異步電動機或其控制箱引起的，其中95%的故障是由異步電動機造成［5-7］。因此，在設(shè)計變壓器風冷系統(tǒng)時要考慮降低風冷電機磨損，延長電機壽命，從而降低故障率。

1.2.2 采用PWM軟啟動

不采用任何啟動裝置，直接加額定電壓到定子繞組啟動電機時，電動機轉(zhuǎn)速迅速由零上升到額定轉(zhuǎn)速，啟動瞬間電機的電流可達額定電流的4～8倍，啟動轉(zhuǎn)矩可達額定轉(zhuǎn)矩的2倍以上，這會嚴重影響電機的使用壽命。STM32芯片自帶PWM功能模塊，配合風冷系統(tǒng)電機驅(qū)動電路可實現(xiàn)異步電機軟啟動，降低電機啟動電流，延長其使用壽命。

1.2.3 采用有差值裕度的投、切溫度閥值

傳統(tǒng)變壓器風冷控制系統(tǒng)在控制風冷裝置自動投、切時大多采用的方法是：設(shè)定一固定不變的溫度閥值，變壓器油溫超過該值時繼電器動作，投入風冷裝置；油溫低于設(shè)定值時切除風冷裝置。這類方法的缺點是當變壓器油溫在溫度閥值附近來回波動時，將致使風冷裝置頻繁投切［8］。

本文中變壓器風冷控制裝置采用一種新型的投切控制策略——有差值裕度的投、切溫度閥值的投切控制，這種控制策略經(jīng)證實可以有效地避免風機的頻繁投切，從而延長風機使用壽命。

當變壓器油溫上升時，油溫超過tt時，投入部分風冷裝置；當變壓器油溫下降，油溫低于tq，切除部分風冷裝置；當變壓器油溫在tq～tt之間時，裝置不做投切動作，如圖1所示。

1.2.4 冷卻風機分組啟、停

冷卻風機控制采用分組啟、停方式，即將整臺主變壓器全部冷卻風機分成2組或2組以上，冷卻風機的投切按控制1組或多組風機同時啟停進行。在需要投切風冷裝置時參考累計運行時間和累計停止時間進行投切，如圖2所示。實踐證明該控制策略可減少風機啟停次數(shù)。

累計運行時間是指風冷裝置每次投入運行的時間。從風冷裝置投入運行開始計時，風冷裝置退出運行時清零，重新投入運行后重新開始計時［9-10］。同樣，累計停止時間表示風冷裝置每次退出運行的時間。

圖1 有差值裕度的風冷裝置投切示意

圖2 冷卻風機分組啟停程序流程

1.3 根據(jù)變壓器負荷、繞組溫度投、切電機

變壓器不能保證總是額定狀態(tài)下正常運行，偶爾會出現(xiàn)超負荷或繞組溫度超預定值現(xiàn)象，此時應(yīng)結(jié)合變壓器負荷、繞組溫度情況對變壓器風冷裝置的投、切進行控制，這樣既能最大限度發(fā)揮風冷裝置的作用，又能保證不會因未及時發(fā)現(xiàn)變壓器超負荷或繞組溫度超預定值未及時采取措施而造成問題擴大。

1.4 風冷系統(tǒng)故障保護

故障保護功能對保證變壓器安全運行至關(guān)重要。當變壓器風冷系統(tǒng)故障使風冷電機全退時，控制系統(tǒng)將對風冷裝置采取保護，如圖3所示。t1，tr通常取值為20min，t2取值不超過1 h。

圖3 冷卻風機按負荷、繞組溫度啟停流程

2 風冷控制系統(tǒng)整體方案及程序流程

基于STM32的變壓器風冷控制系統(tǒng)整體方案如圖4所示。風機狀態(tài)量不只包括風機的投、切狀態(tài)量，還包括風機是否故障狀態(tài)量。鍵盤控制可實現(xiàn)對風機狀態(tài)的就地控制。RS-485串口實現(xiàn)STM32主控單元與上位機之間通信。RS-485串口在本地通信領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛，在此不再贅述。

圖4 冷卻風機按負荷、繞組溫度啟停流程

3 結(jié)束語

隨著變壓器技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了多種新型變壓器，但油浸式變壓器以其冷卻能力強，繞組、鐵心溫度分布均勻，在電力系統(tǒng)中仍被廣泛使用。風冷系統(tǒng)是大型油浸式變壓器不可缺少的組成部分，對變壓器的安全運行起至關(guān)重要的作用。經(jīng)過論證，本設(shè)計具有完善的保護、監(jiān)視、顯示及通信功能，能夠有效地降低風冷系統(tǒng)的故障率，從而延長變壓器使用壽命，降低故障率。

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［4］劉和平，王淮俊，江渝，等.TM320LF24xDSP結(jié)構(gòu)、原理與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

［5］張繼蘭，王中強，田衛(wèi)東.大型變壓器風冷智能控制柜的設(shè)計［J］.電氣制造，2010（10）：36-38.

［6］畢金磊.基于PLC的變壓器風冷控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］.濟南：山東大學，2008.

［7］吳國旸，王慶平，李剛.基于數(shù)字化變電站的集中式保護研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（10）：15-18.

［8］龐紅梅，李淮海，張志鑫，等.110 kV智能變電站技術(shù)研究狀況［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（6）：146-150.

［9］何磊，郝曉光.數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的性能測試技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（10）：75-78.

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（本文責編：齊琳）

TP 273

B

1674-1951（2016）11-0021-02

吳學正（1987—），男，河北青縣人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)及其自動化研究方面的工作（E-mail：15922170732＠163.com）。

2016-03-07；

2016-08-19

黃一然（1975—），男，河北滄縣人，工程師，從事電力系統(tǒng)及其自動化研究方面的工作（E-mail：875825313＠qq.com）。