變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)控制器的研究

張金良

摘 要： 本文提出了一種以可編程控制器（PLC）為核心的變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)控制器，以全面實(shí)現(xiàn)變壓器冷卻系統(tǒng)的控制與通信功能。

本裝置的控制策略采用的是以變壓器的頂油溫度與變壓器的負(fù)荷相結(jié)合的方式，進(jìn)行控制投切冷卻器，以平衡冷卻器組的累積運(yùn)行時(shí)間為原則，進(jìn)行冷卻器的循環(huán)投切使用，試運(yùn)表明，該裝置不但可靠性、準(zhǔn)確性高，還有顯著節(jié)能，延長設(shè)備使用壽命的效果。

關(guān)鍵詞：變壓器 可編程控制器 冷卻系統(tǒng) 自動控制

Abstract：. This paper proposes a programmable controller （PLC） as the core of the transformer air cooling system controller to the full realization of control and communication functions transformer cooling system.

The device uses the control strategy is based on the top oil temperature of the transformer and the transformer load combination， controlled switching cooler， cooler cumulative run time balance group of principle and conduct a cooler cycle switching use ， trial operation showed that the device not only reliability， high accuracy， as well as significant energy savings， extended equipment life results.

Keywords：Transformer；Programmable logical controller；Colling system；Automatic control

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）09-0288-02

引言

電力變壓器的運(yùn)行條件是影響變壓器的使用壽命和運(yùn)行安全可靠性的重要因素之一，而變壓器運(yùn)行的溫度狀況則是諸多影響因素中最至關(guān)重要的一個(gè)，因此監(jiān)測和控制變壓器的運(yùn)行溫度就顯得十分重要了，那么變壓器冷卻控制系統(tǒng)的不斷改進(jìn)和升級便是大勢所趨。

在以電氣控制線路中的繼電開關(guān)來實(shí)現(xiàn)控制的傳統(tǒng)的變壓器冷卻控制系統(tǒng)中，冷卻系統(tǒng)頻繁啟動，再加上繼電開關(guān)老化、腐蝕，那么出現(xiàn)故障的概率就會大大提高，況且繼電開關(guān)無法實(shí)現(xiàn)通信功能。針對這一系列缺點(diǎn)，本文提出用可靠性高、功能強(qiáng)的PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電式開關(guān)對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行控制，以提高變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性，延長其使用壽命，按照這一思路，設(shè)計(jì)出了一種以PLC為核心控制元件的變壓器新型風(fēng)冷控制系統(tǒng)。

一、在電力變壓器運(yùn)行規(guī)程中有關(guān)風(fēng)冷控制的相關(guān)規(guī)定

電力變壓器的風(fēng)冷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格符合電力變壓器運(yùn)行（DL/T572-95）中有關(guān)電力變壓器運(yùn)行及冷卻裝置的規(guī)定，有關(guān)規(guī)定如下。

1.電力變壓器的冷卻系統(tǒng)應(yīng)符合下列要求

1.1油浸式的變壓器的本體冷卻裝置應(yīng)符合GB6451中要求；

1.2全部冷卻裝置的安裝，都應(yīng)嚴(yán)格按制造廠的規(guī)定執(zhí)行；

1.3每個(gè)冷卻器的“工作”“備用”“停運(yùn)”狀態(tài)，可通過控制開關(guān)手柄位置來進(jìn)行選擇；

1.4強(qiáng)油循環(huán)式冷卻系統(tǒng)，必須有能自動切換的兩個(gè)獨(dú)立工作的電源，當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)自動投入備用電源，同時(shí)發(fā)出燈光及音響信號，而當(dāng)主電源恢復(fù)工作時(shí)，備用電源應(yīng)自動退出；

1.5強(qiáng)油循環(huán)電力變壓器，當(dāng)冷卻器因故障而被切除時(shí)應(yīng)發(fā)出燈光及音響信號，并自動投入備用冷卻器；

1.6油泵及風(fēng)扇的附屬電動機(jī)必須裝有短路、過負(fù)荷及斷相保護(hù)，油泵處應(yīng)裝有監(jiān)視其轉(zhuǎn)向的裝置；

1.7強(qiáng)油循環(huán)冷卻的電力變壓器，應(yīng)按負(fù)載和溫度的變化對冷卻器進(jìn)行投切控制。

2.有關(guān)油浸式變壓器的頂層油溫的相關(guān)規(guī)定

油浸式變壓器的頂層油溫，一般按規(guī)定不應(yīng)超過表1中所列相應(yīng)數(shù)值，當(dāng)冷卻介質(zhì)的溫度較低時(shí)，頂層油溫會隨之相應(yīng)降低。對自然循環(huán)冷卻式電力變壓器而言，其頂層油溫一般不應(yīng)超過85℃。

3.強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻式電力變壓器的運(yùn)行條件

3.1強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻式電力變壓器運(yùn)行時(shí)，必須將冷卻器投入。當(dāng)電力變壓器在輕載或空載狀態(tài)下，不應(yīng)投入過多的冷卻器（空載狀態(tài)下可以短時(shí)不投冷卻器）。在不同負(fù)載下，應(yīng)按制造廠的規(guī)定，投入相應(yīng)臺數(shù)的冷卻器。并確保投切冷卻器的自動控制裝置能按負(fù)載和溫度的變化做出正確的投切決策。

3.2當(dāng)強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷變壓器的冷卻器因冷卻系統(tǒng)故障而被全部切除時(shí)，允許電力變壓器帶額定負(fù)載運(yùn)行20分鐘。如運(yùn)行20分鐘后頂層油溫未達(dá)到75 ℃，則可繼續(xù)運(yùn)行，但這種狀態(tài)下最長運(yùn)行時(shí)間不得超過1小時(shí)。

二、基于PLC的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)的工作原理

在此變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)中PLC為核心控制元件，此風(fēng)冷控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。PLC邏輯控制模塊采集變壓器環(huán)境（包括變壓器負(fù)荷、油溫等）、電源狀態(tài)、風(fēng)冷裝置狀況等信息，通過綜合判斷所采集信息產(chǎn)生控制決策，并通過通訊模塊將變壓器、風(fēng)冷系統(tǒng)及風(fēng)冷裝置的信息上傳給上位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)的命令，來實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷系統(tǒng)的智能控制。

三、變壓器油溫自動控制的方法

因風(fēng)冷裝置的工作特性，且只能按組投切，要實(shí)現(xiàn)自動控制變壓器油溫的功能，在設(shè)計(jì)中需采用斷續(xù)負(fù)反饋控制方式。自動控制系統(tǒng)如圖2所示，在此控制系統(tǒng)中，被控量是變壓器頂層油溫，被控對象是風(fēng)冷裝置，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是固態(tài)繼電器，控制器是PLC，溫度控制器作為變送器，將引起油溫變化的因素（繞組溫度、環(huán)境溫度和負(fù)荷變化）作為外部擾動。

當(dāng)變壓器負(fù)荷或環(huán)境溫度等因素引起油溫變化時(shí)，溫度控制器將采集到的油溫與要求參考溫度進(jìn)行對比并將數(shù)據(jù)送入PLC，然后可編程控制器根據(jù)已編好的控制程序產(chǎn)生控制風(fēng)冷裝置投切的控制決策，通過固態(tài)繼電器執(zhí)行投切決策，進(jìn)而投切冷卻器控制油溫。

此控制系統(tǒng)采用的斷續(xù)負(fù)反饋控制不同于一般的隨動負(fù)反饋控制和恒值負(fù)反饋控制，斷續(xù)負(fù)反饋控制的特點(diǎn)是控制系統(tǒng)對被控對象的控制作用是不連續(xù)的，與此對應(yīng)的是，當(dāng)被控量因外部擾動而變化時(shí)，經(jīng)控制作用，被控量（變壓器油溫）最終穩(wěn)定在某一溫度范圍內(nèi)，而不是一個(gè)定值上。

四、按累計(jì)時(shí)間投切控制

與繼電式控制方式不同，投切的只是處于“輔助”運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)冷裝置，采用溫度負(fù)反饋方式，取消了“工作” “備用” “輔助”的區(qū)分方式，而是以冷卻裝置的累計(jì)運(yùn)行和停止時(shí)間為判斷依據(jù)，使有差值裕度的投切策略產(chǎn)生投切某組風(fēng)冷裝置的控制決策。

那么該怎樣界定冷卻裝置的累計(jì)運(yùn)行與停止時(shí)間呢？冷卻裝置每次投入運(yùn)行的時(shí)間為累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，從冷卻裝置投入運(yùn)行開始計(jì)時(shí)，到冷卻裝置退出運(yùn)行為止這一時(shí)間段，退出運(yùn)行計(jì)時(shí)清零，待下一次投入運(yùn)行后重新開始計(jì)時(shí)。累計(jì)停止時(shí)間表示冷卻裝置每次退出運(yùn)行的時(shí)間，從冷卻裝置退出運(yùn)行開始計(jì)時(shí)，冷卻裝置投入運(yùn)行為止，投入運(yùn)行計(jì)時(shí)清零，待下次退出運(yùn)行后重新開始計(jì)時(shí)。

有差值裕度的溫度控制投切與按累計(jì)時(shí)間控制投切綜合做出具體投切某組冷裝置的工作流程如圖3所示。

首先有差值裕度閥值的投切控制策略產(chǎn)生是否投切控制決策的輸出；然后判斷是否允許進(jìn)行投切控制，因?yàn)樵趧傋鐾晖肚酗L(fēng)冷裝置動作后必須延時(shí)一段時(shí)間待變壓器油溫穩(wěn)定后再做投切動作，否則在短時(shí)間內(nèi)會投入或切除過多的風(fēng)冷裝置，可能造成風(fēng)冷裝置的頻繁投切。

如果允許投切，則進(jìn)行投切處理；如果不允許投切，則進(jìn)入是否有風(fēng)冷裝置累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超時(shí)的判斷；如果判斷有風(fēng)冷裝置累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超時(shí)，則執(zhí)行切處理，風(fēng)冷裝置累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長的被切除；若沒有風(fēng)冷裝置累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超時(shí)，則反回到有差值裕度閥值的投切器。

投入風(fēng)冷裝置的過程是選取累計(jì)停止時(shí)間最長的風(fēng)冷裝置，由固態(tài)繼電器控制投入，風(fēng)冷裝置投入后開始計(jì)時(shí)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間；切除冷卻器的過程是選取累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長的風(fēng)冷裝置，由固態(tài)繼電器控制切除，風(fēng)冷裝置切除后開始計(jì)時(shí)停止時(shí)間。

五、結(jié)束語

該控制系統(tǒng)采用軟件設(shè)計(jì)代替原來的繼電器控制方式，去掉了原來繁雜的邏輯電路，并將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和可編程控制器（PLC）進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使控制對象分散、結(jié)構(gòu)功能分層，使龐大的硬件邏輯電路得到簡化改善，不僅大大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還能將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)反映到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對遠(yuǎn)程的監(jiān)控作用。

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