基于PLC的電力變壓器冷卻控制裝置研究

張栓平

（荊楚理工學(xué)院，湖北 荊門 448000）

1 電力變壓器冷卻控制裝置的功能設(shè)計

（1）裝置通過兩路直流電源、兩路交流電源供電，通常將兩路380 V交流電源分別作為主電源、備用電源，以確保冷卻器穩(wěn)定運行。兩路直流電源互為冗余，當(dāng)其中一路出現(xiàn)故障并輸出電源故障信號時，另外一路電源可以控制回路及信號回路的正常運行。（2）裝置可以實時自動監(jiān)測能繞組溫度、油面溫度、負載變化，自動啟動或關(guān)閉冷卻器，從而確保電力變壓器的溫度處于可控范圍。（3）裝置采用裕度閾值投切控制策略，有效降低了裝置持續(xù)投切的風(fēng)險，避免系統(tǒng)可能出現(xiàn)紊亂的問題。（4）變壓器運行過程中，冷卻控制裝置也會開始運行，PLC可以依照既定程序冷卻控制裝置的工作時間，每隔168 h重新排序，運行時間最短的冷卻器作為工作冷卻器，按照時間長短設(shè)定冷卻控制裝置的工作順序。（5）冷卻控制箱體中的溫控裝置可以控制其內(nèi)部的風(fēng)扇、加熱器，實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)，從而有效確保電氣元件的安全運行。（6）冷卻控制裝置可以自動檢測風(fēng)扇電機、潛油泵電動機、水閥電機可能出現(xiàn)的故障，并及時采取保護措施。

2 冷卻控制裝置功能模塊設(shè)計

PLC是本次研究電力變壓器冷卻控制裝置的核心，多數(shù)功能需通過PLC實現(xiàn)。結(jié)合裝置功能設(shè)計，基于PLC可以設(shè)計為六個功能模塊，分別為電源監(jiān)控模塊、投切保護模塊、凝露溫度監(jiān)控模塊、就地控制及顯示模塊、通信模塊和上位機監(jiān)視模塊。各個功能模塊的作用和實現(xiàn)思路如下。

（1）電源監(jiān)控模塊。該模塊的主要作用是監(jiān)視兩路裝置供電的電源狀態(tài)，確認(rèn)其是否發(fā)生缺相，將電源狀態(tài)信號輸送至PLC，便于PLC根據(jù)信號控制電源投切。（2）投切保護模塊。該模塊主要用于控制冷卻器的投切，當(dāng)潛油泵電機、風(fēng)扇電可能發(fā)生缺相、過載、短路等問題時，提供有效保護。PLC可采集變壓器溫度、運行狀態(tài)、故障狀態(tài)等信號，根據(jù)這些信號控制冷卻器的投切。（3）凝露溫度監(jiān)控模塊。該模塊可以實時監(jiān)控環(huán)境溫度和濕度。當(dāng)濕度達到一定值時，PLC可以啟動冷卻控制裝置內(nèi)部的加熱裝置，調(diào)節(jié)濕度；當(dāng)溫度達到一定值時，PLC將啟動裝置內(nèi)的風(fēng)扇，控制溫度。（4）就地控制及顯示模塊。該模塊可以實現(xiàn)“手動”或“自動”投切冷卻器，可選其中一路電源作為主電源，還可以手動復(fù)位故障信號，實時呈現(xiàn)各種故障信號。（5）通信模塊。該模塊利用PLC的RS485口與上位機通信，將電力變壓器、冷卻器、冷卻控制裝置的運行、故障等信息傳送至上位機。（6）上位機監(jiān)視模塊。通過Visual C++編程串口，PLC采集的各種信息傳輸至上位機，由上位機進行判斷，并形成控制決策、故障報警信號發(fā)出動作指令，實現(xiàn)對變壓器冷卻控制裝置的監(jiān)視。

3 硬件設(shè)計分析

為了實現(xiàn)自動化控制電力變壓器中的冷卻系統(tǒng)，應(yīng)制訂科學(xué)、合理的控制策略，形成系統(tǒng)化的控制思路，從而編寫相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)該思路。與傳統(tǒng)冷卻控制裝置不同，本次設(shè)計的冷卻控制裝置可以在一定溫度范圍內(nèi)啟停，可以自主選擇調(diào)配工作、輔助、備用冷卻器，還可以對冷卻器進行排序。設(shè)計硬件時，必須根據(jù)這一控制思路實現(xiàn)變壓器冷卻系統(tǒng)的自動控制。冷卻控制裝置的硬件系統(tǒng)主要包括一般電氣元件、PLC、觸摸屏、線路保護裝置和電機保護裝置，這些硬件在冷卻控制裝置中的應(yīng)用如下。

3.1 溫度濕度控制器

變壓器中PLC的運行環(huán)境要求較高，其他電氣元件對運行環(huán)境也有一定要求，為了確保裝置的正常運轉(zhuǎn)，需要合理控制溫度和濕度。設(shè)計冷卻控制裝置箱體時要充分考慮散熱性，并在內(nèi)部設(shè)置濕度溫度傳感器、加熱器、風(fēng)扇。本次設(shè)計的冷卻控制裝置采用WK-Z2T4（TH）型、LK-D1（TH）型溫度濕度控制器。變壓器運行時，溫度濕度傳感器采集溫度、濕度信號傳輸至PLC，通過PLC控制加熱器、風(fēng)扇，實現(xiàn)溫度、濕度的自動調(diào)節(jié)。

3.2 照明、插座

冷卻控制箱體內(nèi)部設(shè)有照明設(shè)備，便于維護人員查看內(nèi)部元件、線路。通過限位動作開關(guān)控制照明，門開時自動開啟照明，門關(guān)時自動熄滅。箱體內(nèi)通常需要設(shè)置兩個照明設(shè)備，以增大照明亮度和面積。使用單相插座便于電腦、照明設(shè)備連接電源。為了防止大功率設(shè)備接入損害線路，需要在插座線路兩頭設(shè)置空氣開關(guān)。

3.3 斷路器、浪涌保護器

控制箱內(nèi)多層線路之間需利用斷路器進行保護，在關(guān)鍵的電氣元件或?qū)ν夤╇娋€路上單獨設(shè)置保護器。使用塑殼斷路器保護三相總進線，加裝浪涌保護器進行線路防雷，對于電流較小的分支線路，可使用微型斷路器進行保護。

3.4 中間繼電器、接觸器

冷卻控制箱內(nèi)電源切換、電機、顯示屏的控制都需要應(yīng)用繼電器和接觸器。兩者的區(qū)別主要是繼電器用于控制電路，接觸器用于控制供配電線路。設(shè)計時需要注意控制電路的電壓等級，不濫用同一個中間繼電器。根據(jù)接觸器允許通過的電流最大值，選擇電流稍大一些的接觸器。

3.5 電機保護器、熱繼電器

本次研究的冷卻控制系統(tǒng)采用熱繼電器、電機保護器保護電機設(shè)備。電機保護器替代以往的微型斷路器成為新型電機保護裝置，可以有效防止沖擊電流導(dǎo)致控制器錯誤動作。使用電機保護器時，要避免超出其工作電流。熱繼電器用于線路發(fā)熱的保護，當(dāng)線路過熱時，熱繼電器會切斷電機供配電線路，保護電機。

3.6 PLC、觸摸屏

PLC控制箱是冷卻器控制系統(tǒng)的核心部分，輸送至該冷卻器控制系統(tǒng)的信號通過PLC進行加工處理，通過設(shè)定的程序得出結(jié)論，用于顯示狀態(tài)、傳輸信號、控制冷卻器投運。PLC可以使冷卻器的控制更加自動化，其接收的信號可通過觸摸屏呈現(xiàn)，實現(xiàn)PLC信號的便捷讀取，還可以控制冷卻器的啟動和停止。

3.7 通信連接

控制箱應(yīng)用的通信模塊建立在基于PLC通信卡組件的基礎(chǔ)上，利用光纜、相應(yīng)軟件和程序?qū)崿F(xiàn)的串行通信方式。該通信方式可以實現(xiàn)遠距離傳送信號，減少信號衰減，保證信號完整、準(zhǔn)確與上位機通信[1]。

4 軟件設(shè)計分析

4.1 主程序設(shè)計

初始化冷卻控制裝置，進入循環(huán)運行主程序。主程序控制裝置與上位機通信，采集變壓器的允許狀態(tài)信息并進行優(yōu)化判斷，然后執(zhí)行對應(yīng)的子程序，實時監(jiān)控變壓器冷卻器。

4.2 子程序設(shè)計

子程序的設(shè)計。有差值裕度投切閥值的投切控制策略依靠子程序?qū)崿F(xiàn)，當(dāng)變壓器頂層油溫超過規(guī)定值時，如果油溫仍然超過規(guī)定值，則繼續(xù)投入冷卻器，直到油溫恢復(fù)正常；如果油溫低于規(guī)定值，則按照時間長短依次切除冷卻裝置，直到油溫恢復(fù)正常。不進行投切操作時，判斷冷卻器運行時間是否超時，如果超時，則對其進行切除處理；如果沒有超時，則循環(huán)執(zhí)行有差值裕度投切閥值的投切控制決策。

4.3 通信處理

冷卻控制裝置的通信任務(wù)通過編程完成。通信前初始化通信口工作模式，準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)PLC發(fā)送到緩沖區(qū)中，如變壓器溫度、三側(cè)開關(guān)狀態(tài)、電源故障、電源投切狀態(tài)和冷卻器允許狀態(tài)。因為上位機讀取數(shù)據(jù)時，無法讀取從串口緩沖區(qū)發(fā)送的全部信息，所以需要先編碼發(fā)送信息，以便上位機辨識信息。上位機讀取信息后，根據(jù)讀出的信息內(nèi)容，將一個低位字節(jié)作為信息位。程序?qū)⑿畔?nèi)容定時寫入發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，通過讀取串口內(nèi)容將信息讀入上位機中。

4.4 上位機監(jiān)視軟件設(shè)計

上位機監(jiān)視軟件負責(zé)監(jiān)視冷卻控制裝置，其設(shè)計內(nèi)容包括串口號、波特率、奇偶校驗位、通信位數(shù)、串口參數(shù)設(shè)置以及相關(guān)函數(shù)。串口成功打開后需要創(chuàng)建新線程，新線程的作用是等待串口事件。如果串口始終沒有數(shù)據(jù)，則繼續(xù)等待；如果串口有數(shù)據(jù)，需要將數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)存儲區(qū)，再解析數(shù)據(jù)。由于函數(shù)無法一次性全部讀出數(shù)據(jù)，因此需上位機監(jiān)視程序解析讀入的數(shù)據(jù)，確定數(shù)據(jù)含義。程序依照解析后的數(shù)據(jù)刷新監(jiān)視軟件可視區(qū)域，然后繼續(xù)等待串口數(shù)據(jù)。

4.5 串口設(shè)置和打開

監(jiān)視冷卻控制裝置的前提是設(shè)置合適的參數(shù)和打開串口，確保參數(shù)與PLC參數(shù)匹配。監(jiān)視軟件通過對話框設(shè)置串口參數(shù)。通過監(jiān)視軟件程序菜單調(diào)用函數(shù)打開相應(yīng)串口，并調(diào)用串口設(shè)置函數(shù)設(shè)置參數(shù)，設(shè)置成功后狀態(tài)欄可顯示串口參數(shù)。當(dāng)PLC發(fā)送數(shù)據(jù)到串口后，事件線程監(jiān)視數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中獲得數(shù)據(jù)，主線程將讀取數(shù)據(jù)，顯示冷卻控制裝置狀態(tài)[2]。

5 結(jié) 論

綜上所述，本文研究的冷卻控制裝置基于PLC實現(xiàn)裝置控制，通過編程實現(xiàn)控制功能，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用PLC的高可靠性提升裝置的可靠性。