智能測控系統(tǒng)在電廠變電站主變冷卻系統(tǒng)上應用可行性分析

于德綱 王廣華

摘 要：文章對當前主變壓器冷系統(tǒng)存在的不足，進行全面細致的分析，并提出新的測控方式：采用變頻調(diào)速與PLC組合控制技術，對冷卻器風扇與循環(huán)油泵進行測控，節(jié)能降耗的同時又可實現(xiàn)主變壓器冷卻系統(tǒng)的數(shù)字化控制，符合當今電力系統(tǒng)向智能化控制的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：主變壓器；智能調(diào)速；智能測控；可編程控制器

中圖分類號：TM921.51 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0170-02

Abstract： This paper makes a comprehensive and detailed analysis of the shortcomings of the current main transformer cooling system， and puts forward a new measurement and control mode： using frequency conversion speed regulation and PLC combined control technology to measure and control the cooler fan and circulating oil pump， so as to realize energy saving and consumption reduction as well as the digital control of the main transformer cooling system， which is in line with the development trend of power system to intelligent control.

Keywords： main transformer； intelligent speed regulation； intelligent measurement and control； programmable controller

選用變頻器控制拖動技術與可編程控制器模組、人機交互接口，遠程通訊傳輸監(jiān)控系統(tǒng)與智能傳感器組成一個智能調(diào)控變壓器冷卻系統(tǒng)，利用溫度自動控制程序指令輸入輸出，自動投入和退出冷卻器組，使主變冷卻器組投入組數(shù)控制最佳數(shù)目，并能實時跟蹤主變溫度及環(huán)境溫度變化，使主變油溫、繞組、鐵芯溫度得以平滑調(diào)整。

大型變壓器是變電站和發(fā)電廠主要電能傳輸設備之一，運行中存在著鐵損和銅損，變壓器負載電流變化，其損耗隨之改變，變壓器所需的冷卻容量需要實時調(diào)整，當前管理方式是根據(jù)變壓器頂層油溫及繞組溫度的變化，人為進行分組投切冷卻器組，達到控制變壓器油頂層溫升，隨著智能電網(wǎng)的普及，第四次工業(yè)革命來臨，電氣自動化控制技術向人工智能化轉變，原有模擬電氣控制方式已經(jīng)遠遠落后當前電網(wǎng)管理水平，急需做出改變以適應當前電網(wǎng)管理。

1 當前我廠的主變壓器冷卻系統(tǒng)控制回路在運行中發(fā)現(xiàn)存在以下問題

（1）負荷變化時，變壓器油溫度升高降低要通過人員手動投切冷卻器循環(huán)油泵及風扇，不能很好地將主變油溫控制在最佳區(qū)域曲線，不是溫度高就是溫度低，要經(jīng)過好長時間才可以調(diào)到溫度穩(wěn)定。（2）負載電流變化、環(huán)境氣溫變化不能及時調(diào)整冷卻器運行組數(shù)，人工干預投切不及時，造成油溫波動范圍較大，不能實時根據(jù)變壓器負載電流、環(huán)境氣溫變化而實時調(diào)整冷卻組數(shù)，易造成冷卻器和循環(huán)油泵投入臺數(shù)過多和過少，油溫過高油氧化劣化加速，油溫過低時，油流動性差，油泵負荷加大，既費電又加劇油泵機械磨損，還易使變壓器油箱密封結合處縫隙加大進而發(fā)生滲漏油，影響變壓器油質(zhì)和繞組絕緣，縮短使用壽命。（3）冷卻風扇循環(huán)油泵電機全壓啟動，啟動電流是額定電流的4-7倍，大電流使電機繞組溫升迅速，造成繞組短時高溫；影響電機使用壽命，頻繁工頻帶載投切風扇循環(huán)油泵電機，接觸器觸頭頻繁吸合拉弧，造成觸頭燒損，甚至引起電機缺相燒毀，縮短了維護周期；變壓器本體的噪聲主要由風扇、油泵噪聲、電磁嗡嗡聲，器身震動，風扇葉在工頻下高速運行，風扇葉噪聲、震動聲音很大，對變壓器周圍環(huán)境造成嚴重噪音污染。（4）冷卻器組容量數(shù)目不能及時隨變壓器油溫度及負載電流的變化，及時投切。（5）自動化水平低，主變冷卻器不能在網(wǎng)控和遠程調(diào)整和參數(shù)監(jiān)控。（6）主變壓器油溫，油循環(huán)流量，冷卻器投停臺數(shù)，內(nèi)部壓力，震動，及油質(zhì)劣化指標，呼吸器受潮程度，主變油位等都沒有實現(xiàn)遠程監(jiān)控和自動預警報警功能。

鑒于以上分析，本文提出了主變智能控制多參數(shù)一體化改造設計方案，根據(jù)流體力學原理，風機通風流量與轉速成正比，風機大部分時間工作在非滿載區(qū)域，可編程控制器根據(jù)冷卻器運轉特性編制自動控溫程序，通過控制指令使變頻器改變電源頻率進而改變電機轉數(shù)，通過PID閉環(huán)控制調(diào)節(jié)方式，使冷卻系統(tǒng)風機油泵轉速能夠實時跟蹤變壓器油溫度、氣溫變化及負荷電流的變化來實時調(diào)整，使變壓器繞組與鐵芯的發(fā)熱與散熱冷卻功率達到平衡關系，達到對變壓器冷卻系統(tǒng)的最優(yōu)控制。同時又可以把主變油溫、油流、震動、油位、內(nèi)部氣體壓力、呼吸器受潮濕度參數(shù)，接頭測溫參數(shù)遠傳到上位機實現(xiàn)主變智能化控制，冷卻風扇轉數(shù)的改變，是根據(jù)變壓器頂層油溫、繞組、鐵芯溫度和變壓器負載電流大小、環(huán)境氣溫升高降低來確定變頻器的輸出電源頻率，溫度計采集變壓器頂層油溫、繞組、鐵芯的實時溫度，自動控溫程序根據(jù)頻率與油溫、環(huán)境溫度、負荷電流等變化的關系曲線，將變壓器頂層油溫、繞組、鐵芯溫度控制在設定值附近，控制方式由可編程序控制器PLC內(nèi)置運行程序判定，當前有關PLC溫度自動控制應用案例多，這里不再過多陳訴。

2 智能測控主變壓器冷卻器系統(tǒng)結構方案設計

（1）控制系統(tǒng)硬件由可編程控制器中央處理單元、變頻功率輸入輸出單元、溫度采集單元、人機交互單元、傳輸測控單元、溫度及運行參數(shù)顯示單元，保護單元等組成。

（2）智能測控系統(tǒng)原理框圖如下。

a.可編程控制器系統(tǒng)、采用西門子6ES7 300輸入輸出模塊，溫度、壓力、震動、液位變送器模塊，通訊模塊等。b.上位機選用計算機服務器或觸控一體屏。c.根據(jù)變壓器運行的實際工況，控制參數(shù)設計把變壓器頂層油溫的設定值可根據(jù)實際情況允許在線修改。主變壓器投入運行時，冷卻控制系統(tǒng)將同步投入運行，測控裝置內(nèi)置自編程序會根據(jù)測控溫度、電機轉速、流量、風速數(shù)據(jù)自動調(diào)整主變冷卻器運行臺數(shù)與當前溫度相對應。

（3）PLC控制系統(tǒng)的邏輯關系設計

a.控制要求。將被控冷卻系統(tǒng)的頂層油溫度控制在某一范圍之間，當溫度低于下限或高于上限時，應能自動進行調(diào)整，如果調(diào)整一定時間后仍不能脫離不正常狀態(tài)，則采用聲光報警，來提醒操作人員注意，排除故障。系統(tǒng)設置一個啟動按鈕來啟動控制程序，設置綠、紅、黃三臺指示燈來指示溫度狀態(tài)。當被控系統(tǒng)的溫度在要求范圍內(nèi)，則綠燈亮，表示系統(tǒng)運行正常；當被控系統(tǒng)的溫度超過上限或低于下限時，經(jīng)調(diào)整且在設定時間內(nèi)仍不能回到正常范圍，則紅燈或黃燈亮，并伴有聲音報警，表示溫度超過上限或低于下限。該系統(tǒng)共四大部分，包括溫度傳感器、變送器、PLC溫度監(jiān)控系統(tǒng)和外部溫度調(diào)節(jié)設備。選取監(jiān)控對象油溫、鐵芯、繞組溫度，作為采樣點，溫度傳感器分別采集這幾個采樣點溫度后；通過變送器將采集到溫度樣值轉換為模擬量信號，從而得到采樣點溫度所對應的模擬量值，輸入到PLC的模擬量輸入端口；PLC溫度監(jiān)控系統(tǒng)將采樣點溫度讀入后，取其平均值，作為被控系統(tǒng)的實際溫度值，將其與預先設定的正常溫度范圍上下限相比較，得出系統(tǒng)所處狀態(tài)，并向外部溫度調(diào)節(jié)設備輸出模擬量控制信號；外部溫度調(diào)節(jié)設備根據(jù)輸出的模擬量的大小來調(diào)節(jié)溫度的上升與下降或保持恒溫狀態(tài)。保護單元主要功能：實時監(jiān)控冷卻器組電機過載及缺相，油流繼電器反饋等故障信號，送回PLC內(nèi)部，經(jīng)判斷輸出控制信號停止故障電機運行，保護動作的輸出開關量作為PLC模擬輸入開關量，由PLC運行程序，判斷其故障類型，作出相應輸出給電控單元和變頻器，通過可編程控制器PLC控制電控單元接通和斷開電機電源回路，故障報警信號同時反饋給上位機或人機交互畫面，同時自動投入備用冷卻器組，使之能夠跟隨變壓器油溫的變化而自動調(diào)整通風量和油泵轉速。b.主程序采用不間斷循環(huán)掃描的方式，冷卻器組有電機發(fā)生故障時，保護單元程序會立即調(diào)用子程序模塊，作出相應的邏輯判斷。變壓器負荷電流改變時，不需由人工頻繁啟動投切冷卻器組，而是由控制程序自動跟蹤變壓器負荷及周圍環(huán)境溫度的變化，由程序線性調(diào)整其冷卻器風扇循環(huán)油泵電機轉速，減少當前電機始終工頻高轉速運行時，電機油泵老化速度和磨損程度，也節(jié)約了大量電能。

3 主變壓器冷卻器風扇循環(huán)油泵電機采用可編程序控制的優(yōu)點

可以有效減小變壓器變壓器油溫波動范圍，油溫的高低對油流速度有著顯著的影響。本文設計的控制系統(tǒng)可以有效減弱變壓器油箱內(nèi)壓力變化情況，并能及時將油箱內(nèi)壓力上傳上位機，并能通過PLC程序設計，當油箱內(nèi)壓力升高到壓力釋放閥動作壓力前報警，及時發(fā)現(xiàn)變壓器運行異常狀況，避免變壓器爆炸跳閘等事故發(fā)生。

（1）以往的冷卻系統(tǒng)設計按變壓器帶最大負荷，當?shù)丨h(huán)境溫度最高值來配置，冗余量很大，一臺主變多投幾組冷卻器，年損失的電量為6*3*24*365=157680kWh三臺主變冷卻器年電費可以節(jié)省幾十萬多元，尤其是在東北冬天需要冷卻風量很小，測控系統(tǒng)使電機運行的轉速和投入組數(shù)始終滿足冷卻容量的需求，節(jié)電效果顯著。（2）冷卻系統(tǒng)的控制運行是由可編程控制器內(nèi)部程序設定來實現(xiàn)，控制參數(shù)及定值設定可以根據(jù)現(xiàn)場工況在線實時調(diào)整，還能實現(xiàn)與發(fā)電廠變電站DCS監(jiān)控系統(tǒng)通訊，上傳和下載運行工況指令，接受控制指令，提高發(fā)電廠變電站智能化管理水平和實現(xiàn)無人值守遠程控制。（3）風扇高速運行是變壓器噪音產(chǎn)生的主要原因之一，還會干擾運行檢修人員對變壓器異音的準確判斷，冷卻器變轉速調(diào)節(jié)可以使風扇電機低速運行，可有效減弱由葉片高速運轉產(chǎn)生的噪音。（4）將溫度、壓力、震動、液位采集模塊數(shù)據(jù)上傳到上位機或人機交互設備，可以隨時發(fā)現(xiàn)變壓器冷卻器系統(tǒng)運行異?，F(xiàn)象，提前發(fā)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)或變壓器本身故障，提高主變壓器運行安全性、可靠性、經(jīng)濟型。（5）為防止自動控制系統(tǒng)異?；蚬收蠒r，影響到主變運行，需設計一套自動/手動啟動冷卻器系統(tǒng)，利用原有接線即可。（6）通過以上分析改進控制系統(tǒng)后，可以節(jié)能降耗，減輕冷卻器風扇和冷卻油泵的機械磨損，延長了冷卻器風扇電機及循環(huán)油泵的檢修周期，節(jié)省了材料費和人力，節(jié)約大量的電力，同時提高了主變壓器冷卻器控制的自動化程度，便于遠程控制和遠程查看，與變壓器故障診斷系統(tǒng)配合，便于提前發(fā)現(xiàn)異常及隱患，提高變壓器健康管理水平，提升了主變自動化管理能力。

4 結束語

通過變壓器冷卻器組的智能化測控方案的實施，能夠使變壓器上層油溫、繞組、鐵芯溫度始終控制在最佳允許溫度范圍內(nèi)，克服了當前變壓器冷卻系統(tǒng)存在的電耗高、噪音大，設備磨損嚴重、振動大、維護周期短，費用高等很多缺點，提高了主變壓器運行可靠性、經(jīng)濟性和人工管理智能化。

參考文獻：

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