电力变压器油温的智能控制及监测系统设计

李长华，齐向东

(太原科技大学 电子信息工程学院，太原 030024)

在变电站中，大型油浸式变压器的冷却系统一般采用强迫油循环风冷式变压器冷却系统。目前，这种冷却系统一般采用PID 温控方式，以变压器顶层油温作为输入量，通过 PID控制器启停冷却器来实现。在这种控制模式下，冷却系统易频繁启动，继电开关易腐蚀、老化而出现故障，且无法实现与监控中心的自动化通信，经常出现故障，大大降低了变压器系统运行的稳定性，严重地影响了电网的可靠运行。变压器在运行时经常受到负载、外界温度等多种因素影响，无法获得精准的油温控制模型，使得PID温控方式的降温效果不是十分理想[1-4]。

针对以上存在的问题，同时为了实现自动化、网络化和信息化的变压器冷却监控系统，本文以强迫油循环风冷式冷却系统为被控对象，提出应用变频器来控制变压器冷却装置，将专家的控制经验及推理过程纳入系统当中，对常规的模糊控制方法进行优化，设计出一套新型的电力变压器油温的智能控制及监测系统。本文给出一个两台220 kV变压器的冷却监控系统的具体设计方案，系统设计合理，技术方案正确，操作方便，人机交互性好，基本满足了变电站的实际运行需要，为实现变电站的综合自动化系统奠定了良好的基础。可以广泛应用在变压器冷却监控系统中。

1 系统功能目标

按照强迫油循环风冷式变压器冷却系统运行要求，本控制系统应具有以下功能特点：

a.能完成一般冷却控制装置的所有功能。

b.冷却系统采用两组独立电源供电，工作时互为备用。

c.系统应有“就地”和“远程”、“自动”和“手动”等多种操控模式，以更好地实现对冷却系统的实时控制。

d.系统以变压器负荷电流、顶层油温为依据，实现对变频器输出频率的控制，进而实现对变压器冷却系统风扇的控制，确保对主变压器运行中油温的控制。实时监视主变油温、冷却系统运行工况等信息。

e.每组冷却器中的4台冷却风扇能够自动识别、自动控制启、停，据每台风扇的累计运行时间，均衡分配运行时间，使电动机组循环运行。

f.以固态继电器取代传统接触器等执行元件，实现控制的无触点化，增强了系统的稳定性。

建立科学合理的审计质量评价机制，首先要从制度上给予质量评价相应的依据。目前我国在这一方面才刚刚起步，许多事物尚且停留在总括式概念的程度。因此金融监管部门应当在基于本国国情的基础上借鉴外来经验，建立起一套适应我国国情的审计质量评价机制。加强质量评价队伍建设，培养高素质的审计质量评价专业人士，提高质量评价队伍的准入门槛，坚持择优录取的同时也要合理配置人才资源，做到人尽其才。

g.通过监测控制装置能够实现对冷却系统本体(潜油泵、风扇等)、电源回路、变压器主体等的保护控制，并发出故障显示、报警信号等信息。

h.上位计算机除实现参数修改，报表打印等基本功能外，还能与变电站微机监控系统通信，上传主变油温、冷却系统故障等信息。

2 控制系统设计

2.1 控制系统硬件架构

强迫油循环风冷式变压器冷却系统主要由上位计算机监控模块(主控制器)、就地控制与显示模块、可编程控制器、电源监视控制模块、信息采集监控模块、通讯模块、变频器、潜油泵和冷却系统风扇等构成。强迫油循环风冷式变压器冷却系统硬件组成的功能设计与架构如图1所示。

图1 硬件系统构成Fig.1 Structure of hardware system

a.上位计算机监控模块(主控制器)负责与其他控制模块进行信息交流与协调，是中央处理系统，依靠程序指令，从串口数据缓冲区内读取变压器和冷却系统各种类型的运行信息、故障信息，实现信息在上位计算机的动态显示和在线参数设置等功能。

b.可编程逻辑控制器是冷却控制系统的核心，主要负责模拟量、开关量的接收及输出，对动作切换进行逻辑条件判断，以及对冷却系统风扇进行运动控制。

c.就地控制和显示模块实现在控制系统控制箱侧的就地控制，同时其显示面板能显示变压器油温、冷却系统运行工况等状态信息。

d.信息采集监控模块对变压器顶层油温及负荷电流等信息进行实时采集，上传至可编程逻辑控制器。同时对控制箱周围介质、环境温度进行监测，进而实现对控制箱主体温度的控制。

e.通讯模块通过PLC上的RS485口与上位计算机相连接，PLC通过采取OPC通讯方式实现与上位计算机的通信，传递控制信号、状态信息等，以便运行值班人员了解设备的运行状态。

2.2 控制系统软件架构

针对强迫油循环风冷式变压器冷却系统工作的工艺要求，结合硬件系统设计方案，对系统软件进行总体功能架构，如图2所示，主要由上位智能控制系统及底层运动控制系统组成。上位智能控制系统包括控制系统主控程序和人机交互界面。底层运动控制系统主要包括电源监视控制模块、信息采集监控模块、变频器控制等模块，其中变频器控制模块控制冷却系统风扇的运行。

图2 软件系统构成Fig.2 Structure of software system

2.3 控制系统功能模块设计

在控制系统软件架构设计完成后，对上位智能控制系统及底层运动控制系统的各子模块进行控制具体设计。

a.人机交互界面。为方便对变压器冷却系统的管理，变压器的上位机监控界面设计时应该考虑加入冷却系统监控部分[5]。本系统主要包括就地/远控转换、自动/手动转换、温度设置和负荷监控等控制参数的输入界面；温度、负荷等实时监控界面；智能优化界面以及用户登陆，报表管理、报警系统的设计。用户通过人机交互界面对强迫油循环风冷式变压器冷却系统工作过程进行监控，交互界面与主控程序之间的信息数据交换协议必须根据数据属性进行定义。

本系统利用计算机作为上位机，用西门子WinCC V6.2组态软件作为程序开发软件平台和PLC为下位机处理器，OPC为通信标准组成一个变压器冷却监控系统。为了能够保证数据传输的实时性和控制的高响应性，主控制器的采样周期设为1 ms.

b.变频运动控制。通过此模块，主控程序将控制信号传输给变频器，变频器驱动冷却系统风扇的运动。系统采用西门子MM440变频器，PLC通过RS485接口，使用USS通信协议实现对变频器的控制，包括对变频器的起/停、故障检测/复位、输出频率大小的控制。

c.通讯模块。PPI协议是西门子S7-200系列PLC常用通信协议，但WinCC中没有集成该协议，即WinCC不能直接监控S7-200系列PLC组成的控制系统。S7-200 OPC Server是西门子公司推出的专为解决上位机监控S7-200系列PLC控制系统的接口软件。因此，WinCC可以通过该软件与S7-200系列PLC很方便的建立通信[6]。

2.4 智能模块设计

本系统主要是通过PLC主控程序将控制信号传输给变频器，变频器再驱动冷却系统风扇的运动。系统有2组冷却用电动机组，每组4台冷却用风扇。M1、M2、M3、M4既可以变频运行又可以工频恒速运行，组成变频循环运行方式。系统首先启动一台冷却风扇作为变速冷却风扇，当变压器油温发生变化，变频器输出频率达到50 Hz时，若散热效果仍不能达到用户要求，则该台冷却风扇退出变频状态，转入工频，启动另外一台冷却风扇变频运行。以此循环，构成“一拖四”的运行方式。

系统主程序流程图如图3所示。

a.模糊控制模块设计

本系统的控制对象是变压器油液温度，由于系统油液温度变化具有滞后性，加之温度控制对实时性要求不高，可以只考虑温差即可，而不必考虑温差的变化率。所以这里选用负荷电流作为输入量，就可以在温度变化前根据负荷的变化来提前改变冷却功率。综上本文对常规的模糊控制方式进行优化，提出用以负荷电流和顶层油温温差作为输入量的模糊控制算法来控制变压器油液的温度。

图3 主程序流程图Fig.3 The main program flow chart

本系统采用查表法，所以设计模糊控制器的主要任务是求取模糊控制表。

根据实际强迫油循环风冷式变压器风冷系统控制要求，本系统采用双输入单输出模糊控制器以变压器顶层温度温差X1和变压器负荷电流X2作为模糊控制器的输入语言变量。以变频器频率Y为输出语言变量。根据工艺的要求和实际控制经验，选取顶层油温差X1的模糊子集为{温差较大(PT)，温差适中(ZT)，温差较小(NT)}.模糊论域为{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，隶属函数为钟形隶属函数，具体如图4所示。

图4 顶层温度偏差隶属函数Fig.4 Top temperature deviation of membership function

同理，变压器负荷电流X2的模糊子集为{负荷较大(PT)，负荷适中(ZT)，负荷较小(NT)}.模糊论域为{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，隶属函数为高斯函数；变频器频率Y的模糊子集为{PB，PM，PS，PZ，ZO，NZ，NS，NM，NB}.模糊论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，隶属函数为三角函数。根据实际专家经验得出模糊控制规则如表1所示。

表1 模糊控制规则Tab.1 Fuzzy control rules

依据这些控制规则，本系统的蕴含算法取最小即Mamdani算法，综合算法取最大即各规则的模糊集取“并”，解模糊算法取重心法。至此可得在温差和负荷作用下的输出曲面如图5所示。

图5 控制器的二维输出曲面图Fig.5 Two-dimensional output surface chart of controller

在上述离线运算过程中，最终得到模糊控制查询表如表2所示。

3 系统的实现

3.1 用PLC进行模糊控制查询表的设计

根据我们离线生成的控制系统模糊查询表，我们可以在PLC中结合S7-200中的填表指令(ATT)进行程序的设计，鉴于有符号的数在PLC中处理很不方便，且容易出错，所以我们把X1、X2、Y都加上一个目标偏移量5，使得其论域从[-5，5]离散区间转换到[0，10]离散区间，同时为了简化程序，将Y的数值扩大100倍，这样就得到一个新的表格3.并且把表格3中的数据按从左到右，自上至下的顺序一次编号为0，1，2，3……120.

3.2 建立WinCC与PLC的OPC通信

为了实现组态软件WinCC与S7-200系列PLC的OPC通信方式，上位机需安装PC Access软件，其中PC Access相当于一个OPC Server，WinCC从而以OPC的方式读取PC Access中的PLC数据[7]。

a.在PC Access中组态OPC Server

在控制面板中设定PG/PC接口参数。在Access Point of the Application中选择Computing，Interface参数选择PC/PPI Cable。在 PC Access中创建PLC添加S7-200 CPU站点，然后创建Folder，接下来创建Item，最后测试通信质量。

b.在 WinCC V6.2中组态 OPC Client

在WinCC变量管理器中添加一个新的驱动程序，新的驱动程序选择OPC.CHN，在OPC GROUPS中新建一个连接，打开属性，选择OPC Group Setting，OPC服务器名称为OPC Server。然后在选择此OPC，点击“浏览服务器”，依次打开，就可以找到在PC Access软件下建立的相应PLC变量，选择变量添加条目，以此执行即可。

3.3 监控画面的设计

根据冷却系统的设计思想和实施方案，在主控界面上应该包括冷却系统工作状态，系统工况操作按钮，参数设置等。主控界面如图6所示：

表3 控制系统的模糊查询表(变化表)Tab.3 Fuzzy query tables of control system (Changed table)

图6 主监控界面Fig.6 The main control interface

图7 现场变压器油温历史曲线Fig.7 History curve of oil temperature of on-site transformer

在冷却系统主画面中，分别展示了1#、2#变压器冷却器组的主电源、就地/远程、自动/手动、运行等工况的指示状态，及其变压器顶层油温等参数。在趋势曲线画面中显示了实时和历史数据曲线。报警信息和报表输出分别在相应的画面中展示。操作者通过点击画面顶部的按钮实现画面间的跳转。

4 系统的实现与验证

根据本文所述原理，该装置在华北某变电站进行了试运行。该站有两台220 kV变压器，每台变压器配备有两台1.5 kW潜油泵，4台0.75 kW冷却系统风扇。装置能准确地控制冷却器组的各种运行状态，取得了良好的降温效果，同时实现了对潜油泵、冷却系统风扇运行工况的准确监控，并上传至变电站综合监控系统。突破了传统的控制模式，解决了传统控制系统存在的一些问题，达到了预期目的。现场变压器油温历史曲线如图7所示。

5 结束语

以强迫油循环风冷式变压器冷却系统为研究对象，提出电力变压器油温的智能控制及监测系统的设计方案，与传统的控制方案相比，其将PLC技术、变频技术与智能优化技术相结合，为新一代变压器油温控制系统的设计开发与油温控制装备智能化的产业升级换代提供了理论支持和方法思路，对变压器安全、可靠运行有重要的现实意义。

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