基于大规模信号采集的全新智能风冷控制方法

刘志远，于晓军，邹洪森，陈莉

（国网宁夏电力公司检修公司，宁夏银川 750001）

基于大规模信号采集的全新智能风冷控制方法

刘志远1，于晓军2，邹洪森2，陈莉2

（国网宁夏电力公司检修公司，宁夏银川 750001）

为了解决传统变压器冷却器控制系统的不足，提出新型智能风冷控制方法，并基于大规模信号采集方法，提出新型智能风冷系统设计方案，详细介绍变压器新型智能冷却器控制系统的特点、硬件系统设计、软件系统设计、主程序设计、油温控制设计、综合投切设计、数据共享中心设计、消息流设计等各个关键环节。结果表明，该方案能够更好地满足变电站无人值守的需求，实现变电站的智能化操作。

变电站；变压器；冷却器；智能控制系统

变压器是电力系统中最基本和最重要的设备。变压器运行过程中会有损耗，损耗通过热能的方式散发出来，使变压器的绕组、铁芯和油温上升，变压器温度过高严重影响其生产带负荷能力，同时会加速变压器绕组和铁芯所采用绝缘材料的老化，影响它的使用寿命，甚至会引发安全事故[1-2]。为了保证变压器安全、稳定、经济运行，要随时检测变压器的油温并由冷却器组运行来控制变压器油温的变化，使其油温维持在一个固定的范围内[3-8]。现有的风冷系统一般为继电器型或者PLC型，器件繁多、接线复杂、施工难度大；需要运维人员定期巡检；可靠性差，不能模块化配置；保护功能差、智能化程度低，无法实现对风冷系统的运行状况进行全面监视[9-12]。为了克服这些缺点，本文提出了新型设计方案，该方案接线简单、施工维护方便、运维人员可以远程监控、大大降低运维人员巡检次数，发生故障运维人员可以操作本地界面进行排查维护；可靠性高，能进行复杂的风冷电机保护功能，可以实现全自动冷却器均衡运行，故障切换，无需人工手动操作。

1 变压器冷却器系统介绍

变压器冷却器系统主要由循环油泵和空气循环风机组成，基于“模块化”设计，满足功能“即插即用”的要求，支持按需扩展，方便新增应用模块或子系统的快速融入。变压器投入运行后，油泵和风机运行控制依据油温和负荷电流等启动条件，当达到设定值，智能冷却器逐级投入风机，使充满变压器油的散热器通过强迫空气循环散热，逐级投入油泵，使变压器油强迫循环，以达到变压器散热的效果。传统冷却器的缺点在于控制回路复杂，集成度不高、温度传感器和负荷电流传感器设备的控制精度较差、不具备智能接口，难以实现远程监控等缺点[13-16]。

新型智能冷却器系统一方面实现对变压器油温、负载、冷却器运行状态信息进行收集、分析和处理，并根据油温和负载情况，进行冷却器的投退控制，使其油温维持在一个固定的范围内；另一方面该系统具备完备的电机保护算法，能够同时支持8组冷却器，16个电机的保护，每个电机保护最少支持5种过流曲线的整定。电机故障后，装置能够自动生成波形文件，记录整个故障过程。此外还具备电源备自投算法，实现I、II段电源的备自投功能，同时在备自投动作时能够自动生成波形文件，记录整个故障过程，监视信息及其分析结果在本地以直观、可视化方式进行展示，并及时上送到监控中心。是变压器可靠、安全、经济运行的技术保障，是专业人员智能判断和评估变压器及冷却器运行状况的支撑设备

1.1 智能冷却器控制系统特点

1.1.1 大规模高速信号采集

具有66路AD采样，33路DI采样和22路开出，分别对应4大外部信号：变压器运行工况（油温和负荷电流及）、各组冷却器运行工况（风机、油泵电流及对应开关位置）、进线电源运行工况（电源的电流、电压及母线电压等）、控制柜内部运行环境（温湿度）。

1.1.2 电机保护控制

电机控制保护单元采用高性能微处理器，具有丰富的AD采样通道、串行接口，具备完备的电机保护算法，可以高速采样冷却器风扇电机、油泵电机的三相电流信号和冷却器断路器接触器位置信号，进行综合计算和分析然后与电机保护定值对比，实现电机的启动、速断、缺相、短路、堵转和三相不平衡等保护。

1.1.3 电源备自投

备自投单元采用高性能ARM处理器，具有丰富的AD采样通道，SPI总线接口、串行接口。具备电源备自投算法，能够实时监测进线电源的工作状态，实现I、II段电源的备自投功能。备自投单元还具有一个非易失性存储器件，可以记录保存电源发生故障时刻的所有采样信号数值，以备后期作事故追忆，故障分析处理。

1.1.4 智能冷却器组投切

能够实现智能冷却器组投切，可以单独根据绕组温度，根据顶层油温进行冷却机组的投切；也能综合通过顶层油温和绕组温度进行冷却器的投切。具备温度差值裕度的投、切温度阀值的控制策略，能够根据冷却器的当前运行时间和累计运行时间自动在线调整冷却器的运行状态，将当前运行时间最长的冷却器切除，投入累计运行时间最短的冷却器，从而达到冷却器的均衡工作。

1.1.5 就地显示

能够以动画图形显示冷却系统运行工况（电压、电流、开关位置及设备故障情况），实时显示冷却器的当前工作状态（运行、备用、检修、故障）、当前运行时间、累计运行时间、油流节点等状态信息，能够实时显示当前的环境温度、湿度、变压器顶层油温和绕组温度，实现就地显示。

1.1.6 远程通讯

能够同时支持和3个外部系统分别采用不同的通讯协议进行通讯，支持实时采样数据、故障录波数据、配置参数的上送，支持远程投切冷却器和设置冷却器的检修标志，支持远程修改装置参数和设置装置工作方式。

1.2 智能冷却器控制系统硬件结构

新开发的装置在功能上集电机保护控制、电源备自投及冷却器智能投切三位一体的新一代变压器冷却器智能控制装置，因此硬件设计按照“功能独立、板卡分离”的原则，整个系统采用“背插式结构，导轨式安装”。各智能板卡通过背板总线实现信息交互和控制。

如图1所示，内部硬件结构采用8块电机保护控制板，分别实现8组冷却器运行工况监视和保护控制，每块电机保护控制板具备完备的马达保护算法，能够实时监测冷却器的风扇和潜油泵电动机的电流信号，实现电机的启动、速断、缺相、短路、堵转、三相不平衡等保护，并将故障时的波形信息完整记录下来；电源备自投板实现进线I、II段电源、母线电压的状态监视，并在电源故障时自动完成电源的切换，实现完整的电源备自投功能，并将整个故障过程记录下来；综合投切控制板根据采集上的油温实现对应的投切策略，实现冷却器的自动投切，从而使变压器的油温保持在合理的范围内。现场液晶显示控制板，能将变压器及冷却器的运行工况在现场显示出来，帮助运维和调度人员监视、控制、以及判断风冷系统的故障性质和动作行为。远程通讯模块同时将采集到的信息和分析后的结果通过RS485/以太网总线传送给远方控制中心，实现远方在线监视和控制。

图1 智能冷却器控制系统内部硬件结构Fig.1 Internal hardware structure of the intelligent cooler control system

1.3 智能冷却器控制系统软件结构

具体的控制系统软件结构如图2所示。

图2 智能冷却器控制系统软件结构Fig.2 Internal software structure of the intelligent cooler control system

2 变压器智能冷却器控制系统

2.1 控制系统主程序设计

控制系统主程序包括装置上电自检、初始化、启动及监测各子任务工作状况。当子任务有异常发生时，记录异常信息并对子任务进行复位；各子任务独立运行、协调工作；外部信息采样控制子任务（变压器信息采样子任务、外部环境采样子任务、电源备自投子控制任务、电机保护子控制任务）分别采集各自外部回路的油温、电流、电压及节点信号，进行设备状态的智能诊断，在发现有故障后进行故障设备的记录、报警和切除，智能投切子任务进行油温控制策略的综合判断，根据油温的具体情况进行冷却器投退操作，使油温保持在恒定的范围之内。主程序流程如图3所示。

图3 主程序流程图Fig.3 Flow chart of the main program

2.2 变压器油温自动控制设计

如图4所示自动控制方案中，控制装置将变压器顶层油温作为被控量，微机控制器作为控制器，固态继电器作为执行机构，风冷装置作为被控对象，温度控制器作为变送器，将引起变压器油温变化的变压器负荷、绕组温度和环境温度看作控制系统的外部扰动。变压器油温自动控制系统的工作过程为：变压器负荷或环境温度的变化引起变压器油温的变化，油温变化通过温度传感器采集信号送入到微机控制器，微机控制器根据一定的控制策略产生控制风冷装置投切的控制决策，控制决策通过固态继电器实现对风冷装置的投切，通过风冷装置的投切控制变压器的油温。

图4 自动控制方案Fig.4 Automatic control scheme

2.3 综合投切控制设计

在变压器油温自动控制系统中，按有延迟裕度的投切温度阈值进行综合投切控制决策和按累计运行时间和累计停止时间投切控制配合做出具体投切某组风冷装置的工作过程如图5所示。

图5 综合投切控制设计Fig.5 Integrated switching control design

2.4 数据共享中心设计

数据共享中心是整个系统各个模块间进行信息共享的高效、快速通道，各模块通过数据共享中心进行大批量数据的交互和访问。在数据存储类别上能存储系统模型静态数据，包括系统定值、开入、开出等配置信息；存储变压求油温、冷却器状态量、电气量有效值等采集量动态数据；具备并发访问功能，能够使多个任务模块安全并发访问共享数据；具备数据更新功能，能够使各任务模块安全更新共享数据；数据共享中心以linux内核共享内存的技术实现；共享内存的实现以公用文件的形式存在，供系统中所有模块使用。

2.5 消息流设计

2.5.1 静态模型数据

模型数据由外部通讯模块读取模型数据后经系统模型数据更新到数据共享中心。

2.5.2 动态状态数据

外部信息采集模块采集外部开入和A/D信号，并将采集到的结果更新到数据共享中心。智能逻辑判断模块从数据共享中心提取采样数据后并和配置设定值进行分析比对后得出冷却器的运行工况和当前的投/切操作，如果需要进行投/切操作，则调用采集控制模块实现智能投/切，同时将分析的结果通过消息队列发送给外部通讯控制模块，由其分发给液晶显示模块和远方后台通讯模块。外部通讯模块也可以直接访问数据共享中心，将当前的测量信息分发给液晶显示模块和远方后台通讯模块。

2.5.3 外部控制命令

如图6所示，外部通过人机界面手动投/切冷却器时，外部通讯模块将收到的命令传递给智能逻辑判断模块，由智能逻辑判断模块分析当前冷却器的工作状态是否满足投/切条件后调用采集控制模块实现投/切操作，并将投/切操作返回给外部通讯模块。外部通过人机界面手动修改数据模型（比如：定值等模型数据）时，外部通讯模块调用数据存取模块修改模型配置文件，并将修改后的值更新到数据共享中心。

图6 消息流设计Fig.6 Message flow design

2.6 智能逻辑判断设计

主要根据数据共享中心的静态模型数据、冷却器实时运行状态数据、变压器油温和负载数据等信息进行综合智能诊断，判断冷却器的工作状态及进行智能投退。智能逻辑诊断任务流程如图7所示。

图7 智能逻辑诊断任务Fig.7 Intelligent logic diagnosis task

3 结语

变压器智能冷却器控制系统的设计方法能更好地适应智能电网建设的发展需要，适应了新型变电站综合自动化控制要求。该方案能提高变压器运行的可靠性和经济性，能够更好地满足变电站无人值守的需求，实现变电站的智能化操作和互动化实现。

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（编辑 张晓娟）

A New Intelligent Air Cooling Control Method Based on Large Scale Signal Acquisition

LIU Zhiyuan1，YU Xiaojun2，ZOU Hongsen2，CHEN Li2
（Overhauling Company of the State Grid Ningxia Company，Yinchuan 750001，Ningxia，China）

In order to address the disadvantages of the traditional transformer cooler control system，this paper presents a new intelligent air cooling control method.And based on the large scale signal acquisition method，the paper proposes a design scheme of the new intelligent air cooling system model，giving the characteristics of the system and design of both hardware and software systems.Some key parts，such as main program，oil temperature control，comprehensive investment and cut，data sharing center，and message flow，are designed to provide reference for the construction and operation of the substation automation system.The design proposed in the paper can better meet the requirements of the unattended operation and realize the smart operation of the substation.

transformer substation；transformer；cooler；intelligent control system

国家电网公司科技项目（5229CG15004V）。

Project Supported by the State Grid Corporation Technology Project（5229CG15004V）.

1674-3814（2016）10-0099-05

TM402

A

2016-03-25。

刘志远（1970—），男，硕士，高级工程师，研究方向电力系统分析运行与控制；

于晓军（1984—），男，硕士，高级工程师，研究方向研究方向电力系统分析运行与控制。