第三章—電力變壓器風冷系統(tǒng)PLC控制方案及策略

1、第三章 電力變壓器風冷系統(tǒng)PLC控制方案及策略本章針對500kV電力變壓器的風冷控制系統(tǒng)，基于可編程控制器PLC，介紹具體的控制方法，設計控制流程，制定電力變壓器風冷系統(tǒng)PLC控制方案及策略。3.1 變壓器風冷系統(tǒng)PLC控制流程3.1.1冷卻控制系統(tǒng)功能模塊介紹本設計中，PLC是500kV電力變壓器風冷卻控制裝置的核心器件，系統(tǒng)的功能基本通過可編程序控制器實現(xiàn)，根據控制裝置的功能設計，以PLC為核心，整個控制系統(tǒng)包括以下6個功能模塊，如圖3.1示。變壓器風冷卻控制系統(tǒng)包括：電源監(jiān)視控制模塊、冷卻器投切保護模塊、凝露溫度監(jiān)控模塊、就地控制與顯示模塊、通訊模塊、上位計算機監(jiān)視模塊6個功能模塊，具體

2、實現(xiàn)方法和作用簡要介紹如下：（1）電源監(jiān)視控制模塊。首先通過電壓繼電器監(jiān)視兩路獨立電源的狀態(tài)(兩路獨立電源為冷卻裝置供電)，判斷電源是否缺相，由兩個斷路器控制電源的投切；再將兩路電源的故障信號和斷路器輔助節(jié)點所反映的電源工作狀態(tài)信號送入可編程序控制器，最后經可編程序控制器綜合判斷產生控制電源投切的控制命令，由斷路器執(zhí)行電源投切動作。圖3.1 冷卻控制裝置功能模塊框圖（2）冷卻器投切保護模塊。采用交流接觸器控制冷卻器的投入和切除，通過自動空開和電動機保護器的配合，對風扇和潛油泵電動機的短路、過載、堵轉和缺相進行保護。通過采集變壓器溫度信號、運行狀態(tài)信號、油流繼電器反映的冷卻器油流狀態(tài)信號、反映電

3、動機故障狀態(tài)的空氣開關狀態(tài)信號和交流接觸器狀態(tài)信號，由可編程序控制器根據送入的這些信號進行電動機、油流和接觸器故障的判斷和定位并產生投切冷卻器的控制命令，由交流接觸器執(zhí)行投切動作。（3）凝露溫度監(jiān)控模塊。采用凝露溫度監(jiān)控器對環(huán)境的溫度、濕度進行實時監(jiān)控，當濕度達到設定值后凝露負載輸出接通，信號送到可編程序控制器，由控制器決策定時投運全部風冷卻器：同時濕度達到設定值時控制裝置能啟動冷卻控制裝置箱體內的加熱裝置，為控制裝置箱體除濕；溫度達到設定值時啟動裝置箱體內風扇，給控制裝置散熱。（4）就地控制和顯示模塊。在控制面板上可以選擇“手動”或“自動”投切冷卻器，在“手動”模式下可以手動投切冷卻器；可以

4、選擇哪一路電源為“主”電源；也可以手動復位故障信號。同時顯示電源和風冷卻器的各種故障、投入狀態(tài)信息以及變壓器過流、超溫、風冷卻器全停等信息。（5）通訊模塊。通訊模塊通過PLC上的RS485口經串口長線延長器與遠方的上位計算機通信，定期的將變壓器、冷卻器和冷卻控制裝置的運行信息、故障信息通過串口傳送到上位計算機。（6）上位機監(jiān)視模塊。使用c+對串口編程，從串口采集變壓器、冷卻器和冷卻控制裝置的運行信息、故障信息，實現(xiàn)信息在上位機的動態(tài)顯示和故障報警功能。PLC采集電源的狀態(tài)和控制電源用斷路器的狀態(tài)信號、變壓三側開關和溫度信號、冷卻器的油流和電動機狀態(tài)信號、凝露溫度信號及各種選擇操作信號綜合判斷產

5、生控制決策、故障報警信號，并將各種運行信息和故障信息上傳到上位機，實現(xiàn)上位機對變壓器冷卻系統(tǒng)的監(jiān)視。3.1.2變壓器冷卻控制系統(tǒng)功能設計通過對500kV大型變壓器強迫油循環(huán)風冷卻及控制系統(tǒng)的分析，結合電力變壓器運行規(guī)程的要求和電力系統(tǒng)自動化設備的發(fā)展趨勢，本論文設計完成的變壓器冷卻控制裝置擬完成以下功能：（1）冷卻控制裝置能控制兩路獨立電源為冷卻裝置供電，可由開關選擇一路電源為“主”電源，一路為“輔”電源?！爸鳌彪娫垂收虾罄鋮s控制裝置能發(fā)出“電源故障”信號并投入“輔”電源，保證了冷卻裝置供電的可靠性；兩路電源都發(fā)生故障，能發(fā)出“裝置失電”信號，并能夠將全部風冷卻器切除。（2）變壓器高、中、低三

6、側開關全部斷開，經過一段時間的延時使變壓器完全冷卻后所有風冷卻器自動停運；變壓器三側開關任一側開關閉合時，冷卻控制裝置按需要自動投運風冷卻器。（3）風冷卻控制裝置能控制8組風冷卻器，取消了固定運行方式的工作模式，裝置能按變壓器油溫自動、依次投入相應臺數(shù)的冷卻器，變壓器負荷和環(huán)境溫度變化，油溫能始終維持在一個穩(wěn)定的溫度范圍內；冷卻器按溫度依次投入，防止了沖擊電流的產生，同時可以預防或改善油流帶電現(xiàn)象。 （4）冷卻控制裝置在產生投、切決策時采用有差值裕度投、切閾值的控制策略，可以有效的避免冷卻器組頻繁投切的問題。（5）冷卻控制裝置投入后，計時冷卻器投入工作后的持續(xù)運行時間并能自動累積冷卻器的工作時

7、間(持續(xù)工作時間的和)即累積運行時間，在需要投入時投入累積運行時間最短的冷卻器，在需要切除時切除持續(xù)運行時間最長的冷卻器，使冷卻器組均衡工作，提高了冷卻器組的工作可靠性和使用壽命。（6）濕熱季節(jié)，由凝露溫度監(jiān)控器監(jiān)視環(huán)境溫度、濕度，并能根據濕度情況和濕度持續(xù)時間情況將全部風冷卻器投入，避免冷卻器機械部分受潮腐蝕，以保證需要時能正常投運。（7）冷卻控制裝置能檢測冷卻器的風扇和潛油泵電動機發(fā)生的缺相、堵轉、短路、過載故障并提供保護。（8）冷卻控制裝置能檢測每組冷卻器的風扇和潛油泵電動機故障、油路故障及控制冷卻器投切的接觸器故障，如有故障發(fā)生控制裝置自動將該組冷卻器切除，發(fā)出故障及報警信號；故障消除

8、，可以手動復位故障信號。（9）風冷卻器全停時，能發(fā)出報警信號，并允許帶額定負載運行20分鐘，如20分鐘后頂層油溫尚未達到75，則允許上升到75，但這種狀態(tài)下運行時間超過1小時后，將變壓器高、中、低三側開關跳閘，變壓器停運。（10）冷卻控制裝置可以通過串行口與上位計算機通信，將變壓器的部分運行信息、冷卻及控制裝置的運行信息、故障信息傳送到上位機，實現(xiàn)遠方監(jiān)視功能。（11）冷卻控制裝置能在顯示控制面板顯示冷卻及控制裝置運行中的各種信息，包括電源運行、故障，風冷卻器運行、故障，接觸器故障信號；同時可以選擇手動操作，以手動方式投、切冷卻器組。（12）當溫度達到一定數(shù)值時，自動接通控制箱內的風扇散熱裝置

9、，保證設備內部溫度滿足要求；濕度達到一定值時，啟動控制箱內的加熱裝置，防止裝置箱體內凝露的產生。3.2 變壓器油溫自動檢測方法通過分析風冷卻系統(tǒng)的工作特性，在變壓器風冷卻控制系統(tǒng)設計中引入了斷續(xù)負反饋控制模型，實現(xiàn)對變壓器油溫的自動控制。油溫自動控制系統(tǒng)框圖如圖3.2所示，控制系統(tǒng)以變壓器頂層油溫作為被控量；PLC作為控制器；交流接觸器作為執(zhí)行機構；冷卻裝置作為被控對象：溫度繼電器作為變送器；將引起變壓器油溫變化的變壓器負荷和環(huán)境溫度看作控制系統(tǒng)的外部擾動。圖3.2 變壓器油溫自動控制系統(tǒng)框圖由于被控對象的特性，對變壓器溫度自動控制系統(tǒng)而言只能按組投切冷卻器實現(xiàn)對溫度的控制，所以難以實現(xiàn)對變壓

10、器油溫的定值控制，只能使其維持在一個溫度范圍。系統(tǒng)采用的斷續(xù)反饋控制系統(tǒng)不同于一般的恒值負反饋控制系統(tǒng)或隨動負反饋控制系統(tǒng)，斷續(xù)負反饋控制系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)對被控對象的控制作用不連續(xù)，與此對應，外部擾動導致被控量變化，經控制系統(tǒng)的控制作用，被控量最終不能穩(wěn)定在某一定值而是一個值的范圍。變壓器油溫自動控制系統(tǒng)的工作過程是：變壓器負荷或環(huán)境溫度變化引起變壓器油溫的變化，變壓器油溫變化通過溫度繼電器采集送入到PLC，PLC根據一定的控制策略產生控制冷卻器投切的控制決策輸出，控制決策通過接觸器實現(xiàn)對冷卻器組的投切，通過冷卻器組的投切控制變壓器油溫的變化。3.3 PLC綜合投切控制策略控制策略的研究是本論

11、文電力變壓器風冷卻控制裝置設計中的重要部分，它是變壓器風冷卻控制設計的前提，系統(tǒng)電氣連接和程序設計均以控制方法和策略為基礎。采用合理的控制方法和控制策略直接影響控制系統(tǒng)的設計的成效，同時控制方法和策略的合理與否將直接影響控制裝置的性能。變壓器風冷卻控制系統(tǒng)的核心功能和基本思想是：根據變壓器油溫自動投、切冷卻器使變壓器油溫維持在一個穩(wěn)定的范圍內，滿足變壓器運行對溫度的要求。在冷卻控制系統(tǒng)中結合變壓器冷卻裝置的特點我們采用了斷續(xù)負反饋控制的控制方法，有差值裕度的投、切溫度閥值的控制策略和按運行時間投切冷卻器的控制方法。這些控制方法和策略的運用解決了冷卻器頻繁投切和不均衡工作等問題。繼電式控制裝置通

12、常設定固定的溫度閥值，變壓器油溫超過閥值繼電器動作，投入“輔助”冷卻器，頂層油溫低于設定閥值將投入的“輔助”冷卻器切除。缺點是，當變壓器溫度在設定的溫度閥值附近波動時，將造成冷卻器組的頻繁投切或投切的靈敏性不夠理想。3.3.1 控制策略原理針對冷卻器頻繁投切的問題，在變壓器油溫自動控制系統(tǒng)中提出了有差值裕度的投、切溫度閥值進行綜合投切控制的控制策略，可以有效的避免冷卻器組的頻繁投切的問題，投切過程如圖3.3所示：圖3.3 按溫度投切冷卻器過程示意圖如圖3.3所示橫坐標表示變壓器油溫，縱坐標表示是否投切冷卻器，為冷卻器切除的溫度閥值，為冷卻器投入的溫度閥值。-即為差值裕度。 （3.1）式中：差值

13、裕度投入冷卻器溫度閥值切除冷卻器溫度閥值冷卻器的投、切過程如下：當變壓器油溫上升，并且超過時，需要有冷卻器投入工作；當變壓器頂層油溫下降低于時，需要切除部分冷卻器；當變壓器油溫維持在到之間的溫度范圍時，裝置不做任何投、切動作；在需要投入或切除冷卻器時需要與按累積運行時間和持續(xù)運行時間進行投切控制的控制方法配合，具體產生投切某組冷卻器的控制決策。3.3.2 控制參數(shù)的整定控制參數(shù)的整定是有差值裕度的投、切溫度閥值的控制策略的關鍵環(huán)節(jié)，投入溫度閥值可以根據變壓器運行規(guī)程要求或變壓器生產廠商規(guī)定確定。差值裕度 (或者是，在確定后兩者可以互相確定)的選取非常關鍵，在一定程度上決定了裝置控制功能的優(yōu)劣。

14、的選取必須恰當，變壓器負荷平穩(wěn)且變壓器頂層油溫在右側附近時，投入一組風冷卻器；由于冷卻器的投入變壓器油溫下降，如果選取過小使油溫很快降至以下，即要切除冷卻器；當切除冷卻器后，冷卻器的退出，使變壓器油溫又迅速上升并超過，需再次投入冷卻器；如此往復將造成冷卻器的頻繁投/切。如果過大，將導致變壓器油溫在一個大范圍內變動。差值裕度的選取應遵循如下算法： （3.2）式中：差值裕度投入冷卻器溫度閥值油溫為時，投入一組冷卻器且穩(wěn)定后的變壓器油溫為溫度裕度可以由變壓器生產廠家通過試驗獲得，也可以由運行人員根據運行經驗整定。3.3.3 按運行時間投切的控制方法不同于繼電器控制方式只投切“輔助”冷卻器，采用溫度負

15、反饋控制方法的變壓器油溫自動控制系統(tǒng)中取消了固定的“工作”、“輔助”、“備用”運行方式，有差值裕度的投、切控制策略產生投切控制決策時，就需要采用按持續(xù)運行時間和累積運行時間進行投切控制的控制方法，做出具體投切某組冷卻器的控制決策。持續(xù)運行時間表示冷卻器每次投入運行的時間，從冷卻器組投入運行開始計時，冷卻器退出運行計時被清零，重新投入運行后重新開始計時。累積運行時間表示冷卻器每次投入運行的持續(xù)運行計時的累積，同時在“手動”操作模式下，有冷卻器投入運行也需要計時運行時間并累加到累積運行時間中。在變壓器油溫自動控制系統(tǒng)中，按有差值裕度的投、切溫度閥值進行綜合投切控制決策和按持續(xù)運行時間和累積運行時間

16、投切控制配合做出具體投切某組冷卻器的工作過程如圖3.4所示的流程：首先由有差值裕度投、切閥值的控制策略產生是否投切的控制輸出；然后再判斷是否允許投切，因為在剛做完投切冷卻器動作后必須延時一段時間等待變壓器油溫穩(wěn)定后再做投切動作，否則在短時間內會投入或切除過多的冷卻器，可能造成冷卻器組的頻繁投切。如果允許投切，就進入投切處理；如果不允許投切，則直接進入是否有冷卻器持續(xù)運行時間超時的判斷；如果判斷有冷卻器持續(xù)運行時間超時，執(zhí)行切處理，切除持續(xù)運行時間超時的冷卻器；沒有冷卻器持續(xù)運行時間超時，循環(huán)會有差值裕度投切閥值的投切控制決策。圖3.3 投切冷卻器決策流程圖（1）投運冷卻器的過程是從未投入冷卻器

17、的隊列中選出累積運行時間最短的冷卻器，控制交流接觸器投入冷卻器，冷卻器投入后開始計時持續(xù)運行時間；（2）切除冷卻器的過程是從投入冷卻器隊列中選出持續(xù)運行時間最長的冷卻器，控制交流接觸器切除冷卻器，同時將本次投運的持續(xù)運行時間累加到該臺冷卻器的累積運行時間。（3）選擇最短累積運行時間和選擇最長持續(xù)運行時間冷卻器的方法主要體現(xiàn)在PLC編程中。3.4 PLC編程思路通過分析PLC的控制程序流程，介紹PLC程序編制的基本思路。3.4.1軟件總體設計可編程序控制器程序流程圖如圖5.1所示：圖5.1 可編程序控制器流程圖程序流程介紹如下，首先進行初始化，在PLC由停止到運行的第一個運行周期進行初始化操作一

18、次，初始化操作完成可編程序控制器通訊設置；清零程序中用到的計數(shù)器、定時器、故障標志位、持續(xù)運行時間和累積運行時間存儲區(qū)，置位或復位程序中用到輔助標志位等。電源處理，根據“主”“輔”電源選擇標志輸入，電源狀態(tài)和電源投入狀態(tài)輸入進行綜合判斷，置位相應的輸出位，為冷卻裝置選擇一路電源為裝置供電，如果沒有電源投入。則跳轉到停止處理。有電源投入，接下來進行三側開關處理。PLC判斷三側開關狀態(tài)輸入，三側開關輸入信號由無效變?yōu)橛行?，程序延時一段時間然后復位“允許投切”標志位，延時的目的是讓變壓器停止工作后使冷卻器繼續(xù)工作一段時間，使變壓器充分冷卻；“允許投切”標志位無效時跳轉到停止處理；三側開關輸入信號無效

19、，表示變壓器工作，置位“允許投切”標志位。如果允許投切，接下來進行“手動”、“自動”或“停止”操作判斷，如果處于“停止”狀態(tài)，跳轉到停止處理；如果處于“手動”，跳轉到計時超時處理：如果處于“自動”狀態(tài)，則進行“首次投入”判斷，這里的“首次投入”是說冷卻器由“手動”或“停止”轉換到“自動”；如果是首次投入則需要進行初始化投切處理，以一定的時間間隔，依次投入5組冷卻器；否則直接進行投入計時處理。投入計時處理，切除計時處理。PLC程序采用定時器結合計數(shù)器計時的方式，冷卻器投入時就對投入冷卻器開始計時；冷卻器切除時，需要將此次運行的持續(xù)時間累加到累積運行時間存儲區(qū)。投切判斷。PLC按有差值裕度的投、切

20、溫度閥值的控制策略進行投切判斷：冷卻器持續(xù)運行時聞計時到設定值，需要進行一次切操作，將計時時間達到的冷卻器切除；凝露溫度監(jiān)控器凝露負載接通并且持續(xù)超過設定時間，此時將進行投操作，并且禁止切操作，將無故障冷卻器全部投入運行。投處理，切處理。投處理操作從停止運行的冷卻器中選取累積運行時間最短的并置位投冷卻器輸出；切處理操作從運行的冷卻器中選取持續(xù)運行時間最長的冷卻器復位投冷卻器輸出；在進行投切處理后要延時投切一段時間使冷卻器動作后變壓器油溫維持穩(wěn)定，避免重復投切，延時投切同時還避免了大沖擊電流的產生。停止處理。將投冷卻器輸出位復位，同時復位允許投切標志位和計數(shù)器(輔助計時)。手動時計時超時處理，在

21、手動模式下不能自動投切冷卻器，又由于受到計數(shù)器計數(shù)個數(shù)的限制，所以當持續(xù)運行時間計數(shù)器超設定值時將持續(xù)運行時間計數(shù)器計數(shù)值累加到累積運行時間存儲區(qū)，持續(xù)運行時間計數(shù)器清零重新開始計時。故障判斷。PLC可根據輸入的油流繼電器、空氣開關和接觸器狀態(tài)，結合投切決策進行故障定位和判斷，并將判斷的結果分別置位可編程序控制器發(fā)送緩沖區(qū)相應的存儲位。冷卻器全停處理。冷卻器全停時允許帶額定負載運行20分鐘，如20分鐘后頂層油溫尚未達到75，則允許上升到75，但這種狀態(tài)下運行時間超過1小時后，置位變壓器三側開關跳閘輸出，使變壓器停運。通訊處理，PLC定期的將與冷卻器有關的變壓器運行信息、電源狀態(tài)信息、冷卻器工作狀態(tài)信息、故障信息通過串口發(fā)送到上位計算機，上位計算機取得這些信息，監(jiān)視冷卻器運行。3.4