基于PID控制技术的变压器冷却装置智能喷淋系统的研究及应用

黄江宁，吴 靖，黄旭亮，宋 平，刘文飞

（国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，杭州 310009）

0 引言

随着用电负荷的不断增加，变压器在夏季常处于重负荷运行的状态。据统计，杭州电网中80%以上的变压器采用自然冷却的方式，由于热传递的速率取决于两者间的温差，在户外高温环境下变压器频繁出现高温报警，即便是安装强制风冷的变压器也无法实现有效降温，导致变压器的运行温度长时间处于85℃以上，超过了温升限值，严重影响设备的安全稳定运行，因此，在夏季需要进行变压器冷却装置的人工喷淋，改善变压器的散热环境。

由于人工喷淋降温的方式无法在油温过高时立即进行，在时间上存在较大的滞后，且主变压器（以下简称“主变”）油温检测通常采用铂热电阻对散热片上层油温进行传递，采样区域小。基于以上情况，研究了一种智能喷淋系统，通过对现场温度的多点采集，构建实时温度场模型实现喷淋系统的提前启动，通过采用PID（比例-积分-微分）控制技术，引入平均流量的概念实时调节喷淋水流，应用温度闭环控制方式得出最优喷淋降温策略，使变压器始终保持在理想温度下运行。

1 装置工作原理

智能喷淋系统通过温控器设定装置启动的临界值，当温度传感器检测的现场温度达到临界值时，数据通过信号线传递给温控器，温控器接通电源使电子水阀触点闭合吸进水流，通过水管引流至散热片顶的喷淋管，喷出雨状水。形成的水流沿散热片壁在表面形成一层水膜，加速散热。当平均温度低于设定的临界值后，温控器自动断开电源，使得控制电子水阀的继电器触点随之断开，停止喷淋系统工作。通过这样的不断循环，使变压器平均油温始终保持在临界值以下，从而实现闭环控制，保证变压器良好的运行温度。闭环控制原理见图1。

图1 智能喷淋系统闭环控制原理

2 智能喷淋系统的构成

2.1 温度传感器

选用DS18B20作为智能喷淋系统的温度传感器，采用一线制通信方式。测温范围在-55℃～+125℃，精度±0.5℃，其特点有体积小、传输距离远、没有模拟电路、抗干扰性强等。

如图2所示，将该温度传感器分别安装在变压器散热片上、中、下层和电子水阀处作为测温采样点，为构建温度场模型收集多点数据，进行综合分析。经实践检测，该测温传感器的有效测量范围为1 m以内，环境耐受性好，可达IP67级防水等级，使用寿命长，2016年投运至今未出现故障。

图2 智能喷淋系统安装示意

2.2 电子水阀及喷淋水管

选择电子水阀由继电器控制阀开通或者关闭，驱动电压分为220 V交流、24 V直流、12 V直流，考虑到电磁屏蔽及抗干扰特性，取24 V直流功率2 W的型号（电压高驱动电流小）。

喷淋水不宜喷洒，喷洒易雾化，由于现场电磁环境复杂，考虑使用PVC管或其他耐温塑材，根据散热片距离，在管上开好适当的出水孔，安置在散热片上方10 cm处，使水顺着散热片流下。

2.3 微控制器的选择

本设计选择的控制器是STC12C5A60S单片机，该芯片设有A/D转换器、通用双向I/O口、I2C通信模块。单片机采用键盘和OLED屏实现人机交互，键盘用于灵活设定装置温度启动定值，OLED液晶屏作为显示界面并设有报警提示灯，将控制算法写入单片机可实现PID信号的输出，控制电子水阀的通断，如图3所示。

图3 智能喷淋系统的组成

2.4 电路板设计

选用24 V（大于1.5 A）的电源适配器，一部分直接用于驱动水阀，另一部分经DC/DC降压至5 V后为控制器供电。在整体电路中：晶振电路给单片机提供时钟信号，滤波电路进行滤波稳压，复位电路进行单片机复位，继电器控制及驱动电路提供电子水阀的触点吸合动作，DS18B20插座接收测温传感信号，OLED插座用于液晶屏交互显示，设置上拉电阻提升单片机端口的驱动能力。

3 智能喷淋系统的模型设计

3.1 温度场模型

对大量油温实测数据和气象资料的分析表明：由于热油膨胀，密度比较低，热油流向上层，凉油流向下层，变压器油在下层温度升高后才会转而流向上层，故温度采样呈现出滞后性的特点；气温与油温之间的温差影响热传递的速率，随着时间的增长呈现出累积性的特点。因此，在温度场模型中引入上、中、下层的油温以及环境气温，取不同的权重系数反映各种因素带来的滞后性和累积性，从而实现喷淋装置在油温越限前的启动。基于上述分析，温度场预估模型的基本形式为：

式中：Tm为变压器油的复合温度值；θa为当前环境气温；θs，θz， θx分别为散热片上、中、下层的温度；H为散热片体积密度；p1—p8为待定的回归系数。

本研究在220 kV大陆变电站和220 kV云会变电站进行了大量的主变油温观测工作，采集了200多组温度实测数据，并从当地气象部门收集了观测期的标准气象资料，通过实测数据和标准气象资料进行回归分析，分别得到不同变电站预估模型的回归系数，结果如表1所示。

分析结果显示：不同变电站的预估模型均具有较高的预测精度，复相关系数R、判定系数R2和标准误差都达到了较高的水平。

如图4所示，若简单设定散热温度阈值Tset，测到复合温度值Tm＞Tset时，打开水阀；反之关闭水阀。这种方式会造成被控对象的温度在设定值附近快速波动，水阀继电器因此以较高的频率反复抖动，容易损坏。

图4 无滞回环节导致水阀开关反复抖动

因此，如图5所示，考虑通过加入滞回环节加以改进，设定 TL（温度下限）＜Tset＜TH（温度上限），当温度Tm上升超过TH时，水阀导通；当Tm回落低于TL时，水阀关闭，从而避免了电子水阀在阈值附近频繁动作的情况。

图5 加入滞回环节后消除水阀开关抖动

3.2 应用PID技术的控制模型

通常散热片通过与空气进行热交换，当达到热交换平衡时温度保持恒定（假设散热片热源功率恒定），当用电负荷和环境气温上升，会使得热平衡时的温度上升（空气来不及带走散热片上的热量），由于散热片热源一直存在，如果不采取降温措施，温度会上升或维持在较高值，从而导致变压器绝缘油过温。因此考虑采用PID控制技术进行水阀的控制，根据温度灵活调节水量，将散热片温度控制在设定值之下，如图6所示。

如图7所示，电子水阀无法做到流量连续调节，在此引入平均流量的概念：若原先阀门打开流量为Vo，设定时间周期T（假设取10 s），类比PID概念，如果T中40%的导通占空比，则平均流量为 0.4Vo。 设定温度下限 TL＜Tset， 当 Tm＜TL时，水阀常闭；设定占空比下限DL，不至于存在较快地开断。若是按照T=10 s来算，水阀开关频率最高0.1 Hz。

假设水比热容、散热片比热容、环境温度不变，可认为散热片上温度的变化率与散热片温度T和水温Tw之间的温差成正比：

散热片散热过程存在惯性环节，再考虑水的比热C，流量V，环境温度Te，散热片水流量Q等其他因素，修正后的公式为：

从而模型可近似为：

式中：M为常数。

可见冷却过程中的温度变化在一定程度上与流量Q可近似为线性关系。流量的大小可以调节冷却过程。

定义水阀动作开关函数：

定义t1-t2时间段内的平均流量为：

则流量可以作为控制环节中的控制变量。

如果在时间T内，水阀打开时间为t，故定义占空比：

则有：

由于系统温度变化存在较大的惯性环节，故温度变化较慢，可采用PI（比例-积分）控制器，如图8所示。

图8 采用比例积分控制器输出PID信号

h（t）为 PI控制器输出信号， Tri（t）为频率为 f的三角波信号，Out（t）为输出PID信号。经过比较器有：

闭环传函为：

变压器散热片夏季的最佳冷却温度在80℃左右。将PID控制的期望值设置为80℃，通过监控程序，实时比较温度传感器测量值与期望值的大小。当温度传感器的实测值大于期望值时，触发调用PID控制子程序，使电子水阀开放喷淋时间与温度升高正相关，从而使温度保持在理想状态下。

4 实践应用

本装置先后在杭州220 kV大陆变电站，220 kV云会变电站的变压器上安装使用，观测上、中、下层温度采集点温度变化情况，如表2所示。试验表明：在喷淋装置安装后，最高可以降低温度7～8℃，平均油温降低5～6℃，运行情况良好，改善了变压器运行工况，减少变压器自身损耗，大大提高了变压器运行可靠性，降低维护工作量，产生了较大的经济效益。

表2 喷淋前后温度变化情况

5 结语

变压器冷却装置智能喷淋系统，通过现场温度的多点采集，构建了实时温度场模型，采用PID控制技术实现喷淋水流随油温升高而增大，使变压器运行油温始终保持在理想温度下，从而保证了变压器在高温高负荷下的平稳运行，消除了人工带电喷淋作业的安全风险，节省了人力成本，取得良好的经济效益及社会效果。