智能测控系统在电厂变电站主变冷却系统上应用可行性分析

于德纲 王广华

摘 要：文章对当前主变压器冷系统存在的不足，进行全面细致的分析，并提出新的测控方式：采用变频调速与PLC组合控制技术，对冷却器风扇与循环油泵进行测控，节能降耗的同时又可实现主变压器冷却系统的数字化控制，符合当今电力系统向智能化控制的发展趋势。

关键词：主变压器；智能调速；智能测控；可编程控制器

中图分类号：TM921.51 文献标志码：A 文章编号：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

選用变频器控制拖动技术与可编程控制器模组、人机交互接口，远程通讯传输监控系统与智能传感器组成一个智能调控变压器冷却系统，利用温度自动控制程序指令输入输出，自动投入和退出冷却器组，使主变冷却器组投入组数控制最佳数目，并能实时跟踪主变温度及环境温度变化，使主变油温、绕组、铁芯温度得以平滑调整。

大型变压器是变电站和发电厂主要电能传输设备之一，运行中存在着铁损和铜损，变压器负载电流变化，其损耗随之改变，变压器所需的冷却容量需要实时调整，当前管理方式是根据变压器顶层油温及绕组温度的变化，人为进行分组投切冷却器组，达到控制变压器油顶层温升，随着智能电网的普及，第四次工业革命来临，电气自动化控制技术向人工智能化转变，原有模拟电气控制方式已经远远落后当前电网管理水平，急需做出改变以适应当前电网管理。

1 当前我厂的主变压器冷却系统控制回路在运行中发现存在以下问题

（1）负荷变化时，变压器油温度升高降低要通过人员手动投切冷却器循环油泵及风扇，不能很好地将主变油温控制在最佳区域曲线，不是温度高就是温度低，要经过好长时间才可以调到温度稳定。（2）负载电流变化、环境气温变化不能及时调整冷却器运行组数，人工干预投切不及时，造成油温波动范围较大，不能实时根据变压器负载电流、环境气温变化而实时调整冷却组数，易造成冷却器和循环油泵投入台数过多和过少，油温过高油氧化劣化加速，油温过低时，油流动性差，油泵负荷加大，既费电又加剧油泵机械磨损，还易使变压器油箱密封结合处缝隙加大进而发生渗漏油，影响变压器油质和绕组绝缘，缩短使用寿命。（3）冷却风扇循环油泵电机全压启动，启动电流是额定电流的4-7倍，大电流使电机绕组温升迅速，造成绕组短时高温；影响电机使用寿命，频繁工频带载投切风扇循环油泵电机，接触器触头频繁吸合拉弧，造成触头烧损，甚至引起电机缺相烧毁，缩短了维护周期；变压器本体的噪声主要由风扇、油泵噪声、电磁嗡嗡声，器身震动，风扇叶在工频下高速运行，风扇叶噪声、震动声音很大，对变压器周围环境造成严重噪音污染。（4）冷却器组容量数目不能及时随变压器油温度及负载电流的变化，及时投切。（5）自动化水平低，主变冷却器不能在网控和远程调整和参数监控。（6）主变压器油温，油循环流量，冷却器投停台数，内部压力，震动，及油质劣化指标，呼吸器受潮程度，主变油位等都没有实现远程监控和自动预警报警功能。

鉴于以上分析，本文提出了主变智能控制多参数一体化改造设计方案，根据流体力学原理，风机通风流量与转速成正比，风机大部分时间工作在非满载区域，可编程控制器根据冷却器运转特性编制自动控温程序，通过控制指令使变频器改变电源频率进而改变电机转数，通过PID闭环控制调节方式，使冷却系统风机油泵转速能够实时跟踪变压器油温度、气温变化及负荷电流的变化来实时调整，使变压器绕组与铁芯的发热与散热冷却功率达到平衡关系，达到对变压器冷却系统的最优控制。同时又可以把主变油温、油流、震动、油位、内部气体压力、呼吸器受潮湿度参数，接头测温参数远传到上位机实现主变智能化控制，冷却风扇转数的改变，是根据变压器顶层油温、绕组、铁芯温度和变压器负载电流大小、环境气温升高降低来确定变频器的输出电源频率，温度计采集变压器顶层油温、绕组、铁芯的实时温度，自动控温程序根据频率与油温、环境温度、负荷电流等变化的关系曲线，将变压器顶层油温、绕组、铁芯温度控制在设定值附近，控制方式由可编程序控制器PLC内置运行程序判定，当前有关PLC温度自动控制应用案例多，这里不再过多陈诉。

2 智能测控主变压器冷却器系统结构方案设计

（1）控制系统硬件由可编程控制器中央处理单元、变频功率输入输出单元、温度采集单元、人机交互单元、传输测控单元、温度及运行参数显示单元，保护单元等组成。

（2）智能测控系统原理框图如下。

a.可编程控制器系统、采用西门子6ES7 300输入输出模块，温度、压力、震动、液位变送器模块，通讯模块等。b.上位机选用计算机服务器或触控一体屏。c.根据变压器运行的实际工况，控制参数设计把变压器顶层油温的设定值可根据实际情况允许在线修改。主变压器投入运行时，冷却控制系统将同步投入运行，测控装置内置自编程序会根据测控温度、电机转速、流量、风速数据自动调整主变冷却器运行台数与当前温度相对应。

（3）PLC控制系统的逻辑关系设计

a.控制要求。将被控冷却系统的顶层油温度控制在某一范围之间，当温度低于下限或高于上限时，应能自动进行调整，如果调整一定时间后仍不能脱离不正常状态，则采用声光报警，来提醒操作人员注意，排除故障。系统设置一个启动按钮来启动控制程序，设置绿、红、黄三台指示灯来指示温度状态。当被控系统的温度在要求范围内，则绿灯亮，表示系统运行正常；当被控系统的温度超过上限或低于下限时，经调整且在设定时间内仍不能回到正常范围，则红灯或黄灯亮，并伴有声音报警，表示温度超过上限或低于下限。该系统共四大部分，包括温度传感器、变送器、PLC温度监控系统和外部温度调节设备。选取监控对象油温、铁芯、绕组温度，作为采样点，温度传感器分别采集这几个采样点温度后；通过变送器将采集到温度样值转换为模拟量信号，从而得到采样点温度所对应的模拟量值，输入到PLC的模拟量输入端口；PLC温度监控系统将采样点温度读入后，取其平均值，作为被控系统的实际温度值，将其与预先设定的正常温度范围上下限相比较，得出系统所处状态，并向外部温度调节设备输出模拟量控制信号；外部温度调节设备根据输出的模拟量的大小来调节温度的上升与下降或保持恒温状态。保护单元主要功能：实时监控冷却器组电机过载及缺相，油流继电器反馈等故障信号，送回PLC内部，经判断输出控制信号停止故障电机运行，保护动作的输出开关量作为PLC模拟输入开关量，由PLC运行程序，判断其故障类型，作出相应输出给电控单元和变频器，通过可编程控制器PLC控制电控单元接通和断开电机电源回路，故障报警信号同时反馈给上位机或人机交互画面，同时自动投入备用冷却器组，使之能够跟随变压器油温的变化而自动调整通风量和油泵转速。b.主程序采用不间断循环扫描的方式，冷却器组有电机发生故障时，保护单元程序会立即调用子程序模块，作出相应的逻辑判断。变压器负荷电流改变时，不需由人工频繁启动投切冷却器组，而是由控制程序自动跟踪变压器负荷及周围环境温度的变化，由程序线性调整其冷却器风扇循环油泵电机转速，减少当前电机始终工频高转速运行时，电机油泵老化速度和磨损程度，也节约了大量电能。

3 主变压器冷却器风扇循环油泵电机采用可编程序控制的优点

可以有效减小变压器变压器油温波动范围，油温的高低对油流速度有着显著的影响。本文设计的控制系统可以有效减弱变压器油箱内压力变化情况，并能及时将油箱内压力上传上位机，并能通过PLC程序设计，当油箱内压力升高到压力释放阀动作压力前报警，及时发现变压器运行异常状况，避免变压器爆炸跳闸等事故发生。

（1）以往的冷却系统设计按变压器带最大负荷，当地环境温度最高值来配置，冗余量很大，一台主变多投几组冷却器，年损失的电量为6*3*24*365=157680kWh三台主变冷却器年电费可以节省几十万多元，尤其是在东北冬天需要冷却风量很小，测控系统使电机运行的转速和投入组数始终满足冷却容量的需求，节电效果显著。（2）冷却系统的控制运行是由可编程控制器内部程序设定来实现，控制参数及定值设定可以根据现场工况在线实时调整，还能实现与发电厂变电站DCS监控系统通讯，上传和下载运行工况指令，接受控制指令，提高发电厂变电站智能化管理水平和实现无人值守远程控制。（3）风扇高速运行是变压器噪音产生的主要原因之一，还会干扰运行检修人员对变压器异音的准确判断，冷却器变转速调节可以使风扇电机低速运行，可有效减弱由叶片高速运转产生的噪音。（4）将温度、压力、震动、液位采集模块数据上传到上位机或人机交互设备，可以随时发现变压器冷卻器系统运行异常现象，提前发现冷却系统或变压器本身故障，提高主变压器运行安全性、可靠性、经济型。（5）为防止自动控制系统异常或故障时，影响到主变运行，需设计一套自动/手动启动冷却器系统，利用原有接线即可。（6）通过以上分析改进控制系统后，可以节能降耗，减轻冷却器风扇和冷却油泵的机械磨损，延长了冷却器风扇电机及循环油泵的检修周期，节省了材料费和人力，节约大量的电力，同时提高了主变压器冷却器控制的自动化程度，便于远程控制和远程查看，与变压器故障诊断系统配合，便于提前发现异常及隐患，提高变压器健康管理水平，提升了主变自动化管理能力。

4 结束语

通过变压器冷却器组的智能化测控方案的实施，能够使变压器上层油温、绕组、铁芯温度始终控制在最佳允许温度范围内，克服了当前变压器冷却系统存在的电耗高、噪音大，设备磨损严重、振动大、维护周期短，费用高等很多缺点，提高了主变压器运行可靠性、经济性和人工管理智能化。

参考文献：

[1]李明辉，焦联国.变频调速系统的抗干扰分析[J].电机与控制应用，2010，37（08）：51-53.

[2]JB/T 8315-2007变压器用强迫油循环风冷却器标准[S].