第三章电力变压器风冷系统PLC控制方案及策略.docx

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第三章电力变压器风冷系统PLC控制方案及策略

第三章电力变压器风冷系统PLC控制方案及策略

本章针对500kV电力变压器的风冷控制系统，基于可编程控制器PLC，介绍具体的控制方法，设计控制流程，制定电力变压器风冷系统PLC控制方案及策略。

3.1变压器风冷系统PLC控制流程

3.1.1冷却控制系统功能模块介绍

本设计中，PLC是500kV电力变压器风冷却控制装置的核心器件，系统的功能基本通过可编程序控制器实现，根据控制装置的功能设计，以PLC为核心，整个控制系统包括以下6个功能模块，如图3.1示。

变压器风冷却控制系统包括：

电源监视控制模块、冷却器投切保护模块、凝露温度监控模块、就地控制与显示模块、通讯模块、上位计算机监视模块6个功能模块，具体实现方法和作用简要介绍如下：

（1）电源监视控制模块。

首先通过电压继电器监视两路独立电源的状态（两路独立电源为冷却装置供电），判断电源是否缺相，由两个断路器控制电源的投切；再将两路电源的故障信号和断路器辅助节点所反映的电源工作状态信号送入可编程序控制器，最后经可编程序控制器综合判断产生控制电源投切的控制命令，由断路器执行电源投切动作。

图3.1冷却控制装置功能模块框图

（2）冷却器投切保护模块。

采用交流接触器控制冷却器的投入和切除，通过自动空开和电动机保护器的配合，对风扇和潜油泵电动机的短路、过载、堵转和缺相进行保护。

通过采集变压器温度信号、运行状态信号、油流继电器反映的冷却器油流状态信号、反映电动机故障状态的空气开关状态信号和交流接触器状态信号，由可编程序控制器根据送入的这些信号进行电动机、油流和接触器故障的判断和定位并产生投切冷却器的控制命令，由交流接触器执行投切动作。

（3）凝露温度监控模块。

采用凝露温度监控器对环境的温度、湿度进行实时监控，当湿度达到设定值后凝露负载输出接通，信号送到可编程序控制器，由控制器决策定时投运全部风冷却器：

同时湿度达到设定值时控制装置能启动冷却控制装置箱体内的加热装置，为控制装置箱体除湿；温度达到设定值时启动装置箱体内风扇，给控制装置散热。

（4）就地控制和显示模块。

在控制面板上可以选择“手动”或“自动”投切冷却器，在“手动”模式下可以手动投切冷却器；可以选择哪一路电源为“主”电源；也可以手动复位故障信号。

同时显示电源和风冷却器的各种故障、投入状态信息以及变压器过流、超温、风冷却器全停等信息。

（5）通讯模块。

通讯模块通过PLC上的RS485口经串口长线延长器与远方的上位计算机通信，定期的将变压器、冷却器和冷却控制装置的运行信息、故障信息通过串口传送到上位计算机。

（6）上位机监视模块。

使用c++对串口编程，从串口采集变压器、冷却器和冷却控制装置的运行信息、故障信息，实现信息在上位机的动态显示和故障报警功能。

PLC采集电源的状态和控制电源用断路器的状态信号、变压三侧开关和温度信号、冷却器的油流和电动机状态信\号、凝露温度信号及各种选择操作信号综合判断产生控制决策、故障报警信号，并将各种运行信息和故障信息上传到上位机，实现上位机对变压器冷却系统的监视。

3.1.2变压器冷却控制系统功能设计

通过对500kV大型变压器强迫油循环风冷却及控制系统的分析，结合电力变压器运行规程的要求和电力系统自动化设备的发展趋势，本论文设计完成的变压器冷却控制装置拟完成以下功能：

（1）冷却控制装置能控制两路独立电源为冷却装置供电，可由开关选择一路电源为“主”电源，一路为“辅”电源。

“主”电源故障后冷却控制装置能发出“电源故障”信号并投入“辅”电源，保证了冷却装置供电的可靠性；两路电源都发生故障，能发出“装置失电”信号，并能够将全部风冷却器切除。

（2）变压器高、中、低三侧开关全部断开，经过一段时间的延时使变压器完全冷却后所有风冷却器自动停运；变压器三侧开关任一侧开关闭合时，冷却控制装置按需要自动投运风冷却器。

（3）风冷却控制装置能控制8组风冷却器，取消了固定运行方式的工作模式，装置能按变压器油温自动、依次投入相应台数的冷却器，变压器负荷和环境温度变化，油温能始终维持在一个稳定的温度范围内；冷却器按温度依次投入，防止了冲击电流的产生，同时可以预防或改善油流带电现象。

（4）冷却控制装置在产生投、切决策时采用有差值裕度投、切阈值的控制策略，可以有效的避免冷却器组频繁投切的问题。

（5）冷却控制装置投入后，计时冷却器投入工作后的持续运行时间并能自动累积冷却器的工作时间（持续工作时间的和）即累积运行时间，在需要投入时投入累积运行时间最短的冷却器，在需要切除时切除持续运行时间最长的冷却器，使冷却器组均衡工作，提高了冷却器组的工作可靠性和使用寿命。

（6）湿热季节，由凝露温度监控器监视环境温度、湿度，并能根据湿度情况和湿度持续时间情况将全部风冷却器投入，避免冷却器机械部分受潮腐蚀，以保证需要时能正常投运。

（7）冷却控制装置能检测冷却器的风扇和潜油泵电动机发生的缺相、堵转、短路、过载故障并提供保护。

（8）冷却控制装置能检测每组冷却器的风扇和潜油泵电动机故障、油路故障及控制冷却器投切的接触器故障，如有故障发生控制装置自动将该组冷却器切除，发出故障及报警信号；故障消除，可以手动复位故障信号。

（9）风冷却器全停时，能发出报警信号，并允许带额定负载运行20分钟，如20分钟后顶层油温尚未达到75℃，则允许上升到75℃，但这种状态下运行时间超过1小时后，将变压器高、中、低三侧开关跳闸，变压器停运。

（10）冷却控制装置可以通过串行口与上位计算机通信，将变压器的部分运行信息、冷却及控制装置的运行信息、故障信息传送到上位机，实现远方监视功能。

（11）冷却控制装置能在显示控制面板显示冷却及控制装置运行中的各种信息，包括电源运行、故障，风冷却器运行、故障，接触器故障信号；同时可以选择手动操作，以手动方式投、切冷却器组。

（12）当温度达到一定数值时，自动接通控制箱内的风扇散热装置，保证设备内部温度满足要求；湿度达到一定值时，启动控制箱内的加热装置，防止装置箱体内凝露的产生。

3.2变压器油温自动检测方法

通过分析风冷却系统的工作特性，在变压器风冷却控制系统设计中引入了断续负反馈控制模型，实现对变压器油温的自动控制。

油温自动控制系统框图如图3.2所示，控制系统以变压器顶层油温作为被控量；PLC作为控制器；交流接触器作为执行机构；冷却装置作为被控对象：

温度继电器作为变送器；将引起变压器油温变化的变压器负荷和环境温度看作控制系统的外部扰动。

图3.2变压器油温自动控制系统框图

由于被控对象的特性，对变压器温度自动控制系统而言只能按组投切冷却器实现对温度的控制，所以难以实现对变压器油温的定值控制，只能使其维持在一个温度范围。

系统采用的断续反馈控制系统不同于一般的恒值负反馈控制系统或随动负反馈控制系统，断续负反馈控制系统的特点是系统对被控对象的控制作用不连续，与此对应，外部扰动导致被控量变化，经控制系统的控制作用，被控量最终不能稳定在某一定值而是一个值的范围。

变压器油温自动控制系统的工作过程是：

变压器负荷或环境温度变化引起变压器油温的变化，变压器油温变化通过温度继电器采集送入到PLC，PLC根据一定的控制策略产生控制冷却器投切的控制决策输出，控制决策通过接触器实现对冷却器组的投切，通过冷却器组的投切控制变压器油温的变化。

3.3PLC综合投切控制策略

控制策略的研究是本论文电力变压器风冷却控制装置设计中的重要部分，它是变压器风冷却控制设计的前提，系统电气连接和程序设计均以控制方法和策略为基础。

采用合理的控制方法和控制策略直接影响控制系统的设计的成效，同时控制方法和策略的合理与否将直接影响控制装置的性能。

变压器风冷却控制系统的核心功能和基本思想是：

根据变压器油温自动投、切冷却器使变压器油温维持在一个稳定的范围内，满足变压器运行对温度的要求。

在冷却控制系统中结合变压器冷却装置的特点我们采用了断续负反馈控制的控制方法，有差值裕度的投、切温度阀值的控制策略和按运行时间投切冷却器的控制方法。

这些控制方法和策略的运用解决了冷却器频繁投切和不均衡工作等问题。

继电式控制装置通常设定固定的温度阀值，变压器油温超过阀值继电器动作，投入“辅助”冷却器，顶层油温低于设定阀值将投入的“辅助”冷却器切除。

缺点是，当变压器温度在设定的温度阀值附近波动时，将造成冷却器组的频繁投切或投切的灵敏性不够理想。

3.3.1控制策略原理

针对冷却器频繁投切的问题，在变压器油温自动控制系统中提出了有差值裕度的投、切温度阀值进行综合投切控制的控制策略，可以有效的避免冷却器组的频繁投切的问题，投切过程如图3.3所示：

图3.3按温度投切冷却器过程示意图

如图3.3所示横坐标

表示变压器油温，纵坐标表示是否投切冷却器，

为冷却器切除的温度阀值，

为冷却器投入的温度阀值。

-

即为差值裕度

。

（3.1）

式中：

——差值裕度

——投入冷却器温度阀值

——切除冷却器温度阀值

冷却器的投、切过程如下：

当变压器油温上升，并且超过

时，需要有冷却器投入工作；当变压器顶层油温下降低于

时，需要切除部分冷却器；当变压器油温维持在

到

之间的温度范围时，装置不做任何投、切动作；在需要投入或切除冷却器时需要与按累积运行时间和持续运行时间进行投切控制的控制方法配合，具体产生投切某组冷却器的控制决策。

3.3.2控制参数的整定

控制参数的整定是有差值裕度的投、切温度阀值的控制策略的关键环节，投入温度阀值

可以根据变压器运行规程要求或变压器生产厂商规定确定。

差值裕度

（或者是

，在

确定后两者可以互相确定）的选取非常关键，在一定程度上决定了装置控制功能的优劣。

的选取必须恰当，变压器负荷平稳且变压器顶层油温在

右侧附近时，投入一组风冷却器；由于冷却器的投入变压器油温下降，如果选取

过小使油温很快降至

以下，即要切除冷却器；当切除冷却器后，冷却器的退出，使变压器油温又迅速上升并超过

，需再次投入冷却器；如此往复将造成冷却器的频繁投/切。

如果

过大，将导致变压器油温在一个大范围内变动。

差值裕度

的选取应遵循如下算法：

（3.2）

式中：

——差值裕度

——投入冷却器温度阀值

——油温为

时，投入一组冷却器且稳定后的变压器油温

——为温度裕度

可以由变压器生产厂家通过试验获得，也可以由运行人员根据运行经验整定。

3.3.3按运行时间投切的控制方法

不同于继电器控制方式只投切“辅助”冷却器，采用温度负反馈控制方法的变压器油温自动控制系统中取消了固定的“工作”、“辅助”、“备用”运行方式，有差值裕度的投、切控制策略产生投切控制决策时，就需要采用按持续运行时间和累积运行时间进行投切控制的控制方法，做出具体投切某组冷却器的控制决策。

持续运行时间表示冷却器每次投入运行的时间，从冷却器组投入运行开始计时，冷却器退出运行计时被清零，重新投入运行后重新开始计时。

累积运行时间表示冷却器每次投入运行的持续运行计时的累积，同时在“手动”操作模式下，有冷却器投入运行也需要计时运行时间并累加到累积运行时间中。

在变压器油温自动控制系统中，按有差值裕度的投、切温度阀值进行综合投切控制决策和按持续运行时间和累积运行时间投切控制配合做出具体投切某组冷却器的工作过程如图3.4所示的流程：

首先由有差值裕度投、切阀值的控制策略产生是否投切的控制输出；然后再判断是否允许投切，因为在刚做完投切冷却器动作后必须延时一段时间等待变压器油温稳定后再做投切动作，否则在短时间内会投入或切除过多的冷却器，可能造成冷却器组的频繁投切。

如果允许投切，就进入投切处理；如果不允许投切，则直接进入是否有冷却器持续运行时间超时的判断；如果判断有冷却器持续运行时间超时，执行切处理，切除持续运行时间超时的冷却器；没有冷却器持续运行时间超时，循环会有差值裕度投切阀值的投切控制决策。

图3.3投切冷却器决策流程图

（1）投运冷却器的过程是从未投入冷却器的队列中选出累积运行时间最短的冷却器，控制交流接触器投入冷却器，冷却器投入后开始计时持续运行时间；

（2）切除冷却器的过程是从投入冷却器队列中选出持续运行时间最长的冷却器，控制交流接触器切除冷却器，同时将本次投运的持续运行时间累加到该台冷却器的累积运行时间。

（3）选择最短累积运行时间和选择最长持续运行时间冷却器的方法主要体现在PLC编程中。

3.4PLC编程思路

通过分析PLC的控制程序流程，介绍PLC程序编制的基本思路。

3.4.1软件总体设计

可编程序控制器程序流程图如图5.1所示：

图5.1可编程序控制器流程图

程序流程介绍如下，首先进行初始化，在PLC由停止到运行的第一个运行周期进行初始化操作一次，初始化操作完成可编程序控制器通讯设置；清零程序中用到的计数器、定时器、故障标志位、持续运行时间和累积运行时间存储区，置位或复位程序中用到辅助标志位等。

电源处理，根据“主”“辅”电源选择标志输入，电源状态和电源投入状态输入进行综合判断，置位相应的输出位，为冷却装置选择一路电源为装置供电，如果没有电源投入。

则跳转到停止处理。

有电源投入，接下来进行三侧开关处理。

PLC判断三侧开关状态输入，三侧开关输入信号由无效变为有效，程序延时一段时间然后复位“允许投切”标志位，延时的目的是让变压器停止工作后使冷却器继续工作一段时间，使变压器充分冷却；“允许投切”标志位无效时跳转到停止处理；三侧开关输入信号无效，表示变压器工作，置位“允许投切”标志位。

如果允许投切，接下来进行“手动”、“自动”或“停止”操作判断，如果处于“停止”状态，跳转到停止处理；如果处于“手动”，跳转到计时超时处理：

如果处于“自动”状态，则进行“首次投入”判断，这里的“首次投入”是说冷却器由“手动”或“停止”转换到“自动”；如果是首次投入则需要进行初始化投切处理，以一定的时间间隔，依次投入5组冷却器；否则直接进行投入计时处理。

投入计时处理，切除计时处理。

PLC程序采用定时器结合计数器计时的方式，冷却器投入时就对投入冷却器开始计时；冷却器切除时，需要将此次运行的持续时间累加到累积运行时间存储区。

投切判断。

PLC按有差值裕度的投、切温度阀值的控制策略进行投切判断：

冷却器持续运行时闻计时到设定值，需要进行一次切操作，将计时时间达到的冷却器切除；凝露温度监控器凝露负载接通并且持续超过设定时间，此时将进行投操作，并且禁止切操作，将无故障冷却器全部投入运行。

投处理，切处理。

投处理操作从停止运行的冷却器中选取累积运行时间最短的并置位投冷却器输出；切处理操作从运行的冷却器中选取持续运行时间最长的冷却器复位投冷却器输出；在进行投切处理后要延时投切一段时间使冷却器动作后变压器油温维持稳定，避免重复投切，延时投切同时还避免了大冲击电流的产生。

停止处理。

将投冷却器输出位复位，同时复位允许投切标志位和计数器（辅助计时）。

手动时计时超时处理，在手动模式下不能自动投切冷却器，又由于受到计数器计数个数的限制，所以当持续运行时间计数器超设定值时将持续运行时间计数器计数值累加到累积运行时间存储区，持续运行时间计数器清零重新开始计时。

故障判断。

PLC可根据输入的油流继电器、空气开关和接触器状态，结合投切决策进行故障定位和判断，并将判断的结果分别置位可编程序控制器发送缓冲区相应的存储位。

冷却器全停处理。

冷却器全停时允许带额定负载运行20分钟，如20分钟后顶层油温尚未达到75

，则允许上升到75

，但这种状态下运行时间超过1小时后，置位变压器三侧开关跳闸输出，使变压器停运。

通讯处理，PLC定期的将与冷却器有关的变压器运行信息、电源状态信息、冷却器工作状态信息、故障信息通过串口发送到上位计算机，上位计算机取得这些信息，监视冷却器运行。

3.4.2投切判断和投切处理

投切判断根据运行条件做出是否进行投切冷却器操作的决策，然后由投切处理部分进行投切处理操作。

进行投切判断的依据是变压器温度结合有差值裕度的投切温度阀值的控制策略，冷却器持续运行时间计时、冷却器累积运行时间计时和凝露监控器发出的凝露信号。

当变压器油温低于设定的切温度阀值时，进行切冷却器处理；温度介于投温度阀值和切温度阀值之间时不进行投切操作；当温度高于投温度阀值时进行投冷却器处理；当有冷却器的持续运行时间超过设定值时，就需要进行切冷却器处理，由切处理部分将持续运行时间到时的冷却器切除；当凝薅信号有效并维持时间超过设定值时，将一直进行投处理，将所有的冷却器全部投入运行，此时禁止进行切处理操作直至全投冷却器计时到时。

冷却器持续运行时间到时执行切除冷却器和凝露全投冷却器且投入计时到时后再由按温度投、切的控制策略根据变压器油温进行投切判断。

投处理操作是从未投入运行的冷却器中选取累积运行时间最短的冷却器投入运行。

选取累积运行时间最短冷却器的方法是：

将一未投入冷却器的组号和累积时间存入一个比较存储区，然后将当前存储区内累积时间与下一个存储区内冷却器的累积运行时闻比较，如比较存储区内时间较大，将当前存储区的冷却器累积时间和组号存入比较存储区，进行下一次比较．最后根据比较存储区内的冷却器组号将该组号的控制接触器输出位置位。

切处理操作与投处理操作类似，只是选取的是持续运行时间最长的冷却器（计数器c1的值）。

在进行完投切操作后都需要复位一个投切等待标志位，这个标志位在投切完成后复位4秒钟，暂时不允许投切，目的是使油温变化并维持稳定再进按温度投切，防止投入或切除过多的冷却器。

3.5本章小结