基于PLC的电力变压器冷却控制装置的研究.doc

毕业设计说明书(论文)基于PLC的电力变压器冷却控制装置的研究 2011年06月 南 京摘要针对目前运行的大型电力变压器冷却控制装置存在的控制回路复杂、可靠性低、故障率高、控制误差大等问题，提出并研制了一种新型的变压器强迫油循环风冷控制装置。装置以西门子S7-200(CPU224)型PLC作为控制器构建了变压器冷却控制系统；系统以变压器顶层油温为被控量，提出了有差值裕度的投、切温度阀值的控制策略；提出了按冷却器的持续运行和累积运行时间自动均衡投切冷却器的控制方法；此外装置还具有通信及远方监视、故障定位、信息显示等功能。目前，装置已经在福建漳州莆美、角美220kV变电站投入使用。运行表明，该装置可靠性高、控制精确、并能延长冷却器组寿命，满足了大型变压器冷却控制装置智能化控制的要求。关键字：变压器，冷却控制系统，可编程序控制器，负反馈控制AbstractTo the problem exit in the cooling control device for large capacity transformer，such as the complicated control circuit，low reliability, high fault rate，large control error, the principle and implementation of a cooling control device for forced oil-circulated large capacity transformer based on PLC is presented in this paperThe device use siemens S7-200 PLC(CPU224)as controller, construct the cooling control system for transformer；the transformer temperature as the control systems controlled variable，use control strategy of switch on and off value，which have margin in them，combine the accumulate operating time and continual operating time of cooling units，realize balanced，integrated auto control of cooling deviceBeside this，the device has other functions such as，communication and remote surveillance，fault locating，information displayThe devices have been used in Pumei and Jiaomei 220kV transformer substationZhangzhouFujian provinceThe results of operations show that the device is of high operation reliability, accurate controlCan prolong the service life of the cooling unitThe requirements of the intelligent control for large capacity transformer cooling device are satisfiedKEY WORDS：transformer, cooling control system，PLC，negative feedback control III目录摘要IAbstractII第一章 绪论21.1课题来源及研究目的与意义21.2冷却控制装置研究现状31.3本毕业设计的具体工作4第二章 强迫油循环冷却及控制系统运行分析52.1强油循环风冷却器及控制器的结构和工作原理52.2大型油冷变压器发热和散热计算8第三章 冷却控制装置的功能和控制方法123.1电力变压器运行规程中关于冷却控制的规定123.2变压器冷却控制装置的功能设计133.3冷却控制装置功能模块设计143.4 控制方法和策略研究16第四章 冷却控制装置的硬件设计214.1电气元件及在装置中的应用214.2可编程序控制器234.3装置电气连接264.4通讯连接33第五章 软件设计355.1可编程序控制器编程355.2上位机监视软件设计40第六章 结论和展望456.1结论456.2展望46参考文献47附录1 英文文献翻译50附录2 英文文献原文61第一章 绪论1.1课题来源及研究目的与意义在输变电系统中，变压器是实现电能转换的最基本、最重要的设备，对供电可靠性有着重大的影响。变压器在运行中是有损耗的，一种是空载损耗，它与负荷大小无关：另一种是负载损耗，与负载电流的平方成正比。变压器运行中产生的损耗将转换为热量散发出来，使变压器绕组、铁芯和变压器油温上升。变压器的温升影响它的带负荷能力，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。变压器运行中所带负荷随时都在发生变化，这将使变压器的损耗也随之发生变化，从而造成变压器油温的变化；同时不管是一年四季环境气温的变化，还是每天昼夜气温的变化，也都造成了变压器油温的变化。为了保证变压器安全，稳定，经济的运行，要随时检测变压器的油温并由冷却控制装置控制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。但目前大型电力变压器的冷却控制仍然主要采用传统的继电式控制方式，这种控制方式存在许多弊端：控制回路接线复杂、可靠性差、故障率较高、维护工作量大，例如漳州电业局角美变电站、莆美变电站和总山变电站的5台强迫油循环风冷变压器在2001年至2005年期间，共出现冷却控制系统的问题56次，其中热耦继电器损坏14条次，接触器的损坏26条次，元器件接头的发热7条次，其他缺陷9条次；冷却器组设定的“工作”、“辅助”、 “备用”3种运行方式不能进行在线调整，造成冷却器运行不均衡，影响冷却器组使用寿命，同时不利于节能；变压器负荷波动较大造成变压器油温变化时，因采用温度硬触点控制，造成冷却器组频繁启停，降低了冷却器组的使用寿命，同时加重了油流带电现象；不能对冷却器风扇、油泵电动机提供完善的保护。继电式控制装置因控制系统故障而使变压器冷却系统带病运行，严重地影响了变压器的可靠运行，已不适应于现如今电网的发展。本课题针对存在的问题提出并研制了基于PLC的大型变压器冷却控制装置。PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、功能强大、智能化等优点，采用PLC实现变压器冷却装置的控制，可以实现对变压器油温的精确控制；控制功能通过编程实现，极大的简化了系统接线，提高了装置本身的可靠性；完善了对冷却器的保护和控制，提高了它的可靠性和工作寿命；此外还可以通过通信实现远方监视冷却系统运行。随着对电网安全可靠运行要求的不断提高，本文提出的基于PLC的大型变压器冷却控制装置的研制，对变压器及电网安全、可靠运行有重要意义和实用价值。1.2冷却控制装置研究现状目前国内运行的电力变压器冷却及其控制装置现状的分析和研究。文献分析了我国大型电力变压器冷却装置配置情况、运行特点和对变压器运行的影响，电力负荷变化和环境气温变化造成的变压器运行中温度变化和对变压器运行影响的分析。强迫油循环风冷变压器电源自投切换回路运行的分析，并针对缺陷提出了具体的改造措施，为冷却装置的可靠供电提供了保障。有文献提出了单负载双电源切换控制及缺相保护控制电路和双负载双电源切换控制电路的原理和实现方法，对冷却控制装置电源控制部分的设计提供了借鉴。强迫油循环风冷变压器油流带电问题的研究。从试验的角度对变压器局部放电现象进行相关试验并测量结果，从试验结果上对油流带电现象进行了分析和探讨，并提出了一些预防及改善油流带电现象的措施。从理论角度分析变压器油流带电产生的原理，并对影响油流带电的因素和产生条件进行了分析，同时也提出了一些预防及改善油流带电现象的措施。针对继电式控制装置存在的问题和设计上存在的缺陷很多文献针对具体故障分析故障原因，提出了具体的改造措施和方案，在运行中取得了一定的效果。由于继电设备自身的局限问题，改造不能大幅度提高控制装置的安全可靠性和实现先进的功能和控制策略，但文献提出的冷却控制装置的问题和改造思路，方案对设计开发具有指导意义。有文献提出了用可编程控制器、单片机或变频器等元件实现变压器冷却控制，实现了一些新功能，诸如：按月或按季度轮换冷却器的运行方式，使机组轮流工作，均衡使用；与变电站工控机进行通信，实现远方的监视和控制。在控制策略方面，有文献提出了更加优越的控制策略：如根据变压器负荷和油温综合投切冷却器组；用温度变化率预测负荷，用温度及温度变化率结合变电站及发电厂实际情况进行自动控制投切冷却器等，使变压器油温满足了变压器运行的要求。在PLC与上位计算机通信设计方面，有文献分析了两种串行通信标准：RS232C和RS485，并比较了RS232C和RS485应用于计算机通信系统时的优缺点，并给出了与通信相关的软件流程。有的文献设计了OMRON和SIMENS系列PLC与上位计算机机之间的通信方案，并通过编程实现将所设计的通信方案应用到实际的控制系统中。1.3本毕业设计的具体工作1搜集相关资料，论述冷却控制装置的重要性及研究现状2收集现运行变压器冷却及控制系统的运行资料，分析大型变压器冷却器及其控制装置运行中存在的问题和不足，对大型变压器损耗和温升的计算分析3根据要求，完成电力变压器的冷却控制装置的功能设计和结构设计。4根据电力变压器冷却装置的控制策略和算法，对可编程序控制器编程实现控制策略和算法。5对大型电力变压器进行实例分析，将理论数据和实测数据进行比较分析，采取改进措施。第二章 强迫油循环冷却及控制系统运行分析2.1强油循环风冷却器及控制器的结构和工作原理冷却系统是变压器的重要组成部分，它的工作保证了变压器各部分的温度保持在规定值以内。强迫油循环风冷却系统由风冷却器和风冷控制控制装置两部分组成，下面就对冷却系统这两部分的工作原理及我国现运行大型变压器冷却装置的配置和特点进行分析和介绍。2.1.1风冷却器变压器的风冷却器包括两部分：内部冷却系统，它保证绕组、铁芯的热散入油中；外部冷却系统，它保证油的热散人周围介质中。由于大型变压器采用油自然循环冷却系统不能满足散热的要求，故采用强迫油循环的冷却系统。强迫油循环风冷却器(简称风冷却器)与油自然循环风冷却器的主要区别是采用潜油泵强迫油进行循环，这样油流速度加快，冷却效率得以提高。风冷却器的总体结构如图所示：风冷却器的工作过程是潜油泵把变压器顶层高温油送入冷却管内几次折流后，热量就传给冷却管壁，再由管壁向空气放出热量。与此同时，在空气侧，由风扇强制吹风。冷空气带走放出的热量，从而使热油加速冷却。冷却后的油从冷却器下端再进入变压器油箱内。风冷却器主要部件有冷却器本体、潜油泵、风扇、净油器。冷却器本体是由一簇冷却管与上、下集油室焊接而成的整体。潜油泵是一种特制的油内电动机型离心泵，电动机的定子和转子浸在油中使油系统构成密闭循环系统。潜油泵强迫油循环，提高冷却效率。风扇由轴流式单级叶轮与三相异步电动机两部分构成。风扇吹风，加速变压器油的冷却。净油器，风冷却器上的净油器是充满吸附剂(活性氧化铝)的容器。它安装在冷却器下面，与下集油室链接。经过冷却器管簇的变压器油的一部分流经净油器时与吸附剂接触，使油中所带的水分、游离酸和过氧化合物皆被吸收，变压器油得到净化。图2.1 风冷却器总体结构2.1.2风冷控制装置风冷却器的控制装置由安装在每个冷却器下部，内装有接触器、热继电器的分控制箱和装有主接触器、控制开关、继电器等的总控制箱两部分组成。典型继电式控制线路如图2.2所示，风冷却器控制线路各部分的工作情况简要介绍如下：A电源自动控制整个冷却器系统接入两个独立电源，通过转换开关选定一个电源为工作电源，另一个电源为备用电源，如“I工作、备用”，这时母线接通I电源，母线不接通电源。当I电源因某种原因电压消失或断相时，将I电源与系统母线断开，经一定延时母线接通电源。“工作、I备用”时线路工作情况与上述类似。B冷却器控制变压器投入前，各冷却器可用控制开关手柄位置来选择风冷却器工作状态：“工作”、“辅助”或“备用”；油泵投入运行后，当油流速达到一定值时，油流继电器的动合触点闭合，动断触点打开，点亮信号灯，表示冷却器投入正常运行；当冷却器内油速度不正常而低于规定值时，油流继电器动合触点打开，信号灯熄灭，表示冷却器内部管路发生故障，同时控制电路启动备用冷却器；当潜油泵或风扇电动机发生故障时，热继电器动作，使主触点打开从而保护电动机，经过一定延时启动备用冷却器，并发出故障信号。备用冷却器在正常情况下是不投入运行的。辅助冷却器(在“辅助”位置的冷却器)在负载较低时是不投入运行的，变压器绕组温度(如70)或顶层油温(如55)达到规定值时，温度控制器触点闭合，或负载电流达到额定值的70时，使线圈励磁，从而使辅助冷却器投入运行。C故障回路故障回路能在现场的总控制箱内观察到信号，它有如下4种：（1）当两个电源都消失而使全部冷却器停止工作时，经适当延时，使断路器跳闸将变压器从网路上切除，发冷却器全停信号；（2）当电源发生故障时发出故障信号；（3）当工作、辅助冷却器发生故障，备用冷却器投入时，发出故障信号；（4）当备用冷却器投入运行后产生故障时发出故障信号。2.1.3现行大型变压器冷却装置的配置和特点目前我国大型电力变压器冷却装置的配置情况是：根据变压器容量的大小，配置数组强油风冷却器，每组风冷却器由l台油泵和34台风扇组成。运行中为满足变压器的各种运行工况，一般要求冷却器1台备用(运行冷却器故障时可自动投入运行)、1台辅助(变压器负荷电流大于70额定电流或变压器顶层油温高于某一定值时自动投入运行)、其余所有冷却器全部投入运行。上述的冷却装置配置有其不尽人意的地方，如SFP7-240000/330型主变压器装设有6台冷却容量250KW的风冷却器，在夏季高温季节，变压器满负荷运行，变压器冷却装置全部投入，但其上层油温仍高达70左右。但在夜间尤其是在暴雨过后的夜间，因负荷和气温骤降，虽然已将变压器辅助冷却器停运，但变压器油温仍降至30以下，也就是油温的变化幅度超过了环境温度的变化。在冬季负荷较低或特别寒冷的季节，因油温过低，不得不对其进行加油，这对变压器的安全运行和寿命将十分不利。以上情况都反映出现行配置的变压器冷却装置存在的设计和使用上的缺陷，这些都对变压器的运行和寿命产生不利影响。2.1.4风冷却器控制线路存在的问题现在运行的继电式控制系统由于受所采用器件的约束、在设计和控制策略方面不够完善，因此主变压器经常因风冷控制系统故障而带病运行，严重地影响电网可靠运行。通过分析主要存在以下不足：a控制装置的控制功能通过接线连接各种继电器、接触器和其他器件实现，控制装置的线路复杂、接点接线较多，导致控制装置可靠性低、故障率高，维护工作量大。b控制装置的机电逻辑电路是由各种继电器来完成的，而继电器常会出现线圈烧毁或接点烧死等故障，可靠性差，造成控制系统的可靠性不高。c变压器负荷波动引起辅助冷却器频繁启动。当主变负荷在某一范围内波动时，测量主变负荷的电流继电器或测量变压器油温的温度继电器会频繁动作，将导致辅助冷却器频繁地启停。如果辅助冷却器的油泵、风扇电机启动过于频繁，还会进一步导致热继电器动作，从而使辅助冷却器退出运行，这样会缩短冷却器电气设备的使用寿命。同时，冷却器组的频繁启停还会加重变压器油流带电现象。d冷却器组设定的运行、辅助、备用和停止4种固定状态不能在线调整。不能在线调整冷却器组的状态，将导致某些冷却器组长期处于工作状态，使冷却器组尤其是油泵和风扇电机过疲劳运行，这对于冷却器组的使用寿命和安全运行十分不利。e冷却器在投入时不能分时分批投入，一方面造成启动电流过大，另一方面多个潜油泵突然启动会加重变压器油流带电现象。f装置的电动机缺相和过载保护由热继电器完成，保护功能不可靠，运行中因电动机过载和缺相而使电动机烧毁的情况经常发生。g冷却器控制回路存在设计缺陷。有些文献提到的冷却控制装置运行中存在的设计缺陷：工作冷却器的空气开关跳开后不能启动备用冷却器；工作电源交流接触器失磁造成主变开关跳闸；更换接触器和空气开关时易造成短路等。2.2大型油冷变压器发热和散热计算引起变压器运行中整体温度变化的原因主要有变压器的损耗和环境气温的影响。变压器投入运行后会产生损耗：一种是空载损耗、另一种是负载损耗，变压器的损耗转换为热量以对流、辐射的形式散发出来。本节对变压器损耗、散热进行计算、分析。2.2.1变压器损耗计算变压器损耗包括变压器的空载损耗和负载损耗。变压器空载损耗在变压器投运后就一直存在，不随变压器所带负载的大小变化；负载损耗则随变压器所带负荷的大小而改变，与负荷电流的平方成正比，变压器总损耗在不同负载时的计算公式为： =+=+ (2.1)变压器的总损耗变压器的空载损耗变压器在一定负载电流下的负载损耗变压器的负载电流变压器绕组的等值电阻设变压器的额定负载电流为，则在额定负载电流下的变压器额定负载损耗的计算公式为：= (2.2)空载损耗和额定负载损耗变压器铭牌中给出。由公式(2.1)、(2.2)可得负载电流为，时变压器损耗的计算公式为：=+ (2.3)变压器损耗将转变为热量向外发散，从而引起变压器发热和变压器油温升高。随着变压器温度的升高，它们对周围介质就有一定的温度差，从而将一部分热量传结局围介质。2.2.2变压器散热方式变压器散热过程中常遇到的不是单一的传热方式，而是变压器油流过铁芯表面、变压器油流过冷却器箱体内表面、空气流过冷却器箱体外表面时发生的对流、热传导和热辐射联合作用的传热过程。热传导是物体不发生相对移动，从高温物体到低温物体之间的热量传递，单纯的热传导现象只有在密实的固体中才能观察到。热对流是指流体各部分之间发生相对位移、冷热流体质点相互掺混所引起的热量传递。只要绝对温度不为零度(0 K)，物体都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量，同时又不断地吸收来自外界物体的辐射能，当物体向外界辐射的能量与从外界吸收的辐射能不相等时，该物体就与外界产生热量的传递。这种传热方式称为热辐射。变压器运行中绕组和铁芯产生的损耗转变为热量通过热对流、热传导和热辐射使变压器油温升高，变压器油上升进入散热器，形成变压器油的自然对流；强迫油循环冷却器中潜油泵的作用就是加速变压器油的流动，强制变压器油对流，加速热对流，在变压器油对流给热过程中同时发生着热传导和热辐射。变压器箱壁内侧热量从变压器油中以热对流、热传导和热辐射的形式传给冷却器。变压器箱壁外测热量从箱壁以热对流、热传导和热辐射的形式传给空气，同时风扇吹风强迫空气流动，加速热对流。变压器散热如图2.3所示： 图2.3 变压器散热图2.2.3变压器散热计算冷却控制系统中控制量为变压器顶层油温，所以只给出变压器油对空气的平均温升计算公式。油对空气的平均温升由油和箱壁间、箱壁内及箱壁对周围介质之间的温差组成。油与箱壁的温差较小，一般为3-6，箱壁内的温差小于1，可忽略不计。箱壁和周围介质(空气)之间的温差一般要占(油-空气)总温差的90左右。热量从油箱向周围介质中的散发主要是通过对流和辐射散热的方式进行。2.2.3.1对流散热计算根据实验，单位对流散热系数可用下式表示：= 瓦/ (2.4)箱壁与空气温差为l时，单位面积上因对流散入空气中的热量(与温差有关，温差大，散入空气中的热量就大)箱壁表面温度与空气温度之差散热系数(经验系数)形状系数，与油箱外形有关油箱表面因对流作用的散热量计算公式为：= 瓦 (2.5)对流表面积，即油箱平滑部分和油管等的展开表面积之和()单位面积上由于对流散入空气中的总热量()2.2.3.2辐射散热计算根据试验和辐射定律，借辐射散入空气中的热量和辐射体温度及周围物体(或空气)温度间的关系为： (2.6)为温度为l时，辐射体单位表面积上辐射出的热量、辐射体及空气(周围物体)的绝对温度(K)=273+，=273+C常数，与辐射物体的表面情况有关式(2.6)在很大范围内都是适用的。为了计算方便，根据试验可将(2.6)式简化为 (2.7)箱壁表面温度与空气温度之差经验常数从油箱全部表面辐射出的热量为： 瓦 (2.8)箱辐射表面积，当油箱是平滑油箱时为全部表面面积；当油箱是管式油箱时为外周界。变压器的总散热量为：=+ 瓦 (2.9) 第三章 冷却控制装置的功能和控制方法3.1电力变压器运行规程中关于冷却控制的规定在变压器冷却控制装置的设计中参考了电力变压器运行规程(DL/T 572-95)中关于强迫油循环电力变压器冷却装置及运行条件的规定，规定如下：3.1.1对变压器的冷却装置的要求a要求油浸式变压器本体的冷却装置、温度测量装置等应符合GB6451的要求。b按制造厂的规定安装全部冷却装置。c强油循环的冷却系统必须有两个独立的工作电源并能自动切换。当工作电源发生故障时，应自动投入备用电源并发出音响或灯光信号。d强油循环变压器，当切除故障冷却器时应发出音响或灯光信号，并自动(水冷的可手动)投入备用冷却器。e风扇、水泵及油泵的附属电动机应有过负荷、短路及断相保护；应有监视油泵电机旋转方向的装置。f强油循环冷却的变压器，应按温度和(或)负载控制冷却器的投切。3.1.2变压器温度限值强迫油循环变压器顶层油温一般不应超过表3.1的规定(制造厂有规定的按制造厂规定)。当冷却介质温度较低时，顶层油温也相应降低。表3.1 油浸式变压器顶层油温一般限值冷却方式冷却介质最高温度（）最高顶层油温（）强迫油循环风冷4085313 强迫油循环冷却变压器的运行条件a强迫油循环冷却变压器运行时，必须投入冷却器。空载和轻载时不应投入过多的冷却器(空载状态下允许短时不投)。各种负载下投入冷却器的相应台数，应按制造厂的规定。按温度和(或)负载投切冷却器的自动装置应保持正常。b强迫油循环变压器投运时应逐台投入冷却器，并按负载情况控制投入冷却器的台数。c强迫油循环风冷变压器，当冷却系统故障切除全部冷却器时，允许带额定负载运行20分钟。如20分钟后变压器顶层油温尚未达到75，则允许上升到75，但这种状态下运行的最长时间不得超过1小时。3.2变压器冷却控制装置的功能设计通过对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可完成的功能如下：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、切阀值的控制策略，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。3.3冷却控制装置功能模块设计本文设计的变压器冷却控制装置的核心是PLC，装置的大多数功能通过可编程序控制器来实现，根据冷却控制装置的功能设计，以PLC为核心，整个控制装置由6个功能模块组成，如下图所示。变压器冷却控制装置的控制功能通过电源监视控制、冷却器投切保护、凝露温度监控、就地控制与显示、通讯、上位计算机监视六个功能模块实现，功能模块的实现方法和作用简要介绍如下：1电源监视控制模块。模块通过小型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；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，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。模块采用交流接触器控制冷却器的投入和切除，自动空气开关和电动机保护器配合实现对风扇和潜油泵电动机的短路、过载、堵转和缺相保护。可编程序控制器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。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其凝露负载输出接通，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组的各种故障、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上位计算机监视模块。该模块使用Visual 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，实现信息在上位计算机的动态显示和故障报警功能。可编程序控制器是变压器冷却控制装置的核心，它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，并处理通讯将各种运行信息和故障信息上传到上位监控机，实现上位计算机对变压器冷却系统的监视。3.4 控制方法和策略研究控制方法和控制策略的研究是变压器冷却控制装置设计开发中的重要部分，它是变压器冷却控制设计的前提，电气连接和程序设计都是依据控制控制方法和策略而展开。采用了合理的控制方法和控制策略才能完成控制装置的设计功能，同时控制方法和策略的优劣将直接影响控制装置的性能。变压器冷却控制装置的核心功能就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。在冷却控制装置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。3.4.1变压器油温自动控制的控制方法通过对冷却装置的工作特性进行分析，在变压器冷却控制装置的设计中采用了断续负反馈控制模型搭建了变压器油温自动控制系统，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本装置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，这是由被控对象的特性决定的。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内。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可编程序控制器，可编程序控制器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。3.4.2 综合投、切控制策略继电式控制装置在控制冷却器自动投切上通常的做法是，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。这种做法的缺点是，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。3.4.2.1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，经实践证明这种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图中横坐标表示变压器油温，纵坐标表示是否投切冷却器，为切除冷却器温度阀值，为投入冷却器温度阀值。-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组的投、切过程是：变压器油温上升，当油温超过时，需要有冷却器投入工作；变压器顶层油温下降，当油温低于时，需要切除部分冷却器；当变压器油温维持在到之间的温度值时，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。3.4.2.2控制参数的整定有差值裕度的投、切温度阀值的控制策略的关键在于控制参数的整定，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降至以下，需要切除冷却器；在切除冷却器后，冷却器的退出工作变压器油温上升并超过，需要再次投入冷却器；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。3.4.3按运行时间投切的控制方法不同于继电式控制方式，投切的只是处于“辅助”运行方式冷却器，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，就需要采用本节介绍的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。首先介绍一下冷却器的持续运行时间和累积运行时间的概念。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；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。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将在PLC编程中具体介绍。第四章 冷却控制装置的硬件设计变压器冷却器控制装置要用到诸如可编程序控制器、凝露温度监控器、接触器等电气元件，本章我们介绍冷却控制装置设计中用到的主要电气元件及其在控制装置中的应用，装置的电气连接。4.1电气元件及在装置中的应用4.1.1凝露温度监控器凝露温度监控器是监视工作环境湿度、温度，当湿度、温度达到设定值能启动用户连接的凝露负载和控温负载的一种自动化工业仪器。我们设计的冷却控制装置采用LWK-D2(TH)型凝露温度监控器，它具有两个相对独立的工作单元：一路凝露监控；一路温度监控，具有体积小、寿命长等特点。电气连接如图4.1所示：图4.1 凝露温度监控器电气图凝露温度监控器的端子1、2连接温度传感器，5、6连接凝露传感器，3、4连接控温负载，7、8连接凝露负载，11、12连接交流220V电源。LWK-D2(TH)型凝露温度监控器的工作原理是：监控器通过凝露传感器和温度传感器对工作环境的湿度、温度等指标长期自动检测、采样；当工作环境有凝露产生的可能时，能自动判断并瞬间启动凝露负载；工作环境温度高于设定温度值时，相应的控温负载也将开启；环境温湿度低于设定要求时才停止工作，重新进入监控状态，如此自动循环。在冷却控制装置中凝露温度监控器监视环境的温度、湿度，有凝露产生的可能时。启动装置箱体内的加热装置，同时将“凝露”信号送到PLC用于判断启动冷却器；当温度超过设定值，将装置箱内风扇启动，为控制装置散热。具体接线，将在本章的“冷却控制装置电气接线”一节中详细介绍。4.1.2电动机保护器变压器冷却控制装置采用GDH系列电动机保护器与自动空气开关组合实现对电动机的缺相、过负荷、堵转和短路保护。GDH系列电动机保护器集缺相、过流、堵转保护为一体，具有工作灵敏可靠、安装方便、故障率低等优点，是替代热继电器实现电动机保护的理想换代产品。电动机保护器具体接线方法将在本章“冷却控制装置电气接线”一节中叙述。4.1.3开关器件变压器冷却控制装置中要用到断路器、接触器、空气开关、转换开关等。这些器件主要选用施奈德公司的产品，施奈德公司的产品功能卓越、具有较高的安全稳定性和电气统一性。装置选用继电器和开关的名称和型号规格如下：断路器，型号：NS-100，3P，AC380V接触器，型号：CA2-DN2205C接触器，型号：LC1，32A，AC220V空气开关，型号：GV2-M20，13-18A，400V空气开关分励线圈，型号：AS225，AC220V空气开关辅助节点，型号：LA1-DN22小型继电器，型号：MAX7A，AC250V信号继电器，型号：DX-8，0.025A中间继电器，型号：MAX DC220V转换开关，型号：LW5-15D7612/9熔断器，型号：RTl8-32,32A由于所用继电器和开关器件种类和型号较多，在此不一一介绍。在本章“冷却控制装置电气接线”一节中，结合具体实现电路介绍其在变压器冷却控制装置中的使用和作用。4.2可编程序控制器在以可编程序控制器为核心的变压器冷却控制装置中，输入、输出通过可编程序控制器连接起来，构成完整的控制系统。输入为可编程序控制器提供完成控制功能所必须的数字量、模拟量；可编程序控制器采样输入，执行编制的程序，根据程序设计对所采集信息进行综合分析、判断并作出决策，产生数字量、模拟量输出，驱动执行器件，完成控制功能。4.2.1可编程序控制器的输入输出根据变压器冷却控制装置的功能设计和结构设计，同时结合冷却控制装置的设备选型，可以确定可编程序控制器输入/输出的来源或者去向及输入/输出的性质和数量，如表4.1所示。表4.l中给出了可编程序控制器的输入/输出名称，输入来源和输出去向以及输入/输出的性质及数量，从表可知可编程序控制器共有36路数字量输入和23路数字量输出。输入，输出性质及点数的确定非常重要，成为可编程序控制器选型的一项重要指标，可编程序控制器连同其输入，输出模块必须满足输入，输出点数的要求。表4.1可编程控制器的输入输出输入/输出名称来源/去向性质及数量输入“自动”工作状态转换开关1路数字输入“手动”工作状态转换开关1路数字输入“主/辅电源选择”拨码开关1路数字输入、电源正常电源检测继电器2路数字输入、路电源投入断路器辅助触点2路数字输入三侧开关状态三侧开关辅助触点1路数字输入切除冷却器温度温度继电器1路数字输入投入冷却器温度温度继电器1路数字输入报警温度温度继电器1路数字输入凝露状态凝露温度控制器1路数字输入油流状态油流继电器8路数字输入电动机状态自动空气开关8路数字输入风冷却器的投入状态控制冷却器接触器8路数字输入合计36路数字输入输出冷却器的投入信号控制风冷却器接触器8路数字输入冷却器故障信号指示装置8路数字输入冷却器故障类型指示装置3路数字输入电源分信号控制电源断路器分输入1路数字输入电源合信号控制电源断路器合输入2路数字输入掉三侧开关信号变压器控制屏1路数字输入合计23路数字输入4.2.2可编程序控制器的选择根据变压器冷却控制装置对可编程序控制器控制功能、输入/输出性质及点数，存储容量的要求，综合考虑性能、可靠性、价格等方面的因素，我们选用西门子S7-200型PLC作为冷却控制装置的控制器。可编程序控制器的选型，主要从以下几个方面考虑：(1)控制功能。所选择PLC能最大限度的满足控制系统的控制功能是选择PLC时首先考虑的问题。S7-200型PLC代替了很多定时器、计数器、继电器所实现的功能，该PLC具有位逻辑、计数、定时、移位循环、比较、数字运算等指令，同时支持子程序和中断，能通过串口完成通讯，在控制功能方面，S7-200型PLC能满足冷却控制装置的功能需求。(2)输入/输出性质及点数要求。我们选用CPU224(14数字输入/10继电器输出)，CPU有内部电源可以为CPU自身，扩展模块和其他用电设备提供5V和24V直流电源。同时采用如下扩展模块，EM221(16路数字输入)，EM222(8继电器输出)，EM223(8数字输入/8继电器输出)，共38路数字量输入和26路输出。扩展模块通过与CPU连接的总线连接电缆取得5V直流电源。不同规格的CPU提供的电源容量不同，需要根据实际应用就电源容量进行规划计算，如表4.2所示：表4.2 PLC电源计算CPU电源预算5V直流24V直流CPU2