基于PLC的大型电力变压器风冷控制装置的研究1

本设计针对电力变压器冷却系统中使用的常规控制系统时存在的控制回路复杂、可靠性低、风机保护方式简单、油温测量精度低、控制误差大、无法进行远程通讯等问题设计了一套智能化变压器温度监控系统。

本文从工程应用实际要求出发，以西门子S7-200系列PLC为控制为核心设计了一种稳定可靠的变压器风却控制装置。本文给出了其硬件结构和软件系统的设计方案，该方案能提高变压器的运行可靠性、减小变压器的故障损坏程度，对提高整个电力系统运行管理和监视的水平具有重要的实现意义。

关键词：电力变压器；可编程序控制器；风冷控装置

ABSTRACT

The paper introduces a new smart of transformer temperature monitoring system. It’s a great change for the power transformer cooling system. Such as the existence of complex, low reliability, a simple blower protection, low temperature measurement accuracy, control errors, and not achieving long-distance communications, and so on.

For practical application requirements, the goal of this paper is to design a stable and reliable transformer cooling system control devices, with Siemens S7-200 Series PLC for the control of the core. This essay introduces the design schemes for its hardware structure and software system. The monitoring system can increase the operational reliability of the transformer and decrease the extent of the damage to it caused by faults, which is of great significance to the level of the operational management and monitoring of the entire electric power system.

Key Words: Power Transformer; PLC; Wind Cooling System

1 绪论

1.1论文的研究背景与选题意义

随着世界经济的高速发展，电力作为全球人类消费的最主要的终端能源，世界对电力的需求都呈增长趋势。我国国民经济的迅速发展对电力的需求日趋上升，近几年电力供应能力持续增强，全国电网高速建设和对固定资产的投资拉动了输变电设备的市场需求，变压器作为输变电系统中的主要设备，也得到了长足发展。

据国家能源局全国电力供需预测，2013年全国将新增装机9000万千瓦左右，其中火电3600万千瓦、水电2100万千瓦、核电324万千瓦、风电1800万千瓦、光伏1000万千瓦，其中非化石能源占比58%。预计2013年底全国发电装机容量将达12.3亿千瓦左右，发电装机规模有望跃居世界第一，变压器产量将达到14亿千伏安左右。变压器在输变电系统中是实现电能转换的最重要最基本的设备，对供电可靠性起着非同寻常的作用。

变压器在运行中是有损耗的，一种是空载损耗，另一种是负载损耗。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。

随着变压器容量的增大，变压器损耗的增加，单靠箱壁已不能有效的把热量散发出去，需采用冷却装置提高散热效果，达到散热要求。变压器的冷却装置主要有自然循环冷却装置、风冷装置、水冷装置三类。变压器根据容量的不同，所采用的冷却方式也不同。小容量变压器一般采用油浸式自冷方式，大容量变压器根据容量不同可选用油浸式风冷和强迫油循环式，强迫油循环又包括强油风冷和强油水冷等。目前，国内广泛应用的容量在12500KVA至90000KVA的变压器主要采用风冷的冷却方式。

控制变压器温度主要是控制变压器油的温度，因为变压器内部热量主要靠变压器油的流动循环带走。变压器在运行过程中温度是不断变化的，一方面因为负荷大小在变化，另一方面环境温度也在变化。为保证变压器安全、稳定、经济地运行，必须随时检测变压器的油温，并投入变压器冷却装置来使变压器油温控制在设定范围内。

传统变压器风冷控制系统主要是采用继电器逻辑控制风冷装置，在运行过程中存在很多缺陷，如控制回路复杂、可靠性差、故障率高、维护量大等。为克服传统变压器风冷控制系统存在的缺陷，保证电网的安全经济稳定运行，保证重要设备的安全及广大用户的可靠用电，本课题提出了基于PLC的大型电力变压器风冷控制装置的研究。

PLC是可编程序控制器(Programmable Logical Controller)简称，它是随着现代社会生产发展和技术进步，现代工业生产自动化水平的提高及微电子技术的飞速发展，在继电器控制的基础上产生的一种新型工业控制装置，是将3C(Computer、Control、Communication)技术融为一体，并应用到工业控制领域的一种高可靠性控制器。它是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，不仅能实现对数字量的逻辑控制，还具有数算、数据处理、运动控制、模拟量控制，还可以与其它计算机实现通信联网。它功能强，可靠性高，抗干扰能力强，智能化程度高，体积小，能耗低，且维修方便。

采用PLC控制变压器的冷却装置，可以对变压器油温实现较为精确的控制。PLC通过已编制程序实现控制功能，控制回路简单，控制功能强大；同时可以通过按运行时间和停止时间投切风机，完善冷却机组的保护，提高了风机组和冷却控制装置本身的寿命。

此外，PLC还可以提供串行通讯端口，供上位计算机采集变压器的部分运行信息。在此基础上，还可以增加无线传输功能，把信号传送到远方在线监测系统，实现远方控制。

1.2国内外冷却控制装置研究现状

电力系统中传统的非自冷式大型变压器冷却设备的控制与保护通常采用的是机电逻辑方式回路实现的，其逻辑电路是由各种接触器、热继电器及保险等器件组成的，基本属于20世纪60年代的技术水平。由于控制系统是靠机械触点逻辑电路实现，自动化程度低，在电网运行中存在一些缺点和不足，如潜油泵及冷却器风机的主回路驱动采用的是接触器，因而机械触点多，电路组成复杂，故障率高等，对安全运行带来很多隐患，不能适应当今无人值守变电站的需要。

针对继电式控制装置存在的问题和设计上存在的缺陷，国内外近年来进行了一系列有意义的研究，主要方法是摒弃传统继电器逻辑处理方式。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。

以可编程序控制器PLC为核心的电力变压器运行监测系统，并给出其硬件结构和软件系统的设计方案，能提高变压器的运行可靠性并减小变压器故障损坏程度，对提高整个电力系统运行管理和监视的水平具有重要的现实意。利用计算机的智能化，可实时监测电力变压器的温度油位冷却风扇的工作状态，及油速等实时参数，并通过串行通信信道将监测数据串送到主控制室或调度中心当变压器出现异常故障时，可发出声光报警信号，提醒运行人员及时处理，因而该装置的研制，对提高变压器的实时监控能力，提高电力系统运行的可靠性具有重要的作用。

2 变压器的发热与冷却原理

2.1变压器的发热和散热过程

铁芯和线圈在变压器在运行时均要消耗电能，这些损耗的电能将转变为热量发散于周围介质中，从而引起变压器各部分的温度升高。变压器的热量主要是产生在铁芯和绕组内部，开始时铁芯和绕组的温度上升得很快，但随着温度的升高，它们对周围冷却介质就有一定的温度差，从而将一部分热量传给周围介质，使介质温度增高。此后，线圈和铁芯本身的温度上升速度就逐渐减慢，经过一段时间后达到热平衡状态，即此时线圈和铁芯所产生的热量将全部散发到周围介质中温度不再升高。

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。

变压器线圈和铁芯产生的热量，由它们内部最热点通过传导方式传到与油接触和外表面，热量传到表面后，它们的表面温度与周围介质——油产生温度差，通过对流作用将部分热量传给附近的油，从而使油温逐渐上升。

由于对流作用，当热油碰到箱壁或壁时，将一部分热量传经它们，使管壁和箱壁温度升高，又通过传导方式，热量从箱壁的内侧传导到外侧（箱壁的内外侧温差不大），与周围的介质——空气产生温差，再通过对流和辐射作用，将热量散发到周围空气中。变压器散热过程如图2-1所示：

图2-1 变压器散热过程示意图

2.2变压器的损耗和散热计算

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空载损耗和负载损耗，变压器的损耗转换为热量。热量主要以热传导、对流散热和辐射散热的方式从油箱向周围的介质中散发出来。

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。

变压器的空载损耗和额定负载损耗可由变压器的铭牌可知，假设变压器的额定电流为，则额定功率的计算公式为：

                                  （2-2）

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）

2.变压器散热计算

变压器运行过程中，由电能转化为的热能会以各种方式传递到周围的介质中去，主要方式有热传导、对流、辐射等。下面概述散热形式对应的计算方法。

1）热传导计算

导热热流量为：

                             （2-4）

、——物体两表面温度（℃）；

——导热热阻（℃/W）。

2）对流散热计算

对流过程中所传递的热流量为：

                             （2-5）

h——对流换热系数（W/（㎡•℃））；

    A——对流换热面积（㎡）；

、——分别为流体和壁面温度（℃）。

3）辐射散热计算

辐射方式传递的热流量为：

                         （2-6）

——表面1以辐射方式传给表面2的热流量（W）；

——物体1对物体2的发射率； 

——表面1的面积（㎡）；

——斯忒藩-波尔兹曼常数，（）；

、——两表面的温度（K）。

2.3变压器的冷却方式

自然油循环自冷散热、自然油循环风冷散热、强迫油循环风冷散热和强迫油循环水冷散热，是目前国内外变压器的主要四种冷却方式。小型配电变压器主要采用自然油循环自冷散热冷却方式，不涉及风冷控制问题。强迫油循环水冷散热只在个别大型变压器上采用，变电站主变广泛采用的散热方式为自然油循环风冷散热和强迫油循环风冷散热。

变压器通常根据其容量的大小选择不同的冷却方式，下面常用的四种变压器冷却方式进行介绍：

1. 自然油循环自冷散热：31500KVA及以下、35KV及以下的产品；5000KVA及以下、110KV产品；

2. 自然油循环风冷散热：12500-63000KVA、35-110KV产品；75000KVA及以下、110KV产品；40000及以下、220KV产品；

3. 强迫油循环风冷散热：50000-90000KVA、220KVA产品；

4. 强迫油循环水冷散热：一般水力发电厂的升压变压器220KV及以上、60MVA级以上产品采用。

3 变压器风冷控制系统的设计方案

3.1 电力变压器运行规程中关于冷却控制的规定

关于强迫油循环电力变压器冷却装置及运行条件在电力变压器运行规程（DL/T 572-95）中有了详细的规定，本文在设计变压器冷却控制装置时参考了其中相关的规定。

1.对变压器冷却装置的要求

（1）油浸式变压器本体的冷却装置、温度测量装置等应符合GB51的要求；

（2）按制造厂的规定安装全部冷却装置；

（3）强油循环变压器的冷却系统必须有两个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；

（4）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；

（5）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；

（6）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。

2.油浸式变压器顶层油温的规定

油浸式变压器顶层油温一般不应超过表3-1的规定，当冷却介质温度较低时，顶层油温应相应降低。自然循环冷却变压器的顶层油温一般不宜超过85℃。

表3-1 油浸式变压器顶层油温一般限值

（1）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，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；

（2）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；

（3）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。

3.2传统变压器风冷控制系统的工作原理

传统变压器风冷控制系统主电路一般采用单电源的供电方式，控制组件采用接触器及继电式逻辑控制器，控制回路比较复杂。靠机械触点实现对风冷装置的投切，通过热继电器实现保护，可靠性较低、故障率较高、维护工作量较大。传统变压器风冷却控制装置的工作原理如图3-1所示：

图3-1 传统变压器风冷控制装置结构框图

3.3基于PLC的变压器风冷控制系统的工作原理

变压器风冷控制系统的核心是可编程序控制器PLC，可编程序控制器采集电源状态、变压器环境（包括变压器的顶层油温和外部周围环境）、风冷却器运行状况等信息，并对采集的信息进行综合判断产生控制决策，并将变压器、风冷却器以及风冷系统的信息通过通讯模块上传到上位计算机，同时接收上位计算机的命令，实现变压器风冷控制系统的智能化。

基于PLC的变压器风冷控制系统总共包含了六个功能模块，分别为电源监视控制模块、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、通讯模块和上位计算机监视模块。

基于PLC的变压器风冷控制系统的结构如图3-2所示：

图3-2 冷却控制装置功能框图

各功能模块的实现方法简要介绍如下：

1.电源监视控制模块。模块通过小型电压继电器监视两路电源的状态，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。

2. 冷却器投切保护模块。模块采用热继电器和电动机保护实现对风扇和潜油泵电动机的短路、过载、堵转和缺相保护，并作为可编程序控制器判断是否投切风机的条件，由固态继电器控制冷却器的投切。

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；当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，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。通讯模块由PLC上的RS485口经串口长线延长器与上位计算机通信，定期的将变压器、冷却器和冷却控制装置的运行信息、故障信息送到上位计算机。

6．上位计算机监视模块。该模块采集变压器、风冷装置和风冷控制系统的相关信息，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。

3.4变压器风冷控制装置的功能设计

根据电力变压器运行规程的要求并结合电力系统自动化设备的发展趋势，通过对大型电力变压器强迫油循环风冷却控制系统的分析，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互为备用的电源为其供电，可由开关选择一路为常用电源，另一路为备用电源。常用电源故障时，风冷系统会发出“电源故障”信号并及时投入电源，以保证供电的可靠性。如两路电源都发生故障，则能发出“装置失电”信号，并能够将全部风冷却器切除。

2. 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。

3.冷却控制装置能控制多组风机，装置能按变压器油温自动、依次投入相应台数的风机，取消了固定运行方式的工作模式，从而使油温能始终保持在一个稳定的温度范围内。

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

5.通过凝露温度监控器监视环境温度、湿度，不仅可以保证设备内部温度满足要求，而且可以防止装置箱体内凝露的产生使装置中部分元件受潮腐蚀。

6. 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。

7. 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。

8.冷却控制装置中冷却风机组分“工作—辅助—备用—停止”四种工作状态，并且可以按周期自动循环控制，使风机组均衡工作，提高了风机组的可靠性并延长了其使用寿命。

9. 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。

3.5控制方法和控制策略的研究

变压器冷却控制设计的前提是对控制方法和控制策略的研究，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的。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控制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，本文采用了断续负反馈控制的控制方法、有差值裕度的投、切温度阈值的控制策略和按运行时间投切冷却器的控制方法。

1.变压器油温自动控制方法

通过对冷却装置的工作特性的研究，本文在对变压器冷却控制的设计中采用了断续负反馈的控制模型实现对变压器油温的自动控制。断续负反馈的特点是系统对被控对象的控制作用不连续，由于被控量是不断在某一范围内不断变化的，因此被控量只能控制在一个稳定的温度范围内，而不是控制在某一个定值。

控制系统以变压器顶层油温作为被控量，PLC作为控制器，固态继电器作为执行机构，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。油温自动控制框图如图3-3所示：

图3-3 变压器油温自动控制框图

2.综合投切控制策略

（1）控制策略原理

在变压器油温自动控制系统中采用有差值裕度的投、切温度阈值进行综合投切控制的控制策略，有效地避免了冷却器组的频繁投切现象的发生，延长了冷却器的使用寿命。投切过程如图3-4所示：

图3-4 按温度投切冷却器过程示意图

图中横坐标T表示变压器油温，纵坐标表示投、切冷却器，为投入冷却器温度阈值，为切除冷却器温度阈值，则为差值裕度。

冷却器机组投、切过程为：当变压器顶层油温超过时，冷却器根据温度的高低投入部分风机；当变压器顶层油温低于时，则需要切除部分风机；当变压器顶层油温徘徊在到之间时，冷却器不做任何投切动作。

（2）控制参数的整定

控制参数的整定是有差值裕度的投、切温度阈值的控制策略的关键，投入温度阈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。过小时，则会造成风冷装置投切频繁，影响其寿命；过大时，则会导致油温在一个较大范围内变动，影响变压器的工作效率。因此，装置控制功能的优劣性在一定程度上取决于差值裕度的选取。

差值裕度的选取应遵循如下算法：

                             （3-1）

——投入冷却器温度阈值；

——油温为时，投入一组冷却器且稳定后的变压器油温；

——温度裕度。

可以由运行人员根据运行经验整定，也可以由变压器生产厂家通过试验获得。

3. 按运行时间投切的控制方法

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。

变压器油温自动控制系统采用温度负反馈的控制方法取消了继电式控制方式中固定的“工作”、“辅助”、“备用”的运行方式，当要产生投切控制决策时，有差值裕度的投、切控制策略就需要按持续运行时间和累积运行时间进行投切，做出具体投切某组冷却器的控制决策。冷装置的工作过程如图3-5所示：

图3-5 冷却装置工作流程图

由冷却装置工作流程图可以看出：当冷却控制系统需要投入冷却风机时，选取累计运行时间最短的投入；当冷却控制系统需要切除冷却风机时，则选取持续运行时间最长的风机切除。

4 变压器风冷控制系统的硬件设计

4.1可编程控制器的选型

在以可编程序控制器为核心的变压器风冷控制系统中，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。

1.可编程序控制器的输入输出

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，根据变压器风冷控制系统的功能设计和结构设计，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。可编程序控制器共有23路数字量输出和36路数字量输入。如表4-1和表4-2所示。

表4-1 可编程序控制器的输出

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。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。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4-3所示。

表4-3 PLC电源计算

（3）存储容量。CPU224具有8192字节的程序存储器和5120字节的数据存储区，能满足程序编写对存储容量的要求。

（4）从电源和带负载能力方面考虑。S7-200型PLC适合运行于额定电压为120~220V交流电源的场合，在变电站能提供220V交流电源；输出为继电器输出，继电器触点的电位对电源和输入是隔离的，可以将各种不同的负载连接到继电器输出。S7-200型PLC满足了电源和带负载能力的要求。

（5）安全可靠性方面。西门子S7-200型PLC具有较强的抗振性，及很强的电磁兼容性(EPIC)，并完全符合各项工业标准，能够应用于各种气候条件。

此外，S7-200型PLC不仅价格相对较低，降低了控制装置的成本，而且使用简单方便，不易于磨损，编程十分简单。因此，选用S7-200型PLC作为控制器能从各个方面满足我们的控制要求。

4.2电气元件选择及在装置中的应用

变压器风冷控制系统中，对于电气元件的选择也是很重要的。电气元件的选择关系着变压器风冷控制系统顺利运行，同时也关系着风冷控制系统的生产成本和使用寿命。

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，它具有两个相对的工作单元：凝露控制单元一个，温度控制单元一个。可对环境的温度湿度进行实时控制，自动起动负载，保证温度指标符合工作标准。同时具有体积小、安全性高、外形美观、加热效率高、加热效果好、防潮、防凝露和低温加热性能优越的特点。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。

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。

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-DN22Q5C；

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：RT18-32，32A。

由于所用继电器和开关器件种类和型号较多，在此不做介绍，在下文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。

4.3冷却控制装置电气接线

    1.电源监控和凝露温度监控部分电气接线

冷却系统由两路电源供电，可以通过开关选择一路为“主”电源，一路为“辅”电源，电源监视控制部分的作用是，监视两路电源的状态，并将电源状态信号送入可编程序控制器。同时接受可编程序控制器的控制命令，通过断路器动作选择一路电源为装置供电。凝露温度监控器可以实时监视环境的温度、湿度，条件达到时可以启动凝露负载、温度负载，对可能产生的凝露、超温情况采取应对措施。

电源监控和凝露温度监控部分电气接线原理如4-2所示：

图4-2 电源监视控制接线图

在图4-2所示线路中，小型电压继电器1YJ、2YJ、3YJ的线圈分别连接电源1的三相X1、X2和X3负责监视电源1的状态，三个电压继电器的常开触点串联后连接中间继电器1ZJ的励磁线圈。电源各相均正常时小型继电器1YJ、2YJ和3YJ的常开触点都闭合，中间继电器1ZJ的线圈励磁，1ZJ常开触点闭合，1ZJ的常开触点连接可编程序控制的输入端，送入电源状态信号。小型电压继电器4YJ、5YJ、6YJ和中间继电器2ZJ的配合实现对电源2的监视，接线和工作原理与电源1的监视电路类似。

中间继电器1ZJ的触点负责为断路器和凝露温度监控器提供电源，当电源1正常时，1ZJ的常开触点闭合，常闭触点打开，由电源1为断路器和凝露温度监控器的工作提供电源；当电源1非正常时，1ZJ的常开触点打开，常闭触点闭合，由电源2为断路器和凝露温度监控器供电。

断路器可执行可编程序控制器输出的电源选择控制指令，为冷却器组及控制装置选择一路电源。接触器的A4为“分闸”输入，A2为“合闸”输入，“分闸”输入具有更高的优先级，即两输入端都为有效状态时，断路器优先执行“分闸”动作。接触器的主触头分别连接两电源和变压器冷却装置的电源进线，输入端连接可编程序控制器的输出和断路器常闭辅助触点的组合。图中Q3.4为控制1JC的“合闸”信号，Q3.5为控制1JC的“合闸”信号，Q3.6为控制1JC和2JC的“分闸”信号。2JC的常闭辅助触点和Q3.4串联接入1JC的“合”输入端可以防止两电源同时投入，因为2JC处于“合闸”状态时，电源2供电，其常闭辅助触点打开，1JC的“合闸”输入端处于无信号的状态，电源2不能投入。同理1JC的常闭辅助触点和Q3.5串联接入2JC的“合闸”输入端可以防止电源同时投入的情况发生。

凝露温监控器的工作原理已经介绍过。图中ch11为温度传感器，ch12为湿度传感器；WCG为冷却控制装置箱体内的加热装置。3ZJ为中间继电器的励磁线圈，WCG和3ZJ连接到凝露温度监控器的“凝露负载”输出；D为风冷控制装置箱体内的风扇电动机，连接到凝露温度监控器的“温度负载”输出；id为冷却控制装置箱体的照明装置，一端连冷却控制装置的电源，N连接控制装置电源的中线。

中间继电器3ZJ的励磁线圈连接到凝露监控器的“凝露负载”输出，当环境湿度达到设定值时，“凝露负载”输出接通，中间继电器3ZJ励磁，其常开触点连接到可编程序控制器的输入，为可编程序控制器提供凝露信号。冷却控制装置箱体内的加热装置WCG连接凝露监控器的“凝露负载”输出，当环境湿度达到设定值时，凝露负载接通，加热装置启动为控制装置除湿，保证冷却控制装置的可靠工作。冷却控制装置箱体内的风扇连接到凝露控制器的“温度负载”输出，为了保证冷却控制装置的可靠工作，当环境温度达到设定值时，温度负载将被接通，风扇投入运转为冷却控制装置散热。冷却控制箱体内的照明装置id通过开关K连接到电源，装置箱体开启开关K闭合，照明装置点亮；箱体关闭照明装置熄灭。

2. 冷却器电动机保护控制电气接线

本设计的冷却控制装置可以控制8组冷却器，每组冷却器由3个风扇和1个潜油泵组成。冷却器保护控制部分可以为冷却器风扇电动机和潜油泵电动机提供过载、堵转和缺相保护，并接受可编程序控制器的输出指令，投/切冷却器组。每组冷却器保护控制的接线是相同的，这里我们只绘出了一组冷却器保护控制的电气接线原理图，如图4-3所示：

图4-3 冷却装置保护控制接线图

图4-3所示线路中，1FS2、1FS4为一组冷却器中风扇电动机的电动机保护器（一个风扇1FS3未画出），1FS1为潜油泵电动机保护器，1FS1、1FS2、1FS3、1FS4分别串接在冷却装置电源和冷却器风扇电动机和潜油泵电动机之间。

当电动机发生过载、短路和缺相故障时，与之连接的电机保护器的辅助触点闭合，1ZK为自动空气开关，风扇电动机保护器1FS1、1FS2、1FS3和潜油泵电动机保护器1FS4的辅助触点并联后连接到空气开关1ZK的励磁线圈，当任一电机出现故障时与之相连的电机保护器的输出触点闭合，将使空气开关1ZK的线圈励磁，使空气开关动作。1BC为控制风冷却器投/切的接触器，它的励磁线圈连接可编程序控制器的输出，可以接受可编程序控制器的控制指令，控制冷却器投切。

转换开关用于选择是“手动”、“自动”投入冷却器或处于“停止”状态。端子连接以第一组端子为例，处于“自动”状态端子1、2接通，处于“手动”操作状态端子3、4接通。端子25、26、27、28连接在控制电源投切线路中。其余左侧端子分别连接交流和直流电源如图所示，右侧端子2、6、10连接PLC控制接触器输出电源侧，端子3、7、11连接手动控制冷却器按钮；30连接PLC的“自动”输入，31连接PLC的“手动”输入；剩余的右侧端子连接PLC的故障输出电源侧。

4.4可编程序控制器的输入输出连接

    变压器冷却控制装置的核心PLC由一个CPU模块CPU224（14数字输入/10继电输出），三个输入输出扩展模块，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）组成，PLC从输入端子采集信号，从输出端子输出控制信号，模块的输入输出连接如下。

1. CPU224的输入输出连接

可编程序控制器的CPU模块CPU224是整个装置的核心，所有的程序和数据都在CPU模块存储，控制功能和控制决策由CPU模块运行做出，CPU224有14个24V数字直流输入和10个继电器输出，CPU224输入输出连接如图4-4所示：

图4-4 CPU224输入输出连接图

220V交流电源通过电源输入（L1，N）送入该模块，模块还可以向外提供24V直流电源，从电源输出（L＋，M）引出。输入I0.0和I0.1连接转换开关，分别表示“自动”、“手动”操作，转换开关在“手动”位置时I0.0将有效，转换开关在“手动”位置时I0.1将有效。输入I0.2～I0.6分别连接电源“主”、“辅”选择开关、中间继电器1ZJ和2ZJ的常开触点、断路器1JC和2JC的辅助触点。开关1KG闭合，表示选择1电源作为“主”电源；中间继电器1ZJ、2ZJ闭合时，I0.3、I0.4将分别有效，表示1路、2路电源处于正常状态；1JC、2JC接通，其辅助触点闭合，分别表示1路、2路电源投入。 

变压器三侧开关DL1、DL2、DL3的辅助触点串联作为I0.7输入，变压器三侧开关全部打开，辅助触点DL1、DL2、DL3全部闭合，该输入为有信号状态，表示三侧开关全部打开。输入I1.0、I1.1、I1.2分别连接3个温度继电器1WJ、2WJ、3WJ的常开触点，指示变压器的顶层油温，其中温度继电器1WJ整定为切除冷却器温度阈值，温度继电器2WJ整定为投入冷却器温度阈值，温度继电器3WJ整定为“告警”温度。输入I1.3连接中间继电器3ZJ的一个触点，中间继电器3ZJ的励磁线圈连接凝露监控器的凝露负载，当凝露温度监控器判断发生凝露时，线圈励磁，将凝露信号通过该输入端送到PLC。

    1L、2L、3L分别连接到转换开关的1X31、2X31和3X31，处于“自动”操作模式时分别为输出Q0.0～Q0.3、Q0.4～Q0.6、Q0.7～Q1.1提供电源。Q0.0～Q0.7这8路输出分别连接控制8路控制冷却器投切接触器的励磁线圈的一端，励磁线圈的另一端连接到中线。接触器励磁线圈的电源端通过开关还连接转换开关的1X41、2X41和3X41，处于“手动”操作模式下，为励磁线圈提供电源，可以通过按钮开关手动的投切冷却器。Q0.0～Q0.7还连接信号指示灯，当输出有信号时，将接触器线圈励磁，接触器动作其常开触点闭合，将一组风冷却器投入运行同时点亮风冷却器投入指示灯。

2. EM223的输入输出连接

扩展模块EM223的主要作用是扩展CPU模块的输入输出，它有8个24V直流数字输入，8个继电器输出，输入输出连接如图4-5所示：

图4-5 EM223输入输出连接

    模块的1M和2M端接地，L＋连接CPU224模块的24V直流电源输出，一方面为输入I2.0～I2.7提供电源，另一方面为继电器输出Q2.0～Q2.7的继电器线圈供电。1L和2L分别连接转换开关的4X31和5X31在“手动”和“自动”工作模式下分别为输出Q2.0～Q2.3和Q2.4～Q2.7的输出负载提供电源。

    冷却控制装置能控制8组冷却器，8组冷却器的油流继电器1LJ～8LJ的常开触点连接24V直流电源和EM223的输入I2.0～I2.7。一组冷却器投入运行，这组冷却器中变压器油流速正常，油流继电器常开触点闭合，对应的输入变为有信号状态，变压器油流不正常，对应的输入变为无信号状态。

    输出Q2.0～Q2.7连接冷却器故障信号指示灯，指示灯的另一端连接中线。变压器冷却控制装置具有故障定位功能，如果一组冷却器的电动机故障、油流或接触器出现故障，对应的信号灯被点亮。同时该组信号灯与EM222的输出配合可以确定是哪一组冷却器出现何种故障。

3. EM221和EM222的输入输出连接

扩展模块EM221和EM222的作用是扩展CPU模块的输入输出，EM221有16个24V直流数字输入，EM222有8个继电器输出，输入输出连接如图4-6所示：

图4-6 EM221和EM222输入输出连接

    模块EM221的1M～4M端和EM222的M端接地，EM222的L＋连接24V直流电源，为继电器输出的继电器线圈供电，由于受CPU24V直流电源供电容量的，需要额外提供24V直流电源，可以通过加装24V开关电源解决。EM222的1L端连接6X31，在“手动”和“自动”工作模式下分别为输出Q3.0～Q3.3的输出负载提供电源。2L连接7X31，7X31和输出Q3.4、Q3.5、Q3.6连入电源控制电路。

    输入I3.0～I3.7分别连接8组自动空气开关1ZK～8ZK常开辅助触点的一端，空气开关辅助触点的另一端连接24V直流电源。自动空气开关与电动机保护器配合实现对风扇和潜油泵电动机的保护，正常情况下自动空气开关的辅助触点打开，当冷却器电动机出现故障时，辅助触点闭合，将各组冷却器的电动机故障信号送入可编程序控制器。

输入I4.0～I4.7分别连接控制冷却器投切的8个交流接触器1BC～8BC的常开辅助触点，交流接触器辅助触点的另一端连接24V直流电源。当一只交流接触器闭合，接触器控制的冷却器投入工作，辅助触点闭合，信号送入可编程序控制器，表示对应冷却器投入工作。

4.5通讯连接

冷却控制装置采用自由口通讯，自由口通讯是建立在可编程序控制器RS485硬件基础上的一种通讯方式。自由口通讯方式通讯功能完全由用户程序控制，所有通讯任务由用户编程完成。

一般冷却控制设备到上位计算机距离较远，受到通讯距离的我们还采用了长线驱动器Model232D/3延长通讯距离，保证数据的可靠。驱动器无需外接电源供电，光电隔离3KV适合在恶劣环境下使用。采用4线通信，传输距离在9600bps时为1000米、性能稳定。

冷却器控制装置的通讯由PLC、PPI电缆（一端为PLC的RS485一端为RS232，可用于自由口通讯和对PLC进行编程）、长线驱动器、通讯线和上位计算是组成，如图4-7所示：

图4-7 冷却控制装置通讯线路组成

可编程序控制器CPU224模块的RS485口连接PPI电缆，PPI电缆的RS232口连接长线驱动器1的RS232侧，长线驱动器1的线路侧连接通信线路，通信线路的另一侧连接另一个长线驱动器2，长线驱动器2的RS232侧连接上位计算机。

5 变压器风冷控制装置的软件设计

5.1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，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。

5.2通讯处理

自由口通讯方式通讯功能完全由用户程序控制，所有通讯任务由用户编程完成．在进行自由口通讯前必须进行通讯口工作模式的初始化，包括自由口波特率、奇偶校验、每个字符的数据位个数和协议选择。在本装置中我们采用9600的波特率、无奇偶校验，每个字符有8个数据位，同时设定串口为自由口通讯模式。初始化操作在程序的初始化部分完成。

可编程序控制器有一个发送缓冲区，我们将准备发送的数据放在发送缓冲区中，这些数据包括变压器温度信息，三侧开关状态信息、电源故障信息，电源投入信息，冷却器运行和故障信息，信息按字节读取和发送。

由于上位计算机在读取串口数据时可能不能够将PLC一次发送的信息全部从串口缓冲区读取完，所以需要对发送信息进行编码便于上位计算机分辨信息内容。每个字节有8位，我们将每字节的高4位作为信息标示，上位计算机在读取信息后，可以根据这个标示判断读出的信息的内容。将一个字节的低4位作为信息位，信息位包括电源状态、冷却器运行状态、油流故障、电动机故障和接触器故障等。所有信息编码如表5-1所示：

表5-1 通讯信息编码表

5.3上位机监视软件设计

上位机监视软件包括串口的设置和打开、串口数据的读取、数据的解析显示和保存，完成对变压器冷却及控制装置的监视任务。

1. 监视软件总体设计

上位计算机监视软件设计流程图如图5-2所示：

图5-2 上位机监视软件流程图

首先进行串口参数的设置，包括串口号、波特率、奇偶校验位、通讯位数和停止位数，然后打开串口；串口参数的设置和打开串口都有专门的函数。如果串口打开不成功，需要重新进行参数设置。串口打开成功后可以在监视软件的状态栏显示串口的各种信息。

串口打开成功后，就要创建新的线程，新创建的线程的作用是等待串口事件发生．之所以创建新的线程，是因为新创建的线程和主线程并列运行，可提高程序运行的效率．如果串口中一直没有数据，则继续等待。

如果串口中有数据，则用读串口函数将数据读入数据存储区，然后对读入数据进行解析。因为读串口函数不能一次将串口中的数据全部读出，所以在PLC发送时就对数据进行了标示，上位监视程序需要对读入的数据进行解析才能确定发送过来的数据的具体含义。

接下来程序根据解析得到的数据刷新监视软件可视区域。然后程序又继续等待串口数据。

2. 串口设置和打开

在对变压器冷却及控制装置进行监视前必须进行正确的串口的参数设置和打开串口，并且串口参数的设置要和可编程序控制器参数的设置相匹配。监视软件通过对话框对串口参数，包括串口号、波特率、奇偶校验位、通讯位数和停止位数进行设置。

串口设置完成后通过监视程序的菜单调用串口打开函数将串口设置对话框中选择的串口打开，并调用串口设置函数设置串口参数。如果所选串口已经打开或串口不存在，软件会通过对话框提示，需要重新设置串口参数。串口设置成功后，在监视软件的状态栏可以显示串口的各种参数；如果串口未打开或者打开失败，在状态栏也会有显示。

如果暂时需要关闭串口，可以通过监视软件的菜单，调用串口关闭函数将串口关闭。

3. 线程的建立及串口数据的读取、解析和显示

监视软件创建一个新的事件线程，它负责监视串口的事件。当有事件发生时，它向监视软件的主线程发送一个Windows消息。监视软件的主线程在消息响应函数中处理发生的事件。

当可编程序控制器向串口发送数据后，事件线程监视到串口数据缓冲区中有数据，将发出一个消息，监视软件的主线程在消息响应函数中调用读串口函数将串口数据缓冲区中的数据读出，接着调用数据解析函数。

解析函数的编写要依据表5-1所示的通讯信息编码表，首先获得读取数据的每个字节的高4位，每个字节的高4位是信息标示位，通过高4位可以判断传送过来的每个字节所代表的内容，然后根据字节的后4位对程序中关于冷却器及控制装置状态的一些变量进行赋值。

将读取的数据解析并赋值给函数的变量后就调用显示函数，显示函数根据变量显示变压器冷却及控制装置的状态。

如果变压器状态、电源状态或冷却器状态发生变化，包括变压器油温变化、电源投切、冷却器投切、冷却器故障、冷却器故障恢复等等，可以在监视界面产生一个记录项，记录项包括事件的类型和发生的事件。另外这些记录项可以通过程序保存产生一个文本文件（*.txt格式），文本文件中记录了事件发生的类型和发生的时间，可以方便记录和查询。

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致谢辞

论文付梓之际，也是满心感激涌起之时。感谢高波老师在繁忙的教学任务中，对本论文的选题、结构、内容等给予的悉心指导。他严谨的治学态度，扎实的业务功底及负责任的处事态度深深地触动了我，在此谨向高老师表达我最诚挚的敬意和最衷心的感谢！

回首过往，衷心感谢信电学院的各位老师们。您们的敦敦教诲开拓了我们的视野、启迪了我们的思想，您们的人格魅力更时刻影响着我们。感谢身边的同学们，你们对待人生的积极态度总能给我不同的启发与鼓励，让四年校园时光更加充实快乐！感谢我的家人，你们是我坚强的后盾，正是你们的无私奉献才使得我能顺利地完成学业。

最后，也感谢在百忙之中参加评阅和答辩的各位专家及教授们，谢谢你们。

附录