变压器智能风冷控制技术研究及设备研制

摘要：本文对变压器智能风冷控制系统进行研究，介绍了智能变电站环境下的变压器智能风冷控制系统的构成及配置，从基于IEC61850的数据传输及通信建模方式、控制IED运行方式、控制IED的控制执行几个方面说明了其工作原理，从控制电源热备用方式、数据采集、控制、切换、通信、自检及告警、对时几个方面定义了其功能设计，文末给出了变压器智能风冷控制系统核心部件控制IED的软硬件设计方案。

关键词：智能风冷控制 变压器 IEC61850 控制IED设计 智能变电站

中图分类号：TM401.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0032-02

随着智能电网的快速发展与推进，变压器智能化的研究与设计将是变压器技术发展的方向，风冷控制系统作为变压器不可或缺的重要组成部分[1-2]，必需满足变压器智能化发展的要求。目前我国的220kV及以上电压等级的变压器大多采用强油风冷冷却方式[3-5]，控制部分大多采用PLC或单片机完成，系统构成比较复杂，控制功能简单且控制模式基本固定，整个控制系统比较独立和封闭，基本不与其他设备信息交互[6-7]，在智能电网通讯及信息共享的要求下，传统风冷控制系统已不能适应智能变压器发展的要求。

本文详细介绍了变压器智能风冷控制系统的设计，包括系统构成及配置情况、控制原理、功能实现以及控制IED软硬件设计等。

1、系统构成及配置

1.1　系统构成

智能变电站自动化系统基于IEC61850通讯及信息共享要求，变压器风冷控制作为过程层设备应接入过程层网络，信息通过过程层网络传输，包括控制所需的测量数据、控制指令以及监测结果等，系统构成如图1所示。

1.2　系统配置

变压器智能风冷控制器包括冷却控制IED以及就地控制柜组成，根据目前运行的情况，控制器配置分为如下三种情况：（1）对于无特需要求情况，冷却控制IED作为控制主体安装在就地控制柜上，配置必要的辅助执行单元和电路，完成所有控制及信息传输功能；（2）对于就地控制柜已有简单智能控制器的情况，如PLC、单片机等控制执行单元，冷却控制系统由冷却控制IED与智能控制设备及辅助电路组成，完成控制及信息传输功能；（3）对于就地控制柜采用了特殊控制方式的情况，如风机控制采用变频器控制方式，冷却控制系统由冷却控制IED与变频器及辅助电路组成，完成控制及信息传输功能。

2、工作原理

2.1　基于IEC61850网络通信的数据传输

冷却控制IED所需测量数据主要来自测量IED，包括主变本体相关的油温、绕组温度、主变负荷等，来自其他监测IED数据包括铁芯监测电流、主变油中气体分析数据等，来自智能终端数据包括主变运行信息等，通过过程层网络GOOSE传输方式接收。

控制指令包括来自后台的远方控制指令经测控装置的控制信息、冷却控制IED发给智能终端跳闸信息等，均通过GOOSE传输机制，高效、快速的通过过程层网络传输。

2.2　控制IED运行方式

传统风冷控制系统由于数据采集的局限性，一般采用固定的“运行”、“辅助”、“备用”模式对风机组的控制，或采用奇偶数组控制模式控制风机组的启停，控制模式固定单一，不利于节能和设备的有效利用。变压器智能风冷控制设计运行方式分为手动和自动，其中手动方式又分为就地手动和远方手动控制方式。自动运行方式下，控制IED根据油温、绕组温度、变压器运行负荷情况以及变化趋势或者异常情况如主变铁芯电流的增大、油中气体反映出的热故障等，综合判断出需要运行的风机组数，发出控制指令启停风机组，完成主变的冷却控制要求。当处于手动就地控制方式时，与传统就地控制手动方式基本一致，运行人员在控制柜就地通过把手或按钮控制风机组的启停；当处于手动远方控制时，通过后台或调度等将控制风机组启停命令下发给测控单元，由测控转发控制指令到冷却控制IED，完成风机组的控制。

2.3　控制IED控制执行

根据1.2节介绍的配置情况，风冷控制IED的控制执行分为：（1）冷却控制IED直接控制辅助电路，如接触器和继电器等，完成风机组和油泵的启停，冷却控制IED需要有开出回路设计要求；（2）采用冷却控制IED与智能控制设备及辅助电路组成的配置系统，冷却控制IED采用通讯的方式与智能控制器信息交互，完成控制及信息传输功能；（3）采用冷却控制IED与变频器及辅助电路组成的配置系统，冷却控制IED采用通讯或模拟量输入输出方式，完成控制及信息传输功能。

3、功能实现

3.1　控制电源热备用

电源控制设置自动手动切换，在自动模式下，控制电源自动完成双电源的互为备用，且具备自锁功能，即当一路电源工作时，另一路电源可靠断开。在手动模式下，支持远方手动切换。

3.2　数据采集

支持GOOSE方式从过程层网络接收与风冷控制相关的测量量，完成控制所需的数据采集功能。

3.3　控制

控制策略根据综合数据分析，合理配置风机运行组数，满足变压器运行要求的同时兼顾节能、循环启停风机组以及风机组先启先停运行等原则。

3.4　切换

切换功能完成远方、就地以及手动、自动等控制方式的切换，满足不同运行方式要求。

3.5　通信

风冷控制IED具有过程层网络IEC61850通信功能，支持GOOSE方式数据接收和发送，完成网络数据的采集以及控制命令、控制结果和监测等数据的发送。

3.6　自检及告警

风冷控制系统的控制IED以及其他智能设备具有自检以及异常告警功能，实现自身状态检修。

3.7　对时

控制IED满足智能变电站所要求的对时精度和对时方式。

4、控制IED软硬件设计

4.1　硬件构成

硬件组成包括CPU、FPGA控制器、通信模块、开出控制器、开入采集单元等组成。硬件设计结构框图如图2　所示：

系统所需数据均通过过程层网络获取，设置开入插件满足就地信号的便捷接入，当就地控制柜配置有智能控制设备时，开出插件可不配置。

4.2　软件设计

根据变压器智能风冷控制功能要求以及控制策略设计，其主程序设计流程如图3。

5、结语

变压器智能风冷控制系统设计对变压器的安全稳定运行至关重要，该风冷控制系统的设计符合智能变电站通讯要求，满足变压器安全稳定运行要求，智能化程度高，节能且风机组运行效率及使用寿命等方面都得到了很大提高，运行方式灵活，适应性强，符合风冷控制系统的技术发展。

参考文献

[1]邓世杰.大型变压器风冷却系统的自动控制[J].变压器，2003年第10期.DENG　Shi-jie.　Automatic　Control　of　Forced　Air　Cooling　System　in　Large　Transformers　[J].Transformer，2003，10.

[2]李化波.一种新型变压器冷却控制装置的研制[J].电气应用，2007年第6期.LI　Hua-bo.　Development　of　a　new　device　of　Automatic　Control　of　Forced　Air　Cooling　control　System　[J].Electrical　Application，2007，6.

[3]李化波.基于PLC的大型电力变压器冷却控制装置的研究[M].硕士论文.华北电力大学（北京）.LI　Hua-bo.　Research　of　Large　Capacity　Transformer　Cooling　Control　Device　Based　on　PLC[M].　Master's　thesis，　North　China　Electric　Power　University（beijing）.

[4]王泽峰，等.新型变压器风冷控制系统在电网中的应用［J］.变压器，2005年第8期.WANG　Ze-feng.　Application　of　New　Air　Cooler　Control　System　of　Transformer　to　Electric　Network　[J].Transformer，　2005　08.

[5]杨凯，等.新型智能变压器风冷控制系统[J].电工技术，2003年第9期.YANG　Kai.　The　Transformer　Air　Cooling　System　Based　On　MCU　Control[J].　Electric　Engineering，，　2003　09.

[6]冷志国.大型变压器风冷控制系统的研究[M].硕士论文.哈尔滨理工大学.LENG　Zhi-guo.　Design　on　the　Wind　Cooling　Control　System　of　Transformer[M].　Master's　thesis，　Harbin　Institute　of　Technology.

[7]章伟国，等.基于PLC的风冷控制系统在大型变压器上的应用[J].浙江电力，2010年第3期.ZHANG　Wei-guo.　Application　of　Air-cooled　Control　System　Based　on　PLC　in　Large　Transformer[J].Zhejiang　Electric　Power，2010　03.

[8]毕金磊.基于PLC的变压器风冷控制系统的研究与设计[M].硕士论文.山东大学.BI　Jin-lei.　Research　on　the　Wind　Cooling　Control　System　of　Transformer　Based　on　PLC　[M].　Master's　thesis，　Shandong　University.