基于PLC的主變冷卻控制系統優越性分析

馮洋，白金泉，余大成，朱斌

（國網浙江省電力公司檢修公司，杭州317000）

基于PLC的主變冷卻控制系統優越性分析

馮洋，白金泉，余大成，朱斌

（國網浙江省電力公司檢修公司，杭州317000）

對基于PLC的變壓器冷卻器控制系統和傳統冷卻器控制系統的特點進行了對比分析，指出傳統的冷卻器控制系統存在弊端。柏樹500 kV變電站主變冷卻器控制回路智能化改造及其運行狀況表明，基于PLC的變壓器冷卻器控制系統在可靠性和靈活性等方面有很大的提高，變壓器安全運行有利于滿足變電站無人值守與智能電網的要求。

變壓器；冷卻器；控制系統；PLC

變壓器是電網中的重要設備，變壓器冷卻控制系統是變壓器的重要組成部分，運行是否安全可靠直接影響到變壓器的安全性和經濟性。

傳統的變壓器冷卻裝置的控制部分大多采用分立的電氣元件（繼電器）構成，用硬邏輯來實現各種功能，接線多而復雜、體積大、功耗高、可靠性低、維護量大，這種傳統的冷卻控制系統存在許多不利于可靠運行和檢修的問題，無法有效實現冷卻系統的智能化控制需求[1]。

以微處理器為基礎的PLC（可編程控制器）在自動控制領域占有十分重要的地位。PLC采用可編程的存儲器，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算操作等面向用戶的指令，通過數字或模擬的輸入/輸出來控制過程[2]。基于PLC的變壓器冷卻控制系統集信號采集、數據處理、智能控制、人機交互等功能于一體，可實現變壓器冷卻器自動投切的最優控制，為保證變壓器安全經濟運行奠定牢固的基礎。

1 500 kV變壓器冷卻控制系統現狀

1.1 傳統變壓器冷卻控制系統弊端

500 kV變壓器冷卻系統通常采用強迫油循環風冷方式。配置數組風扇和油泵，運行中為滿足變壓器各種運行工況，一般要求1臺油泵備用（運行油泵故障時自動投入運行），其余冷卻器全部投入運行。

運行經驗表明，傳統的冷卻器控制系統主要存在以下問題：

（1）二次回路特別是冷卻控制回路不統一、不規范，接線比較復雜，檢修維護困難，給檢修人員帶來一定壓力；

（2）由于采用分立的電氣元件（繼電器），整個控制系統故障率高，經常出現繼電器線圈燒毀、觸點燒結或氧化接觸不良等問題，故障查找和處理存在一定困難。用接觸器來進行冷卻器的投切控制，常出現接觸器損壞的現象，影響變壓器安全可靠運行；

（3）用硬邏輯方式采集變壓器冷卻系統信息，需要大量的分立元件（繼電器），所以無法實現全部信息的擴展和采集、控制，只能實現有限的功能，很難實現系統的改造和升級；

（4）備用油泵的投切狀態需運行人員定期手動進行設定，維護量大，不利于實現電力系統無人值守的要求；

（5）因溫度硬接點控制，可能引起冷卻器組頻繁啟/停[3]。

1.2 基于PLC的冷卻控制系統特點

基于PLC的冷卻控制系統在不改變變壓器冷卻系統主回路的基礎上，采用PLC實現冷卻系統的智能化控制、監測及執行，主要特點有：

（1）PLC具有極高的可靠性、豐富的指令集、豐富的內置集成功能、實時特性、多種擴展模塊的特點，PLC和冷卻系統以及遙信實時工況在人機界面上一目了然；

（2）系統采集變壓器所有冷卻系統信號，并進行實時監測，將采集的油溫和負荷電流模擬量變換為PLC識別的數字量信號，采用PLC控制邏輯軟件編程，實現對冷卻系統元件啟/停的自動控制。系統可在就地通過網絡實現遠程監控運行和故障信息、進行參數設置和狀態設定；

（3）通過風扇、油泵的工作電流來判斷風扇、油泵的運行狀況，對風扇油泵實行狀態檢修，確保冷卻系統安全、可靠運行；

（4）利用接收到油面溫度、工作電流數據來判斷和控制風扇、油泵的運行方式，達到控制變壓器溫度、延長變壓器運行壽命的目的；

（5）根據PLC內部時鐘實現冷卻器工作電源和冷卻器的自動定時均衡切換，延長了設備使用壽命，減少了運行維護人員的工作量。

2 基于PLC的冷卻控制系統改造及對比

以柏樹500 kV變電站為例，2號主變壓器（簡稱主變）冷卻控制系統為傳統的繼電器控制型，3號主變冷卻控制系統在經過改造后為PLC控制型，采用西門子寬溫型PLC可編程控制器（SIPLUS S7-200）實現整個控制邏輯。

2.1 交流電源回路改造及對比分析

圖1與圖2分別為2號主變與3號主變冷卻器交流電源回路。未改造的2號主變冷卻器的交流電源在總控箱中需經過電源自投回路的控制，選擇Ⅰ電源或Ⅱ電源中的一路，供給箱體用電回路以及送入三相的分控箱。

圖1 柏樹變2號主變冷卻器交流電源回路

因需要與PLC進行配合，滿足PLC控制方式下多種工作模式的需要，3號主變冷卻器的交流電源回路改成在總控箱中，Ⅰ電源的A相供給總控箱、分控箱交流控制回路、總控箱和分控箱PLC電源，Ⅱ電源的A相供給總控箱箱體用電回路，并且滿足其中1個電源故障時會自動切換至另1個電源。同時，Ⅰ電源和Ⅱ電源分別供至分控箱，通過交流控制回路和PLC進行控制切換，自動選取油泵、風扇電機電源及分控箱箱體用電回路的電源。

從改造前后兩者電源回路的比較來看，2號主變冷卻器系統需要電源投切回路，增加了繼電器的數量，并且在該回路發生故障時將影響到所有的三相分控箱。此外，2號主變冷卻器系統不存在總控與分控模式，其交流控制回路直接在分控箱內實現。而經過改造的3號主變冷卻器系統則有多種運行模式可供選擇，具有總控箱交流控制回路與分控箱交流控制回路，且其電源配置相對獨立，分別通過PLC進行電源切換，滿足多種工作模式需求，可靠性更高。

2.2 交流控制回路改造及對比分析

2號主變冷卻器的傳統交流控制回路原理較為簡單，在達到風扇組或油泵的啟動條件時，勵磁相應的中間繼電器，使得控制回路接通，分別啟動風扇組或油泵，當達到返回條件時停止運行，全部功能由繼電器實現，如圖3所示。

改造后的3號主變冷卻器系統加入PLC進行控制，具有多種運行方式，體現為總控與分控、自動與手動、PLC故障時等方式的配合。圖4和圖5分別是3號主變總控箱與分控箱內的交流控制回路示意圖。

改造后PLC控制下的冷卻器運行模式如下：

（1）第一正常運行模式，即“分控自動”模式，此時總控箱內運行模式切換開關QK01與分控箱內運行模式切換開關QK1均處于“自動”位置。此時雖然圖4中總控PLC能起作用，并影響K31′—K36′等繼電器的勵磁，但由于圖5中8801無電源給入，所以總控交流控制回路無法影響到冷卻器運行，而圖5中只有8201有正電源給入（QK1的3-4斷開），形成“分控自動”模式。這是3號主變冷卻器的正常運行方式；

圖2 柏樹變3號主變冷卻器交流電源回路

（2）第二正常運行模式，即“總控自動”模式，此時QK01切至“總控自動”，QK1處于“自動”，8201無電（分控PLC退出），總控箱內控制電路通過K31′—K36′作用于K31—K36，從而控制冷卻器運行；

（3）第一后備自動運行模式，在“分控自動”運行模式下，當A，B，C 3個分控箱任一PLC故障時，分控箱發出PLC故障報警信號，同時系統自動切至總控箱“總控自動”運行模式；

（4）第二后備自動運行模式，當A，B，C 3個分控箱任一PLC故障、系統自動切至總控箱“總控自動”運行模式后，總控箱又出現PLC故障時，此時總控PLC便可能無法控制K31′—K36′繼電器，總控箱發出PLC故障報警信號。如圖6所示，系統將根據電流（負荷）情況，在負荷大于70%時接通KL3觸點勵磁J0繼電器，從而接通圖6中的相應觸點，自動投入固定的冷卻器（1號、3號油泵及風扇組）；

圖3 柏樹變2號主變冷卻器交流控制回路

圖4 柏樹變3號主變總控交流控制回路

圖5 柏樹變3號主變分控交流控制回路

圖6 總控箱PLC故障回路示意

（5）第一手動模式，即總控箱QK01切至手動，且A，B，C 3個分控箱均處于“自動”運行模式時，系統為“總控手動”運行模式；

（6）第二手動模式。此時分控箱QK1切至手動，即QK1的5-6與7-8都斷開，僅8001有正電源給入（QK1的3-4接通），因此無論總控箱處于何種狀態，分控箱均可根據自身需要處于手動運行模式。

由此可見，基于PLC的冷卻器控制回路可靠性有較大提高，在一定情況下能進行工作模式的自動切換，以保證冷卻器正常運行。

2.3 回路復雜性及元件可靠性對比

由改造前后的交流電源回路和交流控制回路的對比可以看出，2號主變的傳統冷卻器控制系統需要大量的繼電器和接觸器實現切換、控制等功能，其數據采集也需要相應繼電器來實現；而經改造設計后3號主變的基于PLC的冷卻器控制系統則相應大幅簡化，并更多地采用了固態繼電器，在穩定性、可靠性及智能化上都有較大提高。圖7和圖8分別為2號主變和3號主變冷卻器控制箱內繼電器的部分情況。

圖7 2號主變冷卻器分控箱（傳統）

2.4 PLC控制系統對冷卻器設備的影響

未經改造的2號主變冷卻器需手動切換運行油泵和備用油泵，并無法獲知各個油泵的使用時間。而改造后的3號主變冷卻器控制系統由PLC控制油泵的自動啟動和切換，正常運行時啟動3臺油泵中的2臺，PLC會識別已經運行時間累計最長的其中1臺作為備用，可以有效均衡冷卻器設備的使用時間，提高冷卻器設備運行壽命。

此外，為了防止風扇組或油泵頻繁啟動，一旦風扇組（油泵）投入運行之后，即使按負荷或油溫啟動風扇組（油泵）的觸點已返回，PLC將發出命令讓風扇組（油泵）繼續運行直至運行滿30 min。而傳統的繼電器型冷卻器控制系統則無法避免風扇組（油泵）頻繁啟動的可能性。

2.5 人機界面及后續功能擴展性的改進

未經改造的2號主變冷卻器系統的各種信息僅通過硬觸點上傳到變電站監控后臺，信息量少且無法直接查詢。經過PLC改造后，3號主變冷卻器系統則配備西門子的TD200顯示操作器與PLC配合，可直接顯示報警信息、冷卻器系統各種動作信息（包含啟動、切換等）、油泵運行累計時間等。

此外，傳統的冷卻器控制系統用導線把繼電器、接觸器、開關的觸點等按一定邏輯關系連接起來形成控制邏輯，控制系統的連線多而復雜，且體積大，功耗高。繼電器的觸點數量有限，其靈活性和可擴展性也受其本身結構及生產工藝所制約。經改造后的冷卻器系統由PLC通過編制程序實現各種邏輯控制，當控制要求改變時，只需改變用戶程序即可，并可根據要求增加所需的新功能。基于PLC的控制系統接線少，體積小，并且PLC具有功耗低、可靠性高和抗干擾能力強的特點。

圖8 3號主變冷卻器分控箱（PLC型）

（3）進線B線路故障，線路對側保護動作跳閘，重合不成功，進線B無壓，不滿足啟動條件。

3.3 備自投方式2

（1）進線A線路故障，線路對側保護動作，重合不成功，進線A無壓，不滿足啟動條件。

（2）1號主變保護范圍內故障，1號主變保護動作，跳開進線A開關、110 kV母分開關，閉鎖110 kV備自投。

（3）進線B線路故障，線路對側保護動作跳閘，重合不成功，滿足啟動條件，跳開110 kV母分開關、合上進線A開關。

綜上所述，采用特殊內橋雙線單主變接線可以消除當110 kVⅡ段母線故障時備自投投于故障母線的安全隱患，因為此時110 kVⅡ段母線被納入了進線B的保護范圍，而且主變既可以由進線A供電也可以由進線B供電。

4 結論

采用不含進線B開關和110 kVⅡ段母線壓變的110 kV特殊內橋雙線單主變接線，并不影響變電所供電的可靠性和運行方式安排的靈活性，也便于2號主變等其他設備的擴建。而且采用該接線后，110 kVⅡ段母線納入了進線B的保護范圍，消除了采用110 kV完整內橋雙線單主變接線時備自投投于故障母線的安全隱患，從而有效保證了供電可靠性。

[1]顧月華，甘雯.完整內橋接線單主變變電所備自投邏輯剖析[J].浙江電力，2009，28（2）∶67-69.

[2]劉東紅，郭玉萍.110 kV內橋接線變電所110 kV系統BZT運行方式的探討[J].電力系統保護與控制，2010，38（9）∶134-135，150.

（本文編輯：楊勇）

Superiority Analysis on PLC-based Cooling Control System for Main Transformer

FENG Yang，BAI Jinquan，YU Dacheng，ZHU Bin
（State Grid Zhejiang Maintenance Company，Hangzhou 317000，China）

The paper comparatively analyzes characteristics of PLC-based cooling control system for main transformer and the traditional one,points out the traditional one exists malpractice.The intelligent transformation and the operation of the control circuit of main transformer cooler of Baishu 500 kV transformer show that the reliability and flexibility of PLC-based cooling control system for transformer are greatly improved. Operation safety of transformer enables unmanned duty of substations and requirements of smart grid.

transformer；cooler；control system；PLC

TM762.1+3

：B

：1007-1881（2014）01-0013-05

2013-05-27

呂理想（1981－），男，浙江永康人，碩士，工程師，從事電網運行分析與調度控制工作。