基于灰GM（1，1）模型的變壓器油溫監控系統研究與設計

馬 勇 陶玉麒 張海濤 蔡桂民

（國網信陽供電公司，河南 信陽464000）

0 引言

電力變壓器作為電力系統中最主要的電氣設備之一，其運行可靠性將直接影響到電網安全穩定運行，因此，保證變壓器運行可靠性意義重大［1］。

目前，變壓器的冷卻方式主要有以下三種：油浸自冷式、油浸風冷式、強迫循環冷卻式，其中油浸風冷式電力變壓器占有很大份額。現有方法對變壓器頂層油溫的監控仍然不是十分理想，尋求一種安全可靠的變壓器油溫智能監控方案，對提高變壓器的運行效率至關重要［2－3］。本文設計了一種變壓器油溫智能型監控系統，該系統通過建立油溫灰色理論GM（1，1）數學模型對頂層油溫進行預測，設置啟停溫度上、下限，來實現對變壓器油溫的監控，避免冷卻風機頻繁啟停的問題，保證變壓器冷卻裝置啟動后油溫所能達到的最高值不會超過規定的上限。

1 油溫預測灰GM（1，1）數學模型建立

灰色理論是一門研究信息部分清楚、部分不清楚并帶有不確定性現象的應用數學學科［4］。

灰色模型是一種少數據模型，灰模型GM（1，1）的建立，需要的數據少到4個。油溫變化是一個相對緩慢的過程，在建模前我們假定：在較短的時間間隔內，溫度變化率不會出現太大的波動。油溫采樣時間間隔一般為10～20s，我們取采樣間隔T為10s，采樣時間為100ms，采樣開始后，數字溫度傳感器將連續采樣得到的4個溫度值存儲在單片機指定的數組x（0）中，而后每采樣一次，就刪除數組中最早采集的溫度值，并將新的數據值存入而重新組成一個新的數組。

定義x（0）為原始序列，x（1）＝AGOx（0），z（1）＝MEANx（1），則對于GM（1，1）定義型為：

式中，a為發展系數；b為灰作用量，具有灰信息覆蓋，為系統的輸入，是灰因；x（0）（k）為可觀測的量，是系統行為，具有白信息覆蓋，是系統的“果”，稱為“白果”。

灰音和白果的邏輯關系如圖1所示。

圖1 F46"G"7方框圖

對于原始序列x（0）及其 AGO 序列x（1），經過 GM（1，1）白化模式的響應式如下：

通過以上變換可知，將k＝4代入式（3）可以得到第五個預測值，即油溫的預測溫度值：

2 系統硬件設計

本系統以AT89S52為核心，通過數字溫度傳感器DS18B20采集頂層油溫，并經過LED數碼管顯示溫度值。整體硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖

溫度傳感器采集的實時數據送入AT89S52后會進行儲存，當儲存的數據量滿足條件后，AT89S52會采用灰色預測模型算法預測下一時刻頂層油溫的趨勢，當預測溫度值高于設定的上限溫度值時，則AT89S52發出信號開啟冷卻系統，三相固態繼電器導通，冷卻風機工作。如果冷卻系統開啟后，變壓器油溫仍不斷升高，且溫度高出上限值，則AT89S52會發出報警信號。系統可以通過數字鍵盤模塊改上限溫度，還可以根據需要采取手動輸入模式啟動冷卻系統。

2．1 控制電源模塊設計

為得到穩定的系統工作電壓，本設計通過對220VAC經變壓裝置降壓、整流、濾波、穩壓等環節，產生了＋5V、＋12V直流輸出，解決了單片機與外圍輔助電路的電壓匹配問題。電源電路如圖3所示。

2．2 溫度測控模塊設計

圖3 控制電源電路

本系統采用美國DALLAS公司的DS18B20單線數字溫度傳感器來實現變壓器頂層油溫的信號采集功能，可輸出精度分別為9～12位（二進制）數字量，來直接表示所測量的溫度值，溫度值經過DS18B20的數據總線直接輸入到AT89S52單片機進行處理，無需A／D轉換。溫度傳感器電路連接圖如圖4所示。

圖4 溫度傳感器電路連接圖

2．3 冷卻系統控制模塊設計

本系統通過TLP521光耦與單片機進行隔離，通過ULN2803A達林頓管提供足夠的驅動電流驅動三相交流固態繼電器，以實現控制冷卻風機運行的目的。系統采用杭州西子三相交流固態繼電器SSR－3H480D75G控制冷卻風機運行，冷卻系統控制電路如圖5所示。

圖5 冷卻系統控制電路

3 系統軟件設計

變壓器油溫監控系統應該具備系統及故障檢測、相關參數設置、溫度及故障顯示、冷卻系統控制及保護等功能。

3．1 主程序設計

主程序主要功能是：調用各子程序、定值的記取、顯示器代碼生成、歷史數據保存及控制功能的實現等。軟件主程序流程圖如圖6所示。

3．2 風機控制判斷子程序設計

設由GM（1，1）模型預測的T時間后溫度為Wt，系統設置的上限溫度為Wup。則系統啟動冷卻風機的判據為：

圖6 主程序流程圖

系統設定一個溫度下限值Wdown，當變壓器油溫下降過程中預測溫度低于Wdown時就停止冷卻風機。則停止冷卻風機的條件為：

如果變壓器油溫在Wdown≤Wt≤Wup范圍，冷卻風機將保持原來的運行狀態不變。本系統設定溫度上限值Wup比下限值Wdown高5℃，根據地域差別及現場需求不同，溫度上限值、下限值可由用戶自定義。風機控制判斷子程序流程圖如圖7所示。

圖7 風機控制判斷子程序流程圖

4 系統調試

本系統設計完成以后，在實驗室中對油溫監控系統的運行情況進行了多次檢驗和測試，并在相同條件下與普通常規控制系統比較，試驗證明，達到了預想的設計要求。整個試驗過程如圖8所示，基礎油溫25℃，環境溫度25℃左右，通過不斷增加試驗變壓器負載，試驗變壓器油溫上升，當負載達到一定程度，在t1時刻，系統通過灰GM（1，1）模型預測的溫度達到上限值55℃時，系統正確控制啟動了冷卻風機，系統運行正常穩定，變壓器油溫變化保持在一個允許范圍以內；當負載增大到最大值后，隨著負載的不斷減小，油溫下降，當溫度低于系統設定的預測溫度下限值50℃時，冷卻風機停止運行，試驗結果滿足設計要求。相同條件下常規控制系統與本預測監控系統的對比示意圖如圖8所示。

圖8 常規與預測系統監控效果對比示意圖

5 結語

本文設計了一種變壓器油溫監控系統，該系統運用灰建模的方法建立油溫的灰色GM（1，1）預測模型，采用預測溫度的方法來尋找恰當的啟動溫度，使冷卻風機超前啟動，達到了控制油溫的目的。本系統具有精度高、可靠性好等特點，可有效解決負荷急增情況下變壓器頂層油溫失控現象及溫度節點附近風機啟停繼電器頻繁投切的問題。

［1］董寶驊．大型油浸電力變壓器應用技術［M］．北京：中國電力出版社，2014．

［2］袁興起，楊雙艷．變壓器油溫監控系統研究與實現［J］．河南理工大學學報：自然科學版，2014，33（5）：626－629．

［3］趙君有．灰色GM（1，1）模型及其在電力負荷預測中的優化應用［J］．沈陽工程學院學報：自然科學版，2007，3（1）：35－37．

［4］鄧聚龍．灰預測與灰決策［M］．武漢：華中科技大學出版社，2002．