基于PID控制技術的變壓器冷卻裝置智能噴淋系統的研究及應用

黃江寧，吳 靖，黃旭亮，宋 平，劉文飛

（國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009）

0 引言

隨著用電負荷的不斷增加，變壓器在夏季常處于重負荷運行的狀態。據統計，杭州電網中80%以上的變壓器采用自然冷卻的方式，由于熱傳遞的速率取決于兩者間的溫差，在戶外高溫環境下變壓器頻繁出現高溫報警，即便是安裝強制風冷的變壓器也無法實現有效降溫，導致變壓器的運行溫度長時間處于85℃以上，超過了溫升限值，嚴重影響設備的安全穩定運行，因此，在夏季需要進行變壓器冷卻裝置的人工噴淋，改善變壓器的散熱環境。

由于人工噴淋降溫的方式無法在油溫過高時立即進行，在時間上存在較大的滯后，且主變壓器（以下簡稱“主變”）油溫檢測通常采用鉑熱電阻對散熱片上層油溫進行傳遞，采樣區域小。基于以上情況，研究了一種智能噴淋系統，通過對現場溫度的多點采集，構建實時溫度場模型實現噴淋系統的提前啟動，通過采用PID（比例-積分-微分）控制技術，引入平均流量的概念實時調節噴淋水流，應用溫度閉環控制方式得出最優噴淋降溫策略，使變壓器始終保持在理想溫度下運行。

1 裝置工作原理

智能噴淋系統通過溫控器設定裝置啟動的臨界值，當溫度傳感器檢測的現場溫度達到臨界值時，數據通過信號線傳遞給溫控器，溫控器接通電源使電子水閥觸點閉合吸進水流，通過水管引流至散熱片頂的噴淋管，噴出雨狀水。形成的水流沿散熱片壁在表面形成一層水膜，加速散熱。當平均溫度低于設定的臨界值后，溫控器自動斷開電源，使得控制電子水閥的繼電器觸點隨之斷開，停止噴淋系統工作。通過這樣的不斷循環，使變壓器平均油溫始終保持在臨界值以下，從而實現閉環控制，保證變壓器良好的運行溫度。閉環控制原理見圖1。

圖1 智能噴淋系統閉環控制原理

2 智能噴淋系統的構成

2.1 溫度傳感器

選用DS18B20作為智能噴淋系統的溫度傳感器，采用一線制通信方式。測溫范圍在-55℃～+125℃，精度±0.5℃，其特點有體積小、傳輸距離遠、沒有模擬電路、抗干擾性強等。

如圖2所示，將該溫度傳感器分別安裝在變壓器散熱片上、中、下層和電子水閥處作為測溫采樣點，為構建溫度場模型收集多點數據，進行綜合分析。經實踐檢測，該測溫傳感器的有效測量范圍為1 m以內，環境耐受性好，可達IP67級防水等級，使用壽命長，2016年投運至今未出現故障。

圖2 智能噴淋系統安裝示意

2.2 電子水閥及噴淋水管

選擇電子水閥由繼電器控制閥開通或者關閉，驅動電壓分為220 V交流、24 V直流、12 V直流，考慮到電磁屏蔽及抗干擾特性，取24 V直流功率2 W的型號（電壓高驅動電流小）。

噴淋水不宜噴灑，噴灑易霧化，由于現場電磁環境復雜，考慮使用PVC管或其他耐溫塑材，根據散熱片距離，在管上開好適當的出水孔，安置在散熱片上方10 cm處，使水順著散熱片流下。

2.3 微控制器的選擇

本設計選擇的控制器是STC12C5A60S單片機，該芯片設有A/D轉換器、通用雙向I/O口、I2C通信模塊。單片機采用鍵盤和OLED屏實現人機交互，鍵盤用于靈活設定裝置溫度啟動定值，OLED液晶屏作為顯示界面并設有報警提示燈，將控制算法寫入單片機可實現PID信號的輸出，控制電子水閥的通斷，如圖3所示。

圖3 智能噴淋系統的組成

2.4 電路板設計

選用24 V（大于1.5 A）的電源適配器，一部分直接用于驅動水閥，另一部分經DC/DC降壓至5 V后為控制器供電。在整體電路中：晶振電路給單片機提供時鐘信號，濾波電路進行濾波穩壓，復位電路進行單片機復位，繼電器控制及驅動電路提供電子水閥的觸點吸合動作，DS18B20插座接收測溫傳感信號，OLED插座用于液晶屏交互顯示，設置上拉電阻提升單片機端口的驅動能力。

3 智能噴淋系統的模型設計

3.1 溫度場模型

對大量油溫實測數據和氣象資料的分析表明：由于熱油膨脹，密度比較低，熱油流向上層，涼油流向下層，變壓器油在下層溫度升高后才會轉而流向上層，故溫度采樣呈現出滯后性的特點；氣溫與油溫之間的溫差影響熱傳遞的速率，隨著時間的增長呈現出累積性的特點。因此，在溫度場模型中引入上、中、下層的油溫以及環境氣溫，取不同的權重系數反映各種因素帶來的滯后性和累積性，從而實現噴淋裝置在油溫越限前的啟動。基于上述分析，溫度場預估模型的基本形式為：

式中：Tm為變壓器油的復合溫度值；θa為當前環境氣溫；θs，θz， θx分別為散熱片上、中、下層的溫度；H為散熱片體積密度；p1—p8為待定的回歸系數。

本研究在220 kV大陸變電站和220 kV云會變電站進行了大量的主變油溫觀測工作，采集了200多組溫度實測數據，并從當地氣象部門收集了觀測期的標準氣象資料，通過實測數據和標準氣象資料進行回歸分析，分別得到不同變電站預估模型的回歸系數，結果如表1所示。

分析結果顯示：不同變電站的預估模型均具有較高的預測精度，復相關系數R、判定系數R2和標準誤差都達到了較高的水平。

如圖4所示，若簡單設定散熱溫度閾值Tset，測到復合溫度值Tm＞Tset時，打開水閥；反之關閉水閥。這種方式會造成被控對象的溫度在設定值附近快速波動，水閥繼電器因此以較高的頻率反復抖動，容易損壞。

圖4 無滯回環節導致水閥開關反復抖動

因此，如圖5所示，考慮通過加入滯回環節加以改進，設定 TL（溫度下限）＜Tset＜TH（溫度上限），當溫度Tm上升超過TH時，水閥導通；當Tm回落低于TL時，水閥關閉，從而避免了電子水閥在閾值附近頻繁動作的情況。

圖5 加入滯回環節后消除水閥開關抖動

3.2 應用PID技術的控制模型

通常散熱片通過與空氣進行熱交換，當達到熱交換平衡時溫度保持恒定（假設散熱片熱源功率恒定），當用電負荷和環境氣溫上升，會使得熱平衡時的溫度上升（空氣來不及帶走散熱片上的熱量），由于散熱片熱源一直存在，如果不采取降溫措施，溫度會上升或維持在較高值，從而導致變壓器絕緣油過溫。因此考慮采用PID控制技術進行水閥的控制，根據溫度靈活調節水量，將散熱片溫度控制在設定值之下，如圖6所示。

如圖7所示，電子水閥無法做到流量連續調節，在此引入平均流量的概念：若原先閥門打開流量為Vo，設定時間周期T（假設取10 s），類比PID概念，如果T中40%的導通占空比，則平均流量為 0.4Vo。 設定溫度下限 TL＜Tset， 當 Tm＜TL時，水閥常閉；設定占空比下限DL，不至于存在較快地開斷。若是按照T=10 s來算，水閥開關頻率最高0.1 Hz。

假設水比熱容、散熱片比熱容、環境溫度不變，可認為散熱片上溫度的變化率與散熱片溫度T和水溫Tw之間的溫差成正比：

散熱片散熱過程存在慣性環節，再考慮水的比熱C，流量V，環境溫度Te，散熱片水流量Q等其他因素，修正后的公式為：

從而模型可近似為：

式中：M為常數。

可見冷卻過程中的溫度變化在一定程度上與流量Q可近似為線性關系。流量的大小可以調節冷卻過程。

定義水閥動作開關函數：

定義t1-t2時間段內的平均流量為：

則流量可以作為控制環節中的控制變量。

如果在時間T內，水閥打開時間為t，故定義占空比：

則有：

由于系統溫度變化存在較大的慣性環節，故溫度變化較慢，可采用PI（比例-積分）控制器，如圖8所示。

圖8 采用比例積分控制器輸出PID信號

h（t）為 PI控制器輸出信號， Tri（t）為頻率為 f的三角波信號，Out（t）為輸出PID信號。經過比較器有：

閉環傳函為：

變壓器散熱片夏季的最佳冷卻溫度在80℃左右。將PID控制的期望值設置為80℃，通過監控程序，實時比較溫度傳感器測量值與期望值的大小。當溫度傳感器的實測值大于期望值時，觸發調用PID控制子程序，使電子水閥開放噴淋時間與溫度升高正相關，從而使溫度保持在理想狀態下。

4 實踐應用

本裝置先后在杭州220 kV大陸變電站，220 kV云會變電站的變壓器上安裝使用，觀測上、中、下層溫度采集點溫度變化情況，如表2所示。試驗表明：在噴淋裝置安裝后，最高可以降低溫度7～8℃，平均油溫降低5～6℃，運行情況良好，改善了變壓器運行工況，減少變壓器自身損耗，大大提高了變壓器運行可靠性，降低維護工作量，產生了較大的經濟效益。

表2 噴淋前后溫度變化情況

5 結語

變壓器冷卻裝置智能噴淋系統，通過現場溫度的多點采集，構建了實時溫度場模型，采用PID控制技術實現噴淋水流隨油溫升高而增大，使變壓器運行油溫始終保持在理想溫度下，從而保證了變壓器在高溫高負荷下的平穩運行，消除了人工帶電噴淋作業的安全風險，節省了人力成本，取得良好的經濟效益及社會效果。