基于PLC的電力變壓器冷卻控制裝置研究

張栓平

（荊楚理工學院，湖北 荊門 448000）

1 電力變壓器冷卻控制裝置的功能設計

（1）裝置通過兩路直流電源、兩路交流電源供電，通常將兩路380 V交流電源分別作為主電源、備用電源，以確保冷卻器穩定運行。兩路直流電源互為冗余，當其中一路出現故障并輸出電源故障信號時，另外一路電源可以控制回路及信號回路的正常運行。（2）裝置可以實時自動監測能繞組溫度、油面溫度、負載變化，自動啟動或關閉冷卻器，從而確保電力變壓器的溫度處于可控范圍。（3）裝置采用裕度閾值投切控制策略，有效降低了裝置持續投切的風險，避免系統可能出現紊亂的問題。（4）變壓器運行過程中，冷卻控制裝置也會開始運行，PLC可以依照既定程序冷卻控制裝置的工作時間，每隔168 h重新排序，運行時間最短的冷卻器作為工作冷卻器，按照時間長短設定冷卻控制裝置的工作順序。（5）冷卻控制箱體中的溫控裝置可以控制其內部的風扇、加熱器，實現溫度的自動調節，從而有效確保電氣元件的安全運行。（6）冷卻控制裝置可以自動檢測風扇電機、潛油泵電動機、水閥電機可能出現的故障，并及時采取保護措施。

2 冷卻控制裝置功能模塊設計

PLC是本次研究電力變壓器冷卻控制裝置的核心，多數功能需通過PLC實現。結合裝置功能設計，基于PLC可以設計為六個功能模塊，分別為電源監控模塊、投切保護模塊、凝露溫度監控模塊、就地控制及顯示模塊、通信模塊和上位機監視模塊。各個功能模塊的作用和實現思路如下。

（1）電源監控模塊。該模塊的主要作用是監視兩路裝置供電的電源狀態，確認其是否發生缺相，將電源狀態信號輸送至PLC，便于PLC根據信號控制電源投切。（2）投切保護模塊。該模塊主要用于控制冷卻器的投切，當潛油泵電機、風扇電可能發生缺相、過載、短路等問題時，提供有效保護。PLC可采集變壓器溫度、運行狀態、故障狀態等信號，根據這些信號控制冷卻器的投切。（3）凝露溫度監控模塊。該模塊可以實時監控環境溫度和濕度。當濕度達到一定值時，PLC可以啟動冷卻控制裝置內部的加熱裝置，調節濕度；當溫度達到一定值時，PLC將啟動裝置內的風扇，控制溫度。（4）就地控制及顯示模塊。該模塊可以實現“手動”或“自動”投切冷卻器，可選其中一路電源作為主電源，還可以手動復位故障信號，實時呈現各種故障信號。（5）通信模塊。該模塊利用PLC的RS485口與上位機通信，將電力變壓器、冷卻器、冷卻控制裝置的運行、故障等信息傳送至上位機。（6）上位機監視模塊。通過Visual C++編程串口，PLC采集的各種信息傳輸至上位機，由上位機進行判斷，并形成控制決策、故障報警信號發出動作指令，實現對變壓器冷卻控制裝置的監視。

3 硬件設計分析

為了實現自動化控制電力變壓器中的冷卻系統，應制訂科學、合理的控制策略，形成系統化的控制思路，從而編寫相應的程序實現該思路。與傳統冷卻控制裝置不同，本次設計的冷卻控制裝置可以在一定溫度范圍內啟停，可以自主選擇調配工作、輔助、備用冷卻器，還可以對冷卻器進行排序。設計硬件時，必須根據這一控制思路實現變壓器冷卻系統的自動控制。冷卻控制裝置的硬件系統主要包括一般電氣元件、PLC、觸摸屏、線路保護裝置和電機保護裝置，這些硬件在冷卻控制裝置中的應用如下。

3.1 溫度濕度控制器

變壓器中PLC的運行環境要求較高，其他電氣元件對運行環境也有一定要求，為了確保裝置的正常運轉，需要合理控制溫度和濕度。設計冷卻控制裝置箱體時要充分考慮散熱性，并在內部設置濕度溫度傳感器、加熱器、風扇。本次設計的冷卻控制裝置采用WK-Z2T4（TH）型、LK-D1（TH）型溫度濕度控制器。變壓器運行時，溫度濕度傳感器采集溫度、濕度信號傳輸至PLC，通過PLC控制加熱器、風扇，實現溫度、濕度的自動調節。

3.2 照明、插座

冷卻控制箱體內部設有照明設備，便于維護人員查看內部元件、線路。通過限位動作開關控制照明，門開時自動開啟照明，門關時自動熄滅。箱體內通常需要設置兩個照明設備，以增大照明亮度和面積。使用單相插座便于電腦、照明設備連接電源。為了防止大功率設備接入損害線路，需要在插座線路兩頭設置空氣開關。

3.3 斷路器、浪涌保護器

控制箱內多層線路之間需利用斷路器進行保護，在關鍵的電氣元件或對外供電線路上單獨設置保護器。使用塑殼斷路器保護三相總進線，加裝浪涌保護器進行線路防雷，對于電流較小的分支線路，可使用微型斷路器進行保護。

3.4 中間繼電器、接觸器

冷卻控制箱內電源切換、電機、顯示屏的控制都需要應用繼電器和接觸器。兩者的區別主要是繼電器用于控制電路，接觸器用于控制供配電線路。設計時需要注意控制電路的電壓等級，不濫用同一個中間繼電器。根據接觸器允許通過的電流最大值，選擇電流稍大一些的接觸器。

3.5 電機保護器、熱繼電器

本次研究的冷卻控制系統采用熱繼電器、電機保護器保護電機設備。電機保護器替代以往的微型斷路器成為新型電機保護裝置，可以有效防止沖擊電流導致控制器錯誤動作。使用電機保護器時，要避免超出其工作電流。熱繼電器用于線路發熱的保護，當線路過熱時，熱繼電器會切斷電機供配電線路，保護電機。

3.6 PLC、觸摸屏

PLC控制箱是冷卻器控制系統的核心部分，輸送至該冷卻器控制系統的信號通過PLC進行加工處理，通過設定的程序得出結論，用于顯示狀態、傳輸信號、控制冷卻器投運。PLC可以使冷卻器的控制更加自動化，其接收的信號可通過觸摸屏呈現，實現PLC信號的便捷讀取，還可以控制冷卻器的啟動和停止。

3.7 通信連接

控制箱應用的通信模塊建立在基于PLC通信卡組件的基礎上，利用光纜、相應軟件和程序實現的串行通信方式。該通信方式可以實現遠距離傳送信號，減少信號衰減，保證信號完整、準確與上位機通信[1]。

4 軟件設計分析

4.1 主程序設計

初始化冷卻控制裝置，進入循環運行主程序。主程序控制裝置與上位機通信，采集變壓器的允許狀態信息并進行優化判斷，然后執行對應的子程序，實時監控變壓器冷卻器。

4.2 子程序設計

子程序的設計。有差值裕度投切閥值的投切控制策略依靠子程序實現，當變壓器頂層油溫超過規定值時，如果油溫仍然超過規定值，則繼續投入冷卻器，直到油溫恢復正常；如果油溫低于規定值，則按照時間長短依次切除冷卻裝置，直到油溫恢復正常。不進行投切操作時，判斷冷卻器運行時間是否超時，如果超時，則對其進行切除處理；如果沒有超時，則循環執行有差值裕度投切閥值的投切控制決策。

4.3 通信處理

冷卻控制裝置的通信任務通過編程完成。通信前初始化通信口工作模式，準備發送的數據PLC發送到緩沖區中，如變壓器溫度、三側開關狀態、電源故障、電源投切狀態和冷卻器允許狀態。因為上位機讀取數據時，無法讀取從串口緩沖區發送的全部信息，所以需要先編碼發送信息，以便上位機辨識信息。上位機讀取信息后，根據讀出的信息內容，將一個低位字節作為信息位。程序將信息內容定時寫入發送數據的緩沖區，通過讀取串口內容將信息讀入上位機中。

4.4 上位機監視軟件設計

上位機監視軟件負責監視冷卻控制裝置，其設計內容包括串口號、波特率、奇偶校驗位、通信位數、串口參數設置以及相關函數。串口成功打開后需要創建新線程，新線程的作用是等待串口事件。如果串口始終沒有數據，則繼續等待；如果串口有數據，需要將數據讀入數據存儲區，再解析數據。由于函數無法一次性全部讀出數據，因此需上位機監視程序解析讀入的數據，確定數據含義。程序依照解析后的數據刷新監視軟件可視區域，然后繼續等待串口數據。

4.5 串口設置和打開

監視冷卻控制裝置的前提是設置合適的參數和打開串口，確保參數與PLC參數匹配。監視軟件通過對話框設置串口參數。通過監視軟件程序菜單調用函數打開相應串口，并調用串口設置函數設置參數，設置成功后狀態欄可顯示串口參數。當PLC發送數據到串口后，事件線程監視數據緩沖區中獲得數據，主線程將讀取數據，顯示冷卻控制裝置狀態[2]。

5 結 論

綜上所述，本文研究的冷卻控制裝置基于PLC實現裝置控制，通過編程實現控制功能，簡化了系統結構，利用PLC的高可靠性提升裝置的可靠性。