基于PLC的电力变压器冷却控制装置研究

张栓平

（荆楚理工学院，湖北 荆门 448000）

1 电力变压器冷却控制装置的功能设计

（1）装置通过两路直流电源、两路交流电源供电，通常将两路380 V交流电源分别作为主电源、备用电源，以确保冷却器稳定运行。两路直流电源互为冗余，当其中一路出现故障并输出电源故障信号时，另外一路电源可以控制回路及信号回路的正常运行。（2）装置可以实时自动监测能绕组温度、油面温度、负载变化，自动启动或关闭冷却器，从而确保电力变压器的温度处于可控范围。（3）装置采用裕度阈值投切控制策略，有效降低了装置持续投切的风险，避免系统可能出现紊乱的问题。（4）变压器运行过程中，冷却控制装置也会开始运行，PLC可以依照既定程序冷却控制装置的工作时间，每隔168 h重新排序，运行时间最短的冷却器作为工作冷却器，按照时间长短设定冷却控制装置的工作顺序。（5）冷却控制箱体中的温控装置可以控制其内部的风扇、加热器，实现温度的自动调节，从而有效确保电气元件的安全运行。（6）冷却控制装置可以自动检测风扇电机、潜油泵电动机、水阀电机可能出现的故障，并及时采取保护措施。

2 冷却控制装置功能模块设计

PLC是本次研究电力变压器冷却控制装置的核心，多数功能需通过PLC实现。结合装置功能设计，基于PLC可以设计为六个功能模块，分别为电源监控模块、投切保护模块、凝露温度监控模块、就地控制及显示模块、通信模块和上位机监视模块。各个功能模块的作用和实现思路如下。

（1）电源监控模块。该模块的主要作用是监视两路装置供电的电源状态，确认其是否发生缺相，将电源状态信号输送至PLC，便于PLC根据信号控制电源投切。（2）投切保护模块。该模块主要用于控制冷却器的投切，当潜油泵电机、风扇电可能发生缺相、过载、短路等问题时，提供有效保护。PLC可采集变压器温度、运行状态、故障状态等信号，根据这些信号控制冷却器的投切。（3）凝露温度监控模块。该模块可以实时监控环境温度和湿度。当湿度达到一定值时，PLC可以启动冷却控制装置内部的加热装置，调节湿度；当温度达到一定值时，PLC将启动装置内的风扇，控制温度。（4）就地控制及显示模块。该模块可以实现“手动”或“自动”投切冷却器，可选其中一路电源作为主电源，还可以手动复位故障信号，实时呈现各种故障信号。（5）通信模块。该模块利用PLC的RS485口与上位机通信，将电力变压器、冷却器、冷却控制装置的运行、故障等信息传送至上位机。（6）上位机监视模块。通过Visual C++编程串口，PLC采集的各种信息传输至上位机，由上位机进行判断，并形成控制决策、故障报警信号发出动作指令，实现对变压器冷却控制装置的监视。

3 硬件设计分析

为了实现自动化控制电力变压器中的冷却系统，应制订科学、合理的控制策略，形成系统化的控制思路，从而编写相应的程序实现该思路。与传统冷却控制装置不同，本次设计的冷却控制装置可以在一定温度范围内启停，可以自主选择调配工作、辅助、备用冷却器，还可以对冷却器进行排序。设计硬件时，必须根据这一控制思路实现变压器冷却系统的自动控制。冷却控制装置的硬件系统主要包括一般电气元件、PLC、触摸屏、线路保护装置和电机保护装置，这些硬件在冷却控制装置中的应用如下。

3.1 温度湿度控制器

变压器中PLC的运行环境要求较高，其他电气元件对运行环境也有一定要求，为了确保装置的正常运转，需要合理控制温度和湿度。设计冷却控制装置箱体时要充分考虑散热性，并在内部设置湿度温度传感器、加热器、风扇。本次设计的冷却控制装置采用WK-Z2T4（TH）型、LK-D1（TH）型温度湿度控制器。变压器运行时，温度湿度传感器采集温度、湿度信号传输至PLC，通过PLC控制加热器、风扇，实现温度、湿度的自动调节。

3.2 照明、插座

冷却控制箱体内部设有照明设备，便于维护人员查看内部元件、线路。通过限位动作开关控制照明，门开时自动开启照明，门关时自动熄灭。箱体内通常需要设置两个照明设备，以增大照明亮度和面积。使用单相插座便于电脑、照明设备连接电源。为了防止大功率设备接入损害线路，需要在插座线路两头设置空气开关。

3.3 断路器、浪涌保护器

控制箱内多层线路之间需利用断路器进行保护，在关键的电气元件或对外供电线路上单独设置保护器。使用塑壳断路器保护三相总进线，加装浪涌保护器进行线路防雷，对于电流较小的分支线路，可使用微型断路器进行保护。

3.4 中间继电器、接触器

冷却控制箱内电源切换、电机、显示屏的控制都需要应用继电器和接触器。两者的区别主要是继电器用于控制电路，接触器用于控制供配电线路。设计时需要注意控制电路的电压等级，不滥用同一个中间继电器。根据接触器允许通过的电流最大值，选择电流稍大一些的接触器。

3.5 电机保护器、热继电器

本次研究的冷却控制系统采用热继电器、电机保护器保护电机设备。电机保护器替代以往的微型断路器成为新型电机保护装置，可以有效防止冲击电流导致控制器错误动作。使用电机保护器时，要避免超出其工作电流。热继电器用于线路发热的保护，当线路过热时，热继电器会切断电机供配电线路，保护电机。

3.6 PLC、触摸屏

PLC控制箱是冷却器控制系统的核心部分，输送至该冷却器控制系统的信号通过PLC进行加工处理，通过设定的程序得出结论，用于显示状态、传输信号、控制冷却器投运。PLC可以使冷却器的控制更加自动化，其接收的信号可通过触摸屏呈现，实现PLC信号的便捷读取，还可以控制冷却器的启动和停止。

3.7 通信连接

控制箱应用的通信模块建立在基于PLC通信卡组件的基础上，利用光缆、相应软件和程序实现的串行通信方式。该通信方式可以实现远距离传送信号，减少信号衰减，保证信号完整、准确与上位机通信[1]。

4 软件设计分析

4.1 主程序设计

初始化冷却控制装置，进入循环运行主程序。主程序控制装置与上位机通信，采集变压器的允许状态信息并进行优化判断，然后执行对应的子程序，实时监控变压器冷却器。

4.2 子程序设计

子程序的设计。有差值裕度投切阀值的投切控制策略依靠子程序实现，当变压器顶层油温超过规定值时，如果油温仍然超过规定值，则继续投入冷却器，直到油温恢复正常；如果油温低于规定值，则按照时间长短依次切除冷却装置，直到油温恢复正常。不进行投切操作时，判断冷却器运行时间是否超时，如果超时，则对其进行切除处理；如果没有超时，则循环执行有差值裕度投切阀值的投切控制决策。

4.3 通信处理

冷却控制装置的通信任务通过编程完成。通信前初始化通信口工作模式，准备发送的数据PLC发送到缓冲区中，如变压器温度、三侧开关状态、电源故障、电源投切状态和冷却器允许状态。因为上位机读取数据时，无法读取从串口缓冲区发送的全部信息，所以需要先编码发送信息，以便上位机辨识信息。上位机读取信息后，根据读出的信息内容，将一个低位字节作为信息位。程序将信息内容定时写入发送数据的缓冲区，通过读取串口内容将信息读入上位机中。

4.4 上位机监视软件设计

上位机监视软件负责监视冷却控制装置，其设计内容包括串口号、波特率、奇偶校验位、通信位数、串口参数设置以及相关函数。串口成功打开后需要创建新线程，新线程的作用是等待串口事件。如果串口始终没有数据，则继续等待；如果串口有数据，需要将数据读入数据存储区，再解析数据。由于函数无法一次性全部读出数据，因此需上位机监视程序解析读入的数据，确定数据含义。程序依照解析后的数据刷新监视软件可视区域，然后继续等待串口数据。

4.5 串口设置和打开

监视冷却控制装置的前提是设置合适的参数和打开串口，确保参数与PLC参数匹配。监视软件通过对话框设置串口参数。通过监视软件程序菜单调用函数打开相应串口，并调用串口设置函数设置参数，设置成功后状态栏可显示串口参数。当PLC发送数据到串口后，事件线程监视数据缓冲区中获得数据，主线程将读取数据，显示冷却控制装置状态[2]。

5 结 论

综上所述，本文研究的冷却控制装置基于PLC实现装置控制，通过编程实现控制功能，简化了系统结构，利用PLC的高可靠性提升装置的可靠性。