CN103808361A - 一种基于多监测传感器融合的变压器风冷控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多监测传感器融合的变压器风冷控制系统，包括在线监测传感器阵列、数据采集器、上位机处理系统和风冷系统控制传动机构，所述上位机处理系统根据变压器状态向量，对变压器设备状态进行分析，确定风冷系统的运行方式，将相应的控制逻辑直接输出至风冷系统控制传动机构，控制相应的风冷设备进行动作。本发明能够更全面分析变压器运行状态，保护变压器运行安全，同时大幅提升风冷系统运行效率及效果。

Description

一种基于多监测传感器融合的变压器风冷控制系统

技术领域

本发明涉及电力设备监测与控制领域，尤其涉及一种基于多监测传感器融合的变压器风冷控制系统。

背景技术

智能电网建设中，电力设备本体及附件的智能化是基础和重点。变压器风冷系统是交流变电站系统重要的辅助设备之一，其稳定运行关系到整个系统的安全运行。变压器风冷系统智能化改造在整个变压器智能化升级中占据重要的地位。目前变压器风冷系统(强油循环及风机的控制系统)一般采用工作、辅助、备用及停止四种工作方式，当运行的风机故障时，投入备用风冷，而当主变油温达到55℃或者主变负荷超过阈值，投入辅助风冷，现有控制策略是一种基于模拟量的简单逻辑判断方式，难以满足变压器智能化建设的具体要求。

目前，现有技术中尚无成熟的变压器风冷智能控制装置可供应用，不能满足智能电网建设的迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多监测传感器融合的变压器风冷控制系统。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方法予以实现：

一种基于多监测传感器融合的变压器风冷控制系统，包括在线监测传感器阵列、数据采集器、上位机处理系统和风冷系统控制传动机构，其中，

所述传感器阵列用于对变压器的多个状态量进行在线监测，得到变压器状态向量；

所述数据采集器将所述传感器阵列获得的变压器状态向量以统一的数据协议MODEBUS协议经数据总线传送至上位机处理系统；

所述上位机处理系统根据变压器状态向量，对变压器设备状态进行分析，确定风冷系统的运行方式，将相应的控制逻辑直接输出至风冷系统控制传动机构，控制相应的风冷设备进行动作；

其中，所述对变压器设备状态进行分析包括：

a)变压器内部平均油温计算：利用上、中、下层油温传感器，经平均后获得设备内部平均油温值；

b)变压器绕组热点温度计算：建立变压器的等效热路模型，计算得到热点温度的估算值；

c)负荷率计算：监测设备电压、电流，将实际负荷与额定负荷进行计算，获得设备负荷率；

d)风冷系统中控制逻辑量的阈值设定，所述控制逻辑量包括所述平均油温、热点温度和负荷率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：能够更全面分析变压器运行状态，保护变压器运行安全，同时大幅提升风冷系统运行效率及效果。

附图说明

参照下面的说明，结合附图，可以对本发明有最佳的理解。在附图中，相同的部分可由相同的标号表示。

图1为本发明的设计原理图；

图2为本发明的系统结构图；

图3-1至图3-3为本发明基于变压器平均油温计算热点温度的热路模型；

图4为本发明对变压器强油风冷控制逻辑；

图5为本发明对变压器风冷控制逻辑。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及示例性实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的示例性实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的适用范围。

图1为本发明的设计原理框图。在线监测传感器阵列获取变压器设备的多个状态信息，根据这些状态信息，基于融合算法获得设备内部状态，依据设备内部状态确定风冷系统优化运行方式，并控制相应的风冷设备进行动作。

(1)变压器状态信息

利用传感器阵列对变压器各状态量进行在线监测，得到油温、绕组光纤测温、油流速、油中水分、凝露温度、油位、电压及电流等状态信息。具体而言，获取监测信号的方式为：将不同类型传感器组成“阵列”，传感器阵列获得的监测数据由数据采集器以统一的数据协议MODEBUS协议经数据总线传送至上位机处理系统。监测数据主要用于综合判断变压器的内部运行状态，以供制定变压器风冷系统的控制逻辑。具体地，传感器阵列监测的多个不同类型的状态信息可以构成变压器的工作状态空间，每一个监测样本即为该状态空间中的一个向量。该监测样本表征了变压器在其工作状态空间的中一个即时状态，可以用于确定风冷系统的初始运行方式，例如初始投入启动的风冷设备组数和作为辅助的风冷设备组数。

状态信息经上位机处理系统分析处理后，确定风冷系统的运行方式，将相应的控制逻辑直接输出至风冷系统控制传动机构，其系统构成如图2所示。

(2)变压器状态监测数据采集

数据采集器具体包括模拟前端和数字端两部分组成。在一个特定实施例中，模拟前端由信号调理电路和20MHz采样率的高速AD组成。数字端由FPGA和CPU(ARM)组成。FPGA通过串行总线接收AD数据，FPGA通过并行总线与CPU交换数据，接收CPU的配置参数、发送显示数据给CPU；CPU主要负责实现用户接口(显示、键盘)及各种通信接口(USB、LAN等)。20MHz采样率AD与FPGA通过串行数据线接口，使用XILINXVirtex-5\6实现高数数据传输，CPU使用工业级的ATMELAT91SAM9G45。

(3)变压器状态信息分析

分别采用如下方法对变压器设备状态进行分析：

a)变压器内部平均油温计算：由于变压器结构复杂，运行时会产生大量电磁干扰和噪声，依靠传统热电传感器很难测量到准确的变压器内部油温值。本发明利用上、中、下层油温传感器，经平均后获得设备内部平均油温值，此方法较传统技术利用设备顶层油温更为符合设备的实际运行工况。

b)变压器绕组热点温度计算：根据变压器发热和散热理论，结合设备绝缘结构，基于平均油温热路模型，建立变压器的等效热路模型，如图3-1至图3-3所示。图中(a)为热点和热油区热路模型；(b)为底层油温和热油区域热路模型；(c)为底层油温热路模型。模型(c)中求出的节点温度值可视作是模型(b)的环境温度，依此类推，可最终得到热点温度的估算值。三个热路中的总热源q＝q_fe+q_Cu视为相同，是变压器施加的总负载；(a)、(b)中的热电容C_hs-hoil、C_hoil-moil分别代表变压器内油与铁心及绕组的总热电容，(c)中热电容C_moil为变压器油的热电容；θ_hs、θ_hoil及θ_moil分别为环境温度、底层油温以及绕组热点区域温度。基于上述定义和图中描述，假设变压器内外传热均匀，可列出如下表达式：

$q=C\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{R_{\mathrm{hs}-\mathrm{hoil}}}{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}})}^{1/n};$

$q=C\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{R_{\mathrm{hoil}-\mathrm{moil}}}{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}})}^{1/n};$

$q=C\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{R_{\mathrm{moil}-\mathrm{amb}}}{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}})}^{1/n};$

其中，各模型中热阻和热容定义如表1所示：

表1热路模型中热阻和热容定义

*表中R和C的下标cu、fe、oil和wk分别代表绕组、铁芯、变压器油和变压器外壳及附件。

该模型不但考虑到了温度对损耗的影响，而且考虑了环境温度等实际环境因素对变压器温升的影响，相比于传统试验条件下计算温升的方法，更接近于实际变压器运行工况。

c)负荷率计算：监测设备电压、电流，将实际负荷与额定负荷进行计算，获得设备负荷率。

d)风冷系统中控制逻辑量的阈值计算：阈值的设定通过两个方式实现：(i)根据经验公式进行人工设定；(ii)在预定时间周期内对控制变量的估算结果进行统计，根据统计值进行设定。为了实现更为精细的控制，可以设置多级阈值。在一个特定实施例中，阈值设为两级，其中一级阈值取为控制变量的统计平均值与3倍方差之和，二级阈值取为统计平均值与6倍方差之和。以热点温度为例，可以对两周内变压器绕组热点温度估算值进行数理统计，获得统计平均值与方差，经过数值计算即可得一级阈值及二级阈值结果。

(4)变压器风冷系统控制逻辑：风冷系统的风冷方式包括强油循环风冷和风机风冷，分别对应不同电压等级和容量的变压器，本发明可应用于采用上述两类不同风冷方式的各种变压器。一个示例性控制逻辑可以为：如果当前热点温度估算值超过一级阈值，则在当前启动的潜油泵或风机组数的基础上增加一组相应的潜油泵或风机；进一步地，如果油温或负荷率超过二级阈值，则继续投入一组辅助潜油泵或风机。此外，风冷系统对油泵、风扇的投切策略以及温度值、时间值可按不同变压器的要求由用户自行修改。

在一个特定实施例中，潜油泵或风机的最大组数为4，阈值设置为两级，强油风冷控制系统的典型逻辑如图4所示，而风冷系统的控制系统的典型逻辑如图5所示。在一个具体应用中，可依据《国网公司110(66)kV～500kV油浸式变压器(电抗器)运行规范》要求，即：“变压器可通过控制油泵运行数量来尽量避免变压器绝缘油运行在35℃～45℃温度区域”，来对变压器风冷系统进行控制。

(5)软件展示：上位机处理系统还包括图形界面显示单元，以图形界面来显示监测对象的运行情况，提供了一种直观、形象的显示方式，用户还可以定制显示状态，并提供设备的报警状态。模块化设计能适应各种灵活、多变的需求，在几乎零编码的情况下并在最短的时间内，对各模块进行重构，以达到处理新业务流程的能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于多监测传感器融合的变压器风冷控制系统，包括在线监测传感器阵列、数据采集器、上位机处理系统和风冷系统控制传动机构，其中，

所述传感器阵列用于对变压器的多个状态量进行在线监测，得到变压器状态向量；

所述数据采集器将所述传感器阵列获得的变压器状态向量以统一的数据协议MODEBUS协议经数据总线传送至上位机处理系统；

所述上位机处理系统根据变压器状态向量，对变压器设备状态进行分析，确定风冷系统的运行方式，将相应的控制逻辑直接输出至风冷系统控制传动机构，控制相应的风冷设备进行动作；

其中，所述对变压器设备状态进行分析包括：

a)变压器内部平均油温计算：利用上、中、下层油温传感器，经平均后获得设备内部平均油温值；

b)变压器绕组热点温度计算：建立变压器的等效热路模型，计算得到热点温度的估算值；

c)负荷率计算：监测变压器设备电压、电流，将实际负荷与额定负荷进行计算，获得设备负荷率；

d)风冷系统中控制逻辑量的阈值设定，所述控制逻辑量包括所述平均油温、热点温度和负荷率。

2.根据权利要求1所述的变压器风冷控制系统，其中，所述等效热路模型包括三个热路模型：(a)热点和热油区热路模型；(b)底层油温和热油区域热路模型；和(c)底层油温热路模型，利用如下表达式表示：

$q=C\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{R_{\mathrm{hs}-\mathrm{hoil}}}{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hs}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}})}^{1/n};$

$q=C\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{R_{\mathrm{hoil}-\mathrm{moil}}}{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{hoil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}})}^{1/n};$

$q=C\frac{d{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{R_{\mathrm{moil}-\mathrm{amb}}}{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{moil}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}})}^{1/n};$

式中，q为三个热路中的总热源，是变压器施加的总负载；θ_hs、θ_hoil及θ_moil分别为环境温度、底层油温以及绕组热点区域温度；R_hs-hoil、R_hoil-moil和R_moil-amb分别为三个热路中的热阻。

3.根据权利要求1所述的变压器风冷控制系统，其中，所述多个状态量包括油温、绕组光纤测温、油流速、油中水分、凝露温度、油位、电压及电流。

4.根据权利要求1所述的变压器风冷控制系统，其中，所述阈值的设定通过两个方式实现：(i)根据经验公式进行人工设定；或(ii)在预定时间周期内对控制变量的估算结果进行统计，根据统计值进行设定。

5.根据权利要求1所述的变压器风冷控制系统，其中，优选地，所述阈值设为两级，一级阈值取为所述控制逻辑量的统计平均值与3倍方差之和，二级阈值取为所述控制逻辑量的统计平均值与6倍方差之和。

6.根据权利要求1所述的变压器风冷控制系统，其中，所述风冷系统的风冷方式包括强油循环风冷和风机风冷，分别对应不同电压等级和容量的变压器。

7.根据权利要求6所述的变压器风冷控制系统，其中，所述控制逻辑为：如果当前热点温度估算值超过一级阈值，则在当前启动的潜油泵或风机组数的基础上增加一组相应的潜油泵或风机；进一步地，如果油温或负荷率超过二级阈值，则继续投入一组辅助潜油泵或风机。

8.根据权利要求1所述的变压器风冷控制系统，其中，上位机处理系统还包括图形界面显示单元，以图形界面来显示监测对象的运行情况。

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