CN201820129U - 一种变压器冷却系统智能控制装置 - Google Patents

Abstract

一种变压器冷却系统智能控制装置，包括DSP和ARM双核硬件平台，设有DSP板和ARM板，DSP板与ARM板通过硬件总线通讯；DSP板包括冷却油温度数据采集和分析模块、油泵电机电流数据采集和处理模块、油泵电机控制模块、风机电机电流数据采集和处理模块和风机电机控制模块；ARM板包括用户界面、通讯模块数据和存储模块。集控制、继电保护、实时监测和诊断于一体。由于实现了温度预测，使得在线实时控制更加智能化。其远程通讯功能可以按统一标准组网，促进变电站的智能化。可以对变压器冷却系统参数进行定义和配置，提高生产效率，节约变压器的运行和维护成本。还可以与电网的SCADA系统集成，提高变电站管理的自动化水平。

Description

一种变压器冷却系统智能控制装置

技术领域

本实用新型涉及变压器冷却，特别是涉及一种变压器冷却系统智能控制装置。

背景技术

现有变压器运行规程要求，主变压器冷却器组的投入和退出要根据主变上层冷却油温度或变压器运行负荷由控制系统自动控制。传统的控制系统一般包括可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，缩略为PLC)、中间继电器、时间继电器、交流接触器、熔断器和热过载继电器，冷却器组的工作状态为运行、辅助、备用和停止，不能在线调整；且存在以下缺陷：系统组成复杂，故障率较高；由冷却油温度硬触电控制，易引起冷却器组频繁启动；热过载继电器对冷却器组的保护功能不全。如果采取运行中变压器在切换潜油泵时应逐台进行且每次间隔时间不少于3分钟的反事故措施，现有控制系统回路还进一步复杂化，更加不利于检修人员的运行维护。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种变压器冷却系统智能控制装置。

本实用新型的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种变压器冷却系统智能控制装置，包括控制箱以及设置在所述控制箱内的智能控制电路，用于控制至少两组变压器冷却器组，所述冷却器组包括散热器、油泵和风机，所述油泵带动所述散热器内部的冷却油循环，所述风机安装在所述散热器外表向其表面吹风散热，通过风机和油泵电机的电流由智能控制电路实时监测。

这种变压器冷却系统智能控制装置的特点是：

采用DSP和ARM双核硬件平台，设有DSP板和ARM板，所述DSP板与所述ARM板通过硬件总线通讯，在本地和远端实施配置、监控，并按照智能电网的统一标准组网。

所述DSP板包括冷却油温度数据采集和分析模块、油泵电机电流数据采集和处理模块、油泵电机控制模块、风机电机电流数据采集和处理模块和风机电机控制模块，所述油泵电机控制模块与油泵电机连接，且分别与所述冷却油温度数据采集和分析模块、油泵电机电流数据采集和处理模块连接，所述风机电机控制模块与风机电机连接，且分别与所述冷却油温度数据采集和分析模块、风机电机电流数据采集和处理模块连接。所述DSP板执行数据采集包括对时、分析、控制输出、告警输出和对时功能，将事件信息及相关数据发送到ARM板。

所述ARM板包括用户界面、通讯模块和数据存储模块，所述通讯模块和所述冷却油温度数据采集和分析模块通过硬件总线通讯。所述ARM板完成界面显示、远程通讯和数据存储功能，由用户通过远程或本地界面控制系统、查询数据和修改参数。

本实用新型的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

所述冷却油温度数据采集和分析模块，包括冷却油温度传感器和数据处理和分析模块，用于检测变压器上下层冷却油温度和负荷电流值，并根据负荷电流值及上升或下降，结合变压器冷却油温度的上升与下降，确定需要启动的冷却组数量和时间，以及记载所有风机和油泵的故障状态和工作时间，以判断具体启动或停止的冷却器组数、台号、时间，并向油泵控制模块和风机控制模块发出相应的命令，再由油泵控制模块和风机控制模块分别发出油泵电机和风机电机启/停命令，所述冷却油温度数据采集和分析模块所发出的命令、各冷却组的故障状态、工作累计时间都写入历史记录。

根据采集到的冷却油温度值按专业算法判断是否达到启停冷却器的临界值，可分为以下步骤：

1)按设定的采样率采集冷却油温度传感器测到的冷却油温度，通过以下公式计算平均冷却油温度；

$\mathrm{\θ}=k_2{k}_1\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Ni}/6---\left(1\right)$

式(1)中：

k1：变压器实际冷却油温度转化为模拟量比例系数；

K2：DSP数模转化比例系数；

Ni：变压器冷却油温度离散测量值；

2)计算冷却油温度预测值

对测量值θ进行均值平滑处理后，将变压器冷却油温度分为几个不同的区域。在每个区域，根据冷却油温度变化值(Δθ)是上升还是下降的趋势，并考虑机组的启停时间和实际系统工况计算冷却油温度预测值；

T＝θ+αΔθ    (2)

式(2)中：

Δθ：变压器冷却油温度2min变化率(℃/分)；

α：可调整因子，根据变压器的容量、冷却油温度范围、冷却油温度变化率、散热条件和冷却器组功率及运行试验综合考虑取值。当冷却油温度升高时α大，降低时α小，冷却器组就可以提前启动，滞后停止，以满足变压器升温快、降温慢的特点，将变压器冷却油温度控制在设定范围内；

3)决定冷却器组的启停时间和台数

根据负荷电流大小及上升或下降，结合变压器冷却油温度的上升与下降，确定启动或停止的冷却器组数、台号、时间，即t值；

t＝β    (3)

式(3)中：

t：冷却器组启停时间(min)；

β：可调整因子，根据变压器的容量、冷却油温度范围、冷却油温度变化率、散热条件和冷却器组功率及运行试验综合考虑取值。

所述油泵电机电流数据采集和处理模块，包括依次连接的与油泵电机串联的油泵电机电流数据采集电流互感器、油泵电机电流数据隔离放大器和油泵电机电流数据模数转换器，用于采集通过油泵电机的电流信号，并经油泵电机电流数据隔离放大器和油泵电机电流数据模数转换器将电流信号转换为数字信号；还包括依次连接的开关量输入回路，用于采集油泵电机的开关量信号，通过光电隔离转换为数字信号。所述油泵电机电流数据采集和处理模块实时采集油泵电机的电流信号并进行数据分析，分析结果传输给油泵控制模块，所述分析结果包括油泵是否有过载、缺相或短路，如果有过载、缺相或短路，向油泵控制模块发出相应的命令，再由油泵控制模块执行相应油泵电机停命令，实行跳闸保护，并将其保护跳闸信息上传到所述冷却油温度数据采集和分析模块中注册；由温度数据采集和分析模块向风机控制模块发出相应的命令，再由风机控制模块执行与跳闸油泵属于同一冷却组的风机电机停命令，实行延时跳闸保护。

所述油泵电机控制模块，包括依次连接的继电器和接触器，用于接收冷却油温度数据采集和分析模块的命令，发出相应油泵电机启/停命令确定启动油泵的台数和时间，还用于油泵有过载、缺相或短路时接收油泵数据采集处理模块的命令，执行相应油泵电机停命令，实行跳闸保护。

所述风机电机电流数据接收和处理模块，包括依次连接的与风机电机串联的风机电机电流数据接收电流互感器、风机电机电流数据隔离放大器和风机电机电流数据模数转换器，用于采集通过风机电机的电流信号，并经风机电机电流数据隔离放大器和风机电机电流数据模数转换器将电流信号转换为数字信号；还包括依次连接的开关量输入回路，用于采集风机电机的开关量信号，通过光电隔离转换为数字信号。所述风机电流数据采集和处理模块实时采集风机电机的电流信号并进行数据分析，分析结果传输给风机控制模块。所述分析结果包括风机是否有过载、缺相或短路，如果有过载、缺相或短路，向风机控制模块发出相应的命令，再由风机控制模块执行相应风机电机停命令，实行跳闸保护，并将其保护跳闸信息上传到所述冷却油温度数据采集和分析模块中注册；由温度数据采集和分析模块向油泵控制模块发出相应的命令，再由油泵控制模块执行与跳闸风机属于同一冷却组的油泵电机停命令，实行延时跳闸保护。

所述风机电机控制模块，包括依次连接的继电器和接触器，用于接收冷却油温度数据采集和分析模块的命令，发出相应风机电机启/停命令确定启动的风机台数和时间，还用于风机有过载、缺相或短路时接收风机数据采集处理模块的命令，执行相应风机电机停命令，实行跳闸保护。

本实用新型的技术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。

所述冷却器组围绕变压器对称分布，在启动或停止一冷却器组时，也向对称的另一冷却器组同时发命令，有利于减少振动和噪声。

所述控制箱是安装在变压器上的控制箱、固定在变压器周围的地面或柱子上的控制箱中的一种。

本实用新型与现有技术对比的有益效果是：

本实用新型集控制、继电保护、实时监测和诊断于一体。由于实现了温度预测，使得在线实时控制更加智能化。其远程通讯功能可以按统一标准组网，促进变电站的智能化。可以对变压器冷却系统参数进行定义和配置，提高生产效率，节约变压器的运行和维护成本，还可以与电网的数据采集与监视控制(Supervisory Control And Data Acquisition，缩略为SCADA)系统集成，提高变电站管理的自动化水平。

附图说明

图1是本实用新型的具体实施方式的组成方框图；

图2是图1智能控制装置在变压器冷却系统的位置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本实用新型进行说明。

一种如图1、2所示的变压器冷却系统智能控制装置，包括控制箱以及设置在控制箱内的智能控制电路，用于控制两组变压器冷却器组，冷却器组包括散热器、油泵和风机，油泵带动散热器内部的冷却油循环，风机安装在散热器外表向其表面吹风散热，通过风机和油泵电机的电流由智能控制电路实时监测。

包括DSP和ARM双核硬件平台，设有DSP板和ARM板，DSP板与ARM板通过硬件总线通讯，在本地和远端实施配置、监控，并按照智能电网的统一标准组网。

DSP板包括冷却油温度数据采集和分析模块、油泵电机电流数据采集和处理模块、油泵电机控制模块、风机电机电流数据采集和处理模块和风机电机控制模块，油泵电机控制模块与油泵电机连接，且分别与冷却油温度数据采集和分析模块、油泵电机电流数据采集和处理模块连接，风机电机控制模块与风机电机连接，且分别与冷却油温度数据采集和分析模块、风机电机电流数据采集和处理模块连接。DSP板执行数据采集包括对时、分析、控制输出、告警输出和对时功能，将事件信息及相关数据发送到ARM板。

ARM板包括用户界面、通讯模块和数据存储模块，通讯模块和所述冷却油温度数据采集和分析模块通过硬件总线通讯。ARM板完成界面显示、远程通讯和数据存储功能，由用户通过远程或本地界面控制系统、查询数据和修改参数。

冷却油温度数据采集和分析模块，包括冷却油温度传感器和数据处理和分析模块，用于检测变压器上下层冷却油温度和负荷电流值，并根据负荷电流值及上升或下降，结合变压器冷却油温度的上升与下降，确定需要启动的冷却组数量和时间，以及记载所有风机和油泵的故障状态和工作时间，以判断具体启动或停止的冷却器组数、台号、时间，并向油泵控制模块和风机控制模块发出相应的命令，再由油泵控制模块和风机控制模块分别发出油泵电机和风机电机启/停命令，所述冷却油温度数据采集和分析模块所发出的命令、各冷却组的故障状态、工作累计时间都写入历史记录。

油泵电机电流数据采集和处理模块，包括依次连接的与油泵电机串联的油泵电机电流数据采集电流互感器、油泵电机电流数据隔离放大器和油泵电机电流数据模数转换器，用于采集通过油泵电机的电流信号，并经油泵电机电流数据隔离放大器和油泵电机电流数据模数转换器将电流信号转换为数字信号；还包括依次连接的开关量输入回路，用于采集油泵电机的开关量信号，通过光电隔离转换为数字信号。油泵电机电流数据采集和处理模块实时采集油泵电机的电流信号并进行数据分析，分析结果传输给油泵控制模块，分析结果包括油泵是否有过载、缺相或短路，如果有过载、缺相或短路，向油泵控制模块发出相应的命令，再由油泵控制模块执行相应油泵电机停命令，实行跳闸保护，并将其保护跳闸信息上传到冷却油温度数据采集和分析模块中注册；由温度数据采集和分析模块向风机控制模块发出相应的命令，再由风机控制模块执行与跳闸油泵属于同一冷却组的风机电机停命令，实行延时跳闸保护。

油泵电机控制模块，包括依次连接的继电器和接触器，用于接收冷却油温度数据采集和分析模块的命令，发出相应油泵电机启/停命令确定启动油泵的台数和时间，还用于油泵有过载、缺相或短路时接收油泵数据采集处理模块的命令，执行相应油泵电机停命令，实行跳闸保护。

风机电机电流数据接收和处理模块，包括依次连接的与风机电机串联的风机电机电流数据接收电流互感器、风机电机电流数据隔离放大器和风机电机电流数据模数转换器，用于采集通过风机电机的电流信号，并经风机电机电流数据隔离放大器和风机电机电流数据模数转换器将电流信号转换为数字信号；还包括依次连接的开关量输入回路，用于采集风机电机的开关量信号，通过光电隔离转换为数字信号。风机电流数据采集和处理模块实时采集风机电机的电流信号并进行数据分析，分析结果传输给风机控制模块。分析结果包括风机是否有过载、缺相或短路，如果有过载、缺相或短路，向风机控制模块发出相应的命令，再由风机控制模块执行相应风机电机停命令，实行跳闸保护，并将其保护跳闸信息上传到冷却油温度数据采集和分析模块中注册；由温度数据采集和分析模块向油泵控制模块发出相应的命令，再由油泵控制模块执行与跳闸风机属于同一冷却组的油泵电机停命令，实行延时跳闸保护。

风机电机控制模块，包括依次连接的继电器和接触器，用于接收冷却油温度数据采集和分析模块的命令，发出相应风机电机启/停命令确定启动的风机台数和时间，还用于风机有过载、缺相或短路时接收风机数据采集处理模块的命令，执行相应风机电机停命令，实行跳闸保护。

冷却器组围绕变压器对称分布，在启动或停止一冷却器组时，也向对称的另一冷却器组同时发命令，有利于减少振动和噪声。

控制箱是安装在变压器上的控制箱、固定在变压器周围的地面或柱子上的控制箱中的一种。

本装置内置时钟，为采样数据和事件打时标。该内置时钟可以通过NTP服务器、分脉冲、秒脉冲对时。

本装置智能控制变压器冷却系统的方法是，先控制系统上电、完成初始化参数设置、控制系统自检、冷却系统电源母线缺相检查和变压器负荷开关接通检查。如果控制系统自检有故障，设置故障标志位，同时告警；如果冷却系统电源母线缺相检查有故障，设置故障标志位；如果正常，就依次进入以下步骤：

1)检测变压器上下层冷却油温度和负荷电流值；

2)确定启动或停止的冷却器组数、台号、时间

根据变压器上下层冷却油温度及其变化率和变化趋势，确定启动或停止冷却器组的数量；

根据冷却器组内的油泵和风机的开关量信号、电流和电压，确定启动或停止冷却器组的台号；

根据变压器容量、负荷、冷却油温度范围、冷却油温度变化率、冷却器运行功率和运行测试参数：油流速、冷却器组故障状况，确定冷却器组开启时间；

3)启动或停止一台油泵

根据每台冷却器组的累计运行时间，依据均衡使用原则选择累计运行时间最短的油泵投入；

在启动油泵时，同时对其故障状态进行判断，如果有故障，就用功能正常的备用油泵替代，故障油泵的替换与冷却油温度无关。由于变压器的热容量大，冷却油温度一旦上升超过上限临界值，难以被快速冷却，会对变压器造成危害，而及时替换故障油泵可以使控制系统不需要等到变压器温度上升到上限临界值时才启动新的油泵；

在启动油泵时，同时对其故障状态进行判断，如果有故障，在用功能正常的备用油泵替代之前，由油泵控制模块发出跳闸命令，设置故障标志位，列入不工作列表，在维修前不再试图启用，同时通过用户界面告警；

在启动或停止至少一台油泵时，依据压力均衡原则是两两至少间隔3分钟依次启动或停止；

4)延时启动或停止一台风机

在启动油泵至冷却油流速达到设定值时，根据每台冷却器组的累计运行时间，依据均衡使用原则选择累计运行时间最短的风机投入，使得散热器内的压力和冷却油温度均匀变化，以利于提高冷却器组和变压器的寿命；

在启动风机时，同时对其故障状态进行判断，如果有故障，就用功能正常的备用风机替代，故障风机的替换与冷却油温度无关。由于变压器的热容量大，冷却油温度一旦上升超过上限临界值，难以被快速冷却，会对变压器造成危害，而及时替换故障风机可以使控制系统不需要等到变压器温度上升到临界值时才启动新的风机；

在启动风机时，同时对其故障状态进行判断，如果有故障，在用功能正常的备用风机替代之前，由风机控制模块发出跳闸命令，设置故障标志位，列入不工作列表，在维修前不再试图启用，同时通过用户界面告警；

在启动或停止至少一台风机时，是两两至少间隔3分钟才启动或停止；

5)所有油泵和风机电流检测

在冷却器组进行启动或停止和运行过程中，实时检测两个冷却器组的功能是否正常，实时采集两个冷却器组内的油泵和风机的开关量信号、电流和电压，进行实时分析，综合判断冷却器组的功能；

检测是对运行中的油泵流速不正常、油泵电机缺相、过载、短路以及对运行中的风机电机缺相、过载、短路提供故障保护，如果判定发生故障，设置故障标志位，由油泵控制模块或风机控制模块发出跳闸命令，同时通过用户界面告警。以确保冷却控制系统正常工作，防止变压器冷却油温度过高；

检测还是对运行中的油泵以及对运行中的风机的电源提供双电源缺相保护，如果判定发生故障，就断开当前电源，自动切换到另一备用电源；

6)进入装置调试状态

通过远程通讯或本地用户界面进入装置调试状态，依次检测每个冷却组的电流、电压和开关量，分析其是否处于正常状态，如果某一冷却组故障，它就会被列入故障组列表，在维修恢复功能前不在被测试和启动，装置在结束调试后，产生检测报告，在装置调试状态结束后，切换到运行状态；

在装置上电后进入初始化状态，在该状态完成初始化自检，如检查电源电压、关键硬件元器件、软件校验和。初始化完成后进入运行状态，运行状态包括两个分状态：工作状态和调试状态，工作状态包括两个子状态：自动状态和手动状态；

在工作状态下，冷却控制系统正常运行，根据温度、负荷自动启/停冷却组，或手动启/停冷却组，其目的是保证变压器在正常温度下工作。装置在大部分时间处于该状态。如果装置发生严重故障，不能正常控制冷却组时，装置进入故障状态，并发出告警信号和变压器负荷跳闸信号；

在调试状态下，各冷却组的启停与变压器油温和负荷无关。装置依次检测每个冷却组的电流、电压和开关量，分析其是否处于正常状态。如果某一冷却组故障，它就会被列入故障组列表，在维修恢复功能前不在被测试和启动。装置在结束调试后，产生检测报告。在调试状态结束后，人为或自动切换到运行状态；

7)事件记录

各相关模块对装置初始化和运行过程中发生的主要操作、错误和故障记录到事件记录表中，并永久保存，以便问题的追溯和更正。事件的内容包括用户的重要操作，如参数设置或认为启动/停止冷却组；传感器故障、控制输出通讯中断或异常、装置本身软硬件故障或异常；

根据事件严重程度，所述事件记录分为信息、异常和告警。信息是用户正常操作的记录；异常包括装置存在不影响主要功能或不必告警用户立即介入处理的运行异常，以及现场调试过程中装置存在严重故障也不必告警的调试异常；告警是装置存在引起严重后果的严重故障必须告警用户立即介入处理的运行异常；

记录内容包括各相关模块对装置初始化和运行过程中发生的主要操作、错误和故障，如传感器或输入故障、风机或油泵控制输出通讯故障、风机或油泵电机过载、缺相或短路、装置初始化自检或运行自检错误、系统状态的人为切换和系统参数配置，所述事件记录写入同一事件记录文件永久保存，以便追溯和更正。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种变压器冷却系统智能控制装置，包括控制箱以及设置在所述控制箱内的智能控制电路，冷却器组包括散热器、油泵和风机，所述风机安装在所述散热器外表，其特征在于：

包括DSP和ARM双核硬件平台，设有DSP板和ARM板，所述DSP板与所述ARM板通过硬件总线通讯；

所述DSP板包括冷却油温度数据采集和分析模块、油泵电机电流数据采集和处理模块、油泵电机控制模块、风机电机电流数据采集和处理模块和风机电机控制模块，所述油泵电机控制模块与油泵电机连接，且分别与所述冷却油温度数据采集和分析模块、油泵电机电流数据采集和处理模块连接，所述风机电机控制模块与风机电机连接，且分别与所述冷却油温度数据采集和分析模块、风机电机电流数据采集和处理模块连接；

所述ARM板包括用户界面、通讯模块和数据存储模块，所述通讯模块和所述冷却油温度数据采集和分析模块通过硬件总线通讯。

2.如权利要求1所述的变压器冷却系统智能控制装置，其特征在于：

所述冷却油温度数据采集和分析模块，包括冷却油温度传感器和数据处理和分析模块。

3.如权利要求1或2所述的变压器冷却系统智能控制装置，其特征在于：

所述油泵电机电流数据采集和处理模块，包括依次连接的与油泵电机串联的油泵电机电流数据采集电流互感器、油泵电机电流数据隔离放大器和油泵电机电流数据模数转换器，还包括依次连接的开关量输入回路。

4.如权利要求3所述的变压器冷却系统智能控制装置，其特征在于：

所述油泵电机控制模块，包括依次连接的继电器和接触器。

5.如权利要求4所述的变压器冷却系统智能控制装置，其特征在于：

所述风机电机电流数据接收和处理模块，包括依次连接的与风机电机串联的风机电机电流数据接收电流互感器、风机电机电流数据隔离放大器和风机电机电流数据模数转换器，还包括依次连接的开关量输入回路。

6.如权利要求5所述的变压器冷却系统智能控制装置，其特征在于：

所述风机电机控制模块，包括依次连接的继电器和接触器。

7.如权利要求6所述的变压器冷却系统智能控制装置，其特征在于：

所述冷却器组围绕变压器对称分布。

8.如权利要求7所述的变压器冷却系统智能控制装置，其特征在于：

所述控制箱是安装在变压器上的控制箱、固定在变压器周围的地面或柱子上的控制箱中的一种。

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