馮洋，白金泉，余大成，朱斌

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修公司，杭州317000）

基于PLC的主變冷卻控制系統(tǒng)優(yōu)越性分析

馮洋，白金泉，余大成，朱斌

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修公司，杭州317000）

對(duì)基于PLC的變壓器冷卻器控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)冷卻器控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，指出傳統(tǒng)的冷卻器控制系統(tǒng)存在弊端。柏樹(shù)500 kV變電站主變冷卻器控制回路智能化改造及其運(yùn)行狀況表明，基于PLC的變壓器冷卻器控制系統(tǒng)在可靠性和靈活性等方面有很大的提高，變壓器安全運(yùn)行有利于滿(mǎn)足變電站無(wú)人值守與智能電網(wǎng)的要求。

變壓器；冷卻器；控制系統(tǒng)；PLC

變壓器是電網(wǎng)中的重要設(shè)備，變壓器冷卻控制系統(tǒng)是變壓器的重要組成部分，運(yùn)行是否安全可靠直接影響到變壓器的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

傳統(tǒng)的變壓器冷卻裝置的控制部分大多采用分立的電氣元件（繼電器）構(gòu)成，用硬邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，接線(xiàn)多而復(fù)雜、體積大、功耗高、可靠性低、維護(hù)量大，這種傳統(tǒng)的冷卻控制系統(tǒng)存在許多不利于可靠運(yùn)行和檢修的問(wèn)題，無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的智能化控制需求[1]。

以微處理器為基礎(chǔ)的PLC（可編程控制器）在自動(dòng)控制領(lǐng)域占有十分重要的地位。PLC采用可編程的存儲(chǔ)器，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算操作等面向用戶(hù)的指令，通過(guò)數(shù)字或模擬的輸入/輸出來(lái)控制過(guò)程[2]?；赑LC的變壓器冷卻控制系統(tǒng)集信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、智能控制、人機(jī)交互等功能于一體，可實(shí)現(xiàn)變壓器冷卻器自動(dòng)投切的最優(yōu)控制，為保證變壓器安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行奠定牢固的基礎(chǔ)。

1 500 kV變壓器冷卻控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)變壓器冷卻控制系統(tǒng)弊端

500 kV變壓器冷卻系統(tǒng)通常采用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷方式。配置數(shù)組風(fēng)扇和油泵，運(yùn)行中為滿(mǎn)足變壓器各種運(yùn)行工況，一般要求1臺(tái)油泵備用（運(yùn)行油泵故障時(shí)自動(dòng)投入運(yùn)行），其余冷卻器全部投入運(yùn)行。

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，傳統(tǒng)的冷卻器控制系統(tǒng)主要存在以下問(wèn)題：

（1）二次回路特別是冷卻控制回路不統(tǒng)一、不規(guī)范，接線(xiàn)比較復(fù)雜，檢修維護(hù)困難，給檢修人員帶來(lái)一定壓力；

（2）由于采用分立的電氣元件（繼電器），整個(gè)控制系統(tǒng)故障率高，經(jīng)常出現(xiàn)繼電器線(xiàn)圈燒毀、觸點(diǎn)燒結(jié)或氧化接觸不良等問(wèn)題，故障查找和處理存在一定困難。用接觸器來(lái)進(jìn)行冷卻器的投切控制，常出現(xiàn)接觸器損壞的現(xiàn)象，影響變壓器安全可靠運(yùn)行；

（3）用硬邏輯方式采集變壓器冷卻系統(tǒng)信息，需要大量的分立元件（繼電器），所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)全部信息的擴(kuò)展和采集、控制，只能實(shí)現(xiàn)有限的功能，很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的改造和升級(jí)；

（4）備用油泵的投切狀態(tài)需運(yùn)行人員定期手動(dòng)進(jìn)行設(shè)定，維護(hù)量大，不利于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)無(wú)人值守的要求；

（5）因溫度硬接點(diǎn)控制，可能引起冷卻器組頻繁啟/停[3]。

1.2 基于PLC的冷卻控制系統(tǒng)特點(diǎn)

基于PLC的冷卻控制系統(tǒng)在不改變變壓器冷卻系統(tǒng)主回路的基礎(chǔ)上，采用PLC實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的智能化控制、監(jiān)測(cè)及執(zhí)行，主要特點(diǎn)有：

（1）PLC具有極高的可靠性、豐富的指令集、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時(shí)特性、多種擴(kuò)展模塊的特點(diǎn)，PLC和冷卻系統(tǒng)以及遙信實(shí)時(shí)工況在人機(jī)界面上一目了然；

（2）系統(tǒng)采集變壓器所有冷卻系統(tǒng)信號(hào)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將采集的油溫和負(fù)荷電流模擬量變換為PLC識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，采用PLC控制邏輯軟件編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻系統(tǒng)元件啟/停的自動(dòng)控制。系統(tǒng)可在就地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)行和故障信息、進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)設(shè)定；

（3）通過(guò)風(fēng)扇、油泵的工作電流來(lái)判斷風(fēng)扇、油泵的運(yùn)行狀況，對(duì)風(fēng)扇油泵實(shí)行狀態(tài)檢修，確保冷卻系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行；

（4）利用接收到油面溫度、工作電流數(shù)據(jù)來(lái)判斷和控制風(fēng)扇、油泵的運(yùn)行方式，達(dá)到控制變壓器溫度、延長(zhǎng)變壓器運(yùn)行壽命的目的；

（5）根據(jù)PLC內(nèi)部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)冷卻器工作電源和冷卻器的自動(dòng)定時(shí)均衡切換，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，減少了運(yùn)行維護(hù)人員的工作量。

2 基于PLC的冷卻控制系統(tǒng)改造及對(duì)比

以柏樹(shù)500 kV變電站為例，2號(hào)主變壓器（簡(jiǎn)稱(chēng)主變）冷卻控制系統(tǒng)為傳統(tǒng)的繼電器控制型，3號(hào)主變冷卻控制系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)改造后為PLC控制型，采用西門(mén)子寬溫型PLC可編程控制器（SIPLUS S7-200）實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制邏輯。

2.1 交流電源回路改造及對(duì)比分析

圖1與圖2分別為2號(hào)主變與3號(hào)主變冷卻器交流電源回路。未改造的2號(hào)主變冷卻器的交流電源在總控箱中需經(jīng)過(guò)電源自投回路的控制，選擇Ⅰ電源或Ⅱ電源中的一路，供給箱體用電回路以及送入三相的分控箱。

圖1 柏樹(shù)變2號(hào)主變冷卻器交流電源回路

因需要與PLC進(jìn)行配合，滿(mǎn)足PLC控制方式下多種工作模式的需要，3號(hào)主變冷卻器的交流電源回路改成在總控箱中，Ⅰ電源的A相供給總控箱、分控箱交流控制回路、總控箱和分控箱PLC電源，Ⅱ電源的A相供給總控箱箱體用電回路，并且滿(mǎn)足其中1個(gè)電源故障時(shí)會(huì)自動(dòng)切換至另1個(gè)電源。同時(shí)，Ⅰ電源和Ⅱ電源分別供至分控箱，通過(guò)交流控制回路和PLC進(jìn)行控制切換，自動(dòng)選取油泵、風(fēng)扇電機(jī)電源及分控箱箱體用電回路的電源。

從改造前后兩者電源回路的比較來(lái)看，2號(hào)主變冷卻器系統(tǒng)需要電源投切回路，增加了繼電器的數(shù)量，并且在該回路發(fā)生故障時(shí)將影響到所有的三相分控箱。此外，2號(hào)主變冷卻器系統(tǒng)不存在總控與分控模式，其交流控制回路直接在分控箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)。而經(jīng)過(guò)改造的3號(hào)主變冷卻器系統(tǒng)則有多種運(yùn)行模式可供選擇，具有總控箱交流控制回路與分控箱交流控制回路，且其電源配置相對(duì)獨(dú)立，分別通過(guò)PLC進(jìn)行電源切換，滿(mǎn)足多種工作模式需求，可靠性更高。

2.2 交流控制回路改造及對(duì)比分析

2號(hào)主變冷卻器的傳統(tǒng)交流控制回路原理較為簡(jiǎn)單，在達(dá)到風(fēng)扇組或油泵的啟動(dòng)條件時(shí)，勵(lì)磁相應(yīng)的中間繼電器，使得控制回路接通，分別啟動(dòng)風(fēng)扇組或油泵，當(dāng)達(dá)到返回條件時(shí)停止運(yùn)行，全部功能由繼電器實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

改造后的3號(hào)主變冷卻器系統(tǒng)加入PLC進(jìn)行控制，具有多種運(yùn)行方式，體現(xiàn)為總控與分控、自動(dòng)與手動(dòng)、PLC故障時(shí)等方式的配合。圖4和圖5分別是3號(hào)主變總控箱與分控箱內(nèi)的交流控制回路示意圖。

改造后PLC控制下的冷卻器運(yùn)行模式如下：

（1）第一正常運(yùn)行模式，即“分控自動(dòng)”模式，此時(shí)總控箱內(nèi)運(yùn)行模式切換開(kāi)關(guān)QK01與分控箱內(nèi)運(yùn)行模式切換開(kāi)關(guān)QK1均處于“自動(dòng)”位置。此時(shí)雖然圖4中總控PLC能起作用，并影響K31′—K36′等繼電器的勵(lì)磁，但由于圖5中8801無(wú)電源給入，所以總控交流控制回路無(wú)法影響到冷卻器運(yùn)行，而圖5中只有8201有正電源給入（QK1的3-4斷開(kāi)），形成“分控自動(dòng)”模式。這是3號(hào)主變冷卻器的正常運(yùn)行方式；

圖2 柏樹(shù)變3號(hào)主變冷卻器交流電源回路

（2）第二正常運(yùn)行模式，即“總控自動(dòng)”模式，此時(shí)QK01切至“總控自動(dòng)”，QK1處于“自動(dòng)”，8201無(wú)電（分控PLC退出），總控箱內(nèi)控制電路通過(guò)K31′—K36′作用于K31—K36，從而控制冷卻器運(yùn)行；

（3）第一后備自動(dòng)運(yùn)行模式，在“分控自動(dòng)”運(yùn)行模式下，當(dāng)A，B，C 3個(gè)分控箱任一PLC故障時(shí)，分控箱發(fā)出PLC故障報(bào)警信號(hào)，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切至總控箱“總控自動(dòng)”運(yùn)行模式；

（4）第二后備自動(dòng)運(yùn)行模式，當(dāng)A，B，C 3個(gè)分控箱任一PLC故障、系統(tǒng)自動(dòng)切至總控箱“總控自動(dòng)”運(yùn)行模式后，總控箱又出現(xiàn)PLC故障時(shí)，此時(shí)總控PLC便可能無(wú)法控制K31′—K36′繼電器，總控箱發(fā)出PLC故障報(bào)警信號(hào)。如圖6所示，系統(tǒng)將根據(jù)電流（負(fù)荷）情況，在負(fù)荷大于70%時(shí)接通KL3觸點(diǎn)勵(lì)磁J0繼電器，從而接通圖6中的相應(yīng)觸點(diǎn)，自動(dòng)投入固定的冷卻器（1號(hào)、3號(hào)油泵及風(fēng)扇組）；

圖3 柏樹(shù)變2號(hào)主變冷卻器交流控制回路

圖4 柏樹(shù)變3號(hào)主變總控交流控制回路

圖5 柏樹(shù)變3號(hào)主變分控交流控制回路

圖6 總控箱PLC故障回路示意

（5）第一手動(dòng)模式，即總控箱QK01切至手動(dòng)，且A，B，C 3個(gè)分控箱均處于“自動(dòng)”運(yùn)行模式時(shí)，系統(tǒng)為“總控手動(dòng)”運(yùn)行模式；

（6）第二手動(dòng)模式。此時(shí)分控箱QK1切至手動(dòng)，即QK1的5-6與7-8都斷開(kāi)，僅8001有正電源給入（QK1的3-4接通），因此無(wú)論總控箱處于何種狀態(tài)，分控箱均可根據(jù)自身需要處于手動(dòng)運(yùn)行模式。

由此可見(jiàn)，基于PLC的冷卻器控制回路可靠性有較大提高，在一定情況下能進(jìn)行工作模式的自動(dòng)切換，以保證冷卻器正常運(yùn)行。

2.3 回路復(fù)雜性及元件可靠性對(duì)比

由改造前后的交流電源回路和交流控制回路的對(duì)比可以看出，2號(hào)主變的傳統(tǒng)冷卻器控制系統(tǒng)需要大量的繼電器和接觸器實(shí)現(xiàn)切換、控制等功能，其數(shù)據(jù)采集也需要相應(yīng)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)；而經(jīng)改造設(shè)計(jì)后3號(hào)主變的基于PLC的冷卻器控制系統(tǒng)則相應(yīng)大幅簡(jiǎn)化，并更多地采用了固態(tài)繼電器，在穩(wěn)定性、可靠性及智能化上都有較大提高。圖7和圖8分別為2號(hào)主變和3號(hào)主變冷卻器控制箱內(nèi)繼電器的部分情況。

圖7 2號(hào)主變冷卻器分控箱（傳統(tǒng)）

2.4 PLC控制系統(tǒng)對(duì)冷卻器設(shè)備的影響

未經(jīng)改造的2號(hào)主變冷卻器需手動(dòng)切換運(yùn)行油泵和備用油泵，并無(wú)法獲知各個(gè)油泵的使用時(shí)間。而改造后的3號(hào)主變冷卻器控制系統(tǒng)由PLC控制油泵的自動(dòng)啟動(dòng)和切換，正常運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)3臺(tái)油泵中的2臺(tái)，PLC會(huì)識(shí)別已經(jīng)運(yùn)行時(shí)間累計(jì)最長(zhǎng)的其中1臺(tái)作為備用，可以有效均衡冷卻器設(shè)備的使用時(shí)間，提高冷卻器設(shè)備運(yùn)行壽命。

此外，為了防止風(fēng)扇組或油泵頻繁啟動(dòng)，一旦風(fēng)扇組（油泵）投入運(yùn)行之后，即使按負(fù)荷或油溫啟動(dòng)風(fēng)扇組（油泵）的觸點(diǎn)已返回，PLC將發(fā)出命令讓風(fēng)扇組（油泵）繼續(xù)運(yùn)行直至運(yùn)行滿(mǎn)30 min。而傳統(tǒng)的繼電器型冷卻器控制系統(tǒng)則無(wú)法避免風(fēng)扇組（油泵）頻繁啟動(dòng)的可能性。

2.5 人機(jī)界面及后續(xù)功能擴(kuò)展性的改進(jìn)

未經(jīng)改造的2號(hào)主變冷卻器系統(tǒng)的各種信息僅通過(guò)硬觸點(diǎn)上傳到變電站監(jiān)控后臺(tái)，信息量少且無(wú)法直接查詢(xún)。經(jīng)過(guò)PLC改造后，3號(hào)主變冷卻器系統(tǒng)則配備西門(mén)子的TD200顯示操作器與PLC配合，可直接顯示報(bào)警信息、冷卻器系統(tǒng)各種動(dòng)作信息（包含啟動(dòng)、切換等）、油泵運(yùn)行累計(jì)時(shí)間等。

此外，傳統(tǒng)的冷卻器控制系統(tǒng)用導(dǎo)線(xiàn)把繼電器、接觸器、開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)等按一定邏輯關(guān)系連接起來(lái)形成控制邏輯，控制系統(tǒng)的連線(xiàn)多而復(fù)雜，且體積大，功耗高。繼電器的觸點(diǎn)數(shù)量有限，其靈活性和可擴(kuò)展性也受其本身結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝所制約。經(jīng)改造后的冷卻器系統(tǒng)由PLC通過(guò)編制程序?qū)崿F(xiàn)各種邏輯控制，當(dāng)控制要求改變時(shí)，只需改變用戶(hù)程序即可，并可根據(jù)要求增加所需的新功能?；赑LC的控制系統(tǒng)接線(xiàn)少，體積小，并且PLC具有功耗低、可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

圖8 3號(hào)主變冷卻器分控箱（PLC型）

（3）進(jìn)線(xiàn)B線(xiàn)路故障，線(xiàn)路對(duì)側(cè)保護(hù)動(dòng)作跳閘，重合不成功，進(jìn)線(xiàn)B無(wú)壓，不滿(mǎn)足啟動(dòng)條件。

3.3 備自投方式2

（1）進(jìn)線(xiàn)A線(xiàn)路故障，線(xiàn)路對(duì)側(cè)保護(hù)動(dòng)作，重合不成功，進(jìn)線(xiàn)A無(wú)壓，不滿(mǎn)足啟動(dòng)條件。

（2）1號(hào)主變保護(hù)范圍內(nèi)故障，1號(hào)主變保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)進(jìn)線(xiàn)A開(kāi)關(guān)、110 kV母分開(kāi)關(guān)，閉鎖110 kV備自投。

（3）進(jìn)線(xiàn)B線(xiàn)路故障，線(xiàn)路對(duì)側(cè)保護(hù)動(dòng)作跳閘，重合不成功，滿(mǎn)足啟動(dòng)條件，跳開(kāi)110 kV母分開(kāi)關(guān)、合上進(jìn)線(xiàn)A開(kāi)關(guān)。

綜上所述，采用特殊內(nèi)橋雙線(xiàn)單主變接線(xiàn)可以消除當(dāng)110 kVⅡ段母線(xiàn)故障時(shí)備自投投于故障母線(xiàn)的安全隱患，因?yàn)榇藭r(shí)110 kVⅡ段母線(xiàn)被納入了進(jìn)線(xiàn)B的保護(hù)范圍，而且主變既可以由進(jìn)線(xiàn)A供電也可以由進(jìn)線(xiàn)B供電。

4 結(jié)論

采用不含進(jìn)線(xiàn)B開(kāi)關(guān)和110 kVⅡ段母線(xiàn)壓變的110 kV特殊內(nèi)橋雙線(xiàn)單主變接線(xiàn)，并不影響變電所供電的可靠性和運(yùn)行方式安排的靈活性，也便于2號(hào)主變等其他設(shè)備的擴(kuò)建。而且采用該接線(xiàn)后，110 kVⅡ段母線(xiàn)納入了進(jìn)線(xiàn)B的保護(hù)范圍，消除了采用110 kV完整內(nèi)橋雙線(xiàn)單主變接線(xiàn)時(shí)備自投投于故障母線(xiàn)的安全隱患，從而有效保證了供電可靠性。

[1]顧月華，甘雯.完整內(nèi)橋接線(xiàn)單主變變電所備自投邏輯剖析[J].浙江電力，2009，28（2）∶67-69.

[2]劉東紅，郭玉萍.110 kV內(nèi)橋接線(xiàn)變電所110 kV系統(tǒng)BZT運(yùn)行方式的探討[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（9）∶134-135，150.

（本文編輯：楊勇）

Superiority Analysis on PLC-based Cooling Control System for Main Transformer

FENG Yang，BAI Jinquan，YU Dacheng，ZHU Bin
（State Grid Zhejiang Maintenance Company，Hangzhou 317000，China）

The paper comparatively analyzes characteristics of PLC-based cooling control system for main transformer and the traditional one,points out the traditional one exists malpractice.The intelligent transformation and the operation of the control circuit of main transformer cooler of Baishu 500 kV transformer show that the reliability and flexibility of PLC-based cooling control system for transformer are greatly improved. Operation safety of transformer enables unmanned duty of substations and requirements of smart grid.

transformer；cooler；control system；PLC

TM762.1+3

：B

：1007-1881（2014）01-0013-05

2013-05-27

呂理想（1981－），男，浙江永康人，碩士，工程師，從事電網(wǎng)運(yùn)行分析與調(diào)度控制工作。