吳學(xué)正，黃一然

（國(guó)網(wǎng)河北省電力公司青縣供電分公司，河北滄州 062651）

基于STM32的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳學(xué)正，黃一然

（國(guó)網(wǎng)河北省電力公司青縣供電分公司，河北滄州 062651）

目前，變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)多采用可編程邏輯控制器（PLC）或數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片作為控制核心，控制系統(tǒng)中考慮的影響因素較少。隨著STM32系列芯片技術(shù)的發(fā)展，其以完全具備DSP芯片主要功能模塊，并以低廉的價(jià)格成為自動(dòng)控制領(lǐng)域中的重要元件。本設(shè)計(jì)參照現(xiàn)有變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了以STM32為主控芯片的風(fēng)冷控制系統(tǒng)。加入脈沖寬度調(diào)制（PWM）軟啟動(dòng)、有差值裕度的投、切溫度閥值、風(fēng)機(jī)分組啟停、按負(fù)荷及繞組溫度投切、故障保護(hù)等多種功能，優(yōu)化了變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)，提高了風(fēng)冷系統(tǒng)的可靠性，延長(zhǎng)了其使用壽命。

風(fēng)冷系統(tǒng)；差值裕度；故障保護(hù)；軟啟動(dòng)

0 引言

變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備。目前，電力系統(tǒng)中的大容量變壓器主要為油浸式。該類型變壓器在運(yùn)行中內(nèi)部鐵芯和繞組會(huì)產(chǎn)生部分損耗并以熱能的形式傳遞出去，使變壓器的溫度升高。變壓器溫升影響其帶載能力，同時(shí)也會(huì)加速絕緣老化，影響其使用壽命。變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)對(duì)提高電力系統(tǒng)的可靠性，保證變壓器安全可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。研究出經(jīng)濟(jì)高效的風(fēng)冷控制系統(tǒng)對(duì)降低風(fēng)冷系統(tǒng)故障率，延長(zhǎng)風(fēng)冷系統(tǒng)使用壽命具有重要意義［1-2］。

1 變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)優(yōu)化

1.1 主控芯片選擇

控制變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)的裝置多采用單片機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）。近年來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片以本身自帶而無(wú)需另外擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換模塊、脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊，可選多種通信接口，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)代替了單片機(jī)和PLC成為控制風(fēng)冷系統(tǒng)的主要元件。目前，隨著STM32系列芯片技術(shù)的發(fā)展，以具備DSP芯片優(yōu)點(diǎn)并以低廉的價(jià)格成為風(fēng)冷控制系統(tǒng)的首選元件［3-4］。

1.2 風(fēng)冷電機(jī)控制優(yōu)化

1.2.1 風(fēng)冷電機(jī)控制優(yōu)化的必要性

電力變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)主要由專用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)和安裝于電機(jī)轉(zhuǎn)子軸端的軸流式風(fēng)扇組成。風(fēng)扇很少出現(xiàn)故障，大多數(shù)故障是由異步電動(dòng)機(jī)或其控制箱引起的，其中95%的故障是由異步電動(dòng)機(jī)造成［5-7］。因此，在設(shè)計(jì)變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)時(shí)要考慮降低風(fēng)冷電機(jī)磨損，延長(zhǎng)電機(jī)壽命，從而降低故障率。

1.2.2 采用PWM軟啟動(dòng)

不采用任何啟動(dòng)裝置，直接加額定電壓到定子繞組啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速由零上升到額定轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)瞬間電機(jī)的電流可達(dá)額定電流的4～8倍，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的2倍以上，這會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)的使用壽命。STM32芯片自帶PWM功能模塊，配合風(fēng)冷系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)軟啟動(dòng)，降低電機(jī)啟動(dòng)電流，延長(zhǎng)其使用壽命。

1.2.3 采用有差值裕度的投、切溫度閥值

傳統(tǒng)變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)在控制風(fēng)冷裝置自動(dòng)投、切時(shí)大多采用的方法是：設(shè)定一固定不變的溫度閥值，變壓器油溫超過(guò)該值時(shí)繼電器動(dòng)作，投入風(fēng)冷裝置；油溫低于設(shè)定值時(shí)切除風(fēng)冷裝置。這類方法的缺點(diǎn)是當(dāng)變壓器油溫在溫度閥值附近來(lái)回波動(dòng)時(shí)，將致使風(fēng)冷裝置頻繁投切［8］。

本文中變壓器風(fēng)冷控制裝置采用一種新型的投切控制策略——有差值裕度的投、切溫度閥值的投切控制，這種控制策略經(jīng)證實(shí)可以有效地避免風(fēng)機(jī)的頻繁投切，從而延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)使用壽命。

當(dāng)變壓器油溫上升時(shí)，油溫超過(guò)tt時(shí)，投入部分風(fēng)冷裝置；當(dāng)變壓器油溫下降，油溫低于tq，切除部分風(fēng)冷裝置；當(dāng)變壓器油溫在tq～tt之間時(shí)，裝置不做投切動(dòng)作，如圖1所示。

1.2.4 冷卻風(fēng)機(jī)分組啟、停

冷卻風(fēng)機(jī)控制采用分組啟、停方式，即將整臺(tái)主變壓器全部冷卻風(fēng)機(jī)分成2組或2組以上，冷卻風(fēng)機(jī)的投切按控制1組或多組風(fēng)機(jī)同時(shí)啟停進(jìn)行。在需要投切風(fēng)冷裝置時(shí)參考累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和累計(jì)停止時(shí)間進(jìn)行投切，如圖2所示。實(shí)踐證明該控制策略可減少風(fēng)機(jī)啟停次數(shù)。

累計(jì)運(yùn)行時(shí)間是指風(fēng)冷裝置每次投入運(yùn)行的時(shí)間。從風(fēng)冷裝置投入運(yùn)行開(kāi)始計(jì)時(shí)，風(fēng)冷裝置退出運(yùn)行時(shí)清零，重新投入運(yùn)行后重新開(kāi)始計(jì)時(shí)［9-10］。同樣，累計(jì)停止時(shí)間表示風(fēng)冷裝置每次退出運(yùn)行的時(shí)間。

圖1 有差值裕度的風(fēng)冷裝置投切示意

圖2 冷卻風(fēng)機(jī)分組啟停程序流程

1.3 根據(jù)變壓器負(fù)荷、繞組溫度投、切電機(jī)

變壓器不能保證總是額定狀態(tài)下正常運(yùn)行，偶爾會(huì)出現(xiàn)超負(fù)荷或繞組溫度超預(yù)定值現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)結(jié)合變壓器負(fù)荷、繞組溫度情況對(duì)變壓器風(fēng)冷裝置的投、切進(jìn)行控制，這樣既能最大限度發(fā)揮風(fēng)冷裝置的作用，又能保證不會(huì)因未及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器超負(fù)荷或繞組溫度超預(yù)定值未及時(shí)采取措施而造成問(wèn)題擴(kuò)大。

1.4 風(fēng)冷系統(tǒng)故障保護(hù)

故障保護(hù)功能對(duì)保證變壓器安全運(yùn)行至關(guān)重要。當(dāng)變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)故障使風(fēng)冷電機(jī)全退時(shí)，控制系統(tǒng)將對(duì)風(fēng)冷裝置采取保護(hù)，如圖3所示。t1，tr通常取值為20min，t2取值不超過(guò)1 h。

圖3 冷卻風(fēng)機(jī)按負(fù)荷、繞組溫度啟停流程

2 風(fēng)冷控制系統(tǒng)整體方案及程序流程

基于STM32的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)整體方案如圖4所示。風(fēng)機(jī)狀態(tài)量不只包括風(fēng)機(jī)的投、切狀態(tài)量，還包括風(fēng)機(jī)是否故障狀態(tài)量。鍵盤(pán)控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)狀態(tài)的就地控制。RS-485串口實(shí)現(xiàn)STM32主控單元與上位機(jī)之間通信。RS-485串口在本地通信領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛，在此不再贅述。

圖4 冷卻風(fēng)機(jī)按負(fù)荷、繞組溫度啟停流程

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著變壓器技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了多種新型變壓器，但油浸式變壓器以其冷卻能力強(qiáng)，繞組、鐵心溫度分布均勻，在電力系統(tǒng)中仍被廣泛使用。風(fēng)冷系統(tǒng)是大型油浸式變壓器不可缺少的組成部分，對(duì)變壓器的安全運(yùn)行起至關(guān)重要的作用。經(jīng)過(guò)論證，本設(shè)計(jì)具有完善的保護(hù)、監(jiān)視、顯示及通信功能，能夠有效地降低風(fēng)冷系統(tǒng)的故障率，從而延長(zhǎng)變壓器使用壽命，降低故障率。

［1］智能變電站技術(shù)導(dǎo)則：Q/GDW 383—2009［S］.國(guó)家電網(wǎng)公司，2009.

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［7］吳國(guó)旸，王慶平，李剛.基于數(shù)字化變電站的集中式保護(hù)研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（10）：15-18.

［8］龐紅梅，李淮海，張志鑫，等.110 kV智能變電站技術(shù)研究狀況［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（6）：146-150.

［9］何磊，郝曉光.數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的性能測(cè)試技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（10）：75-78.

［10］王映輝.軟件構(gòu)件與體系結(jié)構(gòu)：原理、方法與技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

（本文責(zé)編：齊琳）

TP 273

B

1674-1951（2016）11-0021-02

吳學(xué)正（1987—），男，河北青縣人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化研究方面的工作（E-mail：15922170732＠163.com）。

2016-03-07；

2016-08-19

黃一然（1975—），男，河北滄縣人，工程師，從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化研究方面的工作（E-mail：875825313＠qq.com）。