一種基于多監(jiān)測(cè)傳感器融合的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于多監(jiān)測(cè)傳感器融合的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)，包括在線監(jiān)測(cè)傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集器、上位機(jī)處理系統(tǒng)和風(fēng)冷系統(tǒng)控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述上位機(jī)處理系統(tǒng)根據(jù)變壓器狀態(tài)向量，對(duì)變壓器設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析，確定風(fēng)冷系統(tǒng)的運(yùn)行方式，將相應(yīng)的控制邏輯直接輸出至風(fēng)冷系統(tǒng)控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制相應(yīng)的風(fēng)冷設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作。本發(fā)明能夠更全面分析變壓器運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)變壓器運(yùn)行安全，同時(shí)大幅提升風(fēng)冷系統(tǒng)運(yùn)行效率及效果。
【專利說(shuō)明】—種基于多監(jiān)測(cè)傳感器融合的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多監(jiān)測(cè)傳感器融合的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]智能電網(wǎng)建設(shè)中，電力設(shè)備本體及附件的智能化是基礎(chǔ)和重點(diǎn)。變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)是交流變電站系統(tǒng)重要的輔助設(shè)備之一，其穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)智能化改造在整個(gè)變壓器智能化升級(jí)中占據(jù)重要的地位。目前變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)(強(qiáng)油循環(huán)及風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng))一般采用工作、輔助、備用及停止四種工作方式，當(dāng)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)故障時(shí)，投入備用風(fēng)冷，而當(dāng)主變油溫達(dá)到55°C或者主變負(fù)荷超過(guò)閾值，投入輔助風(fēng)冷，現(xiàn)有控制策略是一種基于模擬量的簡(jiǎn)單邏輯判斷方式，難以滿足變壓器智能化建設(shè)的具體要求。
[0003]目前，現(xiàn)有技術(shù)中尚無(wú)成熟的變壓器風(fēng)冷智能控制裝置可供應(yīng)用，不能滿足智能電網(wǎng)建設(shè)的迫切需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于多監(jiān)測(cè)傳感器融合的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方法予以實(shí)現(xiàn):
[0005]一種基于多監(jiān)測(cè)傳感器融合的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)，包括在線監(jiān)測(cè)傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集器、上位機(jī)處理系統(tǒng)和風(fēng)冷系統(tǒng)控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中，
[0006]所述傳感器陣列用于對(duì)變壓器的多個(gè)狀態(tài)量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，得到變壓器狀態(tài)向量;
[0007]所述數(shù)據(jù)采集器將所述傳感器陣列獲得的變壓器狀態(tài)向量以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議MODEBUS協(xié)議經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳送至上位機(jī)處理系統(tǒng)；
[0008]所述上位機(jī)處理系統(tǒng)根據(jù)變壓器狀態(tài)向量，對(duì)變壓器設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析，確定風(fēng)冷系統(tǒng)的運(yùn)行方式，將相應(yīng)的控制邏輯直接輸出至風(fēng)冷系統(tǒng)控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制相應(yīng)的風(fēng)冷設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作；
[0009]其中，所述對(duì)變壓器設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析包括:
[0010]a)變壓器內(nèi)部平均油溫計(jì)算:利用上、中、下層油溫傳感器，經(jīng)平均后獲得設(shè)備內(nèi)部平均油溫值；
[0011]b)變壓器繞組熱點(diǎn)溫度計(jì)算:建立變壓器的等效熱路模型，計(jì)算得到熱點(diǎn)溫度的估算值；
[0012]c)負(fù)荷率計(jì)算:監(jiān)測(cè)設(shè)備電壓、電流，將實(shí)際負(fù)荷與額定負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，獲得設(shè)備負(fù)荷率；
[0013]d)風(fēng)冷系統(tǒng)中控制邏輯量的閾值設(shè)定，所述控制邏輯量包括所述平均油溫、熱點(diǎn)溫度和負(fù)荷率。[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:能夠更全面分析變壓器運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)變壓器運(yùn)行安全，同時(shí)大幅提升風(fēng)冷系統(tǒng)運(yùn)行效率及效果。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]參照下面的說(shuō)明，結(jié)合附圖，可以對(duì)本發(fā)明有最佳的理解。在附圖中，相同的部分可由相同的標(biāo)號(hào)表不。
[0016]圖1為本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理圖；
[0017]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖3-1至圖3-3為本發(fā)明基于變壓器平均油溫計(jì)算熱點(diǎn)溫度的熱路模型；
[0019]圖4為本發(fā)明對(duì)變壓器強(qiáng)油風(fēng)冷控制邏輯；
[0020]圖5為本發(fā)明對(duì)變壓器風(fēng)冷控制邏輯。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及示例性實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的示例性實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的適用范圍。
[0022]圖1為本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理框圖。在線監(jiān)測(cè)傳感器陣列獲取變壓器設(shè)備的多個(gè)狀態(tài)信息，根據(jù)這些狀態(tài)信息，基于融合算法獲得設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)，依據(jù)設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)確定風(fēng)冷系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方式，并控制相應(yīng)的風(fēng)冷設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作。
[0023](I)變壓器狀態(tài)信息
[0024]利用傳感器陣列對(duì)變壓器各狀態(tài)量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，得到油溫、繞組光纖測(cè)溫、油流速、油中水分、凝露溫度、油位、電壓及電流等狀態(tài)信息。具體而言，獲取監(jiān)測(cè)信號(hào)的方式為:將不同類型傳感器組成“陣列”，傳感器陣列獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議MODEBUS協(xié)議經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳送至上位機(jī)處理系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要用于綜合判斷變壓器的內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，以供制定變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)的控制邏輯。具體地，傳感器陣列監(jiān)測(cè)的多個(gè)不同類型的狀態(tài)信息可以構(gòu)成變壓器的工作狀態(tài)空間，每一個(gè)監(jiān)測(cè)樣本即為該狀態(tài)空間中的一個(gè)向量。該監(jiān)測(cè)樣本表征了變壓器在其工作狀態(tài)空間的中一個(gè)即時(shí)狀態(tài)，可以用于確定風(fēng)冷系統(tǒng)的初始運(yùn)行方式，例如初始投入啟動(dòng)的風(fēng)冷設(shè)備組數(shù)和作為輔助的風(fēng)冷設(shè)備組數(shù)。
[0025]狀態(tài)信息經(jīng)上位機(jī)處理系統(tǒng)分析處理后，確定風(fēng)冷系統(tǒng)的運(yùn)行方式，將相應(yīng)的控制邏輯直接輸出至風(fēng)冷系統(tǒng)控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。
[0026](2)變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集
[0027]數(shù)據(jù)采集器具體包括模擬前端和數(shù)字端兩部分組成。在一個(gè)特定實(shí)施例中，模擬前端由信號(hào)調(diào)理電路和20MHz采樣率的高速AD組成。數(shù)字端由FPGA和CPU (ARM)組成。FPGA通過(guò)串行總線接收AD數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA通過(guò)并行總線與CPU交換數(shù)據(jù)，接收CPU的配置參數(shù)、發(fā)送顯示數(shù)據(jù)給CPU5CPU主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)用戶接口(顯示、鍵盤)及各種通信接口(USB、LAN等)。20MHz采樣率AD與FPGA通過(guò)串行數(shù)據(jù)線接口，使用XILINX Virtex_5\6實(shí)現(xiàn)高數(shù)數(shù)據(jù)傳輸，CPU使用工業(yè)級(jí)的ATMEL AT91SAM9G45。
[0028](3)變壓器狀態(tài)信息分析
[0029]分別采用如下方法對(duì)變壓器設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析:[0030]a)變壓器內(nèi)部平均油溫計(jì)算:由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量電磁干擾和噪聲，依靠傳統(tǒng)熱電傳感器很難測(cè)量到準(zhǔn)確的變壓器內(nèi)部油溫值。本發(fā)明利用上、中、下層油溫傳感器，經(jīng)平均后獲得設(shè)備內(nèi)部平均油溫值，此方法較傳統(tǒng)技術(shù)利用設(shè)備頂層油溫更為符合設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行工況。
[0031]b)變壓器繞組熱點(diǎn)溫度計(jì)算:根據(jù)變壓器發(fā)熱和散熱理論，結(jié)合設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)，
基于平均油溫?zé)崧纺Ｐ?，建立變壓器的等效熱路模型，如圖3-1至圖3-3所示。圖中(a)為
熱點(diǎn)和熱油區(qū)熱路模型；(b)為底層油溫和熱油區(qū)域熱路模型；(c)為底層油溫?zé)崧纺Ｐ汀?br> 模型(c)中求出的節(jié)點(diǎn)溫度值可視作是模型(b)的環(huán)境溫度，依此類推，可最終得到熱點(diǎn)溫
度的估算值。三個(gè)熱路中的總熱源q = qfe+qCu視為相同，是變壓器施加的總負(fù)載；(a)、(b)
中的熱電容Chs_toil、Ch()il_Mil分別代表變壓器內(nèi)油與鐵心及繞組的總熱電容，(C)中熱電容
CnroilS變壓器油的熱電容；ehs、θ —及Qnroil*別為環(huán)境溫度、底層油溫以及繞組熱點(diǎn)區(qū)
域溫度。基于上述定義和圖中描述，假設(shè)變壓器內(nèi)外傳熱均勻，可列出如下表達(dá)式:
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種基于多監(jiān)測(cè)傳感器融合的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)，包括在線監(jiān)測(cè)傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集器、上位機(jī)處理系統(tǒng)和風(fēng)冷系統(tǒng)控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中， 所述傳感器陣列用于對(duì)變壓器的多個(gè)狀態(tài)量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，得到變壓器狀態(tài)向量； 所述數(shù)據(jù)采集器將所述傳感器陣列獲得的變壓器狀態(tài)向量以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議MODEBUS協(xié)議經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳送至上位機(jī)處理系統(tǒng)； 所述上位機(jī)處理系統(tǒng)根據(jù)變壓器狀態(tài)向量，對(duì)變壓器設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析，確定風(fēng)冷系統(tǒng)的運(yùn)行方式，將相應(yīng)的控制邏輯直接輸出至風(fēng)冷系統(tǒng)控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制相應(yīng)的風(fēng)冷設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作； 其中，所述對(duì)變壓器設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析包括: a)變壓器內(nèi)部平均油溫計(jì)算:利用上、中、下層油溫傳感器，經(jīng)平均后獲得設(shè)備內(nèi)部平均油溫值； b)變壓器繞組熱點(diǎn)溫度計(jì)算:建立變壓器的等效熱路模型，計(jì)算得到熱點(diǎn)溫度的估算值； c)負(fù)荷率計(jì)算:監(jiān)測(cè)變壓器設(shè)備電壓、電流，將實(shí)際負(fù)荷與額定負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，獲得設(shè)備負(fù)荷率； d)風(fēng)冷系統(tǒng)中控制 邏輯量的閾值設(shè)定，所述控制邏輯量包括所述平均油溫、熱點(diǎn)溫度和負(fù)荷率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)，其中，所述等效熱路模型包括三個(gè)熱路模型:(a)熱點(diǎn)和熱油區(qū)熱路模型；(b)底層油溫和熱油區(qū)域熱路模型；和(C)底層油溫?zé)崧纺Ｐ?，利用如下表達(dá)式表示:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)狀態(tài)量包括油溫、繞組光纖測(cè)溫、油流速、油中水分、凝露溫度、油位、電壓及電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)，其中，所述閾值的設(shè)定通過(guò)兩個(gè)方式實(shí)現(xiàn):(i)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行人工設(shè)定；或(ii)在預(yù)定時(shí)間周期內(nèi)對(duì)控制變量的估算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行設(shè)定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)，其中，優(yōu)選地，所述閾值設(shè)為兩級(jí)，一級(jí)閾值取為所述控制邏輯量的統(tǒng)計(jì)平均值與3倍方差之和，二級(jí)閾值取為所述控制邏輯量的統(tǒng)計(jì)平均值與6倍方差之和。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)，其中，所述風(fēng)冷系統(tǒng)的風(fēng)冷方式包括強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷和風(fēng)機(jī)風(fēng)冷，分別對(duì)應(yīng)不同電壓等級(jí)和容量的變壓器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)，其中，所述控制邏輯為:如果當(dāng)前熱點(diǎn)溫度估算值超過(guò)一級(jí)閾值，則在當(dāng)前啟動(dòng)的潛油泵或風(fēng)機(jī)組數(shù)的基礎(chǔ)上增加一組相應(yīng)的潛油泵或風(fēng)機(jī)；進(jìn)一步地，如果油溫或負(fù)荷率超過(guò)二級(jí)閾值，則繼續(xù)投入一組輔助潛油泵或風(fēng)機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)，其中，上位機(jī)處理系統(tǒng)還包括圖形界面顯示單元，以圖形界面來(lái)顯示監(jiān)測(cè)對(duì)象的運(yùn)行情況。
【文檔編號(hào)】G05B19/042GK103808361SQ201310476464
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2013年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月13日
【發(fā)明者】董明, 任明, 鄧彥國(guó), 楊寧, 王鴻杰 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 中國(guó)電力科學(xué)研究院, 西安交通大學(xué), 遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院