电力变压器智能冷却系统设计
Waheed Aftab Khan Manzoor Ellahi Bilal Masood
FET, Superior Group of Colleges FET, Superior Group of Colleges FET, Superior Group of Colleges Lahore, Pakistan. Lahore, Pakistan. Lahore, Pakistan.
waheed.khan@superior.edu.pk manzoor.ellahi@superior.edu.pk bilal.masood@superior.edu.pk
Fuad Usman Ghulam Abbass,
FET, Superior Group of Colleges The University of Lahore, Pakistan.
hafizfuad.usman@superior.edu.pk ghulam.abbass@ee.uol.edu.pk
摘要-变压器的灵活性使其具有广泛的应用前景。温度是影响变压器绝缘性能的重要参数之一。因此，要控制的参数是风扇转速和变压器油流量（使用泵来控制），它们随负载的变化而变化。传统的绕组温度指示器（WTI）控制技术无法实现这一目标。在测量变压器顶油温度的过程中，设计了变压器冷却机理，并进行了绕组最高温度点的模拟计算。WTI有一些缺点，研究人员现在更倾向于采用光纤温度传感器来实现这一关键功能。选择了光纤传感器来控制冷却排。这些更精确、更现代的光纤传感器可以更好地实现变压器的长期冷却。本文介绍了一个采用智能冷却系统控制变压器温度的机构，包括强制油泵和风扇。此外，还对WTI系统和智能冷却系统进行了比较分析。利用传统的Ziegler-Nichols算法和先进的Ziegler-Nichols算法，结合传感器技术的最新发展，采用PID控制器对这些冷却装置的流量进行控制和监控。该调节器的系统在设计的流量和温度范围内运行，从而限制了最小化绝缘热退化的问题。
关键字—WTI; 变压器绝缘；比较分析；电力变压器
I. 引言
现代互联电力系统需要变压器。变压器在使用中的故障引起的爆炸和火灾对公用事业人员是非常危险的。变压器的故障主要是由高温引起的，这可能导致过负荷、铜损耗增大、冷却系统效率低下和监测不当。为了避免灾难的发生，保护变压器健康运行，就必须利用智能冷却机制对温度进行更好的监测。这样就可以保持电力系统的完整性。随着电网运行可靠性的不断提高，温度测试机制在电力系统保护和变压器工程中得到了越来越重要的应用。现有的理论技术还不够；因此，温度监测技术的发展是这一方向的必然的解决方案[1]。
变压器温度不断升高，导致变压器内部的纸绝缘和液体绝缘损坏。这就要求使用技术手段来降低变压器的温度。由于变压器内部积聚了过多的热量，缩短了变压器的使用寿命。所以为了提高变压器的使用寿命，在电力变压器中，我们采用外部变压器冷却系统来加速变压器的散热速度。变压器有不同的冷却方法[2]。
不同的变压器冷却方法有：
x天然油和空气冷却系统
x天然油气强制冷却系统
x强制油和强制空气冷却系统
x强制油和强制水冷却系统
x导向油和强制空气冷却系统
wtis有几种结构。常用的结构包括一个灯泡，它被插在一个被绝缘油包围的保温井中。此外，许多现代设备和传统设备被部署在不同的点上，用于变压器的热监测和绝缘监测，如[3-4]所述，用于绕组温度的任何上升。数字设备的特点是将顶层油温度和负载电流的值共享给微处理器，微处理器通过设计好的算法进行计算，热点绕组温度可以从顶层油温度加上绕组热点上升的增量中找到[5]。开发出了较倾向于底油温度测试过程的先进技术，使所得结果更为准确。但是，这项技术很复杂，因为它需要使用12到15个参数，这些参数是在每个冷却阶段可以精确确定[6]。光纤传感器的使用绕过了计算中的不确定性，提供了一种快速的控制方法，它们还提供了关于不同负载值下绕组温度的更真实的信息，且特别考虑了变压器温度控制。〔7〕。
本文所提出的系统利用智能冷却系统（即油泵和风扇）对电力变压器温度进行监控。采用传统的Ziegler-Nichols算法和先进的Zieglernichols算法，结合传感器技术的最新进展进行比较分析，采用PID控制器对这些冷却装置的流量进行监控，以确定哪个系统更有效。该控制器驱动冷却系统在给定的流量和温度范围内运行，从而限制了最小化绝缘热退化的问题。
这篇论文由六部分组成。第一部分包括引言、文献综述和问题陈述。第2节包括冷却系统的设计。第3节介绍了PID控制器控制实现的方法。第4节介绍了传统和先进Ziegler-Nichols算法在变压器不同冷却设备中的比较分析。第5节描述了水处理设施和拟议的超临界流体冷却方案之间的比较。最后，第6节给出了结论和参考文献。
II. 附带冷却系统的电力变压器系统
电力系统的动力学是通过不同部件的互联而构成的。从提供11千伏至15千伏电力的发电机开始，根据132千伏、220千伏或500千伏输电的要求，该发电机将电压提高到足够的水平，甚至在世界某些地区，使用大型电力变压器，可以达到765千伏。电力使用传输线传输到不同的负荷中心去，电压升高的水平取决于负荷供应的距离。根据负荷的要求，该电压再次降低到一定水平，并分配到不同种类的负荷，如家庭、商业、工业和农业。这种供应比消费者根据客户要求使用的要多。
负荷变化或系统工作中的任何异常将直接影响电力系统的心脏，即变压器。系统中的任何故障都会导致变压器温度升高，尤其是在巴基斯坦等发展中国家，系统处于持续过载状态，变压器会被加热，如果控制温度的适当措施被延迟，则会最终将导致损坏。
图1显示了模拟的初始部分，其中每个块都被指定了一个特定的用途，并使用一个参考号在需要操作的特定位置调用该特定函数。然后将这些参考块连接到参考总线，在那里建立一套完整的参考设备。然后，将这些完整的参考集连接到拟用系统的组件上，这些组件将为使系统保持正常状态而工作。所有操作都是使用传统和/或先进的齐格勒-尼科尔斯算法执行的。根据直流电机的输出反作用、最小解算时间和最小跨线桥，对这两种方法进行了比较。图1包含系统的超高压、高压和配电部分。
Fig. 1. 电力系统各组成部分互联。
系统工作模式非常简单，持续监测系统的油压和温度，一旦温升超过系统规定的限值，通过PID控制器按温升的流量开启风机。在油压升高的情况下，也采用同样的机制。这些控制机构在系统的超高压端设有辅助变压器，使电力系统的心脏保持正常状态，使整个系统的电力正常运行。当发生故障时，第一个影响的是流经系统的电流，电流会急剧上升，因此变压器温度也相应升高。
一旦温度超过安全限值，风扇1就会按照zieglernichols算法的温度值开始工作。图1显示了冷却系统（风扇和油泵）的工作原理和顺序。如果系统仍然没有达到温度的安全极限，风扇1将被指示以其全流量工作。当需要风扇-2时，PID控制器向油泵发出信号，根据冷却要求启动流量。只要温度不降到可接受的温度极限，此顺序就会继续（即风扇3和机油泵2的打开）。整个机构取决于PID控制器发出的指令，如图2所示。.
Fig. 2 采用PID控制器的直流电机速度控制仿真模型
III. 实现方法
用于控制的PID整定规则和控制参数总结在表1中。
TABLE I. PID TUNING RULES
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被控量 |
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IAE设定点 |
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IAEL |
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ITAE设定点 |
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ITEAL |
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被控量 |
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ISE设定点 |
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ISEL |
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ISTE-设定点 |
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ISTE设定点 |
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ZN |
0.6 |
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CC |
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IMC |
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GP |
m |
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有关调整规则的一些注释如下：
- 建议模型的核心因素是标准化延迟（tau;/t），该延迟表示被检查系统的实际时间延迟[8]。tau;/t的平均值大多小于1。这有助于缩短延迟时间。这也有助于实现所需的性能和有效的补偿结构，如史密斯预测[9]。
- 内部模型控制（IMC）和遗传规划（GP）是基于点调节（PBT）的经典技术。基于同样的理由，ZN和CC方法提供了基于负载的最优化的调整（LBT）[10]。
- .所采用的整定机制应是稳健的，为了实现这一点，必须在设定点整定（SPT）方法和LBT之间建立折中关系。为此，得出的结论是，采用SPT方法调节的PID控制器通常比采用LBT调节的PID控制器更为有力，如[11]所示。
- 在比较SPT和LBT方法时，出现了另一个问题，如[11]所述。为了达到平衡、理想的结果，需要进行折衷以使系统更可靠。
- SPT方法（ITAE设定点除外）的坚固性降低，因此对于具有巨大间隔的开发，它们比LBT方法得到了改进[12]。
- 在LBT技术中，只接受锌和ITAEL方法。应避免使用ISEL、ISTEL、IAEL和CC技术，因为它们对于调优的PID控制器过于敌对。因此，最好的方案应该是以小延迟部署方案[13]。 ·
- 从SPT的角度来看，IMC和GP在稳健性方面呈现出相似的趋势，但GP显示出更好的内部增益，使其略优于IMC。相反，原子能机构具有强大的优势，但只能牺牲其内部收益。与IMC和GP相比，ISE-SPT在稳健性方面具有更好的内部收益。与IMC和GP相比，IStespt的内部收益较小，鲁棒性稍有改善。
- 与锌工艺类似，ITAE-SPT调节的PID控制器的坚固性随着延迟的增加而恶化。因此，它对较小的延迟值有效[14]。
考虑到上述几点，设计了以下集群：
1.采用IMC、GP、ISTE-SPT和IAESPT方法进行调节的控制器，积分增益小，鲁棒性指标小。
2.通过ZN、ITAE-SPT、ITAEL和ISE-SPT程序调整的控制器具有中等增益和中等坚固性值。
3.采用CC、ISEL、ISTEL和IAEL方法对控制器进行整定，具有较大的积分增益和较大的鲁棒性。
结果表明，第一组所给出的积分增益和鲁棒性措施都太小，因此闭环系统非常鲁棒，但可以进一步提高系统的甩负荷性能。此组中的PID设置将被称为保守设置。
锌调谐技术的频率响应初步实现了用于手动操作的闭环调谐。但是，为了获得更好的控制结果，参数值逐渐增加，只是循环持续振荡一段时间[15]。
相比之下，第三个簇具有更高的内部增益和鲁棒性值，进而导致闭环响应振荡，从而无法从该设计中获得所需的鲁棒性。该集群中的PID方案（传统和高级）的整定值将表现为敌对。
第二个集群获得适当的鲁棒性和增益度量。因此，锌工艺表明，对于所考虑的工艺，其坚固性和性能之间具有最佳的协调性。由于上述原因，本文采用Ziegler-Nichols方法实现。
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资料编号：[5955]
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