基于灰GM(1，1)模型的变压器油温监控系统研究与设计

马勇 陶玉麒 张海涛 蔡桂民

（国网信阳供电公司，河南 信阳 464000）

摘要：通过对灰色理论的研究，建立了能够预测变压器顶层油温的灰GM（1，1）数学模型，介绍了变压器油温监控系统的各模块功能及软硬件实现方案。通过与传统变压器油温监控系统的对比试验，验证了该系统的预测控制功能及可靠性，可有效保证变压器油温不超限，符合控制要求。

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关键词 ：变压器；灰GM（1，1）模型；油温监控；预测

0引言

电力变压器作为电力系统中最主要的电气设备之一，其运行可靠性将直接影响到电网安全稳定运行，因此，保证变压器运行可靠性意义重大［1］。

目前，变压器的冷却方式主要有以下三种：油浸自冷式、油浸风冷式、强迫循环冷却式，其中油浸风冷式电力变压器占有很大份额。现有方法对变压器顶层油温的监控仍然不是十分理想，寻求一种安全可靠的变压器油温智能监控方案，对提高变压器的运行效率至关重要［2-3］。本文设计了一种变压器油温智能型监控系统，该系统通过建立油温灰色理论GM（1，1）数学模型对顶层油温进行预测，设置启停温度上、下限，来实现对变压器油温的监控，避免冷却风机频繁启停的问题，保证变压器冷却装置启动后油温所能达到的最高值不会超过规定的上限。

1油温预测灰GM（1，1）数学模型建立

灰色理论是一门研究信息部分清楚、部分不清楚并带有不确定性现象的应用数学学科［4］。

灰色模型是一种少数据模型，灰模型GM（1，1）的建立，需要的数据少到4个。油温变化是一个相对缓慢的过程，在建模前我们假定：在较短的时间间隔内，温度变化率不会出现太大的波动。油温采样时间间隔一般为10～20 s，我们取采样间隔T为10 s，采样时间为100 ms，采样开始后，数字温度传感器将连续采样得到的4个温度值存储在单片机指定的数组x（0）中，而后每采样一次，就删除数组中最早采集的温度值，并将新的数据值存入而重新组成一个新的数组。

定义x（0）为原始序列，x（1）=AGOx（0），z（1）=MEANx（1），则对于GM（1，1）定义型为：

GM（1，1，D）：x（0）（k）+az（1）（k）=b（1）

式中，a为发展系数；b为灰作用量，具有灰信息覆盖，为系统的输入，是灰因；x（0）（k）为可观测的量，是系统行为，具有白信息覆盖，是系统的“果”，称为“白果”。

灰音和白果的逻辑关系如图1所示。

对于原始序列x（0）及其AGO序列x（1），经过GM（1，1）白化模式的响应式如下：

通过以上变换可知，将k=4代入式（3）可以得到第五个预测值，即油温的预测温度值：

2系统硬件设计

本系统以AT89S52为核心，通过数字温度传感器DS18B20采集顶层油温，并经过LED数码管显示温度值。整体硬件设计框图如图2所示。

温度传感器采集的实时数据送入AT89S52后会进行储存，当储存的数据量满足条件后，AT89S52会采用灰色预测模型算法预测下一时刻顶层油温的趋势，当预测温度值高于设定的上限温度值时，则AT89S52发出信号开启冷却系统，三相固态继电器导通，冷却风机工作。如果冷却系统开启后，变压器油温仍不断升高，且温度高出上限值，则AT89S52会发出报警信号。系统可以通过数字键盘模块改上限温度，还可以根据需要采取手动输入模式启动冷却系统。

2.1控制电源模块设计

为得到稳定的系统工作电压，本设计通过对220 VAC经变压装置降压、整流、滤波、稳压等环节，产生了+5 V、+12 V直流输出，解决了单片机与外围辅助电路的电压匹配问题。电源电路如图3所示。

2.2温度测控模块设计

本系统采用美国DALLAS公司的DS18B20单线数字温度传感器来实现变压器顶层油温的信号采集功能，可输出精度分别为9～12位（二进制）数字量，来直接表示所测量的温度值，温度值经过DS18B20的数据总线直接输入到AT89S52单片机进行处理，无需A/D转换。温度传感器电路连接图如图4所示。

2.3冷却系统控制模块设计

本系统通过TLP521光耦与单片机进行隔离，通过ULN2803A达林顿管提供足够的驱动电流驱动三相交流固态继电器，以实现控制冷却风机运行的目的。系统采用杭州西子三相交流固态继电器SSR-3H480D75G控制冷却风机运行，冷却系统控制电路如图5所示。

3系统软件设计

变压器油温监控系统应该具备系统及故障检测、相关参数设置、温度及故障显示、冷却系统控制及保护等功能。

3.1主程序设计

主程序主要功能是：调用各子程序、定值的记取、显示器代码生成、历史数据保存及控制功能的实现等。软件主程序流程图如图6所示。

3.2风机控制判断子程序设计

设由GM（1，1）模型预测的T时间后温度为Wt，系统设置的上限温度为Wup。则系统启动冷却风机的判据为：

Wup≤Wt（5）

系统设定一个温度下限值Wdown，当变压器油温下降过程中预测温度低于Wdown时就停止冷却风机。则停止冷却风机的条件为：

Wt≤Wdown

（6）

如果变压器油温在Wdown≤Wt≤Wup范围，冷却风机将保持原来的运行状态不变。本系统设定温度上限值Wup比下限值Wdown高5 ℃，根据地域差别及现场需求不同，温度上限值、下限值可由用户自定义。风机控制判断子程序流程图如图7所示。

4系统调试

本系统设计完成以后，在实验室中对油温监控系统的运行情况进行了多次检验和测试，并在相同条件下与普通常规控制系统比较，试验证明，达到了预想的设计要求。整个试验过程如图8所示，基础油温25 ℃，环境温度25 ℃左右，通过不断增加试验变压器负载，试验变压器油温上升，当负载达到一定程度，在t1时刻，系统通过灰GM（1，1）模型预测的

温度达到上限值55 ℃时，系统正确控制启动了冷却风机，系统运行正常稳定，变压器油温变化保持在一个允许范围以内；当负载增大到最大值后，随着负载的不断减小，油温下降，当温度低于系统设定的预测温度下限值50 ℃时，冷却风机停止运行，试验结果满足设计要求。相同条件下常规控制系统与本预测监控系统的对比示意图如图8所示。

5结语

本文设计了一种变压器油温监控系统，该系统运用灰建模的方法建立油温的灰色GM（1，1）预测模型，采用预测温度的方法来寻找恰当的启动温度，使冷却风机超前启动，达到了控制油温的目的。本系统具有精度高、可靠性好等特点，可有效解决负荷急增情况下变压器顶层油温失控现象及温度节点附近风机启停继电器频繁投切的问题。

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参考文献］

［1］董宝骅.大型油浸电力变压器应用技术［M］.北京：中国电力出版社，2014.

［2］袁兴起，杨双艳.变压器油温监控系统研究与实现［J］.河南理工大学学报：自然科学版，2014，33（5）：626-629.

［3］赵君有.灰色GM（1，1）模型及其在电力负荷预测中的优化应用［J］.沈阳工程学院学报：自然科学版，2007，3（1）：35-37.

［4］邓聚龙.灰预测与灰决策［M］.武汉：华中科技大学出版社，2002.

收稿日期：2015-08-18

作者简介：马勇（1986—），男，河南信阳人，硕士研究生，工程师，主要从事变压器的运行检修工作。