變電所主變壓器節能系統建置及成效分析
Establishment and Effect Analysis of Substation Transformer Energy
Saving System
研究生：謝佳瑋 Student：Chia-Wei Hsieh
指導教授：卓明遠 博士 Advisor：Dr. Ming-Yuan Cho
國立高雄應用科技大學
電機工程系碩士班
碩士論文
A Thesis
Submitted to
Department of Electrical Engineering
National Kaohsiung University of Applied Sciences
in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of
Master of Engineering
in
Electrical Engineering
July 2015
變電所主變壓器節能系統建置及成效分析
學生： 謝佳瑋 指導教授： 卓明遠 博士
國立高雄應用科技大學電機工程系碩士班
摘 要
本論文提出一套變電所主變壓器節能系統，應用變電所既有資訊末端設備 （Remote Terminal Unit, RTU）之遠端控制暨監視設備，建立自動化節能控制系統 以達到節能目標，同時符合變壓器運轉限制條件與維護人員操作需求。實現變壓 器冷卻風扇組分組分段控制模式，主要應用程式撰寫控制策略以指令 RTU 設備， 並配合電磁開關與熱電溫度元件等硬體。報表資料則結合現場監視控制與資料收 集（Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA）設備，增設 Access 資料庫 結構與建立人機界面操作環境，藉此提供節能效益報表的查詢與分析。再者，此 變壓器節能控制系統亦設計緊急手動解聯機制，能依照緊急需求手動恢復風扇組 原來控制方式。透過實際裝設此系統於變電所內之主變壓器進行實體運轉，以驗 證節能成效並提供未來各變電所安裝與改善之參考。 關鍵詞：資訊末端設備、分組分段控制模式、監視控制與資料收集、Access 資料 庫、解聯機制
Establishment and Effect Analysis of Substation Transformer Energy
Saving System
Student : Chia-Wei Hsieh Advisor：Dr. Ming - Yuan Cho
Department of Electrical Engineering
National Kaohsiung University of Applied Sciences
ABSTRACT
This thesis presents a set of substation transformer energy-saving system, applies the original substation RTU（Remote Terminal Unit, RTU） remote control and monitor equipment to establish the substation main transformer automation control system in order to achieve energy saving goals, while meeting both the transformer operating limits and maintenance personnel needs. To achieve transformer cooling fan group segmentation control mode, the main application software writes instructions to control the RTU device and works in conjunction with hardware such as electromagnetic switches and thermoelectric temperature device to realize the application. In addition, reported data is a combination of on-site SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA ） equipment, an MS Access Database structure and a human-machine interface operating environment, thereby providing a means of querying and analyzing energy efficiency data. Furthermore, this transformer energy-saving control system is designed with an emergency mechanism which can be manually engaged to restore control in accordance with the original fan group emergency operation. The device was attached to the main transformer for field tests at the substation to verify energy savings and to serve as a reference for future substation installation and improvement.
誌 謝
本論文承蒙恩師暨指導教授 卓明遠博士悉心的指導，始臻於成，在此謹獻上 最高的謝意與敬意。在卓教授嚴謹的治學態度與諄諄不倦的教誨下，讓我得以略 窺學問的奧妙，獲益良多。除了學術上的教導之下，教授在待人處世的態度，更 是我學習的榜樣。再者，也誠摯地感謝口試委蕭勝任博士、王瑋民博士及許炎豐 博士在百忙中撥冗對本論文之指教與批評，對於論文中不完善之處能夠給予指正， 並提供許多寶貴意見，使本論文內容能更為妥善，在此致上最高的敬意與感激之 情。 研究期間，感謝系上所有師長及教職員們，在學業和研究環境上的大力支持 與關懷，讓我能在此溫馨的大家庭中茁壯與成長。也感謝高屏資控組長官劉至瑄 經理、施國樺主辦、路北 E/S 長官劉清和經理及所有維護班同事們在本研究相關 實務領域的協助與指教，讓我順利完成本論文研究。 再者，也感謝在實驗室內所有學弟及同學川峰、順名、英俊、昇奇、政逸及 文男在學業上的切磋琢磨和生活上的互相協助與砥礪，還有許多幫助我的師長、 學弟及同事們，致上最真心的感謝，使我能順利的走過這段難忘的學習之路。也 感謝在後方默默扶持與分勞的家人們，讓我能無後顧之憂地踏上研究的旅程，順 利完成研究所學業。願與您們分享這份得來不易的喜悅和成果，感謝您們，敬祝 大家平安喜樂。
目 錄
中文摘要………i 英文摘要………...ii 誌 謝………..……..iii 目 錄………...iv 圖 目 錄………..vi 表 目 錄………..ix 第一章 緒論………...1 1.1 研究背景與目標………..………..1 1.2 文獻回顧………2 1.3 研究方法及步驟………4 1.4 論文內容概述………7 第二章 理論及基礎………...8 2.1 油浸式電力變壓器構成及冷卻方式………...8 2.2 主變壓器冷卻系統架構………...13 2.3 主變壓器原冷卻系統線路設計及控制方式………...16 2.4 資訊末端設備……….………..17 第三章 主變壓器節能冷卻系統建置……….24 3.1 主變壓器節能冷卻系統線路設計及控制策略………...24 3.2 硬體配置與功能規劃………...32 3.3 節能系統資料庫規劃與 RTU Ladder 程式設計………...……..36第四章 系統節能效益分析………...63 4.1 運轉特性分析……….63 4.2 節能效益分析……….73 第五章 結論與未來展望………75 5.1 結論………...75 5.2 未來展望………...76 參考文獻………....77
圖目錄
圖 1.1 研究方法工作流程圖………5 圖 2.1 油浸式電力變壓器構造圖………9 圖 2.2 變壓器冷卻方式分類………...…...11 圖 2.3 變壓器冷卻器送油風冷式構造圖………...14 圖 2.4 A 所主變壓器冷卻器外觀………...14 圖 2.5 主變壓器冷卻器散熱鰭片外觀………...15 圖 2.6 傳統主變壓器冷卻系統方塊示意圖………...15 圖 2.7 原主變壓器冷卻系統控制迴路圖………..16 圖 3.1 主變壓器節能冷卻系統主迴路圖………...25 圖 3.2 主變壓器節能冷卻系統控制迴路圖………...26 圖 3.3 節能冷卻系統盤面實體端子接線圖………...27 圖 3.4 RTU 盤實體端子接線圖.…..………28 圖 3.5 變壓器節能冷卻系統分組分段控制系統圖………..30 圖 3.6 分組分段控制程式流程圖.…..………...31 圖 3.7 變壓器節能冷卻控制系統實體架構………..33 圖 3.8 節能控制系統運作控制方塊圖………...…...34 圖 3.9 #3MTR 之變壓器附件箱體………...………35 圖 3.10 附件箱節能冷卻系統控制盤面裝設位置………...…….36 圖 3.11 集合式電錶裝設實體圖………...………...36 圖 3.12 測試模擬器（TestSet）軟體規劃 RTU 資料庫的畫面範例………...38圖 3.14 RTU CM 卡和集合式電錶讀錶架構…...………...40 圖 3.15 cmR2KNet 軟體設定通訊協定畫面範例....………...41 圖 3.16 RTU Ladder 程式設計規劃畫面範例…...………..42 圖 3.17 分組分段節能控制段階梯圖…...……….44 圖 3.18 風扇時控運轉階梯圖…...……….45 圖 3.19 風扇異常告警階梯圖..………..46 圖 3.20 A 所系統硬體架構圖………..……...48 圖 3.21 A 所 SCADA 軟體架構圖………..…...49 圖 3.22 Microsoft Access 資料庫軟體與資料庫轉換程式.………..…...50 圖 3.23 Access 資料庫建立與修改之項目.………..…...51 圖 3.24 節能冷卻系統資料庫之資料規劃.………..…...55 圖 3.25 Access 建立 AI 資料庫畫面範例………..…...55 圖 3.26 報表系統架構…...………...57 圖 3.27 FreeForm 之架構.………58 圖 3.28 FreeForm.xla 增益集之架構………58 圖 3.29 點名稱（TagName）參考表規劃畫面範例……….59 圖 3.30 資料設定表（Formula）規劃畫面範例………60 圖 3.31 人機介面資料庫管理功能畫面範例………....61 圖 3.32 報表查詢系統功能畫面範例………62 圖 3.33 主變壓器節能日報表呈現畫面範例………....62 圖 4.1 #3 及#2 MTR 負載-油溫度對應關係（103/04~103/11）………64 圖 4.2 實驗組#3MTR 無載運轉風扇節能度數………...……….66 圖 4.3 實驗組負載-油溫與室外平均溫度關係(12 月份) ………67
圖 4.4 對照組負載-油溫與室外平均溫度關係(12 月份) ………67 圖 4.5 A 所#3MTR 油中氣體分析與變壓器故障診斷報告………..68 圖 4.6 實驗組負載-油溫與室外平均溫度關係(1 月份) ………..69 圖 4.7 對照組負載-油溫與室外平均溫度關係(1 月份) ………..70 圖 4.8 實驗組#3MTR 輕載運轉風扇節能度數……….………...70 圖 4.9 實驗組負載-油溫與室外平均溫度關係(4 月份) ………..71 圖 4.10 實驗組負載-油溫與室外平均溫度關係(4 月份) ………71 圖 4.11 實驗組#3MTR 負載-油溫與節能度數關係(4 月份) ………..72 圖 4.12 #3 及#2MTR 負載-室外平均溫度與油溫差關係(4 月份) ………....72 圖 4.13 A 所#3MTR 節能效益統計圖………...74
表目錄
表 2.1 A 所主變壓器冷卻風扇切換順序及控制策略...……….17 表 3.1 A 所主變壓器冷卻風扇切換順序及節能控制策略………...30 表 3.2 I/O Table……….37 表 3.3 CM 卡讀取集合式電錶暫存器參數規劃表……….………39 表 3.4 風扇電流區間設定規劃表………...45 表 3.5 1BIT 屬性表欄位說明………...51 表 3.6 AI 屬性表欄位說明………...52 表 3.7 CO 屬性表欄位說明………...53 表 3.8 CA 屬性表欄位說明………...53 表 3.9 Record 屬性表欄位說明………...54 表 3.10 報表建立應用程式功能概述………...57 表 4.1 傳統風扇組運轉條件及耗能表現………...65 表 4.2 節能風扇組運轉條件及耗能表現………...65 表 4.3 系統節能效益估計歸納統整表………...73第一章 緒論
1.1 研究背景與目標 在電力系統上，電力變壓器一直是發電廠和變電所最重視的設備之一，系統 上有著大大小小的變壓器裝置於系統中，是位居輸配電系統的核心，其運轉穩定 正常與否，是供電可靠關鍵的環節。隨著用電負載攀升，變壓器開始運轉後，內 部之絕緣材料及絕緣油會因為外部環境、內部電氣和熱影響，導致絕緣能力劣化， 因而發生故障。甚至會導致變壓器損毀，導致電力中斷，嚴重影響整個電力系統， 所以中大型容量的電力變壓器其散熱問題也變成維運單位特別關注的議題。 超高壓變電所（E/S）、一次變電所（P/S）與配電變電所（D/S）之油浸式電力 變壓器，其絕緣油的散熱方式，目前以啟動油泵（Pump）將高溫之絕緣油帶出來， 流過散熱鰭片組成之小油管，藉由導熱性佳的散熱鰭片將油中的熱能傳導轉移至 散熱鰭片上，再利用風扇（Fan）組的氣冷方式將散熱鰭片上的高溫熱能，散耗至 空氣中，以降低絕緣油溫度以及油中氣體的濃度，確保變壓器絕緣油性能與絕緣 特性。再者，變壓器冷卻風扇組的控制方式係依照絕緣油的運轉溫度升降情形， 以開迴路分組溫控方式決定啟動或關閉的風扇組數。在重載時，油溫快速升高則 風扇全數啟動以加速散熱效果；另在輕載或冬季時，絕緣油溫度因溫升較少，且 室外溫度較低具備較有利的熱移轉條件，在現行的控制模式下，仍需固定啟動整 組較耗能的 3 台風扇，而無法減少風扇運轉數量。且在降低絕緣油油溫的首要目 標下，必須啟動風扇組運轉，因此將造成風扇組的過度耗能，亦有可能無法確切 掌握散耗油溫熱能所需的風扇耗能，致使風扇組無法有效降低油溫。 目前一次變電所主變壓器（Main-Transformer,MTR）其冷卻風扇組採行分組控時開始運轉，當油溫升高至 55℃（或 65℃）時即刻啟動第二組油泵及風扇組加強 散熱效果。就現行的控制模式而言，較多風扇的啟動能夠有效提高散熱鰭片對流 熱傳遞係數，故熱移轉效果較好。有鑑於此，研究變壓器在不同負載、不同季節 時，風扇耗能與油溫熱能移除的關聯性，以及應用變電所既有 RTU 設備來控制冷 卻風扇系統的散熱效果，期能以省能方式達成降溫的目標。 RTU 在 SCADA 系統中擔任末端站之工作，負責收集現場設備開關狀態及類 比量等資料，並將資料適當處理後，接受 SCADA 電腦命令傳回現場資訊。同時接 受電腦主機控制命令，對現場設備進行控制，達到電力系統的監視控制與資料收 集，與此廣泛應用於台電公司自動化控制工程中。隨著對節能減碳及兼顧可靠度 運行需求殷切之際，本文提出基於 RTU 的大型變壓器冷卻節能控制系統的節能策 略，並預期達成控制節能效益 20%為設定目標，有很重要的意義與實用價值。 1.2 文獻回顧 變電所主變壓器冷卻系統絕緣油熱循環的加熱以及冷卻流程相當複雜，因包 含油泵風扇電控模式技術以及散熱器使用材料設計技術，必須整合電機控制與熱 流傳導技術，而國外在探討主變壓器運轉技術的重點，主要包含主變壓器在不同 負載條件下的溫升估算，其估算方法有參考 IEEE standard C57.91-1995 的規範要求 [1,2,13]，以及變壓器運轉之熱能類比於電路元件之熱等效電路模型等推導[3,4]， 特別是在過載條件下的溫升變化，綜上所述這些方法所提出的模式較具理論價值， 鮮少見其實際應用之成果。 綜言之，國外主變壓器的研究範疇主要集中在變壓器維護與運轉上[5-12]，設 計製造廠商在節能技術的研發重點仍著重於變壓器的結構與材料上。至於在變壓 器的冷卻系統上的節能技術則較少見。近年來中國大陸一些學者[14-17]，於 2004
年開始提出傳統大型循環風冷式變壓器自動控制裝置的研發與研究，及針對成本 和控制系統的穩定性來考量，主要還是包含可程式控制器（PLC）和應用微處理機 技術來實現冷卻系統節能控制策略。 國內多年來投入在主變壓器的節能偵測技術發展上尚屬起步階段，近年台電 嘉南供電區處，針對一次變電所主變壓器冷卻風扇與油泵的控制方式，提出利用 熱電元件、繼電器以及傳統電磁開關，進行分組分段控制，年節約率大致可獲得 8.9％的電能節省空間，這個節能結果，也開啟了台電供電單位對於節流問題的重 視[18]。 針對國內相關技術研發現況可以得知[19]，設計與發展一套變電所主變壓器節 能監控系統，整合了遠端監控技術、變頻控制技術以及應用可程式控制器結合專 家系統經驗控制技術，建立具分段控制與變頻控制功能的多功能節能裝置，此技 術提昇變電所冷卻系統油溫熱散耗效果，且符合台電主變壓器運轉操作規則，也 為建立本土線上監測以及節能冷卻控制，迎頭趕上國外的發展與潮流。 再者，近年台電高屏供電區處，針對變電所匯流排電壓異常預防，提出應用 RTU 實現控制 OLTC 短時間密集操作告警程式，提升供電可靠度[20]。在台電公司 經營策略下，為了不增加額外建置成本，針對變壓器節能應用既有運轉中之 RTU 作為控制，以符合降低成本及節能減碳為長期的營運目標。
1.3 研究方法及步驟
如圖 1.1 為本研究的工作流程圖，透過專家學者與現場人員的經驗勘查，配合 理論文獻與實務分析的相互結合與驗證，設計一套符合現場操作及維護需求的變 壓器節能冷卻控制系統。透過這套系統的實測運轉並與傳統舊式設計進行運轉性 能對照比較，來量化節能成效。
研究需求 蒐集相關文獻 節能控制系統建置研究 文獻研究 實務分析 程式設計 硬體配置 整合測試 是否正常 設計施工技術 維護管理技術 功能制定與討論 確認系統架構 安裝系統 測試∕資料收集∕成效分析 是否符合預 期目標及功 報告與結論撰寫 系統修正 Yes No Yes No 專家學者與 現場人員意見
本研究以台電供電區營運處 A 超高壓變電所（以下簡稱 A 所）主變壓器為對 象，基於成本及維護技術的考量為前提，提出應用既有運轉中之 RTU 作為控制系 統軟硬體的核心，配合電磁開關等元件的使用，組成了冷卻風扇分組分段的節能 冷卻控制系統。針對變壓器節能控制系統主要設計概念，依照下列分項敘述： (1) 變壓器冷卻風扇分組分段控制 RTU 控制輸出點（CO）包含每組風扇組第二及第三顆風扇的運轉致能，分組 分段控制其主要在絕緣油溫達到所設定的啟動（關閉）條件下，即控制啟動（關 閉）每組冷卻風扇群中的冷卻風扇，以達成冷卻系統之節能效果。擷取與 SCADA 相同的油溫訊號作為油溫設定，如此將可有效節省熱電元件的數量。 (2) 解聯機制 本研究所提出的解聯機制為手動解聯，變壓器現行運轉模式，當油溫溫升至 65℃時，會有油溫過高警報，再者於程式中增加節能運轉風扇故障告警，以告知 現場維護人員查看，如有狀況可以隨時以手動解聯方式，恢復原冷卻風扇運轉控 制模式，以確保變壓器的安全運轉。所以在分組分段控制模式下運轉的冷卻系統， 其原有的變壓器保護電路，仍需正常工作。 (3) 通訊、資料庫及人機介面報表之增設 現場於變壓器實驗組（#3 MTR）及對照組（#2 MTR）各增設集合式電錶接收 現場數據資料，RTU 增設通訊介面卡（CM Card）與集合式電錶連線，隨即將變 壓器現場即時量測之數據寫入 SQL Server 資料庫。本研究與既有 SCADA 系統結 合，伺服主機及圖控主機增設資料庫，主要規劃報表產生功能及變壓器警報訊息 監視功能。報表產生功能則是可以透過軟體的幫助來對資料庫進行歷史資料檢索， 主要功能為抓取使用者想檢視的資料，並將資料以 Excel 表格方式呈現，以便製作 報表。警報訊息監視功能則是風扇運轉狀態及故障告警等資訊呈現。
1-4 論文內容概述 本論文共分為五章，各章內容概述如下： 第一章 緒論 本章分別描述論文的研究背景及目標，參考國內外研究文獻資料，並且對研 究方法及步驟提出說明。 第二章 理論及基礎 此章節針對油浸式電力變壓器構成與冷卻方式來做介紹，並說明現今 A 所主 變壓器冷卻系統的架構及冷卻系統控制迴路設計與操作方式，最後概述本研究輔 助應用之資訊末端設備。 第三章 主變壓器節能冷卻系統建置 詳細說明主變壓器節能冷卻系統迴路設計之理念，並提出冷卻系統分組分段 控制策略。詳細介紹節能系統的硬體配置與功能規劃，依據控制策略規劃系統資 料庫及輔助應用 RTU Ladder 程式，經由功能測試驗證系統整合與節能效益。 第四章 系統節能效益分析 將節能模式運作時的特性及狀態進行分析說明；針對系統所達成的節能效益 估算方法說明並以量化值呈現。 第五章 結論與未來展望 總結本論文之研究結果，並對未來提出研究方向與建議。
第二章、理論及基礎
2.1 油浸式電力變壓器構成及冷卻方式 油浸式電力變壓器主要是由構體、磁性、電性、絕緣等四大部份所組成，如 圖 2.1。構體部份由箱體外殼、上蓋及夾件所組成，以容納變壓器本體並裝滿絕緣 油，並防止外面濕氣與水侵入。磁性部份主要是鐵心，提供磁道流通以產生電壓。 電性部份是由繞組線圈及有載分接頭切換器組成，高壓繞組產生主磁道，並於低 壓繞組感應二次側電壓，另隨負載的增減為維持穩定的電壓品質藉由有載分接頭 切換器（OLTC）來調整最合適的輸出電壓。絕緣部份則有高壓套管、低壓套管與 絕緣油等，套管是做為一次側、二次側線圈與引接系統電源對地的有效絕緣，絕 緣油為帶電部位與外殼或相間的絕緣，另配合冷卻系統的運作將變壓器心體所產 生的熱，傳導出來並冷卻，以增加線圈的使用壽命[21]。 (1) 鐵心 鐵心是構成變壓器磁道通路的主要元件，依與繞組的配置情況可分為內鐵型 與外鐵型，本文使用的變壓器之鐵心為內鐵型結構，直立之鐵心分別套裝高、低 壓側繞組，一般為便於絕緣，低壓繞組皆靠近鐵心，而高壓繞組再套於低壓繞組 之外側。鐵心構造則為積鐵心型，積鐵心型的鐵心係使用導磁率很高的矽鋼片裁 剪成長條型疊積組合而成，其接縫部位的磁路呈彎曲狀關係，會使鐵損增加，一 般電力變壓器的鐵心製造，皆採用此型。圖 2.1 油浸式電力變壓器構造圖[21] (2) 繞組 當變壓器一次側繞組接於電源時，一次側線圈產生激磁電流，而產生的磁道經由 鐵心磁路於二次側繞組感應出電壓。變壓器繞組依容量大小、電壓、電流、冷卻 與所需短路故障電磁應力等不同而有些差異，但基本上它是由絕緣導線經繞線機 繞製而成，每繞一層即置於一層絕緣紙絕緣，大型變壓器使用角線或扁平銅線製 成。通常大型變壓器的繞組電流甚大，如使用太粗的導體，不僅捲繞困難且導體
高導體的佔積率。繞組內部採用導油構造，絕緣油均勻流經繞組各部位，可降低 最熱點溫度，絕緣壽命長。另外，要避免變壓器在運轉中繞組受潮、受突波、高 電壓及過電流，使繞組絕緣受到損傷並導致劣化而引發故障，另由於變壓器箱體 密封不良，出現漏油，使油箱內油量減少，油面下降，繞組露出油面，外界空氣、 濕氣侵入本體內使繞組及絕緣油受潮、絕緣電阻下降等，此將導致繞組局部放電、 及繞組間、匝層間、相間短路擊穿等現象，嚴重時甚至爆炸起火燃燒。 (3) 絕緣 變壓器在其服役運轉過程中，經常面對熱破壞、突波高電壓或短路大電流的 衝擊，為能使它能順利的運轉，全靠其各部份的絕緣材料發揮「絕緣」功能。故 為能使變壓器延年益壽。 a. 絕緣分類 本文之變壓器的鐵心、繞組、分接頭切換器以及他們所連絡的導線均裝在 注滿絕緣油的箱體內，而與電源引接的套管則分成兩部份，上部份固定在本體 上，下半部則置於箱體內，所以變壓器的絕緣可分為內絕緣與外絕緣。而內絕 緣又可分為主絕緣與匝層絕緣。主絕緣係指繞組及包括與繞組連接具有帶電的 引線、分接頭切換器、電容屏蔽等對變壓器箱體外殼的絕緣，亦即繞組對鐵心 接地部位、箱體及相鄰不同相繞組之絕緣。另匝層絕緣是指繞組具有不同電位 的不同點和不同部位間的絕緣，亦即繞組匝間、層間或電容遮蔽間的絕緣。 b. 絕緣油 絕緣油主要的功能除了內部所需的絕緣外，並冷卻繞組鐵心運轉中所產生 的熱，變壓器絕緣油應有之特性如電氣絕緣性高（破壞電壓及絕緣電阻高）、 良好的冷卻能力、不易氧化、耐高溫不易熱劣化、高閃火點及低流動點以及化 學性穩定不腐蝕變壓器內部構材等。
變壓器絕緣油在長期的使用中會被溶解，油中由外界空氣、濕氣侵入的氧 逐漸氧化，雖油中有抗氧化劑，但這只能暫時延緩氧化，在高溫的摧化之下將 終究生成氧化物、有機酸、水和有機過氧化合物。這些氧化物溶於油中一部份 生成酸性，故油中酸價增高，另一部份是中性的但繼續劣化，油色變深且粘度 增大，並生成沈澱物如油垢。油劣化通常的現象是油色變成深褐色，油的黏度、 酸價、沈澱物增大，導致絕緣油絕緣性能降低。決定絕緣油氧化最大的因素是 空氣中的氧，而溫度是催化。故防制氧化所需的防止裝罝是需要的。 (4) 油浸式電力變壓器冷卻方式 變壓器的冷卻方式大致上可分為三大類如圖 2.2，分別為乾式和油浸式與氣體 冷卻式，因本文所研究的 A 所變壓器所使用的冷卻方式為油浸式，因此將分別介 紹油浸式電力變壓器的冷卻方式[22]。 變壓器冷卻方式 乾式 氣體冷卻式 油浸式 自 冷 式 風 冷 式 自 然 循 環 式 強 制 循 環 式 油 浸 自 冷 油 浸 風 冷 送 油 風 冷 送 油 自 冷 送 油 水 冷
a. 油浸自冷式 散熱器直接安裝在變壓器外殼的周圍，利用油自然對流、輻射和空氣對流 的方式來散熱，採用自冷式的限制，其容量大約在數萬 kVA 以內，且外形尺 寸較大，但保養較簡單。 b. 油浸風冷式 在油浸自冷式散熱器的側面裝置風扇，利用風扇的運轉，將冷空氣帶入， 熱空氣帶出，增加冷卻效果，風冷運轉時約可增加自冷時輸出容量的 20%~40%。 當輕載時採用自冷式運轉，重載時風扇才啟動，適合負載變動大的變壓器，或 油浸自冷式變壓器考慮增加容量時使用。 c. 送油自冷式 特別是對大型變壓器的噪音有要求時，採用防音外殼的構造或是散熱器採 用別置式的方式時，才採用送油自冷式。適合變壓器在屋內，散熱器在屋外的 場合，無法採用油自然循環的方式，利用油泵來強制讓油循環，達到冷卻的效 果。 d. 送油風冷式 送油風冷式最常使用在大型變壓器上，利用油泵強制讓油循環，其方式乃 採用冷卻管、風扇及油泵一體的方式來散熱，為了增加冷卻效果，在變壓器鐵 心及繞組內裝設有適當的導向油管，促使絕緣油流速增快，增加散熱效率。本 文所使用的油浸式電力變壓器冷卻方式亦是送油風冷式。 e. 送油水冷式 送油水冷式是將絕緣油送至箱外的水冷卻系統，利用其冷卻水管中的冷卻 水將熱帶走，其特點為效率佳、小型輕量，適合設置在冷卻水取得容易、設置 場所狹小的屋內。變壓器的內部冷卻構造和送油風冷式相同；地下變電所和水
力發電廠等經常使用本方式。 2.2 主變壓器冷卻系統架構 圖 2.3 所示為變壓器冷卻器送油風冷式構造圖，送油風冷式最常使用在大型變 壓器上，利用油泵強制讓油循環，其方式乃採用散熱鰭片、風扇、油泵、油流指 示器一體的方式來散熱。油泵將變壓器本體上部絕緣油自上管抽流出來再以較小 管徑的鐵管流通絕緣油，在經由熱傳係數較高的散熱鰭片導熱，並藉由風扇加速 對流效果，降溫後的絕緣油自下管回流至變壓器體內，完成油溫降熱的一次循環， 此降溫循環不斷的重複。 圖 2.4 所示為 A 所主變壓器冷卻器外觀。圖 2.5 中可清楚的看見其散熱鰭片以 直條細片的構造緊貼於小管徑的絕緣油管路上，已獲取較佳的導熱效果[23] 。圖 2.6 所示為傳統主變壓器的冷卻系統方塊示意圖，圖中所示共四組風扇與散熱鰭片 所組成的冷卻單元，此外位確保冷卻系統電源供應的穩定性，設計了兩組低壓電 源經由 ATS 自動轉換開關，以進行備用電源的切換。變壓器的絕緣油溫度以及繞 組溫度由其測溫電組與 CT 引接熱電偶元件方式，經由 A/I（Analog Input）轉換器 轉換成 0-1mA 的電流信號後，換算成等效的溫度作為控制室及調度中監視用；而 另一組油、線溫經由現場針盤溫度計控制冷卻風扇組的運轉控制以及溫升過高警 報用。
圖 2.3 變壓器冷卻器送油風冷式構造圖
圖 2.5 主變壓器冷卻器散熱鰭片外觀
2.3 主變壓器原冷卻系統線路設計及控制方式 如圖 2.7 為原主變壓器冷卻系統控制迴路設計[24]，除手動維護及停止模式外， 採用變壓器主電源ＣＢ投入及二級溫度（55℃及 65℃溫升級）電驛運作與否作為 啟動條件，提供自動(1)、自動(2)及自動(3)三種人工可操作設置模式。目前 A 所內 主變壓器採用 65℃溫升級油浸式變壓器設備，故依據現行台電公司變壓器操作章 則規定變壓器設備以油溫不得超過 90℃；線圈溫度不得超過 105℃作為警報設置 條件。 圖 2.7 原主變壓器冷卻系統控制迴路圖
目前A所主變壓器的冷卻系統為四組風扇，每組冷卻風扇內分別有三台風扇， 搭配現場每半個月對冷卻系統風扇組輪流切換使用，其控制策略如表2.1。如目前 為上半月，當變壓器加壓時，斷路器輔助接點動作，風扇組切換開關置於自動(1) 的第一、三組油泵與風扇組即刻開始運轉；當油溫升高至55℃時，即刻啟動風扇 組切換開關置於自動(2)的第二、四組油泵與風扇組。 表 2.1 A 所主變壓器冷卻風扇切換順序及控制策略 2.4 資訊末端設備 本文最主要的控制策略核心就是透過 RTU 撰寫的 Ladder 程式來實現，本小節 將針對 RTU 及 Ladder 程式略作說明與介紹[25-27]。 RTU是以微處理機為基礎之分散式資料收集和控制系統。在一般 SCADA 系 統中擔任末端站之工作，於現場主要之功能是不斷收集現場之類比和數位資料， 並將資料適當處理後，接受主控站（Master Station）電腦命令傳回收集之資料。同 風扇組切換 風扇組 開關 切換日期 自動 1 （變壓器加壓即 啟動） 自動 2 （油溫 55℃啟動 45℃關閉） 自動 3 （油溫 65℃啟動 55℃關閉） 1 ~ 15 第一組 風扇 Fan1 第二組 風扇 Fan4 暫不使用 Fan2 Fan5 Fan3 Fan6 第三組 風扇 Fan7 第四組 風扇 Fan10 Fan8 Fan11 Fan9 Fan12 15 ~ 30 第二、四組風扇 第一、三組風扇 暫不使用
Execution），以確保電力系統控制之正確性和安全性。其設備功能概略說明如下： (1) 資料收集（Data Acquisition）
RTU 具備不停的收集現場設備的數位和類比資料之能力，並儲存在RTU記憶 體內，隨時接受主電腦指示，將資料整理後傳回控制中心。變電所現場的訊號可 區分為數位輸入（Digital Input，DI）、類比輸入（Analog Input，AI）及累積輸入 （Accumulate，ACC）等類。數位輸入訊號表示設備的狀態，如斷路器的開/關、 電驛的動作或其他開關的啟/閉等狀態；類比資料是來自轉換器量測到不同的物理 量及運轉數值，如電流、電壓、瓦特、乏、溫度、變壓器分接頭位置等資料，測 量所得的數值都為當時之瞬時值；累積（Accumulate）訊號表示次數累積量，斷路 器動作次數及用電度數（如kWH、kVARH）。 (2) 設備控制（Control Output） 調度中心的監控主機下達控制指令，經由RTU獲得的控制指令準確無誤地執 行相關的控制動作，如對現場運轉設備下達操作投入/跳脫電氣設備（如CB、ABS、 DS）及使用/閉鎖保護電驛等設備，並將動作完成後的狀態訊號傳回調度中心，使 調度中心得以掌握電力系統設備的運轉狀態，達到穩定電網品質。 (3) 通訊功能（Communication Function）
RTU 有豐富的通訊功能，目前提供 Dual-CPU / Four-Port 應用，並可支援 CDC Type II & DNP 3.0 通訊協定，並可以 I/O CPU Card 方式擴充，每片 I/O CPU Card 提供 Dual Channel，能提供更多 Port 的應用。RTU 提供對上及對下等二種 通訊界面，對上的通訊埠或稱主站通訊埠（Host Port）用來連接監控主機；對下的 通訊埠或稱IED 埠（IED Port）用來連接智慧型電子裝置（Intelligent Electronic
Device，IED），如Digital Relay、PowerMeter 等。
RTU 提供可程式邏輯編寫功能（階梯圖Ladder），以執行可程式化邏輯及順序 處理流程，除此之外，還可以執行數學、布林、關係等運算，也提供數位及類比 虛擬點供數位及類比點運算或判斷之用。
階梯圖編輯程式（Ladder 程式）是附屬 RTU 的應用軟體，主要功用在於擴充 R2+ RTU 的軟體功能，使得 RTU 得以執行客制化功能。RTU 具有執行階梯圖指令 （LADDER PROGRAM）的能力，本程式提供 Ladder 程式的編輯、編譯、檔案核 對及管理，同時具有控制、監視、上傳、下載、清除等連線作業的功能。階梯圖 程式經由編輯及編譯的過程將客制化的軟體功能轉換為執行碼，然後再將其下載 至 RTU CPU Card 內執行，藉此 RTU 得以擴充軟體功能，增加其效益。本文應用 這項功能作為程式撰寫的工具，所運用指令之意義，內容如下所述：
（1）常開接點（Normally Open Contact，NOC）
此元件為常開接點符號，輸出結果受接點狀態改變。當裝置動作（接點
Closed / IO輸入有訊號）時（如DI-5之1-1為ON狀態），輸出狀態同輸入
狀態，亦即輸入為True時，輸出亦為True；反之，輸入為False時，輸出 亦為False。當裝置未動作（接點Opened / IO輸入無訊號）時（如DI-5之1-1為
OFF狀態），不論輸入狀態為何，輸出狀態皆為False。
（2）常閉接點（Normally Close Contact，NCC）
此元件為常閉接點，輸出結果受接點狀態改變。當裝置未動作（接點
Closed/IO輸入無訊號）時（如DI-5之1-2為OFF狀態），輸出狀態同輸入
狀態，亦即輸入為True時，輸出亦為True；反之，輸入為False時，輸出 亦為False。當裝置動作（接點Opened / IO輸入有訊號）時（如DI-5之1-2為ON
（3）激磁線圈（Coil Energize，COE） 本指令依用途可分為兩大類：CO 類：當輸入狀態為 True 時，輸出一 次 CO CLOSE 的控制 指令，必須等到輸入狀態改變時（False/True） 才會再輸出控制指令一次。 非 CO 類：當輸入狀態為 True 時，所指定的虛擬點被設定為 ON（記 憶體狀態為 0）。反之當輸入狀態為 False 時，則所指定的虛擬點被設定 為 OFF（記憶體狀態為 1）。 （4）非激磁線圈（Coil De-energize，COD） 本指令依用途可分為兩大類： CO類：當輸入狀態為True時，輸出一次 CO TRIP的控制指令，必須等到輸入狀態改變時（False/True）才會再 輸出控制指令一次。 非CO類：當輸入狀態為True時，所指定的虛擬點被設定為OFF （記憶 體狀態為1）。反之輸入狀態為False時，則所指定的虛擬點被設定為ON （記憶體狀態為0）。 （5）通電延遲時間電驛（On-Delay Timer，TON） TON動作時序圖如下所示： 當Enable為True時，Timer依照Time Base（TB）所設定的時間間隔開始計時， 若Enable一直維持於True狀態時，Timer會一直持續增加，直到等於預設值（PR） 時才停止，同時將輸出（D）設為ON。若Enable於時間尚未到達前變為False，
Timer便立即停止，等待另一次新的觸發。當Enable為False時，輸出設為OFF。
D輸出永遠與𝐷̅輸出相反。
（6）單次執行時間電驛（Single Shot Timer，TSS）
TSS動作時序圖如下所示： 當Enable為True時，Timer立即將輸出（D）設定為ON，並自AC起始值依Time Base所設定的時間間隔開始計時，直到等於預設值（PR）時才停止，同時將 輸出（D）設為OFF。在Timer計時期間將不理會Enable的狀態，直到計時完成 後再等待另一次新的觸發。 （7）資料搬移（Move，MOV） 當輸入為 True時，則將來源暫存器A的資料搬移至目地暫存器 B。 （8）資料比較（Compare，CMP） 當輸入 E 為 True 時，將兩個不同暫存器的數值進行比 較。當 A = B 則 Eq = E；當 A > B 則 G = E；當 A < B 則 L = E。
（9）系統時間（TIME） 取得RTU系統時間。 H：目地暫存器（時） M：目地暫存器（分） S：目地暫存器（秒） （10）時間開關（Time Switch ，TS） 於設定時間到達時，TS元件輸出 1分鐘True，其餘時間輸出 False（24小時制）。 H：來源暫存器（時） M：來源暫存器（分） （11）結束（END） 本指令用來表示使用者主程式結束的位址（亦即下一個被執行的頁碼 為1），本指令可位於使用者程式的任何位置。 RTU 提供不同型態的 I/O 界面，能符合現場不同設備之監視及控制的需求， 本文應用其輸出入界面單元可分為： (1) 類比輸入（AI）：各種轉換器用來量測電壓、電流、實虛功率、OLTC 位置及溫 度等數值，轉換器輸出之類比訊號（0~±1mA）接至 RTU 的 AI 模組，經類比 數位轉換將訊號轉換為數位訊號（0~±2000 count）再傳送至伺服器，最後將讀 值換算為工程值（V / A / W / Var / Tap / ℃）並顯示於人機介面上。 (2) 數位輸入（DI）：包括變電設備含輔機系統，如斷路器、空斷開關、隔離開關 及消防系統等之狀態、運轉監視警報以及保護電驛之閉鎖（或使用）狀態與動 作警報，自設備接點接至 RTU 的 DI 模組，經模組中的光耦合隔離取樣（0 或
1）再傳送至伺服器，轉換成狀態或警報（Close / Open、Use / Lock、On / Off、 Alarm / Normal）並將對應之符號顯示在人機介面。RTU 在數位輸入點狀態採 用負邏輯方式來表示 DI 點的狀態，即“0”表示 DI 點有電壓輸入（取樣接點閉 合）；“1”表示 DI 點無電壓輸入（取樣接點開啟）。 (3) 控制輸出（CO）：RTU 提供類比及數位的控制輸出達到遙控功能，類比輸出為 被選擇的點會依照主站下達的控制命令，輸出特定的類比訊號如電流或電壓； 數位輸出則是被選擇輸出點會依照主站下達的控制命令訊息，輸出特定的脈波 輸出。
(4) 通訊界面（Communication Card，CM）：透過 RTU 掛載的通訊界面卡（CM 卡）
提供的標準通訊埠（RS485），可介接外部通訊裝置，CM 卡具通訊協定轉換、 資料集中及控制的功能，其彈性的設定方式，可應用於不同的廠牌 IED 及 PM。 CM 卡可以連接多達 32 個的裝置，採用 Modbus 通訊協定與 IED 或 PM 通訊， 負責將資料集中後，轉換成 I/O 界面卡格式，透過內部通訊（R2 LIOC Protocol） 與 CPU 卡傳送資料，透過資料庫的規劃可以模擬成 4 片 AI 卡、1 片 DI 卡 1 片 ACC 卡及 1 片 CO 卡。
第三章、主變壓器節能冷卻系統建置
3.1 主變壓器節能冷卻系統線路設計及控制策略 (1) 節能冷卻系統線路設計 圖3.1為本研究新修改冷卻系統主迴路圖，因受控變壓器機組為供電核心，為 維持其散熱系統能妥適運作並降低故障風險，現地皆採用實體的傳統電力電驛取 代，圖中標示「紅色線」部分為各風扇組在風扇分段部份（如：Fan2~Fan3），在 各受電迴路上則透過串接MC（如：MC2~MC3）將各風扇負載由原操作模式下抽 離，由RTU內部輔助繼電器為決策的操控方式，達到個別操控的目標，而各FAN 運轉與否則油溫度條件來決定，此舉與北港現行實施的分組多段控制方式相同。 再者，每組第一顆風扇及油泵（如：Fan1、Pump1）受控於原線路設計，即斷路器 投入時（52X動作），置於“自動1”之風扇組則啟動運轉。圖3.2為本研究新修改 冷卻系統控制迴路圖，圖中標示「紅色線」部分為本案新增及修改的控制設計線 路。特規劃在變壓器現場附件箱盤面上提供一組手動搖頭開關（sw），可將運轉 模式在節能模式與既有模式中進行切換，透過電路的設計來實現之，直至手動解 聯成立才中斷節能模式。再者，節能模式運轉時也會在盤面上提供標示指引，可 提供維護人員知悉用。 圖3.3為本案新增盤面實體端子接線圖，新增的#3MTR節能系統控制盤面則安 置於原先既有之#3MTR冷卻控制附件箱內，並引接既有冷卻控制附件箱中主迴路 及控制迴路來實現#3MTR的節能控制策略。而施工配線部份則會依照圖例中設計 的線路接引標號清楚標示，以利後續本系統維護與線路追查使用。備註：
1. 紅色虛線部分為增設主電源迴路，其線徑採用 3.5mm2規格，引接處以線號套管標示。 2. 分組分段由 RTU 溫控接點控制電磁開關 MC C-2(5)(8)(11)及 MC C-3(6)(9)(12)迴路。 3. 集合式電錶裝設在主電源迴路 NFB(52M)一次側處，對照組#2MTR 之裝設位置亦相同。
圖 3.2 主變壓器節能冷卻系統控制迴路圖 備註： 1. 紅色部分為增設修改之控制迴路，其線徑採用 2.0mm2規格，引接處以線號套管標示。 2. C-2(5)(8)(11)及 C-3(6)(9)(12)為分組分段電磁開關之線圈。 3. Ra~Rd 為手動解聯輔助電驛。 4. R1 為油溫 45℃啟動 43℃關閉之閂鎖電驛；R2 為油溫 48℃啟動 46℃關閉之閂鎖電驛。 5. R3、R4 為備用之閂鎖電驛。
為確實瞭解本案節能系統實體運作效益，在系統耗電量紀錄監測部份，則將 集合式電錶將規劃安裝於主迴路上，透過本體提供的 RS485 標準通訊介面再收集 回 RTU 中。如圖 3.4 則為 RTU 盤實體端子接線圖，而 RS485 讀表的 4C 通訊線路 透過併接#3MTR 和#2MTR 的集合式電錶至 RTU CM 卡，是負責量測系統耗能資 訊的集合式電錶群。 圖 3.4 RTU 盤實體端子接線圖 備註： 1. CO 卡：2R11M-T7,C7~T8,C8 為 RTU 4p Relay Module 端子板編號。 2. DI 卡：7D-4-CH30~31 為 RTU DI Driver Board 端子板編號。
(2) 節能冷卻系統控制策略 如圖 3.5 所示為節能冷卻系統分組分段控制系統，在分組分段節能模式的運作 規劃，其原理主要於各受控迴路上串接主控制迴路的控制接點來將各級負載迴路 進行分段分組。各控制接點的導通與否端賴預先設定好的各級不同溫度 ON / OFF 運作條件來決定，其比較的基準就是利用類比輸入（AI）卡收集來的油溫資訊當 作參考來源，經 RTU Ladder 程式判斷輸出控制風扇分段。而每組第一顆風扇及油 泵（如：Fan1、Pump1）受控於原線路設計，即斷路器投入時（52X 動作），置於 “自動 1”之風扇組則啟動運轉。再者，置於“自動 2”之風扇組啟動運轉條件， 受控於原設計，即針盤油溫度計之控制 如表 3.1 為 A 所冷卻風扇切換順序，維護人員定期手動輪切冷卻風扇組，各 組風扇運轉狀態如表中所示。如下圖 3.6 為分組分段控制程式流程圖。由圖中可看 出，溫控 ON/OFF 各迴路以溫度操作設定界線可區分為三種輸出狀態，包含一種
為轉態由 OFF 變 ON，一種由轉態 ON 變成 OFF 及維持原運作狀態（不轉態）。當
選擇了分組分段模式運作時，程式除了風扇切換開關置於“自動 1”風扇組（第一 ~ 四組）的油泵及風扇 Fan-1(4)(7)(10)負載常 ON 運轉外，會同時不斷地進行各迴 路段溫度條件比對，當檢核之設定比對溫度條件成立時則會開始運作個別的計時 器計數（現行暫規劃為 30Sec），確認當前條件是穩定成立才進行決策輸出。以先 前北港系統實際控制案例為參考範本，目前初期規劃預設採每段 3℃等距分級啟動 一組，停止也採每級減 3℃當運作條件準則，而此部份可依據現地實際運轉需求進 行溫控條件的準則修改。
圖 3.5 變壓器節能冷卻系統分組分段控制系統圖 表 3.1 A 所主變壓器冷卻風扇切換順序及節能控制策略 日期 風扇組切換開關 1 ~ 15 15 ~ 30 自動 1 第一組 風扇 第三組 風扇 第二組 風扇 第四組 風扇
變壓器加壓即啟動 Fan1 Fan7 Fan4 Fan10
油溫 45℃啟動
43℃關閉 Fan2 Fan8 Fan5 Fan11
油溫 48℃啟動
46℃關閉 Fan3 Fan9 Fan6 Fan12
自動 2（油溫 55℃啟動 45℃關閉） 第二、四組風扇 第一、三組風扇 自動 3（油溫 65℃啟動 55℃關閉） 暫不使用 暫不使用
斷路器 投入 ON OFF Fan-3(6)(9)(12) ON 初始化狀態 開始 油溫 AI>48℃ No TC22 啟動 計時 30s Fan-2(5)(8)(11) OFF TC23 啟動 計時 30s 油溫 AI<43℃ Fan-2(5)(8)(11) ON 油溫 AI>45℃ TC21 啟動 計時 30s TC24 啟動 計時 30s 油溫 AI<46℃ Yes No Yes No Yes No Yes No Yes No Yes No Yes No Yes
3.2 硬體配置與功能規劃 圖 3.7 為本研究於 A 所裝設之變壓器節能冷卻控制系統實體架構，本系統規 劃於變壓器附件箱裝設一個控制盤，考量成本及同時在不影響既有 A 所運行可靠 度條件下，以原有之線路方式來實現。 345kV 控制室既有 Server 監控主機和 161kV 控制室 RTU，Server 監控主機透 過數據線路與 RTU 設備作通訊，並提供圖控主機人機介面的顯示。 RTU 主要負責兩大部份：其一為收集對照組#2MTR 和實驗組#3MTR 油溫與 二次側線溫的類比信號，即時監測現地受控變壓器設備的溫度變化，其二為分組 分段控制模式下，透過 RTU 內置的 CO 卡下達控制信號將各組 FAN 依照溫度的等 級分組分段實施 ON/OFF 操作。再者，本研究設計選用 A 所#3MTR 當實驗組， #2MTR 作為對照組，為分析後續安裝系統比對兩組前後節能效果差異，將分別於 對照組與實驗組上安裝集合式電錶量測散熱系統的耗電量作為參考。安裝於變壓 器的集合式電錶則透過 RS-485 架構與標準 Modbus 通訊協定方式將用電資訊回傳 至 RTU 內儲存並記錄，透過 RTU 的 CM 卡負責收集變壓器散熱系統總耗電的工 作。為兼顧現行既有系統運轉可靠度與安全性，同時顧及現場為護人員解聯操作 之方便性，特於附件箱內也規劃一組手動操作開關提供解聯功能。 圖 3.8 為節能控制系統整體運作控制方塊圖。由圖中可以得知，本案主要的控 制核心為 RTU 設備。當節能運轉模式被設定運作時（sw_ON），分組分段模式則 採 RTU 內置的實體接點驅動電磁開關元件來作為決策條件。現行 A 所之主變壓器 機組風扇都採行 65℃溫升級的操作運轉章程，且變壓器負載特性下之油溫全年均 在 40~50℃間，故分組分段模式在本案中規劃設計由 45℃開始每級 3℃變化當每級 啟動條件，每級降 3℃當作停止條件。再者，透過回傳的變壓器油溫與線溫對#3MTR 溫升變化作即時監控，以作為判定在節能模式操作下，各級冷卻風扇運轉條件是 否滿足的依據，來改變風扇的運轉數量，以達到更佳的節能目標。未來實測時， 則會針對實際運轉狀態調整最適的運轉控制條件，而此部份可藉由軟體操作方式 隨時修改，機動性高。
2/4 Wire 【DNP 3.0 protocol】 主迴路 2/4 Wire 【RS-485】 主變壓器風扇組 節能控制盤 集合式電錶 161kV 控制室 RTU 345kV 控制室 控制迴路 【DI、CO】
RTU 盤 Local SCADA
圖 3.8 節能控制系統運作控制方塊圖 一般模式 節能模式 風扇運轉 模式選擇 RTU Ladder Program 分組分段模式 針盤溫度計 (油溫) 自動(1) 自動(2) 自動(3) 手動解聯 OFF 手動解聯 ON Fan-1(4)(7)(10) ON：CB 投入 OFF：CB 啟斷 Fan-2(5)(8)(11) ON：45℃ OFF：43℃ Fan-3(6)(9)(12) ON：48℃ OFF：46℃ Fan-1、2、3 (Fan-4、5、6) (Fan-7、8、9) (Fan-10、11、12) ON：55℃ OFF：50℃ Fan-1、2、3 (Fan-4、5、6) (Fan-7、8、9) (Fan-10、11、12) ON：65℃ OFF：60℃ 斷路器投入 Fan-1、2、3 (Fan-4、5、6) (Fan-7、8、9) (Fan-10、11、12) ON：CB 投入 OFF：CB 啟斷 自動(1) 既設控制電路
圖 3.9 為#3MTR 現地既有之變壓器附件箱體，右圖為箱體開啟狀態，為力求 成本考量及配線簡化，將節能系統控制盤面設計裝設於附件箱體內，不另增設箱 體。如圖 3.10 所示，左圖為節能系統控制盤面裝設位置，右圖為節能系統控制盤 面，配線壓接端子並予與線號標示，方便控制設備的查修與確認，將相關的控制 圖面資料放置於附件箱內方便維護人員查詢用，圖 3.11 為集合式電錶裝設的實體 圖。 圖 3.9 #3MTR 之變壓器附件箱體
圖 3.10 附件箱節能冷卻系統控制盤面裝設位置 圖 3.11 集合式電錶裝設實體圖 3.3 節能系統資料庫規劃與 RTU Ladder 程式設計 接續前小節所述的控制線路設計與功能規劃內容，並對節能冷卻系統增設相 關資料庫略作說明，而本研究最主要的控制策略核心就是透過 RTU 撰寫的 Ladder 程式來實現，本小節將針對 Ladder 程式撰寫的階梯程式設計內容進行簡要說明。
(1) 節能系統資料庫增設
表 3.2 為本研究規劃的 I/O Table 表，分別為 AI 點、CO 點及 DI 點，透過此 表的規劃可作為後續後端人機介面存取的資料庫來源與規範，定義好各 I/O 的類 別和規劃相關的存放區也將有利於後端人機介面和前端 RTU 控制程式的偵錯與檢 查。
圖 3.12 為 RTU 測試模擬器（TestSet）軟體規劃 RTU 資料庫的畫面範例，透 過 TestSet 與 RTU 的溝通，來建立 RTU 之資料庫並可載入（Download）到 RTU， 做為系統邏輯、實體資料轉換之依據及系統組成之設定。於本研究中，透過規劃 好的 I/O Table 表之資料（即 AI 點、CO 點及 DI 點）建立於 TestSet 資料庫編輯中 的 Analog Input、Control Output 及 Binary Input，即可完成規劃。如圖 3.13 為 TestSet 建立 Analog Input 部分，則須配合下述之 CM 卡讀取集合式電錶暫存器參數規劃表 定義之。
圖 3.13 TestSet 定義 Analog Input 畫面範例 如表 3.3 為 CM 卡讀取 PM6710 集合式電表暫存器參數的規劃表，配合 I/O Table 的區域規劃將所要讀取集合式電錶的電力參數放置到對應的記憶體區塊中 儲放。 表 3.3 CM 卡讀取集合式電錶暫存器參數規劃表 如下圖 3.14 為使用 RTU CM 卡和集合式電錶進行讀錶的架構。透過 RTU 掛
究即透過此單元利用 cmR2KNet 軟體進行通訊協定與通訊埠的設定，來實現讀取 具備 Modbus 協定的 2 只集合式電錶的內存資訊（電錶讀取電力參數），並回傳至 RTU。
圖 3.15 為 利 用 cmR2KNet 軟 體 設 定 通 訊 協 定 的 畫 面 範 例 ， 透 過 定 義 Communication Port、Link Device Address、Link Device Database 和 AI Database 等 程序，即可完成通訊的規劃。以本研究為例，通訊設備為支援標準 Modbus 協定的 集合式電錶群，故 Communication Port 要規劃成該 Modbus 格式才能獲取正確的 Response 訊息資料。 圖 3.14 RTU CM 卡和集合式電錶讀錶架構 Scan Table 1 & 2 Comm. Port Con圖 AI Table User Map DI Table ACC Table CO Table AI Card #1 AI Card #2 AI Card #3 AI Card #4 DI Card ACC Card CO Card PM #1 Scan Table 1 & 2 Comm. Port Con圖 User Map PM #32 Device #1 Device #32 CM Card
圖 3.15 cmR2KNet 軟體設定通訊協定畫面範例
(2) RTU Ladder 程式設計
如圖 3.16 為 RTU Ladder 程式設計規劃畫面範例，階梯程式共分為三個程 序段組成：包含分組分段控制、風扇時控運轉及風扇異常告警等程序。
圖 3.16 RTU Ladder 程式設計規劃畫面範例 圖 3.17 為分組分段節能控制段階梯圖，其控制程式主要包含溫度比對和風扇 控制兩個程序段，而控制策略原理在前述 3.1 小節也已探討過，故在此不再贅述。 由溫度分級 ON/OFF 控制各迴路風扇區分為溫度上位（限）和下位（限）判斷兩 部份，分別由比較指令搭配 TIMER 延遲計數指令組成，藉由判斷 AI 讀入的油溫 值是否大於或小於上/下限預先設定好的操作溫度（例如：Fan2 油溫需滿足 45℃
才啟動，43℃才停止）來決定。TIMER 動作的延遲緩衝計數作用除可避免風扇暫 態疑慮外，也可確保系統不會因接近臨界值而瞬間誤操作，目前初始的各級計數 值都先預設為 30sec，未來可依據實際需求進行調適變更至較佳值。 在本研究中之控制策略原理下，風扇可能因溫度關係（如冬季或無載運轉） 而長時間沒運轉，為避免風扇馬達長時間處於停止狀態，故於程式上規劃一風扇 定時運轉。圖 3.18 為風扇時控運轉階梯圖，在 MTR 一次側斷路器投入狀態下，於 設定時間下運轉 5 分鐘，目前定時數值都先預設時間為 17：10，未來可依據實際 需求進行調整變更。 因本研究中僅作風扇群的節能控制並無將風扇運轉信號實際拉引回後端監控 系統進行監測管理。換言之，現行人機介面上顯示的風扇運轉狀態僅為風扇控制 電驛的運作狀態，無法代表實際的風扇運轉信號，故無法得知現地風扇或散熱系 統控制迴路在運作上是否有異常。在不花費硬體建置成本的考量上，配合現場維 護人員管理上的需求，本案採用 RTU 程式來區分相風扇群各種可能運轉型態時正 常散熱風扇負載電流的運轉界線，超出界線則提示該風扇組可能有異常之告警， 警示維護人員到場查修。如下表 3.4 所示，為分組分段模式下風扇電流區間設定規 劃表，藉由電表收集到的三相即時負載電流進行比對（預設連續 30sec），來診斷 現在的各相風扇負載迴路運轉電流是否有異。 圖 3.19 為風扇異常告警階梯圖，首先判定風扇分段下依照實際運轉電流值比 對區間電流的數值，判定是否落於區間電流值之下，如是則進行異常提示信號的 輸出提醒維護人員進行現場的確認與檢修。
圖 3.17 分組分段節能控制段階梯圖 油溫 45℃ =750count 啟動 Fan2(5)(8)(11) 油溫 43℃ =717count 停止 Fan2(5)(8)(11) 油溫 48℃ =800count 啟動 Fan3(6)(9)(12) 油溫 46℃ =767count 停止 Fan3(6)(9)(12)
圖 3.18 風扇時控運轉階梯圖 表 3.4 風扇電流區間設定規劃表 風扇運轉段數 風扇運轉條件 啟動油泵及 風扇數 正常電流 設定區間 第一段 （自動 1） 第 1 段 變壓器加壓後 常 ON 油泵×2 風扇×2 約 24A 20A 第 2 段 油溫 45℃ON 43℃OFF 油泵×2 風扇×4 約 32A 28A 第 3 段 油溫 48℃ON 46℃OFF 油泵×2 風扇×6 約 40A 36A
圖 3.19 風扇異常告警階梯圖 20A=400 count 28A=560 count 36A=720 count
3.4 系統整合與測試 本文在前端採用 RTU 作為控制核心，後端的監控人機(伺服器端)之架構如圖 3.20 所示，通訊前端處理器以 DNP3.0 over TCP/IP 或 DNP3.0 通訊協定負責對下層 RTU 設備收集資訊，並提供伺服主機資料儲存與圖控主機人機介面的顯示。軟體 運作為 SCADA 應用軟體（HCP SCADA），整個系統是由各種不同功能的應用軟 體分工組合而成，中文作業系統採用 Wimdows XP 是整個應用軟體之核心，主要 的應用程式區分為電力監控離線應用程式、連線應用程式及通訊前端處理器應用 程式三大部分，如圖 3.21 所示[28]。 (1) 電力監控離線應用程式功能 離線作業應用程式主要功能在提供使用者建立資料庫、單線圖及監控表格、報表 設定、系統組態以及趨勢圖設定等在系統連線運轉時所需的一切資料。 (2) 電力監控連線應用程式功能 在 SCADA 裡，連線作業應用程式是基於離線作業所產生的資料庫、系統組態等對 所遙控的 RTUs 進行監視、控制、資料儲存及列印。並提供良好之人機介面，讓使 用者能輕鬆掌控電力系統運轉資訊 (3) 通訊前端處理器應用程式 其應用程式主要功能負責對下層 RTU 設備收集資訊，並提供通訊埠規劃、資料庫 規劃、系統主站資料庫規劃及 RTU 資料庫規劃等。 以下針對本研究應用到之軟體，以及資料庫之建立來詳加說明：
圖 3.20 A 所系統硬體架構圖 伺服主機一
A 所 Local SCADA 系統
前端處理器 A 通訊協定轉換器/數據機 線 路 自 動 切 換 器 H D/S #10 GPS HUB #1 A-1 E/S #1 報表 印表機 事件 印表機 伺服主機二 HUB #2 前端處理器 B DNP 3.0 Protocol 圖控主機一 圖控主機二 A-2 D/S #2 A-3 P/S #3 B D/S #4 C D/S #5 D D/S #6 E D/S #7 前端處理器 A1： 192.168.3.11 前端處理器 A2： 192.168.3.12 前端處理器 A3： 192.168.3.13 前端處理器 B1： 192.168.3.31 前端處理器 B2： 192.168.3.32 前端處理器 B3： 192.168.3.33 Node2 192.168.1.102 Node4 192.168.1.104 CL02 192.168.1.103 CL01 192.168.1.101 G D/S #9 F C/S #8Viewer 應用程式 Trend 應用程式 SOE 應用程式 Report 應用程式 TCP/IP 伺服程式 I/O Server 伺服程式 * IPC 主機 通訊前端處理 應用程式 網路 驅動程式 * 智慧型串列通訊卡 * Ethernet * Token Ring * Serial * NetBIOS * TCP/IP Other Computers RTUs 中文作業系統 Windows XP 輸出入伺服程式 I/O Server 網路伺服程式 TCP/IP Server On-Line Power SCADA 電力監控連線應用程式 * WindowViewer 應用程式 * SOE 應用程式 * Report 應用程式 * Trend 應用程式 * WindowMaker 應用程式 * 離線編輯應用程式
系統提供資料庫管理程式，讓使用者來建立、修改、產生其監視下的電力系
統設備資料庫，如監視點設備名稱、種類、相關參數（工程值的轉換）、警報種類
/等級/現值或狀態等。此資料庫是一切應用程式操作的參考基準，為了讓使用者方 便查詢其資料庫內容，如圖 3.22 所示為使用 Microsoft Access 軟體作為資料庫的建 立與修改等，再透過 HcDnpITCL.exe 與 HcDnpITSvr.exe 資料庫轉換程式，係將 Access 建立之資料庫檔案（HCDNPIT.mdb）轉換為 DDE 型態資料，即產生 Table 資料夾及 HCDNPIT.csv 等檔案。進入 InTouch 執行資料庫上載，即將 Table 資料夾 及 HCDNPIT.csv 等檔案 DBLoad 至 InTouch，以供點名稱（TagName）資料用，最 後再更新其他圖控及伺服主機。如 Access 資料庫點名稱定義若有錯誤，在執行資 料庫上載後，於 WWLogger 視窗會顯示錯誤訊息，可利用來除錯（Debug）
圖 3.22 Microsoft Access 資料庫軟體與資料庫轉換程式
目前建置的資料庫系統內資料表的定義如下圖 3.23 所示。透過各屬性資料表 的資料收集，提供整體人機監控功能的實現。圖中為本研究規劃中有關系統資料 庫新增之屬性表組成，有 1-Bit DI、AI、CO、CA（累積點）及 Record（報表記錄 點）共有 5 個屬性表，分別為表 3.5 至表 3.9
圖 3.23 Access 資料庫建立與修改之項目 表 3.5 1BIT 屬性表欄位說明 1BIT 屬性表 欄位 描述 PointID 資料點序號(必需惟一)目前採(所別號碼)*100000+(DNP Index) Station 所別名稱 OPGroup 定義警報群組 PointName 設備檔位名稱 StationID 所別名稱 ID
Index 該 RTU DI 取量點之 DNP Index
LRTU 使用”CDC TYPE2”時需設定 SEQ 使用”CDC TYPE2”時需設定 BIT 使用”CDC TYPE2”時需設定 InitialDisc 定義正常初始狀態 OffMsg ”0”之狀態訊息 OnMsg ”1”之狀態訊息
AlarmState 定義異常警報狀態(通常與 Initial Disc 定義相反)若定義 none 表
不發送警報。 AlarmGroup 定義警報群組 AlarmPri 定義警報優先權值(100:重警報、400:次警報、700:輕警報) AlarmType 定義警報類別(重警報、次警報、輕警報) CI 此點是否計數 SOE 是否為 SOE 點
表 3.6 AI 屬性表欄位說明 AI 屬性表 欄位 描述 PointID 料點序號(必需惟一)目前採(所別號碼)*100000+(DNP Index) Station 所別名稱 OPGroup 定義警報群組 PointName 設備檔位名稱 StationID 所別名稱 ID
Index 該 RTU DI 取量點之 DNP Index
InitialValue 類比點初始值
LoLoAlarmValue LoLo 警報設定值
LoAlarmValue Lo 警報設定值
HiAlarmValue Hi 警報設定值
HiHiAlarmValue HiHi 警報設定值
MinRaw RTU 傳送最小實際值(count 值)
MaxRaw RTU 傳送最大實際值(count 值)
MinEU 對應 MinRaw 之最小工程值
MaxEU 對應 MaxRaw 之最大工程值
LoLoAlarmState 設定 LoLoAlarm 是否發送警報訊息(on 發送、off 不發送)。
LoAlarmState 設定 LoAlarm 是否發送警報訊息(on 發送、off 不發送)。
HiAlarmState 設定 HiAlarm 是否發送警報訊息(on 發送、off 不發送)。
HiHiAlarmState 設定 HiHiAlarm 是否發送警報訊息(on 發送、off 不發送)。
AlarmGroup 定義警報群組 AlarmType 定義警報類別(重警報、次警報、輕警報) LoLoAlarmPri 定義警報優先權值(100:重警報、400:次警報、700:輕警報) LoAlarmPri 定義警報優先權值(100:重警報、400:次警報、700:輕警報) HiAlarmPri 定義警報優先權值(100:重警報、400:次警報、700:輕警報) HiHiAlarmPri 定義警報優先權值(100:重警報、400:次警報、700:輕警報) EngUnits 工程單位 ViewZero 視為”0”之最小 count 不感帶 Deadband 數值變化不感帶 AlarmValue Deadband 警報變化不感帶
表 3.7 CO 屬性表欄位說明 CO 屬性表 欄位 描述 PointID 資料點序號(必需惟一)目前採(所別號碼)*100000+(DNP Index) Station 所別名稱 OPGroup 定義警報群組 PointName 設備檔位名稱 StationID 所別名稱 ID
Index 該 RTU DI 取量點之 DNP Index
CloseOnTime 僅中興 RTU 須設定為 650，其餘設 0 TripOnTime 僅中興 RTU 須設定為 450，其餘設 0 表 3.8 CA 屬性表欄位說明 CA 屬性表 欄位 描述 PointID 資料點序號(必需惟一)目前採(所別號碼)*100000+(DNP Index) Station 所別名稱 OPGroup 定義警報群組 PointName 設備檔位名稱 InitialValue 初始值 MinValue 最小值 MaxValue 最大值 EngUnits 工程值單位 RetentiveValue 保留值 LoLoAlarmVal ue LoLo 警報設定值 LoAlarmValue Lo 警報設定值 HiAlarmValue Hi 警報設定值 HiHiAlarmVal ue HiHi 警報設定值 LoLoAlarmSta te
設定 LoLoAlarm 是否發送警報訊息(on 發送、off 不發送)。
LoAlarmState 設定 LoAlarm 是否發送警報訊息(on 發送、off 不發送)。
HiAlarmState 設定 HiAlarm 是否發送警報訊息(on 發送、off 不發送)。
HiAlarmPri 定義 Hi 警報優先權值(100:重警報、400:次警報、700:輕警報) HiHiAlarmPri 定義 HiHi 警報優先權值(100:重警報、400:次警報、700:輕警報) AlarmGroup 定義警報群組 AlarmType 定義警報類別(重警報、次警報、輕警報) 表 3.9 Record 屬性表欄位說明 Record 屬性表 欄位 描述 ID 流水編號 Type 類型 PointID 資料點序號(必需惟一)目前採(所別號碼)*100000+(DNP Index) Station 所別名稱 OPGroup 定義警報群組 PointName 設備檔位名稱 Attribute 屬性 Channel 通訊狀態顯示 Ref10_ID AI 10%參考值 Ref90_ID AI 90%參考值 MaxEu 最大工程值設定 如圖 3.24 為本研究節能冷卻系統資料庫之資料規劃，在新增新之資料點時， 可利用 Excel 程式來做資料處理；即可先 Copy 屬性表之資料點至 Excel 工作表做 修改，再 Copy 回屬性表，如此可省卻 Access 資料表每次只能新增一筆紀錄之不
便。（其餘屬性表如 1Bit、AI…等等亦如是），如圖 3.25 所示為 Access 建立 AI 資
