农业电气化及其自动化专业的论文.doc

题目 电气自动化控制系统题目 电气自动化控制系统 目目 录录 提要 2 1 电气综合自动化系统的功能 2 1 1 断路器和隔离开关的控制及操作 2 1 2 电气自动化 2 1 2 1 发变组保护 2 1 2 2 发电机励磁系统 2 1 2 3 220kV 500kV 开关自动同期并网及手动同期并网 2 1 2 4 6kV 高压厂 2 1 2 5 380V 低压厂 3 1 2 6 高压启 备变压器控制和操作 3 1 2 7 柴油发电机组和保安电源控制和操作 3 1 3 直流系统和 LPS 系统的监视 3 2 电气自动化控制系统的设计思想 3 2 1 集中监控方式 3 2 2 远程监控方式 3 2 3 现场总线监控方式 4 3 探讨电气自动化控制系统的发展趋势 4 4 电机绝缘结构直流电机电枢绝缘结构 4 4 1 电枢绕组绝缘 4 4 2 匝间绝缘 5 5 电气设备的 健康 状况存在差异 5 6 电力电子系统故障诊断方法浅析 5 6 1 故障诊断中的谱分析方法 5 6 2 参数模型与故障诊断 6 6 2 1 检测滤波器方法 6 6 2 2 状态估计法 6 6 2 3 参数辨识方法 6 6 3 模式识别在故障诊断中的应用 7 6 4 基于神经网络的故障诊断方法 7 6 5 专家系统 7 6 6 小波变换的方法 7 7 结束语 8 8 参考文献 9 1 10 提要提要 电气综合自动化系统的功能 讨论了目前电气自动化控制系统的设计思想 以发电厂 为例子 展望了将来电气自动化控制系统的发展趋势 设各智能化水平的提高使得对现场 设备状况的精确掌握成为可能 通讯技术的发展则为大容量的数据传输提供了平台 在工 业自动化领域 基于 Pc 的控制系统以其灵活性和易于集成的特点正在被更多的采纳 1 电气综合自动化系统的功能电气综合自动化系统的功能 1 1 1 1 断路器和隔离开关的控制及操作断路器和隔离开关的控制及操作 发变组出口 220kV 500kV 断路器 隔离开关的控制及操作 隔离开关 类似闸刀开关 没有防止过流 短路功能 无灭弧装置 断路器 具有过流 短路自动脱扣功能 带有消磁灭弧装置 可以用来接通 切断大 电流 一般情况下 隔离开关不能用来接通或切断电流 它仅仅是在断路器断开的情况下分 断 提供一个 明显的断开点 1 21 2 电气自动化电气自动化 1 2 11 2 1 发变组保护发变组保护 发变组保护 厂高变保护 励磁变压器保护控制 1 2 2 发电机励磁系统发电机励磁系统 发电机励磁系统 包括启励 灭磁操作 控制方式切换 增磁 减磁操作 PSS 电力 系统稳定器 的投退 1 2 3 220kV 500kV 开关自动同期并网及手动同期并网开关自动同期并网及手动同期并网 220kV 500kV 开关自动同期并网及手动同期并网 2 10 1 2 4 6kV 高压厂高压厂 6kV 高压厂用电源监视 操作 厂用电压快切装置的状态监视 投退 手动启动等 1 2 1 2 5 5 380V380V 低压厂低压厂 380V 低压厂用电源监视 操作 低压备自投装置控制 1 2 1 2 6 6 高压启高压启 备变压器控制和操作备变压器控制和操作 高压启 备变压器控制和操作 1 2 7 柴油发电机组和保安电源控制和操作柴油发电机组和保安电源控制和操作 柴油发电机组和保安电源控制和操作 1 3 1 3 直流系统和直流系统和 LPS 系统的监视系统的监视 对于发变组保护等主保护和安全自动装置 因其设备已经很成熟而且要求全部在 DCS 中实现其功能尚有一定难度 可能增加相当大的费用 故可以保留 但是它们与 DCS 间要 口求接 控制采用硬接线 利用通讯方式传输自动装置信息 并可以通过 DCS 进行事故追 忆 2 电气自动化控制系统的设计思想电气自动化控制系统的设计思想 2 12 1 集中监控方式集中监控方式 这种监控方式优点是运行维护方便 控制站的防护要求不高 系统设计容易 但由于 集中式的主要特点是将系统的各个功能集中到一个处理器进行处理 处理器的任务相当繁 重 处理速度受到影响 由于电气设备全部进入监控 伴随着监控对象的大量增加随之而 来的是主机冗余的下降 电缆数量增加 投资加大 长距离电缆引入的干扰也可能影响系 统的可靠性 同时 隔离刀闸的操作闭锁和断路器的联锁采用硬接线 由于隔离刀闸的辅 助接点经常不到位 造成设备无法操作 这种接线的二次接线复杂 查线不方便 大大增 加了维护量 还存在由于查线或传动过程中由于接线复杂而造成误操作的可能性 2 2 2 2 远程监控方式远程监控方式 远程监控方式具有节约大量电缆 节省安装费用 节约材料 可靠性高 组态灵活等 3 10 优点 由于各种现场总线 如 Lonworks 总线 CAN 总线等 的通讯速度不是很高 而电厂 电气部分通讯量相对又比较大 所有这种方式适合于小系统监控 而不适应于全厂的电气 自动化系统的构建 2 2 3 3 现场总线监控方式现场总线监控方式 目前 对于以太网 Ethernet 现场总线等计算机网络技术已经普遍应用于变电站综合 自动化系统中 且已经积累了丰富的运行经验 智能化电气设备也有了较快的发展 这些 都为网络控制系统应用于发电厂电气系统奠定了良好的基础 现场总线监控方式使系统设 计更加有针对性 对于不同的间隔可以有不同的功能 这样可以根据间隔的情况进行设计 采用这种监控方式除了具有远程监控方式的全部优点外 还可以减少大量的隔离设备 端 子柜 I 0 卡件 模拟量变送器等 而且智能设备就地安装 与监控系统通过通信线连接 可以节省大量控制电缆 节约很多投资和安装维护工作量 从而降低成本 另外 各装置 的功能相对独立 装置之间仅通过网络连接 网络组态灵活 使整个系统的可靠性大大提 高 任一装置故障仅影响相应的元件 不会导致系统瘫痪 因此现场总线监控方式是今后 发电厂计算机监控系统的发展方向 3 3 探讨电气自动化控制系统的发展趋势探讨电气自动化控制系统的发展趋势 OPC OIJEforProcess Control 技术的出现 IEC61131 的颁布 以及 Microsoft 的 Windows 平台的广泛应用 使得未来的电气技术的结合 计算机日益发挥着不可替代的作 用 IEC61131 已成为了一个国际化的标准 正被各大控制系统厂商广泛采纳 Pc 客户机 服务器体系结构 以太网和 Internet 技术引发了电气自动化的一次又一次 革命 正是市场的需求驱动着自动化和 IT 平台的融和 电子商务的普及将加速着这一过程 Internet Intranet 技术和多媒体技术在自动化领域有着广泛的应用前景 企业的管理层利用 标准的浏览器可以存取企业的财务 人事等管理数据 也可以对当前生产过程的动态画面 进行监控 在第一时间了解最全面和准确的生产信息 虚拟现实技术和视频处理技术的应 用 将对未来的自动化产品 如人机界面和设备维护系统的设计产生直接的影响 相对应 的软件结构 通讯能力及易于使用和统一的组态环境变得重要了 软件的重要性在不断提 高 这种趋势正从单一的设备转向集成的系统 4 4 电机绝缘结构直流电机电枢绝缘结构电机绝缘结构直流电机电枢绝缘结构 4 4 1 1 电枢绕组绝缘电枢绕组绝缘 目测检查 在拆开电机取出转子之后 通过目测的方法检查绕组的绝缘情况 这是最 简单的方法 绝缘电阻检查 电枢绕组对地 铁芯 的绝缘电阻包括体积电阻和表面电阻 其阻值的大小与绝缘材料性能 绝缘结构 表面状态 制造工艺 环境条件及试验检测方 法等许多因素有关 由于绝缘电阻并不正比于绝缘介电强度 与击穿电压没有单值比例关 系 其阻值究竟要多大电机才可安全运行或阻值降低到何值才会发生事故 并没有一个准 确的标准 因此它只能作为估计绕组绝缘状态的一个依据 在我国一般认为 绝缘电阻低 4 10 于0 5M1 日本认为 绝缘电阻低于0 1Mn 电机就会进入危险区域 运行时绕组易发生 烧损事故 耐压试验 将直流高压直接加在绕组线圈的绝缘上 检查其耐压情况 所加电 压的大小视电的电压等级 使用年限等隋况来决定 对于绝缘已老化或劣化的线圈 耐压 试验时就会出现击穿 表面放电 电晕 表面覆盖物烧损等现象 4 4 2 2 匝间绝缘匝间绝缘 绕制变压器的线圈时每一圈为一匝 匝之间的绝缘就是匝间绝缘 影响匝间绝 缘的主要因素是漆包线的质量以及后期的浸漆 烘干等工艺 目前 国内关于干式空 心电抗器匝间绝缘故障检测设备的研究相对较少 国外已有成型产品 但是价格昂贵 达 数十万美元 国内绝大多数生产厂家没有能力购买 因此 研制一种性能优良 成本相对 较低的空心电抗器匝间绝缘故障检测设备 已成为迫切需要 对变压器作匝间绝缘故障橙 测通常是采用感应电压法 该法通过在一个变压器绕组上施加较高频率的电压 在高压 中 压 绕组上产生所要求的感应试验电压 从而达到检验匝间绝缘的目的 但空心电抗器只有 一个绕组 而且一般情况下其磁路是开放式 这就决定了无法用感应电压法对其匝间绝缘 进行橙然利用一个分离的变压器产生正弦电压波可对电抗器做匝间绝缘检测 但所需变压 器的容量很大 费用很高 尤其是在电抗器电感值较低的情况下更是如此 尽管在这种试 骑方法中采用容性补偿装置可以降低电源的总容量 但由此所产生的总的试验费用并没有 降低 本文从介绍脉冲电压法的基本原理人手 提出用脉冲电压法检测干式空心电抗器的 匝间绝缘状况 并利用实际的电抗器电路模型和计算机辅助分析手段 对这种方法在实际 的干式电抗器上应用的可行性进行了分析 5 5 电气设备的电气设备的 健康健康 状况存在差异状况存在差异 首先是设备的先天条件不一样 进口设备和国产设备的技术状况不一样 同样是国产 设备 不同厂商因技术与管理水平不一样 使其产品质量也不一样 即使是同一厂商 因 技术 管理上的进步 不同时期 不同批次的产品 其质量也会不一样 因此应当承认设 备投运的初始状态是千差万别的 其次 设备的使用环境不一样 不同的环境将对设备运行状况产生不同的影响 这种环境 主要有两种 一是设备所处的外部自然环境不一样 尤其是供电设备 大部分暴露在室外 自然环境中 因温度 湿度 污染 紫外线 日照等有较大差异 对设备的影响有较大不 同 二是设备在电力系统的位置不同 所承受系统运行电压 短路电流和热稳定时间等不 尽相同 尤其是故障时系统短路容量差异较大 此外 新技术 新材料的使用 使得设备的技术水平 技术状况有了较大的改善 尤其是 20 世纪 90 年代以后 我国电力设备制造引进不少国外先进的技术 装备和管理 设备的 改型换代较快 整体技术水平有了较大的提高 因此电力系统的装备水平得到较大的改善 5 10 6 6 电力电子系统故障诊断方法浅析电力电子系统故障诊断方法浅析 6 16 1 故障诊断中的谱分析方法故障诊断中的谱分析方法 电力电子电路的实际运行表明 大多数故障表现为功率开关器件的损坏 其中以功率 开关器件的开路和直通最为常见 电力电子电路故障诊断与一般的模拟电路 数字电路的 故障诊断存在较大差别 由于电力电子器件过载能力小 损坏速度快 其故障信息仅存在 于发生故障到停电之前数十毫秒之内 因此 需要实时监视 在线诊断 另外电力电子电 路的功率已达数千千瓦 模拟电路 数字电路诊断中采用的改变输入看输出的方法不再适 用 只能以输出波形来诊断电力电子电路是否有故障及有何种故障 故障诊断的关键是提 取故障的特征 故障特征是指反映故障征兆的信号经过加工处理后所得的反映设备与系统 的故障种类 部位与程度的综合量 故障诊断方法按提取特征的方法的区别 可分为谱分 析方法 基于动态系统数学模型的方法 采用模式识别的方法 基于神经网络的方法 专 家系统的方法 小波变换的方法和利用遗传算法等 这些方法将在下文具体介绍 6 26 2 参数模型与故障诊断参数模型与故障诊断 如果系统的数学模型是已知的 就可以通过测量 估计系统的状态和参数 确定状态 变量和系统参量是否变化 采用基于系统数学模型的故障诊断方法 可以从较少的测量点 去估计系统的多个状态量或系统参数 从而实现故障诊断 进一步又可以分为检测滤波器 方法 状态估计法和参数辨识方法三种 6 2 16 2 1 检测滤波器方法检测滤波器方法 它将部件 执行机构和传感器的故障的输出方向分别固定在特定的方向或平面上 6 2 26 2 2 状态估计法状态估计法 状态估计法 通过监测系统的状态变化 也能反映由系统参数变化引起的故障 并对故 障进行诊断 与一般的状态估计不同 在进行故障诊断时 并不是去估计未知的状态信息 而是借助观测器或卡尔曼滤波器去重构系统的输出 以便取得系统输出的估计值 这个估 计值与实际输出值之差就叫量测残差 残差中含有大量的系统内部变化的信息 因此可以 作为故障诊断的依据 状态估计法的优点是在线计算量小 诊断速度快 6 2 3 参数辨识方法参数辨识方法 实时辨识出系统模型的参数 与正常时模型的参数比较 确定故障 常用的有最小二 乘法 故障的模式识别就是从那些反映系统的信息中抽取出反映故障的特征 并根据这些 特征的不同属性 对故障进行分类 用模式识别方法进行故障诊断 是根据样本的数学特 征来进行的 因此它不需要精确的数学模型 对于一些被诊断对象数学模型过于复杂 不 6 10 易求解的问题 模式识别方法也是适用的 另外 在对工业系统的故障诊断中应尽量利用 非数学 包括物理和结构 方面的特征 设计出各种各样的特征提取器 这样将有利于利 用对已有系统的知识 有利于减少计算工作量 由于特征的选择和提取与待识别的模式紧 密相关 故很难有某种泛泛的规律可循 目前常用的方法有 最小距离分类法 Bayes 分 类法 Fisher 判别法 从参数模型求特征 用 K L 变换提取特征等 6 36 3 模式识别在故障诊断中的应用模式识别在故障诊断中的应用 故障的模式识别就是从那些反映系统的信息中抽取出反映故障的特征 并根据这些特 征的不同属性 对故障进行分类 用模式识别方法进行故障诊断 是根据样本的数学特征 来进行的 因此它不需要精确的数学模型 对于一些被诊断对象数学模型过于复杂 不易 求解的问题 模式识别方法也是适用的 另外 在对工业系统的故障诊断中应尽量利用非 数学 包括物理和结构 方面的特征 设计出各种各样的特征提取器 这样将有利于利用 对已有系统的知识 有利于减少计算工作量 由于特征的选择和提取与待识别的模式紧密 相关 故很难有某种泛泛的规律可循 目前常用的方法有 最小距离分类法 Bayes 分类 法 Fisher 判别法 从参数模型求特征 用 K L 变换提取特征等 6 46 4 基于神经网络的故障诊断方法基于神经网络的故障诊断方法 利用神经网络的自学习 自归纳能力 经过一定的训练 建立起故障信号与故障分类 之间的映像关系 利用学习后的神经网络 实现故障诊断 神经网络是由大量的神经元广 泛互连而成的网络 这里以 BP 网络为例加以介绍 BP 网络是单向传播的多层前向网络 它由输入层 中间层和输出层组成 中间层可有若干层 每一层的神经元只接受前一层神 经元的输出 BP 网络中没有反馈 同一层的节点之间没有耦合 每一层的节点只影响下一 层节点的输入 BP 网络一般采取的学习算法是 网络的输出和希望的输出进行比较 然 后根据两者之间的差调整网络的权值 最终使误差变为最小 当电力电子电路发生故障时 如果能够利用神经网络的学习能力 使故障波形与故障原因之间的关系通过神经网络的学 习后保存在其结构和权中 然后将学习好的神经网络用于故障诊断 神经网络就可以通过 对当前电压或电流波形的分析 得出故障原因 从而实现故障的在线自动诊断 6 56 5 专家系统专家系统 由于故障诊断是从被监测和诊断的对象表征去寻找故障的成因 部位 并确定故障的 严重程度的 因此 如 果把由已知故障去分析系统或设备的运行特性与表征叫做正问题 那么故障诊断就是逆问题了 这种逆问题的求解明显不同于正问题的求解 而人工智能 AI Artificial Intelligence 技术中的专家系统 ES Expert System 正是解这种逆问题的 有利工具 专家系统是人工智能研究的一个分支 它是通过模拟专家的经验 实现故障诊 断 专家系统的结构如下表所示 一个典型的诊断专家系统通过在线监测并进行数据采集 存贮 然后传送到诊断运行中心 在这里由专家系统进行处理 分析和诊断 最后将诊断 结果和处理建议自动地反馈回运行现场 因此 专家系统是诊断系统中最核心的部分 本 文后面将介绍作者在实际中应用专家系统方法进行故障诊断的实例 7 10 6 66 6 小波变换的方法小波变换的方法 在故障诊断中 突变信号往往对应着设备的某种故障 分析和识别系统中产生的各种波 形信号 并判别其状态 是进行电路故障诊断中的有效方法之一 设备正常运行时发出的 信号较平稳 一旦设备出现故障 就将发出具有奇异性的动态非平稳信号 为了实现设备 故障的快速 准确检测 必须有效地识别故障发生瞬间的非平稳信号 信号的处理与分析 是故障预测和诊断的基础 提高诊断的准确度需要信号处理和分析方法 小波变换以其对 非平稳信号局部化分析 及良好的时 频定位功能的突出优点 为故障诊断提供了新的 强有力的分析手段 弥补了传统故障诊断中因为专家的经验知识很难精确描述 存在知识 获取的 瓶颈 问题 七 遗传算法 遗传算法 GA Genetic Algorithm 是一种新发展起来 的优化算法 目前它已经成为人们用来解决高度复杂问题的一个新思