農(nóng)業(yè)電氣化及其自動化專業(yè)的論文

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)說明書

電氣綜合自動化控制系統(tǒng)入學(xué)年級：2012年春季學(xué)員姓名：姜朋華學(xué)號：所屬專業(yè)：電氣化及其自動化專業(yè)題目：電氣自動化控制系統(tǒng)目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"提要2\o"CurrentDocument"1電氣綜合自動化系統(tǒng)的功能2\o"CurrentDocument"1斷路器和隔離開關(guān)的控制及操作2\o"CurrentDocument"1.2電氣自動化21.2.1發(fā)變組保護21.2.2發(fā)電機勵磁系統(tǒng)2\o"CurrentDocument"220kV/500kV開關(guān)自動同期并網(wǎng)及手動同期并網(wǎng)2\o"CurrentDocument"6kV高壓廠3380V低壓廠31.2.6高壓啟/備變壓器控制和操作31.2.7柴油發(fā)電機組和保安電源控制和操作3\o"CurrentDocument"1.3.直流系統(tǒng)和LPS系統(tǒng)的監(jiān)視3\o"CurrentDocument"2電氣自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計思想3\o"CurrentDocument"2.1集中監(jiān)控方式3\o"CurrentDocument"2遠(yuǎn)程監(jiān)控方式3\o"CurrentDocument"2.3現(xiàn)場總線監(jiān)控方式4\o"CurrentDocument"3探討電氣自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢4\o"CurrentDocument"4電機絕緣結(jié)構(gòu)直流電機電樞絕緣結(jié)構(gòu)4\o"CurrentDocument"4.1電樞繞組絕緣4\o"CurrentDocument"4.2匝間絕緣5\o"CurrentDocument"5電氣設(shè)備的“健康”狀況存在差異5\o"CurrentDocument"6電力電子系統(tǒng)故障診斷方法淺析6\o"CurrentDocument"6.1故障診斷中的譜分析方法6\o"CurrentDocument"6.2參數(shù)模型與故障診斷66.2.1檢測濾波器方法66.2.2狀態(tài)估計法66.2.3參數(shù)辨識方法6\o"CurrentDocument"6.3模式識別在故障診斷中的應(yīng)用7\o"CurrentDocument"6.4基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法7\o"CurrentDocument"6.5專家系統(tǒng)7\o"CurrentDocument"6.6小波變換的方法8\o"CurrentDocument"7結(jié)束語8\o"CurrentDocument"8參考文獻9提要電氣綜合自動化系統(tǒng)的功能，討論了目前電氣自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計思想（以發(fā)電廠為例子），展望了將來電氣自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。設(shè)各智能化水平的提高使得對現(xiàn)場設(shè)備狀況的精確掌握成為可能，通訊技術(shù)的發(fā)展則為大容量的數(shù)據(jù)傳輸提供了平臺。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，基于Pc的控制系統(tǒng)以其靈活性和易于集成的特點正在被更多的采納。1電氣綜合自動化系統(tǒng)的功能1斷路器和隔離開關(guān)的控制及操作發(fā)變組出口220kV/500kV斷路器、隔離開關(guān)的控制及操作。隔離開關(guān)：類似閘刀開關(guān)，沒有防止過流、短路功能，無滅弧裝置；斷路器：具有過流、短路自動脫扣功能，帶有消磁滅弧裝置，可以用來接通、切斷大電流；一般情況下，隔離開關(guān)不能用來接通或切斷電流，它僅僅是在斷路器斷開的情況下分?jǐn)啵峁┮粋€“明顯的斷開點，，。1.2電氣自動化1.2.1發(fā)變組保護發(fā)變組保護、廠高變保護、勵磁變壓器保護控制。1.2.2發(fā)電機勵磁系統(tǒng)發(fā)電機勵磁系統(tǒng)。包括啟勵、滅磁操作，控制方式切換，增磁、減磁操作，PSS（電力系統(tǒng)穩(wěn)定器）的投退。1.2.3220kV/500kV開關(guān)自動同期并網(wǎng)及手動同期并網(wǎng)220kV/500kV開關(guān)自動同期并網(wǎng)及手動同期并網(wǎng)。6kV高壓廠6kV高壓廠用電源監(jiān)視、操作、廠用電壓快切裝置的狀態(tài)監(jiān)視、投退、手動啟動等380V低壓廠380V低壓廠用電源監(jiān)視、操作、低壓備自投裝置控制1.2.6高壓啟/備變壓器控制和操作高壓啟/備變壓器控制和操作1.2.7柴油發(fā)電機組和保安電源控制和操作柴油發(fā)電機組和保安電源控制和操作。1.3.直流系統(tǒng)和LPS系統(tǒng)的監(jiān)視對于發(fā)變組保護等主保護和安全自動裝置，因其設(shè)備已經(jīng)很成熟而且要求全部在DCS中實現(xiàn)其功能尚有一定難度，可能增加相當(dāng)大的費用，故可以保留。但是它們與DCS間要口求接，控制采用硬接線，利用通訊方式傳輸自動裝置信息，并可以通過DCS進行事故追憶。2電氣自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計思想2.1集中監(jiān)控方式這種監(jiān)控方式優(yōu)點是運行維護方便，控制站的防護要求不高，系統(tǒng)設(shè)計容易。但由于集中式的主要特點是將系統(tǒng)的各個功能集中到一個處理器進行處理，處理器的任務(wù)相當(dāng)繁重，處理速度受到影響。由于電氣設(shè)備全部進入監(jiān)控，伴隨著監(jiān)控對象的大量增加隨之而來的是主機冗余的下降、電纜數(shù)量增加，投資加大，長距離電纜引入的干擾也可能影響系統(tǒng)的可靠性。同時，隔離刀閘的操作閉鎖和斷路器的聯(lián)鎖采用硬接線，由于隔離刀閘的輔助接點經(jīng)常不到位，造成設(shè)備無法操作。這種接線的二次接線復(fù)雜，查線不方便，大大增加了維護量，還存在由于查線或傳動過程中由于接線復(fù)雜而造成誤操作的可能性。2遠(yuǎn)程監(jiān)控方式遠(yuǎn)程監(jiān)控方式具有節(jié)約大量電纜、節(jié)省安裝費用、，節(jié)約材料、可靠性高、組態(tài)靈活等優(yōu)點。由于各種現(xiàn)場總線（如Lonworks總線，CAN總線等）的通訊速度不是很高，而電廠電氣部分通訊量相對又比較大，所有這種方式適合于小系統(tǒng)監(jiān)控，而不適應(yīng)于全廠的電氣自動化系統(tǒng)的構(gòu)建。2.3現(xiàn)場總線監(jiān)控方式目前，對于以太網(wǎng)（Ethernet）、現(xiàn)場總線等計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于變電站綜合自動化系統(tǒng)中，且已經(jīng)積累了豐富的運行經(jīng)驗，智能化電氣設(shè)備也有了較快的發(fā)展，這些都為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用于發(fā)電廠電氣系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)?，F(xiàn)場總線監(jiān)控方式使系統(tǒng)設(shè)計更加有針對性，對于不同的間隔可以有不同的功能，這樣可以根據(jù)間隔的情況進行設(shè)計。采用這種監(jiān)控方式除了具有遠(yuǎn)程監(jiān)控方式的全部優(yōu)點外，還可以減少大量的隔離設(shè)備、端子柜、I/0卡件、模擬量變送器等，而且智能設(shè)備就地安裝，與監(jiān)控系統(tǒng)通過通信線連接，可以節(jié)省大量控制電纜，節(jié)約很多投資和安裝維護工作量，從而降低成本。另外，各裝置的功能相對獨立，裝置之間僅通過網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)靈活，使整個系統(tǒng)的可靠性大大提高，任一裝置故障僅影響相應(yīng)的元件，不會導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。因此現(xiàn)場總線監(jiān)控方式是今后發(fā)電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。3探討電氣自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢OPC（OIJEforProcessControl）技術(shù)的出現(xiàn)，IEC61131的頒布，以及Microsoft的Windows平臺的廣泛應(yīng)用，使得未來的電氣技術(shù)的結(jié)合，計算機日益發(fā)揮著不可替代的作用。IEC61131已成為了一個國際化的標(biāo)準(zhǔn)，正被各大控制系統(tǒng)廠商廣泛采納。Pc客戶機/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)、以太網(wǎng)和Internet技術(shù)引發(fā)了電氣自動化的一次又一次革命。正是市場的需求驅(qū)動著自動化和IT平臺的融和，電子商務(wù)的普及將加速著這一過程。Internet/Intranet技術(shù)和多媒體技術(shù)在自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。企業(yè)的管理層利用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器可以存取企業(yè)的財務(wù)、人事等管理數(shù)據(jù)，也可以對當(dāng)前生產(chǎn)過程的動態(tài)畫面進行監(jiān)控，在第一時間了解最全面和準(zhǔn)確的生產(chǎn)信息。虛擬現(xiàn)實技術(shù)和視頻處理技術(shù)的應(yīng)用，將對未來的自動化產(chǎn)品，如人機界面和設(shè)備維護系統(tǒng)的設(shè)計產(chǎn)生直接的影響。相對應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)、通訊能力及易于使用和統(tǒng)一的組態(tài)環(huán)境變得重要了。軟件的重要性在不斷提高。這種趨勢正從單一的設(shè)備轉(zhuǎn)向集成的系統(tǒng)。4電機絕緣結(jié)構(gòu)直流電機電樞絕緣結(jié)構(gòu)4.1電樞繞組絕緣目測檢查。在拆開電機取出轉(zhuǎn)子之后，通過目測的方法檢查繞組的絕緣情況，這是最簡單的方法。絕緣電阻檢查。電樞繞組對地（鐵芯）的絕緣電阻包括體積電阻和表面電阻。其阻值的大小與絕緣材料性能、絕緣結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、制造工藝、環(huán)境條件及試驗檢測方法等許多因素有關(guān)。由于絕緣電阻并不正比于絕緣介電強度，與擊穿電壓沒有單值比例關(guān)系，其阻值究竟要多大電機才可安全運行或阻值降低到何值才會發(fā)生事故，并沒有一個準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。因此它只能作為估計繞組絕緣狀態(tài)的一個依據(jù)。在我國一般認(rèn)為，絕緣電阻低于0.5M1）；日本認(rèn)為，絕緣電阻低于0.1Mn，電機就會進入危險區(qū)域，運行時繞組易發(fā)生燒損事故耐壓試驗。將直流高壓直接加在繞組線圈的絕緣上，檢查其耐壓情況。所加電壓的大小視電的電壓等級、使用年限等隋況來決定。對于絕緣已老化或劣化的線圈，耐壓試驗時就會出現(xiàn)擊穿、表面放電、電暈、表面覆蓋物燒損等現(xiàn)象4.2匝間絕緣繞制變壓器的線圈時每一圈為一匝，匝之間的絕緣就是匝間絕緣。影響匝間絕緣的主要因素是漆包線的質(zhì)量以及后期的浸漆、烘干等工藝。目前，國內(nèi)關(guān)于干式空心電抗器匝間絕緣故障檢測設(shè)備的研究相對較少，國外已有成型產(chǎn)品，但是價格昂貴，達數(shù)十萬美元，國內(nèi)絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家沒有能力購買.因此，研制一種性能優(yōu)良，成本相對較低的空心電抗器匝間絕緣故障檢測設(shè)備，已成為迫切需要.對變壓器作匝間絕緣故障橙測通常是采用感應(yīng)電壓法，該法通過在一個變壓器繞組上施加較高頻率的電壓，在高壓:中壓）繞組上產(chǎn)生所要求的感應(yīng)試驗電壓，從而達到檢驗匝間絕緣的目的.但空心電抗器只有一個繞組，而且一般情況下其磁路是開放式，這就決定了無法用感應(yīng)電壓法對其匝間絕緣進行橙然利用一個分離的變壓器產(chǎn)生正弦電壓波可對電抗器做匝間絕緣檢測，但所需變壓器的容量很大，費用很高，尤其是在電抗器電感值較低的情況下更是如此.盡管在這種試騎方法中采用容性補償裝置可以降低電源的總?cè)萘?，但由此所產(chǎn)生的總的試驗費用并沒有降低.本文從介紹脈沖電壓法的基本原理人手，提出用脈沖電壓法檢測干式空心電抗器的匝間絕緣狀況.并利用實際的電抗器電路模型和計算機輔助分析手段，對這種方法在實際的干式電抗器上應(yīng)用的可行性進行了分析5電氣設(shè)備的“健康”狀況存在差異首先是設(shè)備的先天條件不一樣，進口設(shè)備和國產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)狀況不一樣；同樣是國產(chǎn)設(shè)備，不同廠商因技術(shù)與管理水平不一樣，使其產(chǎn)品質(zhì)量也不一樣；即使是同一廠商，因技術(shù)、管理上的進步，不同時期、不同批次的產(chǎn)品，其質(zhì)量也會不一樣。因此應(yīng)當(dāng)承認(rèn)設(shè)備投運的初始狀態(tài)是千差萬別的。其次，設(shè)備的使用環(huán)境不一樣，不同的環(huán)境將對設(shè)備運行狀況產(chǎn)生不同的影響，這種環(huán)境主要有兩種：一是設(shè)備所處的外部自然環(huán)境不一樣，尤其是供電設(shè)備，大部分暴露在室外自然環(huán)境中，因溫度、濕度、污染、紫外線、日照等有較大差異，對設(shè)備的影響有較大不同；二是設(shè)備在電力系統(tǒng)的位置不同，所承受系統(tǒng)運行電壓、短路電流和熱穩(wěn)定時間等不盡相同，尤其是故障時系統(tǒng)短路容量差異較大。此外，新技術(shù)、新材料的使用，使得設(shè)備的技術(shù)水平、技術(shù)狀況有了較大的改善，尤其是20世紀(jì)90年代以后，我國電力設(shè)備制造引進不少國外先進的技術(shù)、裝備和管理，設(shè)備的改型換代較快，整體技術(shù)水平有了較大的提高，因此電力系統(tǒng)的裝備水平得到較大的改善。6電力電子系統(tǒng)故障診斷方法淺析6.1故障診斷中的譜分析方法電力電子電路的實際運行表明，大多數(shù)故障表現(xiàn)為功率開關(guān)器件的損壞，其中以功率開關(guān)器件的開路和直通最為常見。電力電子電路故障診斷與一般的模擬電路、數(shù)字電路的故障診斷存在較大差別，由于電力電子器件過載能力小，損壞速度快，其故障信息僅存在于發(fā)生故障到停電之前數(shù)十毫秒之內(nèi)，因此，需要實時監(jiān)視、在線診斷；另外電力電子電路的功率已達數(shù)千千瓦，模擬電路、數(shù)字電路診斷中采用的改變輸入看輸出的方法不再適用，只能以輸出波形來診斷電力電子電路是否有故障及有何種故障。故障診斷的關(guān)鍵是提取故障的特征。故障特征是指反映故障征兆的信號經(jīng)過加工處理后所得的反映設(shè)備與系統(tǒng)的故障種類、部位與程度的綜合量。故障診斷方法按提取特征的方法的區(qū)別，可分為譜分析方法、基于動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法、采用模式識別的方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法、專家系統(tǒng)的方法、小波變換的方法和利用遺傳算法等。這些方法將在下文具體介紹。6.2參數(shù)模型與故障診斷如果系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是已知的，就可以通過測量，估計系統(tǒng)的狀態(tài)和參數(shù)，確定狀態(tài)變量和系統(tǒng)參量是否變化。采用基于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的故障診斷方法，可以從較少的測量點去估計系統(tǒng)的多個狀態(tài)量或系統(tǒng)參數(shù)，從而實現(xiàn)故障診斷。進一步又可以分為檢測濾波器方法、狀態(tài)估計法和參數(shù)辨識方法三種.6.2.1檢測濾波器方法它將部件、執(zhí)行機構(gòu)和傳感器的故障的輸出方向分別固定在特定的方向或平面上。6.2.2狀態(tài)估計法狀態(tài)估計法通過監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)變化，也能反映由系統(tǒng)參數(shù)變化引起的故障，并對故障進行診斷。與一般的狀態(tài)估計不同，在進行故障診斷時，并不是去估計未知的狀態(tài)信息，而是借助觀測器或卡爾曼濾波器去重構(gòu)系統(tǒng)的輸出，以便取得系統(tǒng)輸出的估計值。這個估計值與實際輸出值之差就叫量測殘差。殘差中含有大量的系統(tǒng)內(nèi)部變化的信息，因此可以作為故障診斷的依據(jù)。狀態(tài)估計法的優(yōu)點是在線計算量小，診斷速度快。6.2.3參數(shù)辨識方法實時辨識出系統(tǒng)模型的參數(shù)，與正常時模型的參數(shù)比較，確定故障。常用的有最小二乘法。故障的模式識別就是從那些反映系統(tǒng)的信息中抽取出反映故障的特征，并根據(jù)這些特征的不同屬性，對故障進行分類。用模式識別方法進行故障診斷，是根據(jù)樣本的數(shù)學(xué)特征來進行的，因此它不需要精確的數(shù)學(xué)模型。對于一些被診斷對象數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜、不易求解的問題，模式識別方法也是適用的。另外，在對工業(yè)系統(tǒng)的故障診斷中應(yīng)盡量利用非數(shù)學(xué)(包括物理和結(jié)構(gòu))方面的特征，設(shè)計出各種各樣的特征提取器，這樣將有利于利用對已有系統(tǒng)的知識，有利于減少計算工作量。由于特征的選擇和提取與待識別的模式緊密相關(guān)，故很難有某種泛泛的規(guī)律可循。目前常用的方法有：最小距離分類法，Bayes分類法，F(xiàn)isher判別法，從參數(shù)模型求特征，用K-L變換提取特征等6.3模式識別在故障診斷中的應(yīng)用故障的模式識別就是從那些反映系統(tǒng)的信息中抽取出反映故障的特征，并根據(jù)這些特征的不同屬性，對故障進行分類。用模式識別方法進行故障診斷，是根據(jù)樣本的數(shù)學(xué)特征來進行的，因此它不需要精確的數(shù)學(xué)模型。對于一些被診斷對象數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜、不易求解的問題，模式識別方法也是適用的。另外，在對工業(yè)系統(tǒng)的故障診斷中應(yīng)盡量利用非數(shù)學(xué)(包括物理和結(jié)構(gòu))方面的特征，設(shè)計出各種各樣的特征提取器，這樣將有利于利用對已有系統(tǒng)的知識，有利于減少計算工作量。由于特征的選擇和提取與待識別的模式緊密相關(guān)，故很難有某種泛泛的規(guī)律可循。目前常用的方法有：最小距離分類法，Bayes分類法，F(xiàn)isher判別法，從參數(shù)模型求特征，用K-L變換提取特征等6.4基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自歸納能力，經(jīng)過一定的訓(xùn)練，建立起故障信號與故障分類之間的映像關(guān)系。利用學(xué)習(xí)后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)故障診斷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量的神經(jīng)元廣泛互連而成的網(wǎng)絡(luò)，這里以BP網(wǎng)絡(luò)為例加以介紹。BP網(wǎng)絡(luò)是單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)，它由輸入層、中間層和輸出層組成，中間層可有若干層，每一層的神經(jīng)元只接受前一層神經(jīng)元的輸出。BP網(wǎng)絡(luò)中沒有反饋，同一層的節(jié)點之間沒有耦合，每一層的節(jié)點只影響下一層節(jié)點的輸入。BP網(wǎng)絡(luò)一般采取的學(xué)習(xí)算法是：網(wǎng)絡(luò)的輸出和希望的輸出進行比較，然后根據(jù)兩者之間的差調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，最終使誤差變?yōu)樽钚?。?dāng)電力電子電路發(fā)生故障時，如果能夠利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力，使故障波形與故障原因之間的關(guān)系通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)后保存在其結(jié)構(gòu)和權(quán)中，然后將學(xué)習(xí)好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于故障診斷，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可以通過對當(dāng)前電壓或電流波形的分析，得出故障原因，從而實現(xiàn)故障的在線自動診斷。6.5專家系統(tǒng)由于故障診斷是從被監(jiān)測和診斷的對象表征去尋找故障的成因、部位，并確定故障的嚴(yán)重程度的，因此，如果把由已知故障去分析系統(tǒng)或設(shè)備的運行特性與表征叫做正問題，那么故障診斷就是逆問題了。這種逆問題的求解明顯不同于正問題的求解，而人工智能AI(ArtificialIntelligence)技術(shù)中的專家系統(tǒng)ES(ExpertSystem)正是解這種逆問題的有利工具。專家系統(tǒng)是人工智能研究的一個分支，它是通過模擬專家的經(jīng)驗，實現(xiàn)故障診斷。專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下表所示：一個典型的診斷專家系統(tǒng)通過在線監(jiān)測并進行數(shù)據(jù)采集、存貯，然后傳送到診斷運行中心，在這里由專家系統(tǒng)進行處理、分析和診斷，最后將診斷結(jié)果和處理建議自動地反饋回運行現(xiàn)場。因此，專家系統(tǒng)是診斷系統(tǒng)中最核心的部分。本文后面將介紹作者在實際中應(yīng)用專家系統(tǒng)方法進行故障診斷的實例。6.6小波變換的方法在故障診斷中，突變信號往往對應(yīng)著設(shè)備的某種故障，分析和識別系統(tǒng)中產(chǎn)生的各種波形信號，并判別其狀態(tài)，是進行電路故障診斷中的有效方法之一。設(shè)備正常運行時發(fā)出的信號較平穩(wěn)，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，就將發(fā)出具有奇異性的動態(tài)非平穩(wěn)信號。為了實現(xiàn)設(shè)備故障的快速、準(zhǔn)確檢測，必須有效地識別故障發(fā)生瞬間的非平穩(wěn)信號。信號的處理與分析是故障預(yù)測和診斷的基礎(chǔ)，提高診斷的準(zhǔn)確度需要信號處理和分析方法，小波變換以其對非平穩(wěn)信號局部化分析，及良好的時一頻定位功能的突出優(yōu)點，為故障診斷提供了新的、強有力的分析手段，彌補了傳統(tǒng)故障診斷中因為專家的經(jīng)驗知識很難精確描述，存在