农业电气化与自动化专业毕业论文范文

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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

1.1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”。

1.2电气自动化

1.2.1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。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

220kV/500kV开关自动同期并网及手动同期并网。

1.2.4 6kV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 1.2.5 380V低压厂

380V低压厂用电源监视、操作、低压备自投装置控制 1.2.6高压

启/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。

1.3. 直流系统和LPS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

2.1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。

2.3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 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 电机绝缘结构直流电机电枢绝缘结构

4.1电枢绕组绝缘

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

4.2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

了分析

5 电气设备的“健康”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。

6 电力电子系统故障诊断方法浅析

6.1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

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。

6.2参数模型与故障诊断

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. 6.2.1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。 6.2.2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

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

6.3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

6.4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。

6.5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

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。

6.6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路和新方法。它依据适者生存、优胜劣

汰的进化规则，对包含可能解的群体进行基于遗传学的操作，不断生

产新的群体并使群体不断进化，同时以全局并行搜索优化群体中的最

优个体以求得满足要求的最优解。GA以其能以较大概率求得全局最优

业装备和产业技术改造的自动化技术、农业信息与网络技术的综合性

应用学科，是推进农业与农村经济可持续发展的重要途径，是我国全

面实施农村电气化的重要保障。

7 参考文献

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