陳宇航 機(jī)電設(shè)備的維修與保養(yǎng)__機(jī)電一體化畢業(yè)論文--

1、廣東南方職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電設(shè)備的維修與保養(yǎng)姓 名： 陳宇航 專 業(yè)： 機(jī)電一體化 班 級(jí): 機(jī)電一班 學(xué) 號(hào)： 1314080152 完成日期： 指導(dǎo)教師: 余國惠 機(jī)電設(shè)備的維修與保養(yǎng) 內(nèi) 容 摘 要依據(jù)機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展前景，提出一種新型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了該執(zhí)行機(jī)構(gòu)各功能元件的選型與設(shè)計(jì)、閥位及速度控制原理以及各種關(guān)鍵問題的解決方法。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)將閥門、伺服電機(jī)、控制器合為一體，采用8031單片機(jī)、變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了閥門的動(dòng)作速度和位置控制，解決了閥門的精確定位、閥門柔性開關(guān)、極限位置判斷、電機(jī)保護(hù)及模擬信號(hào)隔離等技術(shù)問題?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明，該電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有動(dòng)作快、保護(hù)完善以及

2、便于和計(jì)算機(jī)通訊等優(yōu)點(diǎn)，充分利用了機(jī)電一體化技術(shù)帶來的方便快捷。關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)閥門 繼電器保護(hù) 機(jī)電一體化技術(shù)總結(jié)目 錄內(nèi) 容 摘 要2插 圖 索 引4引 言5第1章 機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展歷程及其趨向611 機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展歷程612 機(jī)電一體化發(fā)展趨向6第2章 機(jī)電一體化中電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件設(shè)計(jì)及工作原理112.1 系統(tǒng)工作原理11第3章 機(jī)電一體化中閥位及速度控制原理15第4章 關(guān)鍵技術(shù)問題的解決17第5章 機(jī)電一體化中繼電器保護(hù)的現(xiàn)狀與發(fā)展195.1 繼電保護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀19繼電保護(hù)的未來發(fā)展21計(jì)算機(jī)化22網(wǎng)絡(luò)化23保護(hù)、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)通信一體化25智能化26結(jié)束語26參考文獻(xiàn)26插 圖

3、 索 引 圖2-1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)框圖11圖2-2 IPM輸出電流、電壓檢測(cè) 14圖2-3 程序出格自恢復(fù)電路 15圖3-2 閥位及速度控制原理框圖 15圖3-3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的典型運(yùn)行速度圖 16圖4-1 線性隔離放大器 19第2章 機(jī)電一體化中電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件設(shè)計(jì)及工作原理電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示。智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分和執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分。 控制部分主要由單片機(jī)、PWM波發(fā)生器、IPM逆變器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊、整流模塊、輸入輸出通道、故障檢測(cè)和報(bào)警電路等組成。執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分主要包括三相伺報(bào)電機(jī)和位置傳感器。 2.1 系統(tǒng)工作原理 霍爾電流、電壓傳感器及位

4、置傳感器檢測(cè)到的逆變模塊三相輸出電流、電壓及閥門的位置信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。單片機(jī)通過8255控制PWM波發(fā)生器，產(chǎn)生的PWM波經(jīng)光電耦合作用于逆變模塊IPM，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速以及閥位控制。逆變模塊工作時(shí)所需要的直流電壓信號(hào)由整流電路對(duì)380V電源進(jìn)行全橋整流得到。 2.2 控制系統(tǒng)各功能元件的選型與設(shè)計(jì)1)單片機(jī)選用INTEL公司生產(chǎn)的8031單片機(jī)，它主要通過并行8255口擔(dān)負(fù)控制系統(tǒng)的信號(hào)處理：接收系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩、閥門開啟、關(guān)閉及閥門開度等設(shè)定信號(hào)，并提供三相PWM波發(fā)生器所需要的控制信號(hào)；處理IPM發(fā)出的故障信號(hào)和報(bào)警信號(hào)；處理通過模擬輸入口接收的電流、電壓、位置等檢測(cè)信號(hào)；提

5、供顯示電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)信號(hào)；執(zhí)行控制系統(tǒng)來的控制信號(hào)，向控制系統(tǒng)反饋信號(hào)； 2)三相PWM波發(fā)生器PWM波的產(chǎn)生通常有模擬和數(shù)字兩種方法。模擬法電路復(fù)雜，有溫漂現(xiàn)象，精度低，限制了系統(tǒng)的性能；數(shù)字法是按照不同的數(shù)字模型用計(jì)算機(jī)算出各切換點(diǎn)，并存入內(nèi)存，然后通過查表及必要的計(jì)算產(chǎn)生PWM波，這種方法占用的內(nèi)存較大，不能保證系統(tǒng)的精度。為了滿足智能功率模塊所需要的PWM波控制信號(hào)，保證微處理器有足夠的時(shí)間進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)、保護(hù)、控制等功能，文中選用MITEL公司生產(chǎn)的SA8282作為三相PWM發(fā)生器。SA8282是專用大規(guī)模集成電路，具有獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)微處理器接口，芯片內(nèi)部包含了波形、頻率、幅

6、值等控制信息。 3)智能逆變模塊IPM為了滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積小，可靠性高的要求，電機(jī)電源采用智能功率模塊IPM。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要適用功率小于55kW的三相異步電機(jī)，其額定電壓為380V，功率因數(shù)為075。經(jīng)計(jì)算可知，選用日本產(chǎn)的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統(tǒng)要求。該功率模塊集功率開關(guān)和驅(qū)動(dòng)電路、制動(dòng)電路于一體，并內(nèi)置過電流、短路、欠電壓和過熱保護(hù)以及報(bào)警輸出，是一種高性能的功率開關(guān)器件。 4)位置檢測(cè)電路位置檢測(cè)電路是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要組成部分，它的功能是提供準(zhǔn)確的位置信號(hào)。關(guān)鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中多采用繞線電位器、差動(dòng)變壓器、導(dǎo)電塑料電位器等。繞線電位器壽命短

7、被淘汰。差動(dòng)變壓器由于線性區(qū)太短和溫度特性不理想而受到限制。導(dǎo)電塑料電位器目前較為流行，但它是有觸點(diǎn)的，壽命也不可能很長，精度也不高。筆者采用的位置傳感器為脈沖數(shù)字式傳感器，這種傳感器是無觸點(diǎn)的，且具有精度高、無線性區(qū)限制、穩(wěn)定性高、無溫度限制等特點(diǎn)。 5)電壓、電流及檢測(cè)檢測(cè)電壓、電流主要是為了計(jì)算電機(jī)的力矩，以及變頻器輸出回路短路、斷相保護(hù)和逆變模塊故障診斷。由于變頻器輸出的電流和電壓的頻率范圍為050Hz，采用常規(guī)的電流、電壓互感器無法滿足要求。為了快速反映出電流的大小，采用霍爾型電流互感器檢測(cè)IPM輸出的三相電流，對(duì)于IPM輸出電壓的檢測(cè)采用分壓電路。如圖2-2所示。 6)通訊接口為了

8、實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制，選用MAX232作為系統(tǒng)的串行通訊接口，MAX232內(nèi)部有兩個(gè)完全相同的電平轉(zhuǎn)換電路，可以把8031串行口輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232標(biāo)準(zhǔn)電平，把其它微機(jī)送來的RS232標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換成TTL電平給8031，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與其它微機(jī)間的通訊。 7)時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路主要用來提供采樣與控制周期、速度計(jì)算時(shí)所需要的時(shí)間以及日歷。文中選用時(shí)鐘電路DS12887。DS12887內(nèi)部有114字節(jié)的用戶非易失性RAM，可用來存入需長期保存的數(shù)據(jù)。 8)液晶顯示單元為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能，選用MGLS12832液晶顯示模塊組成顯示電路。采用組態(tài)顯示方式。通過菜單選擇，可分別對(duì)閥門、力矩、

9、限位、電機(jī)、通訊和參數(shù)等信號(hào)進(jìn)行設(shè)置或調(diào)試。并采用文字和圖形相結(jié)合的方式，顯示直觀、清晰。 9)程序出格自恢復(fù)電路為了保證在強(qiáng)干擾下程序出格時(shí)系統(tǒng)能夠自動(dòng)地恢復(fù)正常，選用MAX705組成程序出格自恢復(fù)電路，監(jiān)視程序運(yùn)行。如圖2-3所示，該電路由MAX705、與非門及微分電路組成。 工作原理為：一旦程序出格，WDO由高變低，由于微分電路的作用，由“與非”門輸入引腳2變?yōu)楦唠娖?，引腳2電平的這種變化使“與非”門輸出一個(gè)正脈沖，使單片機(jī)產(chǎn)生一次復(fù)位，復(fù)位結(jié)束后，又由程序通過P10口向MAX705的WDI引腳發(fā)正脈沖，使WDO引腳回到高電平，程序出格自恢復(fù)電路繼續(xù)監(jiān)視程序運(yùn)行。第3章 機(jī)電一體化中閥位

10、及速度控制原理閥位及速度控制原理框圖如圖3-1所示。 采用雙環(huán)控制方案，其中內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。速度環(huán)主要將當(dāng)前速度與速度給定發(fā)生器送來的設(shè)定速度相比較，通過速度調(diào)節(jié)器改變PWM波發(fā)生器載波頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。速度調(diào)節(jié)器采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法(具體內(nèi)容另文敘述)。 外環(huán)主要根據(jù)當(dāng)前位置速度的設(shè)定，通過速度給定發(fā)生器向內(nèi)環(huán)提供速度的設(shè)定值。由于大流量閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中存在加速、勻速、減速等階段。各階段的時(shí)間長短、加速度的大小、在何位置開始勻速或減速均與給定位置、當(dāng)前位置以及運(yùn)行速度有關(guān)。速度給定發(fā)生器的工作原理為：通過比較實(shí)際閥位與給定閥位，當(dāng)二者不相等時(shí)，以恒定加速度加速，

11、減速點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前速度、閥位值、閥位給定值的大小計(jì)算得來。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)各階段運(yùn)行速度的計(jì)算原理 圖3-2為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的典型運(yùn)行速度圖，它由若干段變化速率不同的折線組成。將曲線上速率開始發(fā)生改變的那一點(diǎn)稱為起始段點(diǎn)，相應(yīng)的時(shí)間稱為段起始時(shí)間，如圖3-2中的t(i)(i0，1，2，)，相應(yīng)的速度稱為段起始速度，如圖3-2所示vi)(i0，1，2，)。 設(shè)第i段速度的變化速率為ki，則有： 式中：v為兩段點(diǎn)之間的速度變化值，vvi1vi； t為兩段之間的時(shí)間，tti1ti。 顯然，當(dāng)ki0時(shí)為恒速段，ki0時(shí)為升速段，ki0時(shí)為減速段。任意時(shí)刻的速度給定值為： Ts為采樣周期。 變化速率ki的取值由給定位置

12、、當(dāng)前位置以及運(yùn)行速度的大小確定。第4章 關(guān)鍵技術(shù)問題的解決該電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了最新的變頻調(diào)速技術(shù)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率小于55kW。用戶可根據(jù)需要設(shè)定力矩特性，根據(jù)控制的閥設(shè)定速度，速度分多轉(zhuǎn)式、直行程、角行程3種方式?？刂葡到y(tǒng)由閥位給定和閥位反饋信號(hào)構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，控制特性視運(yùn)行方式、速度而定，并具有自動(dòng)過流保護(hù)、過載保護(hù)、超壓、欠壓、過熱、缺相、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能。 該執(zhí)行機(jī)構(gòu)解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題主要有： 1)閥門柔性開關(guān)柔性開關(guān)主要是為了當(dāng)閥關(guān)閉或全開時(shí)，保證閥門不卡死與損傷。執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的微處理器根據(jù)測(cè)得的變頻器輸出電壓和電流，通過精確計(jì)算，得出其輸出力矩。一旦輸出力矩達(dá)到或大于設(shè)定的力矩，自動(dòng)

13、降低速度，以避免閥門內(nèi)部過度的撞擊，從而達(dá)到最優(yōu)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)過力矩保護(hù)。 2)閥位的極限位置判斷閥位的極限位置是指全開和全關(guān)位置。在傳統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，該位置的檢測(cè)是通過機(jī)械式限位開關(guān)獲得的。機(jī)械式限位開關(guān)精度低，在運(yùn)行中易松動(dòng)，可靠性差。在文中，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限位置通過檢測(cè)位置信號(hào)的增量獲得。其原理是，單片機(jī)將本次檢測(cè)的位置信號(hào)與上次檢測(cè)的信號(hào)相比較，如果未發(fā)生變化或變化較小，即認(rèn)為己達(dá)到極限位置，立即切斷異步電機(jī)的供電電源，保證閥門的安全關(guān)閉或全開。省去了機(jī)械式限位開關(guān)，無需在調(diào)試時(shí)對(duì)其進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整。 3)電機(jī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)為了防止電機(jī)因過熱而燒毀，單片機(jī)通過溫度傳感器連續(xù)檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行溫度，

14、如果溫度傳感器檢測(cè)到電機(jī)溫度過高，自動(dòng)切斷供電電源。溫度傳感器內(nèi)置于電機(jī)內(nèi)部。 4)準(zhǔn)確定位傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在異步電機(jī)通電后會(huì)很快達(dá)到其額定動(dòng)作速度，當(dāng)接近停止位置時(shí)，電機(jī)斷電后，由于機(jī)械慣性，其閥門不可能立即停下來，會(huì)出現(xiàn)不同程度的超程，這一超程通常采用控制電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)來校正。機(jī)電一體化的大流量電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)當(dāng)前位置與給定位置的差值以及運(yùn)行速度的大小超前確定減速點(diǎn)的位置及減速段變化速率ki，使閥門在較低的速度下實(shí)現(xiàn)精確的微調(diào)和定位，從而將超程降到最低。 5)模擬信號(hào)的隔離。 對(duì)于變頻器的直流電壓以及輸出的三相電壓，它們之間的地址不一致，存在著較高的共模電壓，為了保證系統(tǒng)的安全性，必須將它

15、們彼此相互隔離。采用LM358和4N25組成了隔離線性放大電路。如圖4-1所示，采用±15V和±12V兩組獨(dú)立的正負(fù)電源。若運(yùn)放A的反相端電位由于擾動(dòng)而正向偏離虛地，則運(yùn)放A輸出端的電位將降低，因而光電耦合器的發(fā)光強(qiáng)度將增強(qiáng)，則使其集射極電壓減小，最后使運(yùn)放A反相端的電位降低，回到正常狀態(tài)。若A的反相端電位負(fù)向偏離虛地，也可以重回到正常狀態(tài)。從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性。 第5章 機(jī)電一體化中繼電器保護(hù)的現(xiàn)狀與發(fā)展5.1 繼電保護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展對(duì)繼電保護(hù)不斷提出新的要求，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展又為繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展不斷地注入了新的活力，因此，繼電保

16、護(hù)技術(shù)得天獨(dú)厚，在40余年的時(shí)間里完成了發(fā)展的4個(gè)歷史階段。建國后，我國繼電保護(hù)學(xué)科、繼電保護(hù)設(shè)計(jì)、繼電器制造工業(yè)和繼電保護(hù)技術(shù)隊(duì)伍從無到有，在大約10年的時(shí)間里走過了先進(jìn)國家半個(gè)世紀(jì)走過的道路。50年代，我國工程技術(shù)人員創(chuàng)造性地吸收、消化、掌握了國外先進(jìn)的繼電保護(hù)設(shè)備性能和運(yùn)行技術(shù)1，建成了一支具有深厚繼電保護(hù)理論造詣和豐富運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的繼電保護(hù)技術(shù)隊(duì)伍，對(duì)全國繼電保護(hù)技術(shù)隊(duì)伍的建立和成長起了指導(dǎo)作用。阿城繼電器廠引進(jìn)消化了當(dāng)時(shí)國外先進(jìn)的繼電器制造技術(shù)，建立了我國自己的繼電器制造業(yè)。因而在60年代中我國已建成了繼電保護(hù)研究、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和教學(xué)的完整體系。這是機(jī)電式繼電保護(hù)繁榮的時(shí)代，為我國繼

17、電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。自50年代末，晶體管繼電保護(hù)已在開始研究。60年代中到80年代中是晶體管繼電保護(hù)蓬勃發(fā)展和廣泛采用的時(shí)代。其中天津大學(xué)與南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠合作研究的500kV晶體管方向高頻保護(hù)和南京電力自動(dòng)化研究院研制的晶體管高頻閉鎖距離保護(hù)，運(yùn)行于葛洲壩500 kV線路上2，結(jié)束了500kV線路保護(hù)完全依靠從國外進(jìn)口的時(shí)代。在此期間，從70年代中，基于集成運(yùn)算放大器的集成電路保護(hù)已開始研究。到80年代末集成電路保護(hù)已形成完整系列，逐漸取代晶體管保護(hù)。到90年代初集成電路保護(hù)的研制、生產(chǎn)、應(yīng)用仍處于主導(dǎo)地位，這是集成電路保護(hù)時(shí)代。在這方面南京電力自動(dòng)化研究院研制的集成電路工頻

18、變化量方向高頻保護(hù)起了重要作用3，天津大學(xué)與南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠合作研制的集成電路相電壓補(bǔ)償式方向高頻保護(hù)也在多條220kV和500kV線路上運(yùn)行。我國從70年代末即已開始了計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)的研究4，高等院校和科研院所起著先導(dǎo)的作用。華中理工大學(xué)、東南大學(xué)、華北電力學(xué)院、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、重慶大學(xué)和南京電力自動(dòng)化研究院都相繼研制了不同原理、不同型式的微機(jī)保護(hù)裝置。1984年原華北電力學(xué)院研制的輸電線路微機(jī)保護(hù)裝置首先通過鑒定，并在系統(tǒng)中獲得應(yīng)用5，揭開了我國繼電保護(hù)發(fā)展史上新的一頁，為微機(jī)保護(hù)的推廣開辟了道路。在主設(shè)備保護(hù)方面，東南大學(xué)和華中理工大學(xué)研制的發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)、發(fā)電

19、機(jī)保護(hù)和發(fā)電機(jī)?變壓器組保護(hù)也相繼于1989、1994年通過鑒定，投入運(yùn)行。南京電力自動(dòng)化研究院研制的微機(jī)線路保護(hù)裝置也于1991年通過鑒定。天津大學(xué)與南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠合作研制的微機(jī)相電壓補(bǔ)償式方向高頻保護(hù)，西安交通大學(xué)與許昌繼電器廠合作研制的正序故障分量方向高頻保護(hù)也相繼于1993、1996年通過鑒定。至此，不同原理、不同機(jī)型的微機(jī)線路和主設(shè)備保護(hù)各具特色，為電力系統(tǒng)提供了一批新一代性能優(yōu)良、功能齊全、工作可靠的繼電保護(hù)裝置。隨著微機(jī)保護(hù)裝置的研究，在微機(jī)保護(hù)軟件、算法等方面也取得了很多理論成果。可以說從90年代開始我國繼電保護(hù)技術(shù)已進(jìn)入了微機(jī)保護(hù)的時(shí)代。5.2繼電保護(hù)的未來發(fā)展繼電保護(hù)

20、技術(shù)未來趨勢(shì)是向計(jì)算機(jī)化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，保護(hù)、控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。5.2.1計(jì)算機(jī)化 隨著計(jì)算機(jī)硬件的迅猛發(fā)展，微機(jī)保護(hù)硬件也在不斷發(fā)展。原華北電力學(xué)院研制的微機(jī)線路保護(hù)硬件已經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段：從8位單CPU結(jié)構(gòu)的微機(jī)保護(hù)問世，不到5年時(shí)間就發(fā)展到多CPU結(jié)構(gòu)，后又發(fā)展到總線不出模塊的大模塊結(jié)構(gòu)，性能大大提高，得到了廣泛應(yīng)用。華中理工大學(xué)研制的微機(jī)保護(hù)也是從8位CPU，發(fā)展到以工控機(jī)核心部分為基礎(chǔ)的32位微機(jī)保護(hù)。南京電力自動(dòng)化研究院一開始就研制了16位CPU為基礎(chǔ)的微機(jī)線路保護(hù)，已得到大面積推廣，目前也在研究32位保護(hù)硬件系統(tǒng)。東南大學(xué)研制的微機(jī)主設(shè)備保護(hù)的硬件也經(jīng)過了多次改

21、進(jìn)和提高。天津大學(xué)一開始即研制以16位多CPU為基礎(chǔ)的微機(jī)線路保護(hù)，1988年即開始研究以32位數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為基礎(chǔ)的保護(hù)、控制、測(cè)量一體化微機(jī)裝置，目前已與珠海晉電自動(dòng)化設(shè)備公司合作研制成一種功能齊全的32位大模塊，一個(gè)模塊就是一個(gè)小型計(jì)算機(jī)。采用32位微機(jī)芯片并非只著眼于精度，因?yàn)榫仁蹵/D轉(zhuǎn)換器分辨率的限制，超過16位時(shí)在轉(zhuǎn)換速度和成本方面都是難以接受的；更重要的是32位微機(jī)芯片具有很高的集成度，很高的工作頻率和計(jì)算速度，很大的尋址空間，豐富的指令系統(tǒng)和較多的輸入輸出口。CPU的寄存器、數(shù)據(jù)總線、地址總線都是32位的，具有存儲(chǔ)器管理功能、存儲(chǔ)器保護(hù)功能和任務(wù)轉(zhuǎn)換功能，并將高速

22、緩存(Cache)和浮點(diǎn)數(shù)部件都集成在CPU內(nèi)。電力系統(tǒng)對(duì)微機(jī)保護(hù)的要求不斷提高，除了保護(hù)的基本功能外，還應(yīng)具有大容量故障信息和數(shù)據(jù)的長期存放空間，快速的數(shù)據(jù)處理功能，強(qiáng)大的通信能力，與其它保護(hù)、控制裝置和調(diào)度聯(lián)網(wǎng)以共享全系統(tǒng)數(shù)據(jù)、信息和網(wǎng)絡(luò)資源的能力，高級(jí)語言編程等。這就要求微機(jī)保護(hù)裝置具有相當(dāng)于一臺(tái)PC機(jī)的功能。在計(jì)算機(jī)保護(hù)發(fā)展初期，曾設(shè)想過用一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)作成繼電保護(hù)裝置。由于當(dāng)時(shí)小型機(jī)體積大、成本高、可靠性差，這個(gè)設(shè)想是不現(xiàn)實(shí)的?，F(xiàn)在，同微機(jī)保護(hù)裝置大小相似的工控機(jī)的功能、速度、存儲(chǔ)容量大大超過了當(dāng)年的小型機(jī)，因此，用成套工控機(jī)作成繼電保護(hù)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，這將是微機(jī)保護(hù)的發(fā)展方向之一。

23、天津大學(xué)已研制成用同微機(jī)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)完全相同的一種工控機(jī)加以改造作成的繼電保護(hù)裝置。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)有：(1)具有486PC機(jī)的全部功能，能滿足對(duì)當(dāng)前和未來微機(jī)保護(hù)的各種功能要求。(2)尺寸和結(jié)構(gòu)與目前的微機(jī)保護(hù)裝置相似，工藝精良、防震、防過熱、防電磁干擾能力強(qiáng)，可運(yùn)行于非常惡劣的工作環(huán)境，成本可接受。(3)采用STD總線或PC總線，硬件模塊化，對(duì)于不同的保護(hù)可任意選用不同模塊，配置靈活、容易擴(kuò)展。繼電保護(hù)裝置的微機(jī)化、計(jì)算機(jī)化是不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。但對(duì)如何更好地滿足電力系統(tǒng)要求，如何進(jìn)一步提高繼電保護(hù)的可靠性，如何取得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，尚須進(jìn)行具體深入的研究。5.2.2網(wǎng)絡(luò)化 計(jì)算機(jī)網(wǎng)

24、絡(luò)作為信息和數(shù)據(jù)通信工具已成為信息時(shí)代的技術(shù)支柱，使人類生產(chǎn)和社會(huì)生活的面貌發(fā)生了根本變化。它深刻影響著各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，也為各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的通信手段。到目前為止，除了差動(dòng)保護(hù)和縱聯(lián)保護(hù)外，所有繼電保護(hù)裝置都只能反應(yīng)保護(hù)安裝處的電氣量。繼電保護(hù)的作用也只限于切除故障元件，縮小事故影響范圍。這主要是由于缺乏強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)通信手段。國外早已提出過系統(tǒng)保護(hù)的概念，這在當(dāng)時(shí)主要指安全自動(dòng)裝置。因繼電保護(hù)的作用不只限于切除故障元件和限制事故影響范圍(這是首要任務(wù))，還要保證全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這就要求每個(gè)保護(hù)單元都能共享全系統(tǒng)的運(yùn)行和故障信息的數(shù)據(jù)，各個(gè)保護(hù)單元與重合閘裝置在分析這些信息和數(shù)據(jù)的基

25、礎(chǔ)上協(xié)調(diào)動(dòng)作，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。顯然，實(shí)現(xiàn)這種系統(tǒng)保護(hù)的基本條件是將全系統(tǒng)各主要設(shè)備的保護(hù)裝置用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來，亦即實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)裝置的網(wǎng)絡(luò)化。這在當(dāng)前的技術(shù)條件下是完全可能的。對(duì)于一般的非系統(tǒng)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)也有很大的好處。繼電保護(hù)裝置能夠得到的系統(tǒng)故障信息愈多，則對(duì)故障性質(zhì)、故障位置的判斷和故障距離的檢測(cè)愈準(zhǔn)確。對(duì)自適應(yīng)保護(hù)原理的研究已經(jīng)過很長的時(shí)間，也取得了一定的成果，但要真正實(shí)現(xiàn)保護(hù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài)的自適應(yīng)，必須獲得更多的系統(tǒng)運(yùn)行和故障信息，只有實(shí)現(xiàn)保護(hù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化，才能做到這一點(diǎn)。對(duì)于某些保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，也能提高保護(hù)的可靠性。天津大學(xué)1993年

26、針對(duì)未來三峽水電站500kV超高壓多回路母線提出了一種分布式母線保護(hù)的原理6，初步研制成功了這種裝置。其原理是將傳統(tǒng)的集中式母線保護(hù)分散成若干個(gè)(與被保護(hù)母線的回路數(shù)相同)母線保護(hù)單元，分散裝設(shè)在各回路保護(hù)屏上，各保護(hù)單元用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來，每個(gè)保護(hù)單元只輸入本回路的電流量，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送給其它所有回路的保護(hù)單元，各保護(hù)單元根據(jù)本回路的電流量和從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上獲得的其它所有回路的電流量，進(jìn)行母線差動(dòng)保護(hù)的計(jì)算，如果計(jì)算結(jié)果證明是母線內(nèi)部故障則只跳開本回路斷路器，將故障的母線隔離。在母線區(qū)外故障時(shí)，各保護(hù)單元都計(jì)算為外部故障均不動(dòng)作。這種用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的分布式母線保護(hù)原

27、理，比傳統(tǒng)的集中式母線保護(hù)原理有較高的可靠性。因?yàn)槿绻粋€(gè)保護(hù)單元受到干擾或計(jì)算錯(cuò)誤而誤動(dòng)時(shí)，只能錯(cuò)誤地跳開本回路，不會(huì)造成使母線整個(gè)被切除的惡性事故，這對(duì)于象三峽電站具有超高壓母線的系統(tǒng)樞紐非常重要。由上述可知，微機(jī)保護(hù)裝置網(wǎng)絡(luò)化可大大提高保護(hù)性能和可靠性，這是微機(jī)保護(hù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。5.2.3保護(hù)、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)通信一體化 在實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的計(jì)算機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化的條件下，保護(hù)裝置實(shí)際上就是一臺(tái)高性能、多功能的計(jì)算機(jī)，是整個(gè)電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)智能終端。它可從網(wǎng)上獲取電力系統(tǒng)運(yùn)行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)，也可將它所獲得的被保護(hù)元件的任何信息和數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)控制中心或任一終端。因此，每個(gè)微機(jī)保

28、護(hù)裝置不但可完成繼電保護(hù)功能，而且在無故障正常運(yùn)行情況下還可完成測(cè)量、控制、數(shù)據(jù)通信功能，亦即實(shí)現(xiàn)保護(hù)、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)通信一體化。目前，為了測(cè)量、保護(hù)和控制的需要，室外變電站的所有設(shè)備，如變壓器、線路等的二次電壓、電流都必須用控制電纜引到主控室。所敷設(shè)的大量控制電纜不但要大量投資，而且使二次回路非常復(fù)雜。但是如果將上述的保護(hù)、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)通信一體化的計(jì)算機(jī)裝置，就地安裝在室外變電站的被保護(hù)設(shè)備旁，將被保護(hù)設(shè)備的電壓、電流量在此裝置內(nèi)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)送到主控室，則可免除大量的控制電纜。如果用光纖作為網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)，還可免除電磁干擾?，F(xiàn)在光電流互感器(OTA)和光電壓互感器(O

29、TV)已在研究試驗(yàn)階段，將來必然在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用。在采用OTA和OTV的情況下，保護(hù)裝置應(yīng)放在距OTA和OTV最近的地方，亦即應(yīng)放在被保護(hù)設(shè)備附近。OTA和OTV的光信號(hào)輸入到此一體化裝置中并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，一方面用作保護(hù)的計(jì)算判斷；另一方面作為測(cè)量量，通過網(wǎng)絡(luò)送到主控室。從主控室通過網(wǎng)絡(luò)可將對(duì)被保護(hù)設(shè)備的操作控制命令送到此一體化裝置，由此一體化裝置執(zhí)行斷路器的操作。1992年天津大學(xué)提出了保護(hù)、控制、測(cè)量、通信一體化問題，并研制了以TMS320C25數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為基礎(chǔ)的一個(gè)保護(hù)、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)通信一體化裝置。5.2.4智能化 近年來，人工智能技術(shù)如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進(jìn)化規(guī)劃、模糊邏輯等在電力系統(tǒng)各個(gè)領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，在繼電保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的研究也已開始7。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種非線性映射的方法，很多難以列出方程式或難以求解的復(fù)雜的非線性問題，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法則可迎刃而解。例如在輸電線兩側(cè)系統(tǒng)電勢(shì)角度擺開情況下發(fā)生經(jīng)過渡電阻的短路就是一非線性問題，距離保護(hù)很難正確作出故障位置的判別，從而造成誤動(dòng)或拒動(dòng)；如果用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，經(jīng)過大量故障樣本的訓(xùn)練，只要樣本集中充分考慮了各種情況，則在發(fā)生任何故障時(shí)都可正確判別。其它如遺傳算法、進(jìn)化規(guī)劃等也都有其獨(dú)特的求解復(fù)雜問題的能力。將這些人工