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直流电源系统的监测样本
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论文大概：
直流电源系统的监测
1 摘
要
高性能、高可靠性和高效率的直流电源系统在电力、电信、石化以及冶金等诸多领域中都有着相当广泛的应用。随着高频开关电源技术、应用电子技术和计算机技术的高速发展,直流高频开关电源系统依靠它的高精度、低纹波、高效率及功率因数等优越性能,正在逐步取代传统的可控硅整流装置。随着阀控式蓄电池（免维护蓄电池）越来越多地应用于直流电源系统,以及对直流系统的苛刻要求,高频开关电源的应用也日益广泛。同时,高频开关电源系统的高速响应性能、输出短路电流限制及稳压和稳流等优点也使阀控式蓄电池的使用寿命大大增加。此外,由于智能直流高频开关电源系统可以完全处于微机的智能化控制之下而不需要人为干预便可完成对整个系统的测量和控制。因此,采用智能高频开关电源可以最大限度地提高系统的性能。用PLC做控制系统核心,成本较低,稳定性很高,程序编写调试方便,但PLC在人机对话、故障判断、在线修改等方面有一些不便,需要对编程非常熟悉的专业人员进行操作。并且,要想直观地了解生产过程和监控信号的动态变化必须选择一个上位机来配合PLC,才能组成较好的自动控制系统。因此,本系统采用触摸屏与PLC通信,共同组成生产监控系统。
关键词: PLC, 直流电源系统, 高频开关电源
2 Abstract
High performance,
high reliability and high efficiency of the DC power supply system
in the electricity, telecommunications, petrochemical and metallurgy
and many other areas have a very wide application. With
high-frequency switching power supply technology, electronic and
computer technology has developed rapidly, DC high frequency
switching power supply system relies on its high-precision, low
ripple, high efficiency and high power factor, such as superior
performance, is gradually replacing the traditional thyristor
device. With the valve-battery (maintenance-free batteries) more and
more used in DC power supply system DC system and the harsh,
high-frequency switching power supply applications have also been
extensive. Meanwhile, high-frequency switching power supply system
in response to the high-speed performance, Output short circuit
current limiting and Steady Flow Regulators and also the advantages
of valve-battery life greatly increased. In addition, HF smart DC
switching power supply system can be completely computer intelligent
control without human intervention can be completion of the entire
system of measurement and control. Therefore, the smart
high-frequency switching power supply can maximize system
performance. Done with PLC control system core, low cost and high
stability, programmers convenient debugging, However, the
man-machine dialogue PLC, fault judgment, online revisions have some
inconvenience, Programming needs to be very familiar with the
operation of professionals. Moreover, in order to intuitively
understand the production process and control signals in the dynamic
changes must choose a PC to match PLC, to form a better control
system. Thus, the system uses touch screen and PLC communications,
joint production monitoring system.
Key Words: PLC, DC power
systems, high-frequency switching power supply
3 目录
摘
要 0
Abstract 1
目录 1
第一章 绪言 1
1.1
课题背景 1
1.2
本课题的任务和要求 7
1.3系统解决的问题和拟采用的研究手段 11
1.4本文的工作 13
第二章
系统的总体设计 14
2.1核心单元电路 14
2.2工作控制程序设计 36
第三章系统的实现和关键技术 51
3.1硬件的选择与说明 51
3.2软件设计 54
第五章
总结 57
致谢 58
参考文献 59
4 第一章
绪言
4.1 1.1
课题背景
针对发电机、变压器类电力设备普遍采用的预防性定期检修方式所存在的弊端,分析了发展状态监测和故障诊断技术的意义,并对该技术在国内外的发展现状和存在问题进行了介绍。最后指出,发电机、变压器类电力设备的状态监测和故障诊断技术,可以迅速、连续地反映设备的运行状态,预示运行设备存在的潜伏性故障,是保障电力设备安全经济运行的有力措施,应大力推广。
发电机、变压器类电力设备的状态监测和故障诊断技术日益受到普遍关注,越来越多的单位和部门已在或正在积极应用和开发该项技术,并有全面推广之势。在这种情况下,全面、客观地认识该技术,了解其目前技术状态,比较、认识该技术和现行预防性检修体系的优劣性及关系,对正确开发、应用和推广这一新技术,更好地保障电力生产的可靠安全性将具有一定意义。
发电机、变压器类电力设备素有发、输电心脏之称,其运行可靠性直接影响电力工业的正常生产。但是,这些设备在运行中,由于不可避免地受到电、热、机械和环境等各种因素的影响,其性能不断劣化,使运行状态不佳,甚至发生各种故障,引起局部乃至大面积停电,造成巨大的直接和间接经济损失和社会影响。
据国外报道,电气设备在服役期内,其故障发生率和运行时间、方式之间有着宏观规律。将设备故障率和使用寿命的关系绘制成曲线,其形状为两边高,中间低,形成一浴盆状,称为设备故障发生的“浴盆”曲线,见图1。
从图1可见,在电力设备的整个服役期内,设备故障率分为初期故障率、稳定期故障率、劣化期故障率。对于发电机、变压器等大型电气设备,投运初期,由于各部件磨合不善,一些制造、安装和调试过程中遗留的问题逐渐暴露,同时,操作和维护也有一个适应期,所以故障率略高。发电机通过168
h试运行,变压器经过4～30
d至半年后,随着对暴露问题的处理及运行人员对设备性能的逐步熟悉和掌握,设备故障率会逐渐降低,事故率进入稳定期。该期间一般约15～20年。在设备服役后期,由于绝缘老化现象明显,泄漏电流增加,绝缘电阻下降,油中溶解气体组分变化,局部放电增加等原因,故障率会明显增加。
为了及时发现和排除故障,减少和避免事故的发生,长期以来,电力系统工作者不断地研究、总结,改变了过去的事故维修模式,实施各种可行、有效的定期预防性试验和检修方式。与事故维修相比,这种体制曾经适应了我国生产力的发展,发挥过积极作用,不管是在思维还是在效果上都取得了很大进步。但它对设备运行中的突发性事故常常措手不及,造成惨重损失。而且定期计划维修也存在一定程度的盲目性和强制性,缺少针对性和科学性,常对设备的稳定造成干扰。
由于预防性试验大多是离线进行的,试验时需停机、停电,造成较大的经济损失。而一些重要设备轻易不能停运,致使定期试验无法按照计划进行；即使可停运待检设备,也往往因为运行中与停运后的设备状态差异,不同程度地影响到试验结果的准确性。另一方面,对于正常的设备,若按计划采用定期检测和维修,又造成不必要的人力和物力的极大浪费。甚者,可能因检查维修,造成维修过度,即造成“维修干扰”。如某厂的1台300
MW水-氢-氢发电机,维修前绝缘状态良好,维修后,绝缘水平明显降低。经查,是由于进行耐压试验,使绝缘受到损害。泄漏电流的测试,也可造成绝缘恶化或损伤。又如某局进行变压器的例行检查维修,由于工作人员的疏忽,将工具遗留在变压器内,造成重大事故。同时,定期检测和维修,不是连续和实时监测,无法避免设备在两次试验间隔期可能发生的故障。
国内外发展状况
1）国际发展概况
上世纪90年代以后,国外先进工业国家新建或改造电厂和变电站已全部采用高频开关电源,其蓄电池亦全部采用免维护蓄电池。电力电子技术已发展成为一门完整的、自成体系的高科技技术,电源技术属于电力电子技术的范畴,是集电力变换、现代电子、自动控制等多学科的边缘交叉技术。所以电源设备是一种技术含量高、知识面宽、更新换代快的产品,如今已广泛应用到工业、能源、交通、信息、航空、国防、教育、文化等等领域。
电源技术主要是为信息产业服务的,信息技术的发展又对电源技术提出了更高的要求。例如：节能、节电、节材、缩体、减重、防止污染、改善环境、可靠、安全等。随着电信技术的飞速发展,电信网络结构日益复杂,因此,作为通信系统的动力组成部分——电源,就显得极其重要。这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索,改变以往传统式的电源供电制式,逐步采用分散式取代集中式供电制式,技术将由单元化趋于多元化的发展,并利用各种相关技术,制造出合格电源产品,以满足现代通信网的技术需求。
在当前的电源产业,占主导地位的产品有各种线性稳压电源、通信用的AC/DC开关电源、AC/DC开关电源、DC/DC开关电源、UPS、交流变频调速电源、正弦波逆变电源、大功率高频高压直流稳压电源、中频感应加热电源、电力操作电源、绿色照明电源、可靠高效低污染的光伏逆变电源、风光互补型电源等等。而与这些产品相关的技术有：高频变换技术、功率转换技术、数字化控制技术、全谐振高频软开关变换技术、同步整流技术、高度智能化技术、电磁兼容技术、功率因数校正技术、保护技术、并联均流控制技术、脉宽调制技术、变频调速技术、智能监测技术、智能化充电技术、微机控制技术、集成化技术、网络技术、各种形式的驱动技术和先进的工艺技术等。
今后高频变化仍是电源技术发展的主流。电源技术的精髓是电能变换,即利用电能变化技术,将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要地位,从10kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫级的高频开关电源,为高频变换提供了物质基础,促进了现代电源技术的繁荣和发展。高频化带来了最直接的好处是降低原材料消耗、电源装置小型化、加快系统的动态反应,进一步提高电源进入更广阔的领域,特别是高新技术领域,进一步扩展了它的应用范围。
——高频的变化是靠：谐振变换、移相谐振、零开关PWM、零过渡PWM等电路拓扑理论和功率因数校正、有源箝位、并联均流、同步整流、高频磁放大器、高速编程、遥感遥控、微机监控等新的理论和技术,来指导现代电源技术发展。
——新理论、新技术又要靠：绝缘栅双极晶体管（IGBT）、功率场效应晶体管（MOSFET）、智能IGBT功率模块（IPM）、MOS栅控晶闸管（MCT）、静电感应晶体管（SIT）、超快恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型铁氧体、非晶和微晶软磁合金、纳米晶软磁合金等新的元器件与材料,来装备和支撑现代化电源技术,促进产品升级换代。
2）国内研究概况
为了保障通信电源系统设备稳定、可靠地运行,提高电源产品技术与质量,为通信网络提供优质的供电。电源技术标准的研究在“通信电源标准体系”的基础上,还要根据通信的需求（同时要考虑我国边远地区或动力电无法接到的地方）及电源技术发展趋势,结合国外、国内生产企业研发、生产实际情况,提出了下一步电源标准的研究课题方向及2007年研究、制修订工作的重点,不断补充和完善我们通信电源系统设备的技术标准体系。
1）近期电源标准的研究课题的方向：
——电源系统、系统可靠、安全评估的研究；
——蓄电池、UPS、开关电源和柴油发电机组如何保证供电系统安全；
——降低通信电源能源损耗（节能）的技术要求研究；
——下一代通信网络对通信电源的要求研究；
——燃料电池在通信领域中应用的探讨等。
2）2007年电源标准重点研究与制修订课题：
——通信设备用直流远供电源系统；
——数据通信用电源系统；
——通信用后备式锂离子蓄电池组技术报告；
——接入网设备与远端模块电源系统的综合再利用（在立国标项目）；
——基站节能系统技术规范智能通风部分（在立国标项目）；
——基站节能系统技术规范智能换热器（在立国标项目）；
——离网型通信用风光互补供电系统；
——通信中心机房环境条件；
——通信用综合集装柜；
——对YD/T1058《通信用高频开关组合电源》、YD/T
502《通信专用柴油发电机组技术要求》、YD/T1095《通信用不间断电源UPS》等产品标准的修订工作。
总之,电源技术的发展实际上是一条围绕提高效率、提高性能、小型轻量化、可靠安全、消除电力公害、减少电磁干扰和电噪声进行不懈研究的轨迹。21世纪的电源装置和系统对上述技术的要求更加强烈。这也正是21世纪电源技术和产业的发展趋势。
4.2 1.2
本课题的任务和要求
状态监测与故障诊断技术,采取对潜伏性故障的早期、连续监测,与离线检测相结合,应用现代分析、电子和计算机等技术,进行综合分析,预测设备可能发生的故障,以期做到预知维修和有效维修,将对电力设备的运行起到重要的安全保障作用。
故障诊断系统是典型的人机系统,根据系统中的信息流向和功能划分的结果[1],基于计算机智能化的故障诊断系统,如图2所示。
图2 故障诊断系统中的信息流向和功能模块
系统的输入模块要完成机电设备故障检测信号、控制指令和专家知识的接收工作。处理模块要求能自动实现特征参数提取、控制指令代码转换的功能。专家知识的整理和表达由领域专家和系统专家协作完成。控制模块是故障诊断系统的核心,它根据控制指令,利用专家知识,完成从故障特征到故障原因的识别工作。控制模块的功能越完善,故障诊断系统的智能化程度越高。输出模块通过声光报警装置和人机界面,给出故障定位、预报和解释的结果。其中,人机界面还能提供排除故障的技术路线。
实现信息源从输入模块到输出模块的全自动流向,减少人在其中的干预作用,是机电设备对其故障诊断系统的要求。采用PLC的故障诊断系统,有助于实现故障诊断过程的自动化。
PLC的开关量输入模块可用作为开关量故障信号的输入装置,模拟量输入模块可用作为模拟量故障信号的输入装置。这两种模块均能方便地实现对设备的在线监测。
PLC的内部逻辑可完成控制模块中的逻辑推理功能。
PLC的输出模块可直接驱动故障诊断系统的输出模块。其中,输出端子可用来控制声光报警装置和受控机电设备的运行过程,显示屏可作为人机界面使用。
PLC的通讯口即可用来接受控制指令,又可输出PLC对机电设备故障的诊断结果。
实现机电设备故障诊断的智能化,可充分利用专家知识,提高诊断效率,是故障诊断技术发展的一个重要方向。
由于目前的PLC产品不具备自动获取和存储专家知识的功能,所采用的编程语言无法完成控制层中的计算推理功能,因此,单纯采用PLC的故障诊断系统的智能程度是相当有限的。为此,可利用网络技术和通讯技术,将PLC和计算机联接成网络,互相取长补短,共同构成如图3所示的故障诊断的硬件系统[2]。
图中的PLC采用并行分布式结构,作下位机使用,计算机作为上位机,可完成PLC的程序下装,实施对多台PLC的管理,进行复杂的数据运算,建立数据库,存储专家知识,其输入输出设备可用作诊断过程的人机交互。PLC与计算机通过两种方式联接成一个整体：一是通过PLC的通讯口和计算机的通讯口进行联接,二是通过PLC的输入输出端子与计算机上的开关量板和A/D板进行联接。其中,PLC通过通讯口传递给上位机的故障信号多达两个或两个以上时,上位机要通过编码进行识别,而通过PLC输出端子传递给上位机的故障信号,上位机要通过开关量板输入端子的地址来识别。PLC输入端子可接受来自上位机的控制信号或故障信号。
图3 PLC与计算机构成的诊断网络
图3网络中的PLC和计算机在故障诊断系统中各自扮演着不同的角色。通常情况下,故障诊断过程中复杂的逻辑判断、开关量故障信号的检测以及在严重故障状态下对设备进行的保护可交给PLC完成,以充分发挥PLC的技术优势,而复杂的数值计算和人机交互可在上位机上完成。PLC检测到的故障信号可通过通讯口或输出端子传给上位机,然后调用上位机存储的专家知识对其进行分析、判断、决策,并作出合理的解释。上位机作出决策之后,又可通过通讯口或开关量板的输出端口传递控制信号,并将控制权交给PLC。充分利用通讯口的功能,有利于减小PLC的规模。
综上所述,发电机、变压器类电气设备的状态监测和故障诊断技术,可以迅速、连续地反映设备的运行状态,预示运行设备存在的潜伏性故障,提出处理措施,不同程度地延长设备的服役期,减免不必要的维修干扰,大大降低运行成本,易实行自动化和科学化设备管理,是保障电力设备安全经济运行的有力措施,应大力推广。然而,该技术毕竟为新兴的多学科高新技术,其发展和实施还存在许多困难,距离替代预防性定期检修还有较长历程。所以,既要积极开发、推广这一技术,也要客观对待,避免盲从,不断总结经验,完善系统,使该技术为电力生产安全服务。
4.3 1.3系统解决的问题和拟采用的研究手段
状态监测、故障诊断技术虽然有其不可替代的优势,但在目前情况下,尚存在很多不足和问题需要解决。已经安装投运了状态监测系统的单位,决不可高枕无忧,不再有安全忧患意识。
由于发电机、变压器有复杂的结构系统,运行参数间并非全部有严格的逻辑和定量关系,其故障现象、故障原理之间具有很大的不确定性,一个故障可表现出多种征兆,监测到的几个故障起因同时反映一个故障征兆,故障与征兆之间关系模糊复杂,因此完全通过建立精确的数学模型来诊断是十分困难的。这种复杂的系统都是模糊的系统,而模糊系统的边界、结构等概念的外延是模糊的,内涵是灰色的。也就是说,此系统中的一些信息是确知的,另一些是非确知的,因此,需要采用将精确性向模糊性逼近的模糊集的数学方法来处理这些模糊现象,并注入人工神经网络系统,才能对发电机、变压器故障诊断这一复杂系统,找出合适的描述方法。同时还要模拟技术专家在进行故障诊断时的经验及将经验、规则模型化,以计算机替代专家,并以远程通信方式进行传输。除此之外,复杂的现场环境也给状态监测和故障诊断技术的应用带来困难。到目前,状态监测和故障诊断技术尚存在以下不足和问题：
a)受技术条件限制,目前发展较成熟的仅有局部放电定位仪和部分组分含量的在线色谱仪,而其他反映设备状态的项目尚无成熟监测。因此,在故障诊断中,很多需采集的信息还必须依赖于离线检测。
b)早期故障的监测信号极弱,设备运行现场均有较强的磁场和电场干扰,信噪比很低,给状态监测带来困难。
c)现有的一些监测系统,只能反映设备故障的发展趋势,很难提供设备故障的类型及故障的危急程度。渗透膜存在渗透率衰减,软件不能适应个案的分析和判定,软、硬件在不同程度上存在缺陷和不稳定性,易引起误报、错报故障。
d)现行规程中没有状态监测的技术要求和指标,使故障诊断时缺乏科学的判据。
e)现有的监测、诊断系统尚不能完全实现连续不断的实时监测,所以对突发性故障不能准确、及时预报。
针对课题采取以下研究方法及步骤：
1、各种元器件以及芯片的选择
2、硬件电路的设计
3、软件方面的设计
4、结合电路对程序进行调试
5、找出程序中的错误,改正这些错误
4.4 1.4本文的工作
本文的工作就是介绍如何做一个IC卡煤气表,第2部分给出相关方案的研究为后面程序设计打下基础,第3部分给出了系统的总体设计,对程序的模块分析、设计思想第4部分给出详细的实现过程和重要的技术实现。最后给出了我对这个设计一个看法,这个系统有些什么特色,还有展望之类的。
5 第二章 系统的总体设计