自动化系统设计原则

经典word整理文档，仅参考，双击此处可删除页眉页脚。本资料属于网络整理，如有侵权，请联系删除，谢谢！自动化系统设计原则【摘理技术和通信技术等高科技对的继电保护、测量、控制、故障滤波、信号处理、运动装置和自动装置等二次设备功能进行优化组合，实现对所有设备运行情况的测量和控制。本文主要研究了综合自动化系统的设计和实现，并对关键技术进行解剖分析。控制工程；安全生产；安全管理；监控系统；报警系统；氧气浓度1综合自动化系统简述电气综合自动化系统（简称综自系统）是指在各种硬件措施和自动化装置的基础上，利用数据分析、通信技术、控制技术和处理技术对的各类功能进行组合与优化，取代了人工操作方式，在综合管理方面实现了智能化管理，实现了低误差率，提高了运行的可靠度。由于我国用电需求的增大，对电网运行的要求也越来越高，这便要求调度中心能够获得准确详细的和电网运行数据，进行集中操作、集中控制和反事故措施等，通过无人值守的方式，不仅避免了人工操作的失误，又能提高效率和电网运行的安全性。随着通讯技术和微机技术等科技的运用，不仅改变以往的二次设备形式，也在缩减了的用地面积、减少电缆量、降低了成本、实现信息共享、简化系统等方面改变了以往的运行风格。由于上述的优势，综合自动化系统已被行业完全接纳，用于提高电网的管理水平。不少厂家也陆续推出各种综合自动化系统，作为自身竞争的筹码，以满足不同企业电网运行需求。从上世纪九十年代开始国外各大知名电气公司，例如西门子公司、通用公司、ABB公司等都不断推出各种成套的综自系统，我国随着数字化设备的不断使用与发展，综合自动化系统也被广大的电网用户所接受[3]。在电网中使用综自系统有两个主要优势：（1）可以实现无人值守，减少一定的人工成本。（2）在高中压的中使用综自系统可以综合多种技术，采用更加可靠的控制系统，提高运行的安全性。2综合自动化系统的构造随着各种高科技技术的运用，综自系统的结构体系也随之发生改变，其功能、性能与可靠性等都得到提升，的综合自动化系统结构主要有集中式的结构形式、集中式分布式的结构形式、分层分布式的结构形式[4]。2.1集中式的结构形式集中式是指用功能比较强大的计算机向外增加多个I/O接口，对的开关量和脉冲量等信息进行集中采集和处理，依次完成微机的监控、自动控制及保护等功能。集中式系统并不是只有一台微型计算机。大多数集中式系统是由不同的计算机完成微机的保护、监控和调度等功能，只是不同的微型计算机承担的任务有所不同。例如一台微机保的计算机可能需要承担多个回路的低压线路微机保护计算；一台监控机需要负责人机联系、数据的采集与处理等多个任务等，集中式系统的结构如图2-1所示。图集中式结构具有以下优点：（1）可以对的数字量、开关量、模拟量等信息进行实时采集，完成的实时监控、数据采集、打印、制表等功能；（2）可以对的进出线和主要设备进行保护；（3）体积小、结构紧凑，较大的减少了4）成本低，对于小规模的较为实用。集中式结构的缺点：（1）功能较为集中在少数几台计算上，如果一台微型计算机出现差错或故障，对电网和的运行影响较大。只有采取双机并联的运行方式可以提高集中式系统的可靠性；（2）组态太呆板，对于不同规模的或者不同的主接线，集中式系统的硬软件都需要重新设计，造就工作量过大；（3）软件设计较为复杂，修改和调试工作太繁琐；（4）与常规的一对一保护方式相比，集中式系统不够直观，且与维护和运行人员的习惯不同，这种系统较适用于逻辑较为简单的保护。集中式系统在许多方面的处理都不够理想，在微机技术出现之后，综自系统的结构也得不断的改进。2.2分布式机构形式分布式系统的特点是根据功能进行设计，分散综自系统的各个功能到多台微型计算机。这种系统采取主从CPU,多个CPU并行处理多发事件的工作方式，更好的处理CPU瓶颈的运算处理问题。综自系统的各个功能之间采取串行或网络技术的方式更好的完成了数据通信，同时网络系统采用优先级的方式也处理了数据传输问题。分布式系统如果局部发生故障不会对其他功能造成影响，且方便系统的维护与扩张，这种模式在中低压的中较常使用，其模式结构可见如2-2所示。图2.3分层分布式结构形式从逻辑方面来看，该系统可以将综自系统划分为站控台和间隔层的两层结构，或者是站控台、间隔层和通信层的三层结构。这种结构是按照断路器间隔和元件进行设计的，由一个或多个智能控制单元负责单个断路器间隔的数据采集、控制、保护等功能。测控单元相互之间是用特殊电缆或光缆连接，安装在断路器的器柜或间隔附近。这种系统能够较大程度的减少电缆的连接量和电磁干扰，具有较强的可靠性，实现了故障之间互不影响，且利于系统的扩展与维护，是目前综自系统的发展趋势。该系统可见图2-3所示。分层分布式系统具有以下优点：（1）对的二次设备进行简化，减少了控2）间隔控制单元实现了标准化、自动化系统；（3）所有的间隔控制单元的功能都设置在间隔层中；（4）软件控制所有的逻辑组态指图3综自系统的功能综自系统主要有检测、监控、远传和保护四个主要部分。3.1综自系统监测功能检测功能是通过综自系统对运行数据进行收集、显示、处理及打印等，使工作人员能够全面准确的了解电网运行情况，能够及时采取应急措施，系统采集数据可以分为开关量信号、脉冲量信号、模拟量信号。3.2综自系统监控功能系统可以检测统计手动跳闸和事故跳闸的次数。当电网单相接地出现故障时，系统可以根据零序电流电压增量、功率方法和相电压降等方法来判断接地相别和线路；同时可以通过电流电压的计算来判断投切电容器或者调节分接头的位置。3.3综自系统远传功能远传规约一般分为三种类型：PoIlink规约、CDT规约、和特殊规约。当处于正常运转或出现事故和报警事件时，远传就会立即向上级传送该信息，方便调度人员及时掌控该站的运转情况。3.4综自系统保护功能综自系统的保护功能主要是利用微机保护装置，不仅在使用方面较为方便，并且具备较强的灵敏性及可靠性。其主要具备以下特点：（1）具备实时自检功能。它能针对保护柜，其中包括主机在内的各个组件在线进行检查。（2）可通过使用显示器和键盘显示出电压、电流和开关的状态，以及整定值，并可对其进行修改。（3）具备事故追忆功能。它能准确的记录事故发生前后的母线电压及线路电流。保护可选择使用以下几种类型:（1）变压器保护：包括本体保护(轻瓦斯、有载轻瓦斯、重瓦斯、有载重瓦斯等)、低压侧备电源自投、高压侧备用电源自投和、过负荷保护、过流保护(包括复合电压启动、低压启动)、零序保护、带二次谐波制动的比例差动保护、差电流速断保护。（2）线路保护：包括零序电流、电压和方向保护、定时限过电流保护、反时限过流保护、电流速断保护、距离保护、方向性电流保护、双回线方向横差保护、高频保护和低周减载保护。（3）母线保护：包括电流比相式母线保护和完全电流差动母线保护。（4）电容器保护：包括相间低电压保护、相间过电压保护、零序过电压保护、过流保护、电流速断保护、反时限过流保护。4微机保护PT与电流互感器CT模拟信号准确及时转换成计算机可以识别的数字信息。同CPU系统发展到现在的DSP技术，保护装置更新很快，但是其硬件结构基本相同，如图2-4PTCT瓦斯等信号通过保护装置A/D转换、低通滤波、电平转换、隔离等处理，使保号输入处理过的信号进行计算分析，通过与定值的比较，产生“是”或“非”的相应的保护动作时，还将进行电平转换和隔离及信息反馈等任务。图4.1微机保护的硬件结构微机保护装置[5]通常是将功能不同的插件组合成完整的保护装置，不同的插件为不同功能的模块。如果按照功能进行划分插件可分为：保护CPU和监控CPU//输出插件等。微机保护装置结构原理如图2-5所示。图图4.1.3开关量输入/输出模块图图图4.2微机保护的软件设置计中需要注意系统的准确性、可靠性、继承性、可读性、易修改和维护等。独立，且模块均使用单入口/出口的结构，易于进行程序的调试、维护和维护。目前绝大数的微机保护都是双CPU的结构，即由保护和监控构成的双CPU系统。这两类CPU系统都是由采样中断服务和主程序构成，只是两者在采样中端服务系统中功能不同，下面以保护CUP系统为研究对象分析其程序。4.2.1保护CPU系统护CPU系统显示图2-11所示，该系统主要包括上电复位和自检循环两个程序。行接口，寄存器、计数器、整定值的加载和换算以及各种标志的设置，并进行初始化自检。系统元器件以及工作完好。在自检过程中可以及时发现保护装置中出现的问题，并发出报警信号，及时闭锁保护出口，再由技术人员排除故障。因此，自检功能是微机保护装置中独有的智能技术。主要内容包括：程序、定值、输出通道、ROM、以及FLASH等，确保微机保护在投入使用时是完好的。启动，到此为止上电复位流程全部走完，随后将进入自检循环的流程。图自检循环程序[7]为实现保护装置的软件和硬件的自检，其采用了分时的办2s124.2.2采样中断服务程序的功能图采样中断服务程序[9]的数据采集以及处理主要是对模拟量的采集，并进行①启动元件可将计算处理量较大的故障处理程序不投入运行，从而提升了CPU故障处理程序成功获取故障发生前后的数据，确保计算的准确以及故障的判别。高了出口回路的可靠性。程序。5常用的微机保护算法与比较点数，与此同时还需将算法的数字滤波功能纳入考虑范围之内。5.1正弦函数算法这类微机保护算法是利用正弦函数[12][13]的特性，假定电流电压的基波是相位、电流电压的幅值等，再根据数据的比较和判断，完成微机保护动作。以减少误差的出现[14]。这种算法可以分为采样值计算法、导数算法和半周积分算法这三种类型。电压有效值。这种计算方法可以规避系统频率对正弦电流电压有效值计算的影响。以正弦电压有效值计算为例，分别采样两个相同时间间隔（t的时刻电压u、u21θω2ωθu[t+ΔU+)））1n=1uθω2Uθu+tU=1unmuθ其中是电压的初相角；ω是角频率；t是采集时刻相角；U是电压电幅；unmU是电压的有效值；将（2.1）和（2.2）整合可得到：uus）212U=2212））sin（）2同理可得到正弦电流的有效值如下所示：iis）222I=21212sin）2在采样值积算法[15]中时间间隔Δt导数算法是由澳大利亚著名科学家Morrison与Mann于1971年提出，这种算法基于正弦函数与余弦函数之间的关系，计算出电流电压的测量阻抗等。以正弦电压有效值计算为例：2sint）U=U）））正弦电压的导数为：2cost）=U将（2-52-6）代入（2-3）式中可以得到：uU=（+u222这种算法只需要采样一个时间间隔，因此在所需要的用到的数据窗比较短。一种是来自电流和电压平均值替代产生的误差。该算法是根据随意半个周期中正弦量的绝对值积分是常量S初相角与积分常量S无关。以正弦电压有效值计算为例，半个周期积积分值S计算如下：2S=Ut)dt））0TUsint=dt2011N/2-1|U|+|U|+|U|Ts≈）220kN/2K=1不高。因而，这种算法具有一定滤波的作用，但是并不能滤除所有的滤波分量，在使用的过程中仍需要搭配滤波器一同使用。5.2傅氏算法作为周期性函数或者近视周期函数的基础，把输入信号分解成一系列函数之和。傅氏算法[17]是微机保护最常用的一种运算方法，它可以分解周期函数为正量。U（t=Usin（nt+）））mn1n0（asint+bcost）=n1n1n=02a=u(t)sinntdtT））nT102b=u(t)cosntdtTnT1012NS0usinusin.......usin(N1)uNsinN）1N2NN1NNN1sin=IK）NNkK1其中第n次相量实部：UUsinRnmnnn虚部：UUcosInmntg(U)相位角：1UnIn式中U为第n次的电压分量幅值；为基波角频率；为0时刻分量相mn1nab角；和是第n此谐波正弦和余弦分量幅值。nn常用的傅氏算法有以下几种类型：（1）半波傅氏算法对基波分量第n个采集值的半波傅氏算法的公式如下所示：4NU(NKl)cos(l)NK/2URn））l14K/2UU(NKl)sin(l)NNInl1（2）全波傅氏算法对基波分量第n个采集值的全波傅氏算