二次设备仿真（精选8篇）
二次设备仿真 篇1
随着现代技术的发展,超高压及特高压变电站在电力系统中处于相当重要的地位,更需要采用先进的二次设备对一次系统进行保护和监控[1]。近年来,一些多雷地区的变电站常发生二次设备被雷击坏事件,影响变电站的安全运行。因此,在对变电站二次设备,如继电保护、自动、远动、遥控、遥测装置、通信设备等弱电设备进行升级换代的同时,必须相应地研究解决变电站二次设备的防雷过电压保护技术措施,以保护变电站二次设备的安全稳定运行[2,3,4]。
1某500 kV 变电站2次雷击事故原因分析
针对广东某500 kV 变电站2次雷击事故进行分析。该500 kV 变电站建于众山环绕之间,处于雷击频繁的环境,几乎每年都要遭受雷电的危害,雷击事故常发生在5、6月份的雷雨季节。2005年5月的一天,该变电站遭受了雷击事故,雷电流入侵远动控制屏的二次回路,造成500 kV A 线5012和5013开关断控屏跳闸事故,严重威胁了该变电站二次系统的安全运行,造成了很大的经济损失。这次雷击事故之后,相关部门对该变电站交直流电源系统、通信系统、计算机实时监控系统、管理信息系统(MIS)、继电保护装置等进行了全方位的防雷及过电压保护技术改造[5]。
在这次防雷改造工程完工5个月后的某天,该变电站又遭受了一次雷击事故,该次事故造成 500 kV B 线5012开关单相保护动作且重合成功。同时后台监控机出现大量500 kV 部分遥测数据刷新,随后很快发现500 kV 部分遥测数据停止刷新。雷击事故之后,对该变电站接地电阻进行了实地测量,测试结果为0.13 Ω,满足变电站防雷接地规范要求。防雷改造措施也相当完善,各项数据均符合要求,结合其各级保护措施及接地铜网敷设情况,初步判断是该变电站二次系统等电位接地方式存在一定问题,造成雷击时二次装置两端存在一定电位差,由于二次系统中的电子及微电子装置耐过电压水平很低,一般只有100 V 左右,电位差使二次装置损坏,导致事故发生[6]。
2变电站二次系统接地方式分析
变电站二次设备接地方式主要有浮点接地、单点接地和多点接地3种形式[7]。
2.1 浮点接地
浮点接地是指将整个网络完全与大地隔离,使电位飘浮,是不接大地的一种悬浮方式。目的是将电路或设备与公共地或可能引起环流的公共导线隔离开来,从而抑制来自接地线的干扰,地电位的变化对网络没什么影响,具有一定的抗干扰能力。要求整个网络与地之间的绝缘电阻在50 MΩ以上,绝缘下降后会出现干扰。这种接地方式的缺点是设备不与大地直接相连,容易出现静电积累现象,当积累的电荷达到一定的对地电压后,在设备和大地之间会产生具有强大放电电流的静电击穿现象,这是一种破坏性很强的干扰源。为此,在采用浮地方式时,应在设备与大地之间接一个电阻值较大的泄放电阻,以消除静电积累现象。
2.2 一点接地
一点接地,就是系统中所有的信号接地线只有一个公共接地点。通常低频电路采用单点接地方式。在低频电路中布线之间的杂散电感比较小,可以防止形成地线回路,避免通过地线回路的电流相互影响。一点接地又可分为串联一点接地和并联一点接地2种方式。
图1是典型的串联一点接地图,如图所示,各子系统通过一点与母线相连,避免了低频时的接地回路问题,但由于每个子系统的接地回路与其他子系统的接地回路有一部分重叠,因此一个子系统的干扰通过重叠的地线部分作用于其他子系统。电路电流 I1、I2、I3都经过阻抗 Z1、Z2、Z3,是电路1、2、3的共同阻抗,因此,电路1、2、3 的电位受 I1、I2、I3的共同影响,它们之间互相牵制。变电站内二次设备各装置的接地点经不同的接地线阻抗,造成相互间噪声干扰,一般不予采用。
并联一点接地如图2所示,各系统的接地线连接在一点g,该点再与主接地网相连。各设备电路
单元分别用各自的地线,最后并联于一个公共接地点。这种接地方式不存在各设备、电路单元之间的通过公共地线阻抗的耦合问题。在低频干扰下,a、b、c 3点和 g 点电位相同。由于这种接地方式的突出优点,目前,在国内变电站二次设备中被广泛采用。该500 kV变电站二次系统就是采用这种接地方式。
但是,这种接地方式在雷电流等高频干扰作用下,由于设备外壳与地之间存在杂散电容,接地线之间的电感耦合也随着频率的增高而增强。其等效电路图如图3所示。
2.3 多点接地
从图3高频等效电路可以看出,由于分布电感和分布电容的作用,有可能发生谐振,a、b、c 3点和 g 点电位不再相同,在二次设备上产生过电压。这种情况下,各个设备的接地点必须以最短连接线接到接地平面上,使串联阻抗减至最小,并将驻波减到最小。接地平面可以是设备的机壳或遍布整个系统的接地线。在比较大的系统中,还可以是设备结构框架或接地网,即所谓的多点短接线接地[8]。 接线图如图4所示。
3一点接地高频等效电路的ATP仿真分析[9]
在电磁暂态计算程序 ATP(Alternative Tran-sient Program)图形预处理程序中建立模型,仿真模型如图5所示。采用 Slope-Ramp 模拟通过避雷器泄漏到变电站地网中的雷电流[10,11,12],波形采用标准波形:2.6/50μs,幅值取10 kA。
经过计算机仿真,得到 a、g 2点之间的电压波形,如图6所示。
从图中可见,a、g 2点间可以产生最大约35 V 的电位差,此电位差作用在微电子装置上,由于微电子装置的耐压水平一般约有100 V,极易造成微电子装置的损坏,引起事故的发生[13,14]。
4结论
从以上分析可以得到,该变电站二次设备采用的并联一点接地方式虽然可以滤除一些低频干扰,但是在雷电流等高频作用下,存在着一定弊端。为了减少事故的发生,可以考虑采用高、低频混合信号接地系统,真正做到二次设备之间的等电位连接。并采取2点措施[15]。
a. 应在主控室、保护室、敷设二次电缆的沟道、开关场的就地端子箱及保护用结合滤波器等处,使用截面不小于100 mm2的裸铜排(缆)敷设与主接地网紧密连接的等电位接地网。
b. 在主控室、保护室柜屏下层的电缆室内,按柜屏布置的方向敷设100 mm2的专用铜排(缆),将该专用铜排(缆)首末端连接,形成保护室内的等电位接地网。保护室内的等电位接地网必须用至少4根以上、截面不小于50 mm2的铜排(缆)与厂、站的主接地网在电缆竖井处可靠连接。
二次设备仿真 篇2
1.1整套设备采用微机变频控制，运用模糊控制技术，使整套设备始终处于高效区运行，达到充分节能的效果。
1.2能够手动和自动控制，并自动检测液位、压力等和设备故障，实现自动控制、远程控制、备用泵的切换，多泵联网及微机联网控制的要求，也可用于单台或多台水泵的运行控制。
1.3设备应具有远程监控，监测功能。远程网络监控功能分别监控并显示各个关键点的工作压力、设定压力、流量，自来水的进水压力，各台水泵的工作电流、频率、电压等参数，并具有预警及报警处理功能。对设备24小时进行远程控制、监测。
1.4如采用无负压供水设备，应采用予压自平衡技术，稳流补偿技术，真空抑制技术，负压反馈技术、空气自动隔断技术，来保证设备工作时对主管网不产生负压影响，对周边用户的用水不产生影响。整套设备必须为全密闭结构，水通道材质采用304食品级不锈钢，保证水与空气的完全隔离，避免对水产生任何污染。
二、水泵技术要求
1.1居住建筑二次供水设施选用的水泵，噪声应符合行业标准《泵的噪声测量与评价方法》JB/T8098-1999中的B级要求；振动应符合行业标准《泵的振动测量与评价方法》JB/T8097-1999中的B级要求。公共建筑二次供水设施选用的水泵，噪声应符合行业标准《泵的噪声测量与评价方法》JB/T8098-1999中的C级要求；振动应符合行业标准《泵的振动测量与评价方法》JB/T8097-1999中的C级要求。2.2 二次供水设施中的水泵选择应符合下列规定：
1、低噪声、节能、维修方便；
2、采用变频调速控制时，水泵额定转速时的工作点应位于水泵高效区的末端；
3、用水量变化较大的用户，宜采用多台水泵组合供水；
4、应设置备用水泵，备用泵的供水能力不应小于最大一台运行水泵的供水能力。
5、水泵应采用格兰富、ITT、威乐等国际知名品牌或采用配置进口轴承的国内知名品牌产品。
2.3水泵的效率应不低于《离心泵效率》GB/T13007-2011规定值,并取得“中国节能产品认证证书”。
2.4水泵配套电机采用进口或国内知名品牌，全封闭风冷鼠笼式2级式标准电机，防护等级为IP55,绝缘等级为F级，效率等级不低于《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》GB18613-2012规定的2级标准。电机外壳采取烤漆工艺。
2.5水泵各过流部件如叶轮、腔体及外筒应使用304或316不锈钢材质，采用冲压一次成型，经机器人激光无缝焊接，精度高，品质稳定。
2.6水泵的轴和轴承应为不锈钢材质。水泵密封应采用集装式免维护标准机械轴封，满足耐腐蚀、耐磨损、及更换周期要求。
2.7联轴器采用对开式联轴器，与轴之间应有定位销，安装后无需重新定位，联轴器外应有不锈钢的联轴器套保护。
2.8水泵的泵头及基座制造材料为铸铁或承压能力更高的材料，并使用电泳漆处理。
三、稳流补偿罐、气压罐技术要求（无负压）
3.1稳流补偿器采用食品级不锈钢材质（SUS304以上），厚度厚度为4-6mm。
3.2稳流补偿器的设计压力不应低于直接串联的市政管网或有压管网的最大给水压力。稳流补偿器容积应根据现场调查的市政管网给水量以及设备额定供水流量确定。
3.3稳流补偿器底部应设泄水装置，顶部应设置吊耳。罐体具备低水位传感器，并与变频控制柜连接，从而达到低水位自动停机保护。3.4稳流补偿器应按照《压力容器》GB150-2011的规定进行设计和制造，筒体及封头厚度应按GB150的规定进行计算，但公称厚度不得小于4mm，且封头尺寸应符合《钢制压力容器用封头》JB/T4746的要求。
3.5稳流补偿器的承压焊缝，应采用氩弧焊和自动电弧焊。焊丝应符合YB/T 5092的要求。焊接时采用惰性气体保护，焊缝高度不小于母材厚度。焊缝与母材应当圆滑过渡，表面不得有裂纹、未焊透、未熔合、咬边、表面气孔、弧坑、为填满和眼肉可见的夹渣等缺陷。承压对接焊缝应进行无损检测。
3.6稳流补偿器支座应符合《容器支座》JB/T4712.1的要求
3.7气压罐（能量存储器）应采用不锈钢材质（SUS304以上），按照《压力容器》GB150-2011的规定进行设计和制造。
四、水箱（或水池）技术要求
4.1水箱制造应使用食品级不锈钢材料（sus304以上），焊缝应进行抗氧化处理。制造标准执行国家标准图集02s101《矩形给水箱》的相关规定。
4.2水箱（或水池）宜独立设置，且结构合理、内壁光洁、内拉筋无毛刺、不渗漏。
4.3水箱（或水池）容积大于50m3时，宜分为容积基本相等的两格，并能独立工作。
4.4水箱（或水池）高度不宜超过3.5m，水箱高度不宜超过3m。当水池（箱）高度大于1.5m时，水池（箱）内外应设置爬梯。建筑物内水池（箱）侧壁与墙面间距不宜小于0.7m，安装有管道的侧面，净距不宜小于1.0m；水池（箱）与室内建筑凸出部分间距不宜小于0.5m；水池（箱）顶部与楼板间距不宜小于0.8m；水池（箱）底部应架空，距地面不宜小于0.5m,并应具有排水条件。
4.5水池（箱）应设进水管、出水管、溢流管、泄水管、通气管、人孔，并应符合下列规定：
1.进水管的设置应符合现行国家标准《建筑给水排水设计规范》GB50015的规定，进水管口底应在溢流水位之上100mm；进水管应装设与进水管径相同的自动水位控制阀（杠杆式浮球阀或液压式控制阀），并不得少于两个，两个进水管口标高一致。
2、出水管管底应高于水池（箱）内底，高差不小于0.1m；
3、进、出水管的布置不得产生水流短路，必要时应设导流装置； 4.进、出水管上必须安装阀门，水池（箱）宜设置水位监控和溢流报警装置；
5、溢流管管径应大于进水管管径，宜采用水平喇叭口集水，溢流管出口末端应设置耐腐蚀材料防护网，与排水系统不得直接连接并应有不小于0.2m的空气间隙；
6、泄水管应设在水池（箱）底部，管径不应小于DN50。水池（箱）底部宜有坡度，并坡向泄水管或集水坑。泄水管与排水系统不得直接连接并应有不小于0.2m的空气间隙；
7、通气管管径不应小于DN25，通气管口应采取防护措施；
8、水池（箱）人孔必须加盖、带锁、封闭严密，人孔高出水池（箱）外顶不应小于0.1m。圆型人孔直径不应小于0.7m，方型人孔每边长不应小于0.6m。
五、控制柜技术要求
5.1控制柜应符合现行国家标准《电气控制设备》GB/T 3797-2005的规定；安装高度应符合设计要求，安装牢固可靠，内外涂层完好、清
洁、整齐；控制柜上部应设有吊装孔，下部应具有与基础固定的安装孔；面板上应设有观察设定压力、实际压力、电流、电压、频率的显示窗口，并有故障报警的声光显示；面板上应设有水泵启、闭状态显示、功能指示标志；内部配件装配合理、结构紧凑、维修方便。其防护等级应符合GB4208的要求，且不应低于IP30。
5.2控制柜内一次设备安装可靠牢固，操作和联动符合设计和运行要求；所有二次接线回路接线准确、连接可靠、标志齐全清晰、绝缘符合相关规范要求。对封闭式配电柜（箱）及电缆通道（包括过墙孔洞）封堵良好。
5.3接地、防雷系统符合设计要求，电气设备外壳可靠接地，接地装置宜共用统一接地极，接地电阻不应大于1Ω。
5.4电缆规格符合设计要求，排列整齐、外表无损伤，标志牌装设齐全、正确、清晰；电缆固定和相关距离及电力电缆保护套管公称直径等符合要求；电缆终端头、中间接头接线牢固；电缆终端头、中间接头相色正确。
5.5采用PID电子数字集成技术，结合水泵本身的特点和液位、压力等测控技术，对水泵运行进行一系列监控功能单元的组合。
5.6控制柜对水泵进行手动和自动控制，并自动检测液位、压力等和设备故障，实现自动控制、远程控制、备用泵的切换，多泵联网及微机联网控制的要求，也可用于单台或多台水泵的运行控制。
5.7控制柜具有过压 欠压 缺相 短路 过流等故障报警及瞬间停电后自动复位功能保护功能，同时也具备有自行诊断和自动消除 自动复位功能，设备在运行过程中出现超压和过载时自行停止并报警，超压消除后自动恢复。
5.8控制系统采用中文人机界面，无需程序。控制器及输入、输出模块，并选用进口国际知名品牌产品（西门子、施耐德、ABB）。5.9控制柜内变频器、软启动器及PLC控制器等主要设备应采用ABB、西门子、ABB、施奈德等国际知名品牌产品；主开关、空气断路器、热继电器、中间继电器、控制回路断路器等所有元器应使用国际知名品牌或国内知名品牌产品。
六、远程监控系统技术要求
6.1远程监控系统宜采用光纤实时采集二次供水系统信号，包括电机、水泵、阀门、配电系统、水池、门禁系统（机柜、安防）等多项运行数据信息和泵房视频信息，后台监控终端实时监控所有二次供水系统的运行情况，根据设定参数实时报警系统异常情况，监控终端能将控制命令和各种修改指令发送至各采集终端，实时控制各二次供水泵房的运行。
6.2实时远程监控数据应包括：泵房的安防视频信号、供电信号（电量信号、电压信号）、每组水泵电机运行电流，水泵机组进出口设定压力、实际压力，储水池（箱）设定液位、实际液位，手动/自动状态，水泵启停状态，水泵启停时间，变频器频率，总进水流量，机柜门和安防开关，各种故障状态。有排水控制系统的二次供水设备，在必要的情况下，还应提供积水水位信号和排污系统运行信号。
6.3下列参数出现异常时设备保护应能自动报警：水压超压或欠压，水池（箱）液位超高或过低，变频器故障。
6.4远程监控系统的核心器件采用通用PLC或控制器，具备模拟量输入、输出模块，数字量输入、输出模块。预留模拟量接口15%，且不少于2路。预留数字量接口20%，且不少于2路。
6.5系统具备现场数据存储功能，存储时间不少于7×24小时。6.6模拟量信号为工业标准信号：4－20mA。
6.7为防电磁干扰，信号输入输出端应安装光电隔离系统。6.8系统必须配备RS485串口通讯模块、以太网通讯模块。
6.9 数据远传采用光纤、电话线、GPRS、GSM、3G等通信方式，通讯协议采用MODBUS。
6.10 具有人机对话功能的自动控制装置，对话界面显示语言应为中文，显示清晰，便于操作。
6.11 设备参数设置，必须有密码保护。
6.12 设备厂商必须提供完整的设备资料（含：设备图纸、通讯协议、设备参数、使用说明等）。
七、管路及附件技术要求
7.1设备管道系统（管道及法兰）材质应采用食品级不锈钢（304以上），管壁厚度不应小于3mm。设备及管道布置应做到结构合理、检修方便。
7.2管道与设备、阀门的连接应采用法兰连接，各连接法兰及法兰盖不应低于管道的设计压力；管路系统最低处应设有排水设施；无负压供水设备进出水管之间设旁通管，并应在旁通管上装设阀门和止回阀。7.3每台水泵配置的进水管和出水管的管径应分别比水泵进水口和出水口至少大一级，且水泵的进水管与水泵进水口之间应采用偏心变径连接，水泵的出水管与水泵出水口之间应采用同心变径连接。
7.4设备选配的各类阀门应符合有关标准。阀门公称压力不应低于管道的设计压力，且各阀门动作应灵活可靠。蝶阀应符合GB/T 12238的要求。对夹式止回阀应符合JB/T 8937的要求。可曲挠橡胶接头应符合CJ/T 208的要求。其他类型的阀门应符合相应标准的要求。
7.4设备进水口前应设置过滤器。滤网的网孔尺寸应按使用要求确定，一般为0.5mm～2 mm，且过滤网的过滤总面积不应小于进水口截面积的1.5倍。
7.5无负压供水设备进水管路应设置倒流防止器时，安装在稳流补偿器进水口和过滤器之间。倒流防止器应符合CJ/T 160的要求。
二次设备仿真 篇3
1 STK二次开发仿真模型的建立算法
利用STK提供的高级可视化模块、姿态可视化、轨道机动分析、覆盖分析、链路分析、雷达分析、分布式交互仿真等模块化工具, 能够快速开发解决方案。将STK提供的二维和三维引擎STKX作为COM组件嵌入在用户软件中[2,3,4,5], 再利用STK提供组合命令与STK/X进行命令交互, 用STK提供的函数ExecuteeCommand (CString str) 向STK/X发送交互命令, 交互命令[6,7]可以在STK安装目录X:/STK9/Help/con-nect Cmds.chm中查找到。引擎交互模型如图1所示。
VC与STK引擎的数据交互, 主要提供用户应用程序与STK/X COM组件间建立数据交互链接。STK/X组件提供了数据驱动的接口, 可动态实时地根据数据来显示卫星模型的各种状态, 使用STK/VO组件, 按照组件的接口程序实现数据接收和发送, 并实时显示在STK提供的3D和2D引擎上。
(1) VC向STK/X传送数据接口。VC向STK/X发送数据, 主要利用STK/X提供的agstkxapplication类中的函数Execute Command () , 根据需要, 将命令和数据按照STK的命令格式组成字符串, 作为ExecuteeCommand () 的参数执行。
(2) STK/X向VC传递数据接口。为获取卫星在轨运行的实时数据信息, 需加入STK/X控件的消息函数On Anim Udate (double Time Ep Sec) , 其函数中的参数Time Ep Sec为当前历元。
1.1 测控几何计算方法
地面站与空间飞行器间的几何关系如图2所示, 空间飞行器在地球上的投影为星下点K。
测控地面站到空间飞行器间距离为d;地球半径为Re;地面测控站仰角为E;卫星俯角为α, 地面站T坐标 (x1, y1, z1) , 空间飞行器S坐标 (x2, y2, z2) , 则距离d、仰角E、卫星俯角α计算公式为
设地面站的经纬度分别为θL、φL;空间航天器星下点K的经纬度分别为θS、φS;其地星夹角为θ, 则有关系
方位角A的计算与地面站和航天器星下点的相对位置有关, 对于北半球地面站, 卫星在南偏东
卫星在南偏西
对于南半球地面站, 卫星在北偏东
卫星在北偏西
在计算距离、仰角和方位角时, 涉及到航天器星下点轨迹的计算, 相关公式为:星下点纬度
其中, i为航天器轨道的倾角;μ表示轨道面内升交点与航天器之间的夹角。星下点经度
其中, Ω为升交点赤经;为Greenwich平恒星时。
1.2 测控链路计算方法
(1) 链路余量计算。设上行链路为地-星链路, 下行链路为星-地链路。地面站的发射功率Pt, 发射增益Gt, 信道的码速率Rb, 自由空间的损耗Lfs, 发射设备的损耗Lt, 大气损耗和极化损耗为L∑, 接受方G/T值Gt/R, 波尔兹曼常数K, 接收设备损耗为Lr, 单位码元的信噪比为Eb/N0, 那么链路余量M的计算公式为
式中所有的参数单位均为d B, 波尔兹曼常数K≡228.6 d BJ/K, 地面测控发射设备损耗和空间飞行器接收设备损耗根据经验值设定, 大气损耗与链路的频率大小有关, 单位码元信噪比Eb/N0与发射/接收调制方式和误码率相关。自由空间的损耗Lfs可通过下式得到
式中, R为通信最远距离;λ为通信时的波长。
(2) 仿真模型中参数设置。利用STK的Access模块可以生成Access报告, 设置好地面测控站发射机的发射功率和频率, 空间飞行器的接收机设置好接收门限。
地面站需设置好地面站名字、地面站所在的地理坐标经纬度和高度、地面站测控天线的仰角、地面站发射天线载波频率、天线发射功率及天线接收门限值, 具体设置如图3所示。
卫星的基本参数设置界面如下, 需要设置的参数有卫星的轨道6参数、卫星上天线的载波频率和天线发射功率及门限值。
设置好地面站和卫星参数后, 在仿真时间内根据链路裕量计算公式可计算出地面站与卫星相距的最大与最小通视距离、接收对象的最小接收门限、发射对象的最小发射功率及对象间的门限裕量值。
2 测控链路仿真结果
利用STK提供的Access模块, 根据上述地面站和卫星参数设置, 加上地面站仰角限制参数, 计算出每个时刻地面测控站对空间飞行器的门限裕量, 并实时显示测控链路在仿真时间段内的测控覆盖范围。地面测控站Fac的测控范围2D视图如图6所示, 地面站覆盖区域的曲线是仿真时间段内卫星在2D等距圆柱视图中的投影。
仿真起始时间2014-7-1 04:00:00到仿真结束时间2014-7-4 04:00:00段内可视评估显示, 如图7所示。
测控覆盖率G=∑ (所有测控弧段-重叠测控弧段) /总测控时间 (13)
地面站Fac与卫星Sat1每隔1 s产生的AER (俯仰角距离) 报告如图8所示, 第1列是当前仿真时刻值, 第2列是俯角单位是度, 第3列是仰角单位是度, 第4列是当前时刻对应的距离。
3 结束语
修改地面测控站测控单个约束条件, 方便分析地面站约束条件对测控地面站与单个空间飞行器的可测控弧段或测控覆盖率的影响。利用地面测控站为空间飞行器提供测控数据, 从数据中看出其测控覆盖率较低, 可通过部署在不同地理位置的地面测控站组成的测控网来提高测控覆盖率。
摘要：在航空航天任务过程中, 测控覆盖率高就能提供实时、连续、可靠的信息支持。利用VC结合STK二次开发, 建立了测控链路仿真模型。软件利用STK/X模块较好的显示效果与Access模块计算、显示测控链路的余量和测控链路覆盖范围。针对不同的地面站部署, 可计算空间飞行器的测控覆盖率。实现VC与STK集成的二次开发可大幅节省了开发时间, 该仿真方法对测控系统的设计具有参考价值。
关键词：测控链路,STK二次开发,STK/X,仿真建模
参考文献
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二次设备仿真 篇4
随着集成技术的提高,电子设备功率上升,体积缩小,单位体积发热量增加,发热问题日益突出。美国空军航空电子项目的研究结果发现,在影响电子产品可靠性的诸多因素中,温度因素居首,其所占比例[1]为55%。而且,据国外资料统计:电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10%,温升50℃时的寿命[2]只有温升25℃时的1 6。可见温度对电子设备的寿命影响巨大,解决电子设备过热问题十分必要。
热仿真技术的发展为解决电子设备过热问题提供了方法与途径。工程上,在产品设计阶段进行热仿真试验,确定产品模型的温度分布,找出温度最高点即薄弱点,通过改变布局或增加散热等改进设计的措施,消除产品温度薄弱点,进而达到设计指标。通过开展热仿真试验快速暴露产品设计缺陷,能够有效降低设计费用,缩短产品研制周期,提高产品一次成功率和可靠性[3,4]。
军用车载机电产品内部包含电路板以及元器件等电子设备,传统情况下其热仿真试验与电子产品的热仿真试验相似,均通过Flotherm或Fluent等热分析软件完成。然而,这要求试验者具有较好的流体力学、散热学理论基础和软件操作能力。而且,在热校模阶段需要多次修改产品的材料特性、热特性和流体的特性,并进行多次求解计算以达到热仿真结果与实际温度试验结果相符合[5]。同时,由于商业软件的通用性,指定仿真结果的输出需要手工操作才能完成。为此,本文针对军用车载机电产品的特点,采用C#.NET语言结合.NET Framework技术、Flotherm接口技术、SQLite数据库技术、XML语言技术以及封装与集成技术,开发出机电产品热仿真系统,实现了典型军用车载机电产品热仿真试验过程的自动化、流程化,以及关键点温度表格输出和薄弱点暴露,节省了试验时间,提高了试验效率。
1 总体方案
1.1 总体需求
本系统旨在完成军用车载机电产品热仿真试验。产品设计图纸、CAD模型、设计相关文档一般由项目需方提供,因此产品所有零部件的位置、尺寸、材料特性以及功率元件的功率等都是已知的。系统可以从该已知信息中选择需要的信息作为输入,通过仿真分析,输出产品关键部位温度值(如元器件温度),如图1所示。为了实现仿真分析的自动化、流程化,系统输入应尽量减少试验者操作,可通过直接导入、下拉框选择或简单的键盘输入完成。系统输出可以是表格,也可以是文本等常见类型。
1.2 相关技术
根据应用于军用车载机电产品的热仿真系统总体功能需求,本文采用C#.NET对Flotherm二次开发、后台封装与集成的方式实现系统求解与结果输出,系统总体技术路线如图2所示。
基于.NET Framework的C#面向对象程序设计语言作为微软.NET Windows网络框架的主角,凭借其安全、稳定、简单、优雅的特点,现已成为当今主流开发语言。针对本系统作为Windows应用的需求,考虑C#.NET开发Windows桌面应用程序的显著优势,系统开发语言采用C#.NET面向对象语言,开发环境为Visual Studio 2012集成开发环境。Flotherm二次开发接口技术是指利用计算机编程语言后台启动Flotherm的技术;SQLite数据库是进程内的数据库引擎,不存在数据库的客户端和服务器。使用时只需一个很小的动态库(以版本3.6.11为例,Windows下为487 KB)即可享受其全部功能,具有轻量级、“绿色”、无需安装,单一文件等优点。XML语言是Extensible Markup Language的缩写,该语言具有整齐、规范、友好、通用的特点。Flotherm支持读入XML格式的工程文件,文件中包含全部求解信息。Flotherm二次开发封装与集成技术是指通过后台封装的形式将Flotherm集成到本系统,前台界面与后台Flotherm主程序之间通过进程通信传递数据。
1.3 产品特点
军用车载机电产品CAD模型一般比较复杂,但经过简化用于热仿真试验的模型都较为简单,且具有一般特点,即包含前、后、左、右、上、下6个面板和内部几个电路板,电路板上有元器件若干,如图3所示。不同产品外观相似,只是尺寸、电路板位置和元器件多少不同。简化后的所有元件或部件都可以用立方体表示。
2 技术研究与系统实现
2.1 基于C#.NET的Flotherm二次开发接口技术与方法
Flotherm提供两种启动方式:图形界面方式和批处理方式。本系统基于Flotherm二次开发,以批处理方式后台启动Flotherm[6]。
Flotherm二次开发的方式为:
(1)编写程序生成XML格式的工程文件,该文件中存储Flotherm热分析必需的全部信息,包括:模式信息,求解设置,网格设置,特性信息,几何信息和求解域6个部分,见图4。
(2)启动进程,以批处理方式打开Flotherm,并将该XML工程文件传递给Flotherm,设置输出结果文件位置,即可开始分析。
(3)分析完毕,通过程序读取分析结果文件。
Flotherm二次开发接口如图5所示。基于.NET Framework,使用C#语言开发Flotherm二次开发主程序和相关辅助程序,开启进程调用Flotherm批处理主程序(flotherm.bat),并通过内存共享和文件映射实现前台开发程序与后台批处理程序的数据交换。最终实现二次开发程序与批处理程序的系统集成。
编程时,应首先将.NET提供的Process Start Info类实例化,开启一个新进程,用于调用Flotherm批处理程序。然后,将Flotherm批处理程序所在的完整安装路径字符串赋予该实例的File Name属性。同时,在该实例的Arguments属性中设置程序启动方式为批处理启动,并指明输入文件路径和输出结果路径。最后,启动该进程,后台调用Flotherm进行运算。
2.2 输入/输出分析
用户使用Flotherm图形界面方式进行产品热仿真时,一般按照建立模型,基本参数设置,求解域设置,边界条件设置,材料属性设置,元件功率设置,网格设置,求解计算和结果后处理等步骤实施[7]。整个过程中需要设置的参数较多,设置过程复杂。本文根据军用车载机电产品特点,对全部输入参数进行分析并分为三类:
(1)与产品仿真结果无关或对仿真结果影响甚微的参数;
(2)仿真时需要,但其值不用改变或无需用户设置的参数;
(3)对仿真影响较大,每次都需要重新设置或改变的参数。
对于第一类参数,如热功率相关的瞬态属性、太阳辐射参数等采取忽略处理(本文所述产品均不暴露在室外,不考虑太阳辐射)。对于第二类参数,如热模型设置、相关存储设置等均采用Flotherm默认设置,而对于求解域位置与尺寸参数,则根据经验,编写程序在系统内部根据受试产品大小,自动计算并设置,使得求解域超出产品上方2倍产品高度,下方超出0.5倍产品高度,前、后、左、右超出0.5倍产品宽度。对于第三类参数,则作为本系统输入,由用户通过界面以写入、选择或导入的方式输入系统。第三类参数与仿真分析结果密切相关,输入系统后应全部写入到上述XML文件(见图4)中,所以这些参数同样分为模式信息、求解设置、网格设置、特性信息、几何信息和求解域6个部分。模式信息为系统的基本信息设置,包括求解类型选择、重力参数、环境温度、辐射温度和大气压等。求解设置为求解计算的相关设置,包括求解器选择、迭代次数以及与是否激活板传导和是否使用双精度求解等设置。
网格设置为网格划分基本设置,包括系统网格最小尺寸、最大尺寸和局域网格最小尺寸、最大尺寸。特性信息为部件特性的描述信息,包括材料特性、表面特性、温度特性、热特性、流体特性和辐射特性等。几何信息为产品几何模型的参数描述,具体包括各部件的名称、类型、位置、尺寸等。求解域描述求解区域大小以及流体特性等边界条件。
对于系统输出的定制,由于一般试验者主要关心受试产品温度,迭代收敛情况等,为此,系统设计输出包括温度表、综合表和监测点温度表以及其他Flotherm自动输出表格。
温度表存储产品每个零部件的最高温、最低温、平均温度和温度差等;综合表存储产品每个外表面流入和流出的体积、质量、热量和温度等;监测点温度表存储监测点温度随迭代次数的变化情况。系统输入/输出数据如图6所示。
2.3 基于SQLite数据库和XML语言的数据存储与解析技术
Flotherm二次开发所需XML工程文件中包含模式信息、求解设置、网格信息、特性信息、几何信息和求解域设置(见图4)。这些设置信息通过Flotherm二次开发程序界面(UI)获得,如图7所示。
对于模式信息、求解设置、网格信息、特性信息中的关键参数,如求解类型、环境温度、fluid特性、迭代次数等,用户须在二次开发程序界面通过简单操作,以文本框写入或下拉框选择的方式输入。几何模型信息,可通过对CAD软件二次开发,提取出模型BOM信息(包括各部件的位置,尺寸信息),存储成XML格式[8]。Flotherm二次开发程序使用.NET提供的XDocument类的Load静态方法读取XML文件,一方面通过遍历根元素中子元素的Name属性,将每个几何体的<name>元素的值显示给Tree View控件,另一方面通过循环遍历XML文件各层元素,获取其Name属性和Value属性,将几何体的名称、位置、尺寸、类别和从属关系载入数据库几何信息表中,完成几何数据的解析与存储。除了几何信息表,数据库还包括材料信息表和功率信息表,分别存储材料信息(包括材料编号、材料名、密度、热导率和特征热)和功率信息(包括功率编号、功率名和功率值),见图6。数据库中存储的信息和用户通过软件界面输入的设置信息写入XML工程文件须使用编写的Class For Write XML类。该类由依据XML工程文件格式编写的各种方法组成。这些方法涵盖XML文件头、模式信息、求解设置、网格信息、特性信息、几何信息和求解域设置等元素及其子元素的写入方法。它们由Stream Writer类的WriteLine()方法采用逐行写入的方式完成。
2.4 基于C#.NET的Flotherm二次开发封装与集成
本文采用C#.NET对软件系统数据进行读写、存储、解析与转化操作并对Flotherm进行封装与集成。对Flotherm进行后台封装与集成是构建本系统的关键。首先,直接将后台处理数据通过编写的Class For Write XML类封装方法建立XML格式的工程文件。然后,系统自动开启进程后台调用Flotherm对XML工程文件进行批处理,再将输出结果中的温度信息读入到软件系统界面,从而实现C#.NET对Flotherm封装与集成。
从系统UI直接或间接获得的数据信息到XML工程文件的建立,即为数据信息集成过程。数据信息集成过程,首先获取该工程文件的绝对路径。然后新建一个Class For Write XML类的实例,通过该实例使用Class ForWrite XML类中的Write_Header方法写入XML文件头,文件名称与工程名相同。文件头写入完毕,接下来使用Class For Write XML类中相应方法依次写入模式信息、求解设置、网格信息、特性信息、几何信息和求解域设置等设置信息。每个信息块为XML文件根元素下的一个子元素,信息块内部又包含这些子元素的子元素。所有信息写入完成,由End_File方法结束文件写入工作。
后台调用Flotherm对XML工程文件进行批处理,即为Flotherm接口技术,已在第2.1节详述,这里不再敖述。提取输出结果显示于系统UI是封装与集成的最后环节。温度结果文件为csv格式,读取方式与xls格式相同。本系统采用NPOI读取结果文件。首先创建一个File Stream流,然后获取结果文件表,通过遍历第一页的所有行,并对温度值进行比较,将最大的三个值存储于字符串中,即为三个潜在薄弱点温度。最后将这三个温度值显示于系统UI结果显示框中。
3 典型军用车载机电产品热仿真示例
3.1 示例简介
XX检测组合装置具有典型军用车载机电产品的一般特征,其CAD模型如图3所示。该装置外观为立方体,尺寸为310 mm×210 mm×150 mm,箱体材料参数如下:密度为2 650 kg/m3,热导率为44 W/m K,特征热为460J/kg⋅K。装置内部有三块电路板,板上元器件共87个,其中发热元件76个,热功耗为0.05 W,0.01 W,0.015 W和0.02 W共4个功率值。
电路板材料参数:密度为1 200 kg/m3,热导率为0.3 W/m K,特征热为880J/kg⋅K。元器件材料参数:密度为2 500 kg/m3,热导率为10 W/m K,特征热880J/kg⋅K。装置工作环境温度为60℃,流体参数:热导率为0.021 04 W/m K,粘性为1.516×10-5N·s/m2,密度为1.495 kg/m3,特征热为1 007J/kg⋅K,膨胀系数0.004 313 1/K。
3.2 热仿真分析
本文根据典型机电产品热仿真分析需求,基于Flotherm二次开发使用C#.NET在Visual Studio 2012中开发机电产品热仿真分析系统。应用本系统对XX检测组合装置进行热仿真分析,系统运行流程如下:
(1)选择几何信息文件,载入几何模型数据至软件系统GUI和数据库表Geometry Info。
(2)选择几何体,赋予相应材料和功率,更新数据库表Geometry Info,Material Info和Power Info。
(3)输入模型信息、网格信息,求解设置等设置信息。
(4)读取数据库和系统GUI数据自动生成xml工程文件Project.xml。
(5)启动进程后台调用Flotherm批处理程序,求解Project.xml。
(6)读取解算结果文件Output.csv,显示结果于系统GUI。
系统运行流程图如图8所示。
为XX检测组合装置各几何体赋予相应材料和热功耗,并按照本系统UI进行相关设置后进行热仿真分析。分析完毕,得到三个薄弱点的温度值分别为67.86℃,69.18℃和78.11℃。在Flotherm中对该模型进行热分析,相关设置参数相同的情况下三个薄弱点的温度值分别为67.9℃,69.2℃和78.1℃,见图9。另外,在温度箱中对该产品进行实际温度试验,测得三个相同位置的温度值分别为67℃,69℃和78℃。对比发现使用本系统与操作Flotherm软件对相同几何模型进行相同设置得到的结果几乎相同,与实际试验结果相比相差也很小,从而验证了基于Flotherm二次开发的热分析系统的分析结果。
对军用车载机电产品的热仿真分析一般需要进行多次,以校正仿真温度分布与实际温度分布的一致性(热校模),减少二者的差异,以便后续外推产品温度分布和估计产品寿命。然而每次仿真只需变更少数几何体的材料、热功率值或个别参数。若分析人员使用商业热分析软件进行热校模,每次分析都需要重复进行大量复杂的操作,耗时、耗力、试验效率低。而应用本系统进行这种热仿真分析无需重复整个分析过程的全部操作,只需在载入几何信息后重新为少数关键几何体赋予材料或功率,免去了分析人员大量重复性操作,大大节省了热校模分析的时间,提高了仿真试验的效率,加快了整个可靠性仿真试验的进度。
4 结论
传统机电产品仿真试验中热应力仿真试验对试验人员理论基础和软件操作能力要求较高。本文考虑典型军用车载机电产品的自身特点,应用C#.NET语言结合Flotherm二次开发相关技术与方法通过对Flotherm二次开发建立机电产品热仿真分析系统。实现了典型军用车载机电产品热仿真分析的自动化、流程化,仿真结果准确,无需手动提取即可自动输出温度表和监测点温度表,从而实现了结果定制。免去了分析人员大量重复性操作,大大节省了多次热仿真分析的时间,提高了仿真试验的效率,加快了产品整个仿真试验的进度。通过XX检测组合装置热校模仿真分析实例充分验证了本系统可行性。本系统具有良好的工程应用背景和广阔的市场推广前景,对类似仿真分析系统的研制工作具有较高的参考价值和借鉴意义。
参考文献
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[7]李波.Flo THERM软件基础与应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2014:196-253.
二次设备仿真 篇5
1 ABAQUS的二次开发
ABAQUS的二次开发有多种途径, 以下主要介绍其中的4 种途径[1]:一是通过环境初始化文件改变ABAQUS的缺省设置;二是ABAQUS提供用户子程序接口, 借助该用户子程序接口可以进行新模型开发的参数化建模和分析, 通过自定义窗口界面控制ABAQUS的计算过程和结果;三是ABAQUS提供图形用户接口工具包 (ABAQUS GUI Toolkit) , 该工具包可以帮助用户创建交互式的窗口, 便于用户查看新创建的模型和参数信息。四是ABAQUS为用户提供了脚本的接口 (ABAQUS Script Interface) , 调入的脚本会直接访问程序的内核, 执行有限元分析的前处理建模、后处理计算分析和分析结果数据的查看。
1.1 用户子程序
在建模和有限元分析中, 用户会用到各种单元和求解器, 而在ABAQUS的数据库中, 为用户提供大量单元库和各类求解模型, 借助信息庞大的数据库, 能够为用户处理绝大多数问题。尽管如此, ABAQUS为了满足更多客户需求, 还为用户提供了大量的子程序, 为实现特定功能而创建合适的自定义模型。在科学发展日新月异的今天, 上述功能的应用加上ABAQUS彪悍的有限元计算分析能力, 为科研工作者提供了空前强大的有限元分析工具。
1.2 图形用户接口
ABAQUS为满足不同用户的需要, 设置了图形用户接口工具集, 此工具集允许用户创建或修改图形用户的接口。
1.2.1 工作原理
图形用户接口工作主要包含Kernel Process和GUI Process 2 个模块, ABAQUS通过这2 个模块之间的数据交互, 实现窗口界面内的人机交互功能。工作原理见图1。
软件程序内核包含的所有方法以及对象数据都可以让用户根据需要进行各种操作, 例如部件的模型创建和网格划分。内核程序被调用后, 会在GUI的底层独立运行, 借助这种功能, 在内核程序执行中出现错误时, 软件会及时将错误信息以对话框的形式呈现在用户面前, 方便用户对程序运行情况进行了解, 并对错误情况做出判断和修复。
1.2.2 涉及领域
ABAQUS GUI的使用涉及多个领域。
1) Python语言。ABAQUS的内核脚本和GUI的应用程序都是用Python语言编写的。具有Python语言基础的用户会快速准确地了解软件内容。
2) ABAQUS内核命令。对ABAQUS的所有操作都有对应的用Python编写的ABAQUS内核命令, 了解内核命令的工作模式对GUI有很大帮助。
3) 面向对象编程思想。 ABAQUS软件使用Python语言, 体现了面向对象的编程思想, 它是继面向过程编程思想后又一新的编程理念, 创建了类、派生类、类的方法、类的数据管理等新概念。
4) GUI设计。人机界面的设计是人们较关注的一个话题, 它为用户提供清晰明确的模型信息及分析信息, 复杂的应用程序将需要优良的GUI设计能力[2]。
1.2.3 脚本接口的二次开发
ABAQUS的输出结果数据包含分析步、分析步中一系列的增量步、场变量输出和历史变量输出。在ABAQUS中不同的对象模型都有其对应的数据类型。输出数据模型见图2。
上图所示的模型中, 包含模型数据和结果数据, 设置输出结果时需要指定输出范围, 用上述数据模型便可准确定位场变量的分布数据。图中的数据模型表示该类数据模型包含有一系列同类型的对象。单个模型表示单一的对象模型, 例如模型数据中的装配便是单一数据对象, 而其下的实体对象是一个类的对象, 它表示装配模型中所有部件集合的映射, 通常存在若干个, 每个部件集合的映射都包含对应的节点、单一对象模型、参考点位置等信息。在对ABAQUS进行二次开发时, 借助Python语言, 在严格的语言逻辑框架下, 对后处理程序控制。深入理解对象类型是ABAQUS二次开发中的关键要求[3,4,5]。
3 应用举例
某开锁器的结构, 见图3。
开锁器的两个小圆孔完全固定, 大圆孔允许沿圆柱轴线方向移动, 在图3 中一共有3 个尺寸参数:圆角1、圆角2 和磨损厚度, 在磨损厚度的标识处, 施加一个垂直于接触面的接触力, 此接触力以参数的形式供用户设置。默认值分别是:圆角1=1, 圆角2=3, 厚度变化 (-2~+2) =0, 最大接触力F=20 000 N。
在三维实体建模中, 为了保证角度变化时各边尺寸及相对关系不发生改变, 除了标注适当的尺寸外, 还必须施加一定的约束。给模型的两个销钉孔圆心处添加参考点, 参考点与相应圆边沿施加分布耦合约束, 在参考点上施加x、y两个方向的集中力载荷, 支上下宽边沿施加固支约束。基本模型建立后, 通过简单修改rpy文件可实现对磨损厚度的参数化建模, 程序代码为
上述程序中开锁器磨损厚度变化范围为-2~+2, 产生相应的模型文件、提交分析并得出分析结果。以图4 为某开锁器的S Mises磨损厚度等于0 时的应力云图[6,7,8]。
4 结束语
笔者叙述了用Python脚本对ABAQUS进行二次开发, 实现自动化创建、重复和修改作业, 以及访问ABAQUS结果数据库的原理与方法。以某开锁器为例, 当磨损厚度的变化范围在-2 到+2 之间时, 得出磨损厚度与S Max.Principal应力最大值之间的关联。
参考文献
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二次设备配置和集成优化 篇6
结合城区110 k V工程的具体情况, 本专题提出二次设备优化配置方案如下:
1.1 站控层设备优化配置
数据服务器与监控主机集成, Ⅰ区数据通信网关机单套配置, Ⅲ/Ⅳ区数据通信网关机优化配置, 图形网关机与Ⅰ区通信网关机集成。
1.2 间隔层设备优化配置
1) 主变压器采用主变保护+测控, 测控集成后备保护功能, 主变本体智能终端非电量保护集成。
2) 110 k V线路及内桥采用保护测控集成。
3) 10 k V部分采用保护测控计量多合一, 10k VPT采用10k VPT并列母线测控集成。
4) 故障录波及网络记录分析一体化装置优化配置故障录波及网络记录分析一体化装置, 功能由保护装置实现。
5) 110 k V备自投采用110 k V站域备自投。
1.3 过程层设备优化配置表
110 k V线路及内桥采用合并单元智能终端集成, 主变10 k V侧采用合并单元智能终端集成, 智能终端与操作机构取消操作机构内 (汇控柜内) 就地操作模拟控制面板, 取消智能终端内的防跳回路, 取消智能终端内的压力闭锁回路。
1.4 网络通信设备优化配置
110 k V间隔层交换机与站控层I区交换机合并, 不再单独配置, 10 k V间隔层交换机按主变单元配置, 不再按母线配置。
2 本站二次设备集成优化设计理念
根据国家电网公司要求, 结合本站特点, 以安全可靠为基本前题, 突出变电站的工业化定位, 剥离冗余功能, 充分发挥智能变电站数据采集数字化、传输处理网络化、信息共享化的技术特点, 体现“两型一化”智能变电站的设计理念。
3 110 k V备自投装置优化配置方案
当前在电力系统中, 备自投功能大多采用专门的备自投装置完成。通过信号电缆将开关和刀闸位置信息传给备自投装置;通过独立的交流采集回路将交流量传给备自投装置;最后由备自投装置完成运行方式的识别, 以及动作逻辑判别, 动作逻辑输出经电缆传输给相应的开关, 完成开关的分合。
站域备自投功能, 是基于GOOSE机制的备自投功能实现方式, 整个备自投功能是由不同保护对象的间隔层装置共同完成, 由进线测控装置完成进线开关位置和有流无流判别、由分段测控装置完成分段开关位置采集、由母线测控装置完成母线有压无压判别, 将获得的信息通过网络传输给主逻辑单元, 完成运行方式识别和动作逻辑判断。开关量和逻辑信息采用GOOSE信号, 通过GOOSE网络传输给主逻辑单元, 逻辑输出结果也以GOOSE方式传输给分散执行单元, 完成开关的跳合。模拟量的采集采用IEC 61850标准SMV (Sampled Measured Values) 采样值服务传输。
4 合并单元与智能终端优化配置方案
依据国网公司办基建 (2013) 3号文件, 本站智能终端和合并单元均布置在GIS智能控制柜内, 且按照合并单元智能终端装置集成设计。
本站智能终端和合并单元均布置在GIS智能控制柜内, 合并单元发送SV报文、智能终端收发GOOSE报文, 其通信对象均为站控层保护测控装置和过程层网络, 对端同源。两个设备具备整合条件, 采用集成装置可以减少设备数量, 简化光缆连接。综上所述, 使用智能终端和合并单元集成装置是可行的, 符合国网公司办基建 (2013) 3号文, 并且已有成熟产品在试点站成功运行。
5 智能终端与操作机构二次回路功能整合方案
SF6气体压力闭锁可以防止当断路器绝缘气体压力不足时分、合操作造成的事故。GIS机构二次回路和智能终端中都有压力闭锁回路。对于GIS机构内的压力闭锁回路更直接一些, 无需再经过智能终端至分合闸回路, 安全可靠性更高。而对于取消断路器操作机构中的低气压闭锁功能, 会造成在就地操作时, 低气压不能闭锁断路器操作。因此本站保留GIS机构内的压力闭锁回路设计, 取消智能终端内的重复设计。
6 全寿命周期应用分析
本方案通过技术创新、二次系统功能整合优化, 达到了优化网络结构、取消重复设备、提升系统功能、节约环保的效果, 在工程的全寿命周期内成本最低, 效益显著。
6.1 可施工性
通过优化整合, 取消功能重复元件, 优化、简化网络结构, 使其更加紧凑。同时, 大大减少了光缆的使用量, 有效地减少了二次的施工量及施工难度, 缩短了施工周期。
6.2 LCC成本分析
根据全寿命周期成本 (LCC) 管理理念, 将二次设备的全寿命周期成本分为设备的一次性投资成本、运行维护成本和中断供电损失成本三方面。设备使用年限按照10年考虑。
相关条件: (1) 设备费、安装费分别依据初设概算费用计算。 (2) 不论哪种方案的设备检修, 在准备工作充分的条件下, 均能在计划时间内恢复送电, 由于目前很难获得相关设备的故障率等数据, 因此本次计算不考虑中断供电损失成本 (FC) 。
7 结语
二次系统通过优化整合后, 可节省在变电站全寿命周期内的总成本, 具有较高的直接经济效益。
摘要：结合本站的主接线形式和设备布置, 对二次设备配置进行优化和技术经济性分析。
二次设备仿真 篇7
一、变电站二次技术需求趋势解析
要想对面向智能电网愿景的变电站二次技术需求进行分析, 必须了解变电站二次技术需求的主要趋势。智能电网建设作为一种较为先进的电力技术总体框架, 主要包含了四大电力系统, 它们主要是一次设备电力系统、二次设备电力系统、超导电力系统和智能化电力系统。下文主要探讨了于我国电力建设发挥在那的基础上, 结合我国、本地器电网工程建设和实际供应需求, 对相关的技术予以研究, 提高电网试点机构以及推广应用。
(一) 建立在IEC61850标准化基础上的设备趋势
传统的变电站的建设配置原理主要是依据一次主设备进行间隔配置, 主要包含继电保护系统、自动化电力设备以及状态监测系统。依托于这些配置, 变电站于运行过程中能够促进电力设备的运行, 很大程度上简化了运行过程和停电检修。随着技术和设备的不断更新换代, IEC61850作为新标准开始应用于智能电网的建设, 应用于该项技术, 不仅加快了变电站的标准化建设, 更是加速了基于各类二次设备进行科学建模和通信建设的信息交互进程, 这样于第一次在变电站内便完成的统一信息交互过程中, 二次设备融合也发展成为一种趋势。这样的全面融合是一种整个变电站内面向应用各类二次设备的融合, 在应用过程中, 该技术将电子式互感器及合并单元均悉数引入变电站的建设配置中以实现采样环节的融合, 而将智能操作箱引入其中则使开关量采集以及控制输出环节该两程序的融合成为了可能。二次设备的融合应用将该技术的应用领域推及至更大范围, 但是为推动单个保护装置或测控单元的合并使用提供坚实基础, 为数据的开发准备了必要的条件。
(二) 建立在站内高速局域网上的功能分布以及重构趋势的发展态势
一般情况下, 在现有变电站的建设过程中, 多将太网通信方式运用于监控系统及故障信息系统内部, 旨在通过太网的物理技术及通用型交换机形成满足变电站应用需求的功能分布局势。常规情形下, 太网物理基础为100M网络及上述所言的通用型交换机。而建立100M网络首先应当具备数字化变电站, 对于数字化变电站的建立, 尤其需要应用到IEC61850-9-2的采样值传输技术, 而后通过带宽计算以满足变电站应用需求, 但是于电网中, 现有的采样值传输技术难以满足变电站应用的需求。故而针对如此, 就需要对系统进行进一步强化, 选用SV报文信息的优先级传输技术及高端交换机。在电网建设过程中, 随着拖入成本的降低, 100M网络以及工业级交换机的价格不断下降, 价格的低廉性造成机器使用范围的不断扩大, 变电站内的通信将逐步过渡到一个完整的以太网架构上来, 由此通信架构的变化功能分布状态是符合电网通信构架分布的, 为电网通信构架分布和重构提高了可能性和可行性, 大大降低了变电站建设和最终投入运营的成本。在此过程中, 也对数字化变电站提出的更高要求, 即一次设备智能化, 二次设备小型化网络化, 自治自愈能力、智能保护等。
(三) 建立在电力调度数据网上的变电站功能的提升趋势
最近几年基于我国对于电网建设规模的不断扩大, 不仅为我们呈现出了无人值班的变电站和集控中心, 并且实现了驱动调度端EMS系统的进一步完善和健全。现今EMS系统系统更为关注图形、模型库等的建设和复用, 并以此为基础不断加强对整个电网自动化系统技术方面的分析和解析, 以期可以更为全面的保障系统运行效果, 实现全自动的识别和监控系统的建设和应用。
IEC61850面向对象的建模规定实现了信息的交互, 不过却存在无法解决电力系统中信息的维护工效的缺陷, 因此逐步推崇基于AGENT技术 (Agent技术的研究起源于分布式人工智能, 模拟人类的行为和关系、具有一定智能并能够自主运行和提供相应服务的程序。) 的综合自动化系统成为了提高电力系统应用水平亟待解决的课题之一。
二、设备和技术的发展引入测试需求
RTDS的实时数字仿真系统在电网设备式样中的运用是比较广泛的, 主要运用在电网二次设备的测试当中。RTDS实时数字仿真系统在数字化变电站和智能化电网当中都发挥了很大的作用。RTDS实时数字仿真系统主要对三个部分进行了测试。第一个部分是设备模型测试, 科学技术不断发展, 很多新型的电网设备也不断完善, 比如电流限制器等。实时数字仿真系统要首先建立起近似度比较高的等值模型, 然后在新型设备试验中进行保护原理的验证和电网设备的防护。第二个部分是数字化测试, 在数字化变电站当中, 存在二次设备, 因为其功能是不断分化的, 所以不断对试验量的输出和输入方式进行改善, 要采用网络接口卡, 进行传统测试模式到数字化测试模式的过渡。第三个部分是提升功能的技术测试, 很多二次设备功能都在不断提升, 比如主机保护功能、测控系统控制功能等。实时数字仿真系统在测试中也要完成相应的功能变化。
结语
综上所述, 随着二次技术和设备的进一步进展, 将RTDS技术应用于电网二次设备的动模试验等测试系统中, 将会促进实现智能化变电站建设。随着相关人员的对变电站二次技术的不断探讨, 设备研发人员一定能研发出促进电网长期发展的电力设备。
摘要：本文主要阐述了智能电网的概念及其建设现状, 并以此为依据分析了建立于IEC61850标准化基础上的电网次设备技术需求的趋势, 于此方案中提出了适当超前发展RTDS实时数字仿真仪 (Real Time Digital Simulator) , 等一些仿真能力于测试中的应用案例来阐明确保变电站二次技术安全顺利实施的设想。
关键词：智能电网,变电站,IEC61850,二次技术
参考文献
[1]李乃湖, 倪以信, 孙舒捷, 等.智能电网及其关键技术综述[J].南方电网技术, 2010 (03) .
变电二次设备的防雷措施 篇8
关键词：变电站,综合自动化,二次设备,防雷技术
随着电力系统信息化建设的不断提高, 调度通讯、网络等信息设备越来越多, 规模越来越大一方面自动化系统、计算机网络、通讯系统等设备核心元件耐过电流、耐雷电压的水平越来越低, 敏感性提高;另一方面由于信号来源路径增多, 系统较以前更易遭受雷电波侵入, 致使雷电灾害频繁发生, 影响信息系统正常运行, 特别是雷电多发区, 轻者导致性能下降, 重者造成系统损坏。本文介绍了电子设备常见的雷击原因及防护措施, 并针对该技术在施工过程中的应用和规范进行了论述。
1 雷电的成因及主要形式
根据大量科学测试可知, 地球上空存在一个带正电的电离层, 与大地之间形成一个已充电的电容器, 场强为上正下负。当地面含水蒸汽的空气受到地面烘烤受热上升, 或者温暖潮湿的空气与冷空气相遇而被垫高都会产生向上的气流。上升气流温度逐渐下降形成水成物 (雨滴、冰雹) , 并由于地球静电场的作用而被极化, 负电荷在上, 正电荷在下, 它们受重力作用落下与云粒子发生碰撞, 其结果是云粒子带走了水成物前端的部分正电荷, 从而使水成物带上负电。持续碰撞的结果使带正电的云粒子在云的上部, 而带负电荷的水成物在云的下部。
不论是雷云间闪击或雷云对地闪击都有可能发生感应雷而形成电磁场, 当磁场强度到达一定水平将会对电气设备的集成电路造成暂时的、甚至永久性的损坏, 影响电子设备的稳定性, 令通讯设备的传输信号失真等。因此对于自动控制系统而言更应该关注如何有效防止感应雷, 避免 (减少) 感应雷引起的损害。
2 瞬间过电压对电子设备的危害
瞬间过电压使电子设备讯号或数据的传输与存储都受到干扰甚至丢失, 致使电子设备产生误动作或暂时瘫痪重复影响会降低电子设备寿命甚至立即烧毁元器件及设备。这一切都会给生产和工作带来较大损失。
3 雷电对电站的干扰途径
雷云在放电时的电压是很高的, 不可能将电气设备的绝缘耐电压作到这个电压, 事实上雷电的破坏作用主要是由雷电流引起的。它的危害基本可以分为2种类型:一是雷直接击在建筑物上发生的热效应和电动力作用;二是雷电的二次作用, 即雷电流产生的静电感应和电磁作用。电站及其负载的特殊用途决定了它们的作业环境具有广泛性。电站和负载舱体之间通过电缆连接, 连接电缆一般为输电和控制电缆, 电缆贴地铺设。当电站的金属舱体、输电和控制电缆处于雷云和大地间所形成的电场中时, 导体上就会感应出与雷云性质相反的大量电荷。雷云放电后, 云与大地间的电场突然消失, 导体上的电荷来不及立即流散, 因而, 产生很高的对地电位, 即静电感应电压。
4 变电站二次设备防雷保护
变电站的二次设备, 包括站内保护设备、自动化设备、通信系统、计算机网络设备及监控系统、交直流电源系统等是在一个干扰强度高的电磁环境中运行的, 一般仅做了接地处理, 其耐雷及耐过电压水平较低。多年的运行经验表明, 现时变电站二次设备所损坏的部位, 大部分是远动及监控设备的通信接口、电源接口板、微机保护装置电源接口板、计算机电源接口等部位因此可认为变电站二次设备遭雷击的主要原因是电源线感应雷、信号线感应雷, 本文针对这种感应雷提出相应的防雷保护措施。
4.1 电源系统的防雷保护
安装在变电站内的通信调度自动化系统大多采用交流电源或直流电源为其设备供电。在其整流环节, 一般有较大容量的滤波电容, 对瞬态过电压冲击有一定的吸收作用, 站用变压器低压侧到站用馈电屏用的是屏蔽电缆且设备都有良好的接地, 运用现代防雷技术来分析, 必须增加回路的分流措施。因为其工作接地、保护接地都与其它电气设备采用同一接地装置, 而且设备都处于LPZOB区, 电磁脉冲强度相对较强, 在站用变低压侧虽然有防止线路侵人波的避雷器, 因此必须对这些调度自动化设备的供电回路进行过电压保护。
由于变电站多建在较为空旷的区域电磁强度相对较强, 电力线路和通信电缆很容易遭受到感应雷电的袭击。感应过电压沿着电力线路和通信线路进人设备, 从而将设备损坏。因此, 交流母线处加装第一级电源防护是为了保证整个控制室的安全, 并且将80%的过电压泄散到大地, 起到初级保护的作用。但在交流馈线上仍有部分过电压和第一级电源防雷的残压加在线路上, 因此必须在重要的交流馈线处, 如直流充电屏、UPS (Uninterruptible Power System, 不间断电源) 等, 进行第二、三级电源防护, 从而将过电压抑制到后端用电设备能够耐受的水平。
4.2 通信接口的防雷保护
通信接口过电压防护同电网供电系统相比, 此回路对过电压的敏感程度要高得多, 且这些设备在有过电压的情况下显得非常脆弱, 设备的绝缘耐受水平也相当低。与这些设备相连的有信号线、数据线、测量和控制线路, 并且这些线路基本上是处于LPZOB区域, 也有穿过LPZOA区域的, 线路上的感应过电压相对较强, 根据I E C (International Electrotechnicai Commission, 国际电工委员会) 的测试, 当电磁场强度增大到0.07GS时, 微型计算机设备将产生误动, 丢失数据。而且这些回路运行的安全与否直接关系到一次系统设备的安全, 因此需对重要回路的接口进行过电压防护。
变电站基本采用无人值守, 对一次回路的各种保护、测量、控制、调节信号通过光纤、数据通信网络或载波向远方传送数据。如果采用载波, 由于载波机与微机自动化装置的信号连接线路相对较长, 在变电站附近或变电站遭受直接雷击时, 处在LPZOB区的通信线路将感应出较强的感应过电压, 因此必须在靠近微机自动化装置的信号接口端加装信号避雷器, 同时处在LPZOB区并延伸到LPZOA区的通信线路非常容易感应上雷电过电压, 也必须加装信号避雷器。
5 结语
文中分析了雷电的成因和特点以及对二次设备的干扰途径以及解决方法。通过对雷电的原理及雷击方式进行较为全面介绍, 同时提出对变电站的防雷保护采取有效的措施和对策, 确保变电站的防雷及防雷接地网的可靠性, 为设备的安全稳定运行提供有力的保障。
参考文献
[1]关建民.发电厂信息系统的防雷保护[J].电工技术杂志, 2003 (09) .