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PAFC技術(shù)開發(fā)的現(xiàn)狀與動向:
日本自實施月光計劃以來,作為國家級項目,正在實施5000千瓦級加壓型和1000千瓦級常壓型電廠實證運行。目前,磷酸型燃料電池的發(fā)電效率為30%~40%,如果將熱利用考慮進去,綜合效率可高達60%~80%。
除日本外,目前世界約有60臺PAFC發(fā)電設(shè)備在運轉(zhuǎn),總輸出功率約為4.1萬千瓦。按國別和地區(qū)劃分日本為2.9萬千瓦,美國8000千瓦,歐洲3000千瓦,亞洲900千瓦。運轉(zhuǎn)中的發(fā)電設(shè)備除3臺(日本2臺,意大利1臺)為加壓型外,其他均為常壓型。磷酸型燃料電池的制造廠家目前主要為日本和美國,設(shè)備主要銷往歐、亞。
美國已完成基礎(chǔ)研究,200千瓦級電廠用電池近期有望商品化,但大容量電廠用電池處于停滯狀態(tài)。德國已引進美國200千瓦級電廠用電池進行試驗運行。另外,瑞典、意大利、瑞士等國也引進日、美的電池進行試運行。
2.熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)
日本對MCFC發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)始于1981年度的月光計劃,該計劃圍繞開發(fā)1千瓦級發(fā)電機組這個目標(biāo)展開了對MCFC燃料、電極等的開發(fā)。該開發(fā)研究進展順利,從1984年開始,進而對10千瓦級發(fā)電機組進行研究開發(fā)。1986年,日立、東芝、富士電機、三菱電機、IHI分別對5臺10千瓦級機組進行發(fā)電試驗,其結(jié)果是輸出功率為10千瓦,初期性能為電池電壓0.75伏,電流密度150毫安/平方厘米。
1987年起,日本在對1000千瓦級實驗電場(外部改質(zhì)型)進行主要開發(fā)的同時,對100千瓦級發(fā)電機組以及1000千瓦級機組的設(shè)備的開發(fā)研究也取得了進展。1993年度,日立、IHI的2臺100千瓦級外部改質(zhì)型機組和三菱電機的1臺30千瓦級內(nèi)部改質(zhì)型機組開始試驗發(fā)電運行。其試驗結(jié)果以及1994年度進行的5-25千瓦級機組的試驗結(jié)果表明,電池電壓0.8伏,電流密度達15毫安/平方厘米,單位時間內(nèi)的劣化率小于1%。
在此基礎(chǔ)上,1994年度起開始著手開發(fā)1000千瓦級試驗工廠。1995年10月在中部電力(株)川越發(fā)電所開始建廠,確立了1000千瓦級實用化發(fā)電系統(tǒng)試驗工廠的基本系統(tǒng),對現(xiàn)有的事業(yè)用燃料電池電廠的運行進行評價,計劃1999年開始試驗運行,其目標(biāo)為:燃料利用率為80%,千小時電池的劣化率小于1%,初期性能為:電池電壓大于0.8伏,電流密度1500毫安/平方厘米,計劃試驗運行5000小時。
為使電池實用化,在上述研究開發(fā)的基礎(chǔ)上,還進行了機組長壽命化研究,計劃連續(xù)實驗運行4萬小時,每千小時單位劣化率小于0.25%。除此之外,還在開發(fā)200千瓦級內(nèi)部改質(zhì)型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
美國能源部和美國電力研究所,正在積極開發(fā)MCFC。美國ERC公司開發(fā)的2兆瓦級內(nèi)部改質(zhì)型機組發(fā)電系統(tǒng)于1996年5月在圣克拉拉開始試驗運行。MC-power公司開發(fā)的250千瓦級外部改質(zhì)型機組發(fā)電系統(tǒng),1997年2月起在圣迭戈開始試運行。
在歐洲,MCFC作為共同項目正在研究開發(fā),取得了一些進展,其主要項目如下:
①高級DIC-MCFC發(fā)展計劃(1996-1998年)。荷蘭、英、法、瑞典等國參加研究,歐洲在市場分析、系統(tǒng)開發(fā)以及內(nèi)部改質(zhì)型機組的開發(fā)等方面取得進展。
②ARGE項目(1990年起計劃10年內(nèi)完成)。德、丹麥參加,并在內(nèi)部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)上取得進展。
③MOLCARE。由意、西班牙參加,并在外部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)上取得進展。
韓國從1993年起開始開發(fā)MCFC,1997年以開發(fā)100千瓦外部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)為目標(biāo),開始了第二階段研究開發(fā)工作。
3.固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)
作為SOFC開發(fā)的基礎(chǔ)科學(xué)離子學(xué),其開發(fā)歷史很長,日、美、德等國已有30多年的開發(fā)史。日本工業(yè)技術(shù)院電子技術(shù)綜合研究所從1974年起就開始研究SOFC,1984年進行了500瓦發(fā)電試驗(最大輸出功率為1.2千瓦)。美國西屋公司從1960年起開始開發(fā)SOFC,1987年該公司與日本東京煤氣、大阪煤氣共同開發(fā)出3千瓦熱自立型電池模塊,在國內(nèi)外掀起了開發(fā)SOFC的。
日本新陽光計劃中,以產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO),為首,從1989年起開始開發(fā)基礎(chǔ)制造技術(shù),對數(shù)百千瓦級發(fā)電機組進行測試。1992年起,富士電機綜合研究所和三洋電機在共同研究開發(fā)數(shù)千瓦級平板型模塊基礎(chǔ)上,還組織了7個研究機構(gòu)積極開發(fā)高性能、長壽命的SOFC材料及其基礎(chǔ)技術(shù)。
除此之外,三菱重工神戶造船所與中部電力合作,共同開發(fā)平板型SOFC,1996年創(chuàng)造了5千瓦級模塊成功運行的先例。同時,在圓筒橫縞型電池領(lǐng)域中,1995年三菱重工長崎造船所在電源開發(fā)共同研究中,采用圓筒橫縞型電池,開發(fā)出10千瓦級模塊,成功地進行了500小時試運行,之后又于1996年開發(fā)了2.5千瓦模塊,并試運行1000小時。TOTO與九州電力共同開發(fā)全濕式圓筒縱縞型電池,1996年起,開始開發(fā)1千瓦級模塊。同時,在日本以大學(xué)與國立研究所為首的許多研究機構(gòu)在積極開發(fā)SOFC。
美國西屋公司在能源部的支持下,開始開發(fā)圓筒縱縞型電池。東京煤氣和大阪煤氣對25千瓦級發(fā)電及余熱供暖系統(tǒng)進行的共同測試表明,截至1997年3月,已成功運行了約1.3萬小時,其間已經(jīng)過11次啟動與停機,千小時單位電池的劣化率小于0.1%,可見其技術(shù)已非常成熟。西屋公司除計劃在1998年與荷蘭、丹麥共同進行100千瓦級模塊運行外,為降低制造成本,還在研究開發(fā)濕式電池制造技術(shù)。美國Allied-signal、SOFCo、Z-tek等公司在開發(fā)平板型SOFC上取得進展,目前正對1千瓦級模塊進行試運行。
在歐洲,德國西門子公司在開發(fā)采用合金系列分離器的平板型SOFC,1995年開發(fā)出10千瓦(利用氧化劑中的氧,若在空氣中則為5千瓦)模塊,1996年開發(fā)出7.2千瓦模塊(利用氧化劑中的空氣)。
奔馳汽車制造公司在開發(fā)陶瓷系列分離器式平板型SOFC上取得進展,1996年對2.2千瓦模塊試運行6000小時。瑞士的薩爾澤爾公司在積極開發(fā)家庭用SOFC,目前已開發(fā)出1千瓦級模塊。今后,德國還計劃在特蒙德市進行7千瓦級發(fā)電及余熱供暖系統(tǒng)現(xiàn)場測試。
在此基礎(chǔ)研究上,以英、法、荷等國的大學(xué)和國立研究所為中心的研究機構(gòu),正在積極研究開發(fā)低溫型(小于800℃)SOFC材料。
4.固體高分子型燃料電池(PEFC)
日本開發(fā)固體高分子膜的單位有旭化成、旭哨子、Japangore-tex等,開發(fā)改質(zhì)器以及電極催化媒體的機構(gòu)有田中貴金屬、大阪煤氣等。在開發(fā)汽車燃料電池方面,豐田制造出甲醇改質(zhì)型燃料電池汽車(1997年),同時三菱電機、馬自達也在著手開發(fā)汽車燃料電池。
在供電及余熱供暖系統(tǒng)方面,PEFC排熱溫度較低,為70℃左右,在熱利用上有所限制,與其他類型燃料電池相比,目前只開發(fā)小型系統(tǒng)。東芝(30千瓦)、三洋電機(數(shù)千瓦)、三菱重工和東京煤氣(5千瓦)、富士電機和關(guān)西電力(5千瓦)等公司在開發(fā)以天然氣和甲醇為燃料的電池系統(tǒng),同時,三洋電機在開發(fā)1千瓦級氫燃料便攜式商品化電源,三菱重工在開發(fā)特殊用途(無人潛水艇用)燃料電池。
PEFC主要作為汽車動力電源在開發(fā)。但在汽車上燃料的搭載方式各種各樣,有高壓氫、液化氫和甲醇等。這些燃料各具長短,目前還未能確定最適方式。
德國奔馳與加拿大BPS在進行共同開發(fā),它們開發(fā)的搭載氫燃料、小底盤汽車在試運行。除此之外它們還共同開發(fā)甲醇燃料電池汽車。若在降低成本、提高運行性能等方面再取得一些進展,電池汽車就有望走向市場。
美國克萊斯勒、通用、福特三公司協(xié)力合作,計劃到2000年開發(fā)出輸出50千瓦、輸出密度1千瓦/公斤的燃料電池。另外,BMW、Rover和西門子三家公司也在開展共同開發(fā)。
我國的電子信息技術(shù)起步于二十世紀(jì)中期,近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,電子信息技術(shù)日新月異,我國在電子信息技術(shù)方面也有了明顯進步,應(yīng)用范圍明顯增加,在國際范圍內(nèi)具有了一定的影響力。我國電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)主要經(jīng)過了四次階段性的轉(zhuǎn)型,樹立了強大的產(chǎn)業(yè)動力,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面發(fā)生了較大的變化,技術(shù)與開發(fā)水平有了明顯提高,產(chǎn)品出口額有了明顯增加,基本上實現(xiàn)在滿足我國部分電子信息市場需求的基礎(chǔ)上,走出國門的愿景。但隨著應(yīng)用的日漸廣泛,使得我國在電子信息技術(shù)的發(fā)展過程中,也出現(xiàn)了一些問題,例如企業(yè)研發(fā)能力弱、電子信息技術(shù)方面知識產(chǎn)權(quán)缺乏、信息化程度低等等,這些問題嚴(yán)重限制了我國電子信息技術(shù)的長遠發(fā)展,拉大了我國與世界信息技術(shù)發(fā)達國家之間的差距,目前而言我國電子信息技術(shù)發(fā)展中存在的問題主要有以下三個方面:
1.1環(huán)境資源匱乏環(huán)境資源匱乏是限制我國電子信息技術(shù)發(fā)展的一個重要問題,目前而言我國電子信息產(chǎn)業(yè)混亂,假冒偽劣、知識侵權(quán)現(xiàn)象猖獗,盜版產(chǎn)品走私販賣以及企業(yè)間的不良競爭的現(xiàn)象屢見不鮮,這些均嚴(yán)重危害了我國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,使得我國電子信息技術(shù)研發(fā)緩慢,這在很大程度上降低了我國電子信息技術(shù)在國際市場的競爭力,遏制了我國電子信息技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?。除了產(chǎn)業(yè)內(nèi)部環(huán)境存在很大問題,我國法律對電子信息技術(shù)的保護力量薄弱也是很大原因造成盜版猖獗的一個原因,因為缺乏保護使得電子信息技術(shù)的科研成果很容易被不法分子竊取,科研工作者嘔心瀝血研究而得新技術(shù)在隨后的盜版中被大量侵占,很大程度上降低了科研工作者的信心,再加上國內(nèi)市場電子產(chǎn)品的走私、販賣現(xiàn)象猖獗,導(dǎo)致國內(nèi)電子信息技術(shù)開發(fā)企業(yè)缺乏競爭優(yōu)勢。所以缺乏有效嚴(yán)格的法律環(huán)境也是我國致使我國電子信息技術(shù)問題頻發(fā)的又一原因。
1.2電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理我國電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)80年代的“863”計劃,經(jīng)過30多年的發(fā)展,產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴大,但也因為產(chǎn)業(yè)界限模糊,使得產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)問題凸顯,技術(shù)創(chuàng)新體系并不明顯,使得我國的電子產(chǎn)品不能與國外頂尖電子產(chǎn)品相提并論。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理,投入產(chǎn)出差距明顯,使得我國電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新力薄弱,所以只有改變傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),重構(gòu)科學(xué)合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),才能改變目前我國進步緩慢的電子信息產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀。
1.3科研能力不足、從業(yè)人員素質(zhì)不高作為以技術(shù)為首要驅(qū)動力的電子信息產(chǎn)業(yè),科研能力的強弱決定了技術(shù)進步快慢,而產(chǎn)業(yè)內(nèi)從業(yè)人員的素質(zhì)又在很大程度上決定了技術(shù)創(chuàng)新能力的強弱。隨著我國教育普及程度的增加,不可否認(rèn)的是,我國信息技術(shù)方面的人才不少,可以說還在不斷增加中,各方面的技術(shù)人員也很完備,但是很多人才都是單一型,他們或許是某一方面可以登峰造極,但是卻缺乏其他方面的知識儲備,甚至可以說毫無了解?,F(xiàn)在社會越來越需要復(fù)合型人才,而我國電子信息產(chǎn)業(yè)方面更需要這方面的復(fù)合型人才,也正是因為人才的缺乏,也嚴(yán)重的制約了電子信息技術(shù)的創(chuàng)新,目前我國仍有許多技術(shù)需要購買國外的先進專利,這種強依賴性,也是因為復(fù)合型人才的嚴(yán)重欠缺。
2我國電子信息技術(shù)的發(fā)展趨勢
人類進步永無止境,技術(shù)發(fā)展更需分秒必爭,每天有無數(shù)的新型技術(shù)誕生,所以我國的電子信息技術(shù)更不能滿足現(xiàn)狀,更應(yīng)正確分析局勢,不斷優(yōu)化和升級產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),逐步完善我國的電子信息技術(shù)。憑借高技術(shù)含量、高市場附加值、強大競爭力與明朗的市場前景,電子信息產(chǎn)業(yè)具有其他產(chǎn)業(yè)都無法比擬的優(yōu)勢,所以電子信息產(chǎn)業(yè)是世界各國都大力爭奪的技術(shù)產(chǎn)業(yè),目前很多西方國家已經(jīng)將注意力集中與電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè),大量投入人力、物力、財力,旨在通過電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展帶動國家經(jīng)濟發(fā)展??傮w來說,我國的電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的總體態(tài)勢是:產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展的速度比較快,產(chǎn)業(yè)內(nèi)總體的經(jīng)濟效益比較好以及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展后勁還是比較強的。綜上所訴,我國應(yīng)努力追趕世界潮流,加大對電子信息產(chǎn)業(yè)的投入,不斷完善電子信息產(chǎn)業(yè),未來我國電子信息技術(shù)將呈現(xiàn)出如下三方面的發(fā)展趨勢:
2.1階梯化、多元化發(fā)展任何事情的發(fā)展都不是一蹴而就,而是一個不斷發(fā)展的過程,所以在未來我國電子信息技術(shù)的發(fā)展也必然呈現(xiàn)處階梯化、多元化的多元發(fā)展。目前,我國的電子信息技術(shù)遠不如西方發(fā)達國家,他們憑借其雄厚的資金、技術(shù)以及品牌優(yōu)勢,進行有目標(biāo)地系統(tǒng)的研究、管理和銷售工作。前文已提到,我國電子信息產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)混亂,從業(yè)人員素質(zhì)不高,所以我國電子信息產(chǎn)業(yè)未來還有很長一段路要走,必須遵循階梯化網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展道路,首先需加大資金投入,加強立法保護,不僅僅是急于復(fù)制他國的先進產(chǎn)品,而是培養(yǎng)先進技術(shù)人才,在學(xué)習(xí)西方先進技術(shù)的基礎(chǔ)上,師夷長技以制夷,一步步穩(wěn)扎穩(wěn)打,才能逐步加快電子信息技術(shù)的發(fā)展。目前,電子信息技術(shù)已滲入生活的各個領(lǐng)域,正逐步實現(xiàn)著與機械、能源、交通、建筑等其他技術(shù)的有機結(jié)合,所以電子信息技術(shù)必然不能獨善其身,片面發(fā)展,只有將電子信息技術(shù)多元化發(fā)展,更多的應(yīng)用于實際生活,才能真正使電子信息產(chǎn)業(yè)做到為人類服務(wù)。
2.2個性化、規(guī)模化發(fā)展眾所周知,每個產(chǎn)品都具有顯著得到規(guī)模效應(yīng),電子產(chǎn)品當(dāng)然也不能例外。電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)很多是精密技術(shù)產(chǎn)業(yè),所以其生產(chǎn)規(guī)模才能得以生存和發(fā)展,否則很難在激烈的市場競爭中立足,很快就會被淘汰出局。我國電子信息技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模越來越大,很多大型跨國公司憑借其大規(guī)模的產(chǎn)量和嚴(yán)格的質(zhì)量控制,有效的利用了規(guī)模經(jīng)濟,取得了很大的經(jīng)濟收益,所以規(guī)?;l(fā)展必然是未來電子信息技術(shù)的發(fā)展趨勢。隨著人們生活水平的提高,消費眼光越來越獨到,消費者逐漸成為市場主導(dǎo),個性化消費已經(jīng)成為必然趨勢,再加上電子信息市場更新?lián)Q代速度驚人,人們對電子信息技術(shù)產(chǎn)品的需求日益呈現(xiàn)出多元化發(fā)展,所以如何在浩如煙海的電子信息市場獨占鰲頭,個性化必不可少。
2.3國際化、全球化發(fā)展電子信息技術(shù)的發(fā)展不是一國閉門造車的過程,而是國際性的發(fā)展過程,其采購、生產(chǎn)、加工、銷售都具有全球化的特征,很多技術(shù)不是僅靠一國之力便可完成,再加上我國電子信息技術(shù)起步晚,所以必須加強國際化交流,學(xué)習(xí)世界先進技術(shù),才能遵循全球化發(fā)展。隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展和信息網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展過程中,我國電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必然要遵循國際化的發(fā)展趨勢。目前我國已經(jīng)有不少電子信息技術(shù)產(chǎn)品已經(jīng)開始走出國門,海爾、華為在世界已經(jīng)有了很大的知名度,但是依舊有很多電子產(chǎn)品走山寨、翻版的低端路線,所以加快電子信息技術(shù)國際化發(fā)展必然是未來發(fā)展趨勢。
3結(jié)語
電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展對繼電保護不斷提出新的要求,電子技術(shù)、計算機技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展又為繼電保護技術(shù)的發(fā)展不斷地注入了新的活力,因此,繼電保護技術(shù)得天獨厚,在40余年的時間里完成了發(fā)展的4個歷史階段。
建國后,我國繼電保護學(xué)科、繼電保護設(shè)計、繼電器制造工業(yè)和繼電保護技術(shù)隊伍從無到有,在大約10年的時間里走過了先進國家半個世紀(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、掌握了國外先進的繼電保護設(shè)備性能和運行技術(shù)[1],建成了一支具有深厚繼電保護理論造詣和豐富運行經(jīng)驗的繼電保護技術(shù)隊伍,對全國繼電保護技術(shù)隊伍的建立和成長起了指導(dǎo)作用。阿城繼電器廠引進消化了當(dāng)時國外先進的繼電器制造技術(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研究、設(shè)計、制造、運行和教學(xué)的完整體系。這是機電式繼電保護繁榮的時代,為我國繼電保護技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。
自50年代末,晶體管繼電保護已在開始研究。60年代中到80年代中是晶體管繼電保護蓬勃發(fā)展和廣泛采用的時代。其中天津大學(xué)與南京電力自動化設(shè)備廠合作研究的500kV晶體管方向高頻保護和南京電力自動化研究院研制的晶體管高頻閉鎖距離保護,運行于葛洲壩500kV線路上[2],結(jié)束了500kV線路保護完全依靠從國外進口的時代。
在此期間,從70年代中,基于集成運算放大器的集成電路保護已開始研究。到80年代末集成電路保護已形成完整系列,逐漸取代晶體管保護。到90年代初集成電路保護的研制、生產(chǎn)、應(yīng)用仍處于主導(dǎo)地位,這是集成電路保護時代。在這方面南京電力自動化研究院研制的集成電路工頻變化量方向高頻保護起了重要作用[3],天津大學(xué)與南京電力自動化設(shè)備廠合作研制的集成電路相電壓補償式方向高頻保護也在多條220kV和500kV線路上運行。
我國從70年代末即已開始了計算機繼電保護的研究[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)和南京電力自動化研究院都相繼研制了不同原理、不同型式的微機保護裝置。1984年原華北電力學(xué)院研制的輸電線路微機保護裝置首先通過鑒定,并在系統(tǒng)中獲得應(yīng)用[5],揭開了我國繼電保護發(fā)展史上新的一頁,為微機保護的推廣開辟了道路。在主設(shè)備保護方面,東南大學(xué)和華中理工大學(xué)研制的發(fā)電機失磁保護、發(fā)電機保護和發(fā)電機?變壓器組保護也相繼于1989、1994年通過鑒定,投入運行。南京電力自動化研究院研制的微機線路保護裝置也于1991年通過鑒定。天津大學(xué)與南京電力自動化設(shè)備廠合作研制的微機相電壓補償式方向高頻保護,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也相繼于1993、1996年通過鑒定。至此,不同原理、不同機型的微機線路和主設(shè)備保護各具特色,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裝置。隨著微機保護裝置的研究,在微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果??梢哉f從90年代開始我國繼電保護技術(shù)已進入了微機保護的時代。
2繼電保護的未來發(fā)展
繼電保護技術(shù)未來趨勢是向計算機化,網(wǎng)絡(luò)化,智能化,保護、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。
2.1計算機化
隨著計算機硬件的迅猛發(fā)展,微機保護硬件也在不斷發(fā)展。原華北電力學(xué)院研制的微機線路保護硬件已經(jīng)歷了3個發(fā)展階段:從8位單CPU結(jié)構(gòu)的微機保護問世,不到5年時間就發(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)研制的微機保護也是從8位CPU,發(fā)展到以工控機核心部分為基礎(chǔ)的32位微機保護。
南京電力自動化研究院一開始就研制了16位CPU為基礎(chǔ)的微機線路保護,已得到大面積推廣,目前也在研究32位保護硬件系統(tǒng)。東南大學(xué)研制的微機主設(shè)備保護的硬件也經(jīng)過了多次改進和提高。天津大學(xué)一開始即研制以16位多CPU為基礎(chǔ)的微機線路保護,1988年即開始研究以32位數(shù)字信號處理器(DSP)為基礎(chǔ)的保護、控制、測量一體化微機裝置,目前已與珠海晉電自動化設(shè)備公司合作研制成一種功能齊全的32位大模塊,一個模塊就是一個小型計算機。采用32位微機芯片并非只著眼于精度,因為精度受A/D轉(zhuǎn)換器分辨率的限制,超過16位時在轉(zhuǎn)換速度和成本方面都是難以接受的;更重要的是32位微機芯片具有很高的集成度,很高的工作頻率和計算速度,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,具有存儲器管理功能、存儲器保護功能和任務(wù)轉(zhuǎn)換功能,并將高速緩存(Cache)和浮點數(shù)部件都集成在CPU內(nèi)。
電力系統(tǒng)對微機保護的要求不斷提高,除了保護的基本功能外,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,強大的通信能力,與其它保護、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,高級語言編程等。這就要求微機保護裝置具有相當(dāng)于一臺PC機的功能。在計算機保護發(fā)展初期,曾設(shè)想過用一臺小型計算機作成繼電保護裝置。由于當(dāng)時小型機體積大、成本高、可靠性差,這個設(shè)想是不現(xiàn)實的?,F(xiàn)在,同微機保護裝置大小相似的工控機的功能、速度、存儲容量大大超過了當(dāng)年的小型機,因此,用成套工控機作成繼電保護的時機已經(jīng)成熟,這將是微機保護的發(fā)展方向之一。天津大學(xué)已研制成用同微機保護裝置結(jié)構(gòu)完全相同的一種工控機加以改造作成的繼電保護裝置。這種裝置的優(yōu)點有:(1)具有486PC機的全部功能,能滿足對當(dāng)前和未來微機保護的各種功能要求。(2)尺寸和結(jié)構(gòu)與目前的微機保護裝置相似,工藝精良、防震、防過熱、防電磁干擾能力強,可運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,對于不同的保護可任意選用不同模塊,配置靈活、容易擴展。
繼電保護裝置的微機化、計算機化是不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。但對如何更好地滿足電力系統(tǒng)要求,如何進一步提高繼電保護的可靠性,如何取得更大的經(jīng)濟效益和社會效益,尚須進行具體深入的研究。\
2.2網(wǎng)絡(luò)化
計算機網(wǎng)絡(luò)作為信息和數(shù)據(jù)通信工具已成為信息時代的技術(shù)支柱,使人類生產(chǎn)和社會生活的面貌發(fā)生了根本變化。它深刻影響著各個工業(yè)領(lǐng)域,也為各個工業(yè)領(lǐng)域提供了強有力的通信手段。到目前為止,除了差動保護和縱聯(lián)保護外,所有繼電保護裝置都只能反應(yīng)保護安裝處的電氣量。繼電保護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有力的數(shù)據(jù)通信手段。國外早已提出過系統(tǒng)保護的概念,這在當(dāng)時主要指安全自動裝置。因繼電保護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)定運行。這就要求每個保護單元都能共享全系統(tǒng)的運行和故障信息的數(shù)據(jù),各個保護單元與重合閘裝置在分析這些信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上協(xié)調(diào)動作,確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。顯然,實現(xiàn)這種系統(tǒng)保護的基本條件是將全系統(tǒng)各主要設(shè)備的保護裝置用計算機網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來,亦即實現(xiàn)微機保護裝置的網(wǎng)絡(luò)化。這在當(dāng)前的技術(shù)條件下是完全可能的。
對于一般的非系統(tǒng)保護,實現(xiàn)保護裝置的計算機聯(lián)網(wǎng)也有很大的好處。繼電保護裝置能夠得到的系統(tǒng)故障信息愈多,則對故障性質(zhì)、故障位置的判斷和故障距離的檢測愈準(zhǔn)確。對自適應(yīng)保護原理的研究已經(jīng)過很長的時間,也取得了一定的成果,但要真正實現(xiàn)保護對系統(tǒng)運行方式和故障狀態(tài)的自適應(yīng),必須獲得更多的系統(tǒng)運行和故障信息,只有實現(xiàn)保護的計算機網(wǎng)絡(luò)化,才能做到這一點。
對于某些保護裝置實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng),也能提高保護的可靠性。天津大學(xué)1993年針對未來三峽水電站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)的集中式母線保護分散成若干個(與被保護母線的回路數(shù)相同)母線保護單元,分散裝設(shè)在各回路保護屏上,各保護單元用計算機網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來,每個保護單元只輸入本回路的電流量,將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后,通過計算機網(wǎng)絡(luò)傳送給其它所有回路的保護單元,各保護單元根據(jù)本回路的電流量和從計算機網(wǎng)絡(luò)上獲得的其它所有回路的電流量,進行母線差動保護的計算,如果計算結(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,各保護單元都計算為外部故障均不動作。這種用計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的分布式母線保護原理,比傳統(tǒng)的集中式母線保護原理有較高的可靠性。因為如果一個保護單元受到干擾或計算錯誤而誤動時,只能錯誤地跳開本回路,不會造成使母線整個被切除的惡性事故,這對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,微機保護裝置網(wǎng)絡(luò)化可大大提高保護性能和可靠性,這是微機保護發(fā)展的必然趨勢。
2.3保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化
在實現(xiàn)繼電保護的計算機化和網(wǎng)絡(luò)化的條件下,保護裝置實際上就是一臺高性能、多功能的計算機,是整個電力系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)上的一個智能終端。它可從網(wǎng)上獲取電力系統(tǒng)運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,每個微機保護裝置不但可完成繼電保護功能,而且在無故障正常運行情況下還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能,亦即實現(xiàn)保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化。
目前,為了測量、保護和控制的需要,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、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化的計算機裝置,就地安裝在室外變電站的被保護設(shè)備旁,將被保護設(shè)備的電壓、電流量在此裝置內(nèi)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后,通過計算機網(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(OTV)已在研究試驗階段,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,保護裝置應(yīng)放在距OTA和OTV最近的地方,亦即應(yīng)放在被保護設(shè)備附近。OTA和OTV的光信號輸入到此一體化裝置中并轉(zhuǎn)換成電信號后,一方面用作保護的計算判斷;另一方面作為測量量,通過網(wǎng)絡(luò)送到主控室。從主控室通過網(wǎng)絡(luò)可將對被保護設(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、控制、測量、通信一體化問題,并研制了以TMS320C25數(shù)字信號處理器(DSP)為基礎(chǔ)的一個保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化裝置。
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、進化規(guī)劃、模糊邏輯等在電力系統(tǒng)各個領(lǐng)域都得到了應(yīng)用,在繼電保護領(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,距離保護很難正確作出故障位置的判別,從而造成誤動或拒動;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)生任何故障時都可正確判別。其它如遺傳算法、進化規(guī)劃等也都有其獨特的求解復(fù)雜問題的能力。將這些人工智能方法適當(dāng)結(jié)合可使求解速度更快。天津大學(xué)從1996年起進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)式繼電保護的研究,已取得初步成果[8]??梢灶A(yù)見,人工智能技術(shù)在繼電保護領(lǐng)域必會得到應(yīng)用,以解決用常規(guī)方法難以解決的問題。
3結(jié)束語
建國以來,我國電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)經(jīng)歷了4個時代。隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展和計算機技術(shù)、通信技術(shù)的進步,繼電保護技術(shù)面臨著進一步發(fā)展的趨勢。國內(nèi)外繼電保護技術(shù)發(fā)展的趨勢為:計算機化,網(wǎng)絡(luò)化,保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化和人工智能化,這對繼電保護工作者提出了艱巨的任務(wù),也開辟了活動的廣闊天地。
作者單位:天津市電力學(xué)會(天津300072)
參考文獻
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6HeJiali,Luoshanshan,WangGang,etal.ImplementationofaDigitalDistributedBusProtection.IEEETransactionsonPowerDelivery,1997,12(4)
1.1提高效率
我國總體用電量隨著居民生活水平的提高,呈現(xiàn)日益上升趨勢。根據(jù)近幾年的發(fā)電效率而言,發(fā)電量明顯無法滿足居民用電量,特別是夏天分時段的供電,嚴(yán)重影響了居民的正常生活。隨著家用電器的增加,居民用電量也日益攀升,電力廠相應(yīng)的發(fā)電要求也隨之提高。傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)存在的問題,嚴(yán)重影響發(fā)電量和發(fā)電效益的提高,致使居民用電要求無法得到滿足。而電氣自動化技術(shù)在火力發(fā)電中的應(yīng)用,有效提高了發(fā)電效率,解決了這一問題[2]。電氣自動化技術(shù)通過收集有用數(shù)據(jù)進行分析,制定出具體可行的實施方案,在運行時間的強度方面做好有效規(guī)劃,在滿足居民用電的同時,減少發(fā)電過程中產(chǎn)生的資源浪費。
1.2降低成本
煤和石油是傳統(tǒng)的發(fā)電材料,發(fā)電技術(shù)落后,很難完成發(fā)電強度的準(zhǔn)確分析,對發(fā)電量的控制也存在問題,容易出現(xiàn)發(fā)電過多或不足現(xiàn)象。另外,由于人工操作的原因,也存在資源燃燒不充分所造成的浪費問題。而電氣自動化技術(shù)可以使用計算機軟件,準(zhǔn)確算出資源充分燃燒所需的時間,大大提高資源的使用效率。在火力發(fā)電中使用電氣自動化技術(shù),既能提高發(fā)電廠的發(fā)電效率,也能滿足居民在用電量方面的需求。在降低發(fā)電成本的同時,更好地實現(xiàn)了電量供應(yīng)目標(biāo)。
1.3優(yōu)化配置
合理分配資源是火力發(fā)電過程中的重要內(nèi)容,需要重點注意。發(fā)電廠內(nèi)設(shè)備比較多,為達到供電要求,通常需要長時間的同時運轉(zhuǎn)。而發(fā)電設(shè)備作為機械,有一定的運作限度,運轉(zhuǎn)時間過長或進行超負(fù)荷運轉(zhuǎn),都會影響設(shè)備的運作效率,嚴(yán)重情況下會損壞設(shè)備。而電氣自動化技術(shù)可以準(zhǔn)確計算出設(shè)備所需運轉(zhuǎn)時間,在出現(xiàn)超負(fù)荷情況下可自動停止,待設(shè)備冷卻后再進行運轉(zhuǎn)。因此,發(fā)電設(shè)備在電氣自動化技術(shù)下可以進行輪流休養(yǎng),設(shè)備的運轉(zhuǎn)效率得到提升,使用年限也得到有效保障。另外,電氣自動化技術(shù)可以對設(shè)備故障進行報警,及時提醒管理人員發(fā)現(xiàn)并解決問題。以往數(shù)據(jù)的輸入可以實現(xiàn)對設(shè)備的人工模擬操作,最大程度提高設(shè)備的使用效率。
2應(yīng)用現(xiàn)狀
在設(shè)備保護方面的應(yīng)用。電氣自動化技術(shù)在設(shè)備保護方面的應(yīng)用包括聯(lián)鎖保護、裝置保護、繼電保護和防雷保護。電氣自動化技術(shù)在設(shè)備出現(xiàn)異常情況時,會及時關(guān)閉閘門,使故障設(shè)備停止生產(chǎn)運行,對設(shè)備進行有效的聯(lián)鎖保護。電氣自動化技術(shù)能夠協(xié)調(diào)搭配火力發(fā)電廠中的危機保安器、安全門等保護裝置,在排除外因干擾的前提下,完成電氣操作運行指令。繼電保護是通過連接計算機和繼電器,構(gòu)建自動化的控制模式,實現(xiàn)繼電器在火力發(fā)電廠運行過程中的有效調(diào)控。電氣自動化技術(shù)對電力設(shè)備的保護控制,通過使用防雷器,減少雷擊對電機設(shè)備產(chǎn)生的干擾。在常規(guī)控制方面的應(yīng)用。電氣自動化技術(shù)在常規(guī)控制方面的應(yīng)用有集中控制、就地控制、自動控制和故障控制。在集中控制中,電氣自動化技術(shù)有效組合了發(fā)電機組、爐鍋和汽輪機,實現(xiàn)了控制操作的集中化,設(shè)備運行效率得到明顯提高。就地控制是針對規(guī)模相對比較小的火力發(fā)電廠采用的控制方式,通過連接重要設(shè)備及裝置,實現(xiàn)設(shè)備的整體運行[3]。自動控制即自動化的電能生產(chǎn),在減少設(shè)備運行錯誤的同時,電能生產(chǎn)的難度也相應(yīng)降低,電能產(chǎn)量與經(jīng)濟效益也得到提高。在故障控制中,技術(shù)人員只需通過計算機監(jiān)控運行設(shè)備,可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并解決。對于比較小的設(shè)備故障,系統(tǒng)可根據(jù)操作指令自動進行處理。
3系統(tǒng)配置
3.1I/O監(jiān)控
I/O監(jiān)控是一種集中監(jiān)控方式,設(shè)備中電器的所有饋線都需要設(shè)置對應(yīng)的I/O接口,通過電纜連接各個I/O通道,設(shè)備在進行A/D處理后進入DCS狀態(tài),由此使整個發(fā)電工廠的設(shè)備處于DCS的監(jiān)控之下。I/O監(jiān)控在運行過程中,方便進行維護,問題發(fā)現(xiàn)和解決速度快,優(yōu)勢明顯。相對比較低的監(jiān)控防護等級,降低了DCS的造價,也有效降低了發(fā)電所需的成本。而I/O監(jiān)控所涉及范圍包括所有電氣設(shè)備,工程量大且比較復(fù)雜。電氣設(shè)備的增加,無疑會加大監(jiān)控范圍,致使監(jiān)控運行壓力增加。監(jiān)控范圍以及空間跨度的擴大,也相應(yīng)增加了電纜的距離,DCS的可靠性受到一定程度的干擾。
3.2遠程智能I/O控制
遠程智能I/O控制,作為一種監(jiān)控技術(shù),在生產(chǎn)中的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛。遠程智能I/O控制的采用,相對減少了人力資源的使用,操作人員可在遠程接觸中實現(xiàn)對電氣設(shè)備的智能控制,有效緩解了操作人員的工作壓力,降低了工作強度?;鹆Πl(fā)電過程中,I/O信號通過電纜連接加采集柜,利用光纖或者雙絞線實現(xiàn)加采集柜與DCS控制器的連接,從而進行數(shù)據(jù)傳輸。遠程智能I/O控制不需要操作人員進行近距離接觸,在電纜鋪設(shè)方面節(jié)省了部分安裝費用。另外,I/O控制可以自動對所收集數(shù)據(jù)進行檢查、處理和校正。而在電量變送器、卡件和模擬量卡件方面,I/O控制也無法減少。
3.3總線控制
總線控制技術(shù)在電氣設(shè)備上的應(yīng)用,通常需要利用3G技術(shù)來實現(xiàn),通信技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)三者的配合和促進,是信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在設(shè)備控制領(lǐng)域有效發(fā)展的重要基礎(chǔ)??偩€控制技術(shù)通過避開DCS控制站中的輸入、輸出單元,改變了傳統(tǒng)DCS控制中的集中和分散相結(jié)合控制體系。傳統(tǒng)集散結(jié)合的控制模式,在部分電氣設(shè)備的管理上是統(tǒng)一進行的,缺乏針對性和及時性。而總線控制技術(shù),有效解決了這一問題,對電氣設(shè)備進行高度的分散管理和分散控制。
4創(chuàng)新手段
4.1單元爐機組的統(tǒng)一
電氣自動化技術(shù)在火力發(fā)電應(yīng)用中的創(chuàng)新,需要實現(xiàn)發(fā)電廠電、機、爐的一體化,形成單元制的監(jiān)控運行方式?;鹆Πl(fā)電廠中的DCS控制可通過這種監(jiān)控方式,分析和總結(jié)火電機組整體的運行參數(shù)以及狀態(tài)信息,發(fā)掘火電機組的最大潛力,其自身獨具的控制功能在得到發(fā)揮的同時,也在一定程度上縮小了控制范圍,對監(jiān)控系統(tǒng)進行了相應(yīng)的簡化,有效降低了造價成本[4]。另外,在采集火力發(fā)電中有關(guān)電廠信息管理系統(tǒng)的信息方面,統(tǒng)一單元爐機組有重要的促進作用,實現(xiàn)了火電電網(wǎng)運行管理的統(tǒng)一和加強,中調(diào)AGC的相關(guān)要求和指令也逐一完成,電網(wǎng)工作效率提高,整個運行處于最佳、最經(jīng)濟狀態(tài)。單元爐機組的統(tǒng)一,有效提高了火電機組的自動化水平,其監(jiān)控水平也得到相應(yīng)提升。
4.2控制保護手段的創(chuàng)新
在傳統(tǒng)火力發(fā)電中,系統(tǒng)控制方式是報警,聯(lián)鎖是其采用的保護手段,而這種控制保護手段,僅僅適用于帶有波動性的超限報警和聯(lián)鎖跳機。電氣自動化技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用,通過計算機技術(shù)實現(xiàn)控制和保護目的,在檢測電氣自動化系統(tǒng)運營、診斷出現(xiàn)故障的過程中,火電設(shè)備系統(tǒng)的隱患能夠提前被發(fā)現(xiàn),控制保護策略也可以及時進行改善,如主動性的控制和保護措施的采用,可以自動調(diào)整系統(tǒng)故障的控制范圍,實現(xiàn)有效的防范,從而保證電氣自動化系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。此外,控制保護手段的創(chuàng)新,也使電氣自動化系統(tǒng)在設(shè)備維護上處于主動防患狀態(tài),設(shè)備出現(xiàn)的故障能夠及時發(fā)現(xiàn)和處理。
4.3電氣的全通信控制
就目前情況來看,電氣自動化系統(tǒng)在火力發(fā)電中的應(yīng)用,還無法達到DCS控制系統(tǒng)的要求,在DCS控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的電氣全通信控制方式也無法得到滿足。通信的速度以及系統(tǒng)的可靠性都需要有一定的提升,而DCS控制系統(tǒng)與電氣自動化系統(tǒng)之間所存留的部分硬接線,也是需要解決的問題[5]。電氣全通信控制模式的形成,需要解決好熱工工藝連鎖方面的問題,在實際應(yīng)用上提高電氣后臺系統(tǒng)的水平,對于初期階段的基礎(chǔ)運轉(zhuǎn)監(jiān)控功能,還需要不斷豐富,在實際操作過程中,提高電氣自動化系統(tǒng)控制的邏輯性,在控制水平、運行管理水平以及自動化水平方面不斷提升。
4.4通用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建
在電氣自動化系統(tǒng)成功生產(chǎn)運營過程中,通用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建有重要的推動作用。電氣自動化技術(shù)在火力發(fā)電中的創(chuàng)新應(yīng)用,需要選擇合適的網(wǎng)絡(luò)通訊產(chǎn)品,能夠在擴展自動化辦公環(huán)境的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)元件甚至電氣自動化系統(tǒng)整體范圍內(nèi)的使用,以電廠管理層為基礎(chǔ),發(fā)揮對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控功能,保證計算機控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)以及控制設(shè)備之間信息傳輸?shù)臅惩ㄐ?實現(xiàn)整體集中運行的自動化。
5結(jié)語
1.1PID控制原理[1,2]
常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
PID控制器是一種線性控制器,它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出構(gòu)成控制偏差:
將此偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量,對被控對象進行控制。其控制規(guī)律為:
式中,Kp為比例系數(shù),T1為積分時間常數(shù),TD為微分時間常數(shù)。
在PID控制中,比例項用于糾正偏差,積分項用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,微分項用于減小系統(tǒng)的超調(diào)量,增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。PID控制器的性能就決定于Kp、T1和TD這3個系數(shù)。如何選用這3個系數(shù)是PID控制的核心。
1.2數(shù)字PID控制算法選擇
設(shè)計和調(diào)整數(shù)字PID控制器的任務(wù)就是根據(jù)被控對象和系統(tǒng)要求,選擇合適的PID模型,將其進行離散化處理,編出計算機程序由微處理器實現(xiàn),最后確定KP、T1、TD、和T,T為采樣周期。微處理器控制是一種采樣控制,它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量,因此,必須對PID模型進行離散化處理。
用矩形方法數(shù)值積分代替式(3)中的積分項,對式(3)中的導(dǎo)數(shù)項用后向差分逼近,經(jīng)推理可得到基本PID控制的位置式算法:
式中k——采樣序號,k=0,1,2,……
U(k)——第k次采樣時刻輸出值
E(k)——第k次采樣時輸入的偏差值
E(k-1)——第(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值
K1——積分系數(shù),K1=KpT/T1
KD——微分?jǐn)?shù)系,KD=KpTD/T1
在數(shù)字控制系統(tǒng)中,PID控制規(guī)律是用程序來實現(xiàn)的,因而具有更大的靈活性。由于基本PID控制中引入了積分環(huán)節(jié),其目的主要是為了消除靜差,提高精度。但在柴油機調(diào)速過程中,突加突減負(fù)載時,會引起轉(zhuǎn)速的較大波動,導(dǎo)致短時間內(nèi)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大偏差,通過PID積分運算積累,超調(diào)量過大,系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩,嚴(yán)重影響發(fā)電機組輸出電能的品質(zhì)。為避免PID控制中積分項引起的超調(diào),提高其調(diào)節(jié)品質(zhì),擬采用積分分離法對基本PID控制進行改進,簡稱變速積分PID。變速積分PID的基本思路是設(shè)法改變積分項的累加速度,使其與偏差大小相對應(yīng),偏差越大,積分越慢;反之,則越快。
式中,A、B為積分區(qū)間。
變速積分PID算法為:
式中,U1(k)為第k次采樣時刻PID運算的積分部分輸出值。
采用變速積分PID控制,系統(tǒng)具有以下特點:用比例消除大偏差,用積分消除小偏差,可完全消除積分飽和現(xiàn)象;各參數(shù)容易整定,易實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定,而且對A、B兩參數(shù)不要求十分精確;超調(diào)量大大減小,改善了調(diào)節(jié)品質(zhì),適應(yīng)性較強。
2柴油發(fā)電機組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)中PID控制參數(shù)整定[3,4]
數(shù)字PID控制參數(shù)整定的任務(wù)主要是確定數(shù)字PID的參數(shù)KP、T1、TD和T。
對于簡單控制系統(tǒng),可采用理論計算方法確定這些參數(shù)。但由于柴油機調(diào)速系統(tǒng)的工況較為復(fù)雜,其數(shù)學(xué)模型并非十分精確,在此,采用工程整定常用的擴充臨界比例帶法,結(jié)合經(jīng)驗法再對參數(shù)進行調(diào)整,得到最終的PID參數(shù)。
(1)采樣周期T的選擇
在數(shù)字控制系統(tǒng)中,采樣周期T是一個比較重要的因素,采樣周期的選取,應(yīng)與PID參數(shù)的整定綜合考慮。
首先,采樣周期T的選取應(yīng)滿足以下要求:遠小于對象擾動周期;比對象時間常數(shù)小得多;盡量縮短采樣周期,以改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。
該系統(tǒng)中,PID調(diào)節(jié)控制過程是在定時中斷狀態(tài)下完成的,因此,采樣周期T的大小必須保證中斷服務(wù)程序的正常運行。在不影響中斷程序運行的情況下,可取采樣周期T=0.1τ(τ為柴油機的純滯后時間)。當(dāng)中斷程序運行時間Tz大于0.1τ時,則取T=Tz,
(2)臨界振蕩周期Ts的確定
初始確定數(shù)字PID參數(shù)時,在用上述方法確定采樣周期T的條件下,從調(diào)速系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)回路中,去掉數(shù)字控制器的微分控制作用和積分控制作用,只采用比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)來確定系統(tǒng)的振蕩周期Ts和臨界比例系數(shù)Ks。由單片機系統(tǒng)自動控制比例系數(shù)KP,并逐漸增大Kp,直到系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)的等幅振蕩,然后由單片機系統(tǒng)自動記錄并顯示調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩時的臨界比例度δ和相應(yīng)的臨界振蕩周期Ts。
控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ),定量衡量數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬調(diào)節(jié)器對同一對象的控制效果??刂菩Ч褪遣捎媚骋环e分準(zhǔn)則,根據(jù)系統(tǒng)在規(guī)定的輸入下的輸出響應(yīng),使用該準(zhǔn)則取最小值時的最
如前所述,采樣周期T的長短會影響系統(tǒng)的控制品質(zhì),同樣是最佳整定,數(shù)字控制系統(tǒng)的品質(zhì)要低于模擬系統(tǒng)的控制品質(zhì)。即控制度總是大于1的,且控制度越大,相應(yīng)的數(shù)字控制系統(tǒng)品質(zhì)越差。
為獲得與模擬控制器相當(dāng)?shù)钠焚|(zhì),控制度選為1.05。不同控制度時,擴充臨界比例帶法PID參數(shù)計算公式
(4)KP、K1、KD、T的求取
根據(jù)實驗所得Ks和Ts及選定的控制度,按表1計算出數(shù)字PID參數(shù)Kp、T1、TD和T。
(5)控制效果的調(diào)節(jié)
按求得的參數(shù)值在調(diào)速控制系統(tǒng)中運行,并觀察控制效果。如控制效果達不到控制要求,可基于以下原則,根據(jù)經(jīng)驗法對參數(shù)做適當(dāng)調(diào)整。
①增大比例系數(shù)Kp,將加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,但過大會使系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào),甚至產(chǎn)生振蕩。
②增大積分時間T1,有利于減小超調(diào),減少振蕩,使系統(tǒng)更加穩(wěn)定,但會增加系統(tǒng)過渡過程時間。
③增大微分時間常數(shù)TD有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng),使超調(diào)減小,穩(wěn)定性增加,但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱,對擾動有較敏感的響應(yīng)。
基于上述原則,調(diào)整PID參數(shù)時,應(yīng)先比例、后積分、再微分進行調(diào)整。
參考文獻:
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[2]王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全[M].北京航空航天大學(xué)出版社,1998.
【關(guān)鍵詞】機電一體化技術(shù);信息技術(shù);發(fā)展趨勢
機電一體化技術(shù)是面向應(yīng)用的跨學(xué)科的技術(shù),它是機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)等有機融合、相互滲透的結(jié)果。今天機電一體化技術(shù)發(fā)展飛速,機電一體化產(chǎn)品更新日新月異。
一、機電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程
“機電一體化”這個詞是日本安川電機公司在上世紀(jì)60年代末作商業(yè)注冊時最先創(chuàng)用的。當(dāng)時及70年代,人們一直把機電一體化看作是機械與電子的結(jié)合。國內(nèi)早期將“機電一體化技術(shù)”與“機械電子學(xué)”并用,近年來“機電一體化”更流行使用。
80年代,信息技術(shù)嶄露頭角。微處理機的性能提高,為更高級的機電一體化產(chǎn)品所采用,典型的機電一體化產(chǎn)品如數(shù)控機床、工業(yè)機器人和汽車的電子控制系統(tǒng)等。微機作為關(guān)鍵技術(shù)引入了飛行器系統(tǒng)后,使機械—電子系統(tǒng)在高度控制、排氣控制、振動控制和保險氣袋等方面獲得廣泛應(yīng)用。
信息技術(shù)驅(qū)使機械系統(tǒng)在不同程度上利用數(shù)據(jù)庫,連洗衣機和其他消費品也用上了數(shù)據(jù)庫驅(qū)動系統(tǒng)。這樣,對機電一體化的系統(tǒng)設(shè)計方法的探索、成型和系統(tǒng)集成以及并行工程設(shè)計和控制的實施日顯重要。此外,光學(xué)也進入了機電一體化,產(chǎn)生了“光機電一體化”的新領(lǐng)域。
進入90年代,通信技術(shù)進入了機電一體化,機器可像機器人系統(tǒng)那樣遙控和虛擬現(xiàn)實多媒體等技術(shù)緊密聯(lián)系的計算機控制的網(wǎng)絡(luò)化機電一體化日益普及。有些機電一體化機械可兩用,有的在性能上更是多用途的,尤其是微傳感器和執(zhí)行器技術(shù)的發(fā)展,和半導(dǎo)體技術(shù)以光刻為基礎(chǔ)的方法以及和傳統(tǒng)機電一體化微型化方法的結(jié)合,開創(chuàng)了以精密工程和系統(tǒng)集成為特點的機電一體化新分支“微機電一體化”。雖然微加工方法尚未成熟,但將逐漸成為集成控制系統(tǒng)的一個組成部分。之后,機電一體化隨著自動化技術(shù)的發(fā)展而日益發(fā)展,穩(wěn)步進入了21世紀(jì)。
二、典型機電一體化產(chǎn)品的發(fā)展趨勢
(一)數(shù)控機床
目前我國是全世界機床擁有量最多的國家(近320萬臺),但數(shù)控機床只占約5%且大多數(shù)是普通數(shù)控(發(fā)達國家數(shù)控機床占10%)。近些年來數(shù)控機床為適應(yīng)加工技術(shù)的發(fā)展,在以下幾個技術(shù)領(lǐng)域都有巨大進步。
1.高速化。由于高速加工技術(shù)普及,機床普遍提高了各方面的速度。車床主軸轉(zhuǎn)速有3000~4000r/min提高到8000~10000r/min;銑床和加工中心主軸轉(zhuǎn)速由4000~8000r/min提高到12000~40000r/min以上;快速移動速度由過去的10~20m/min提高到48m/min,60m/mni,80m/min,120m/min;在提高速度的同時要求提高運動部件起動的加速度,由過去一般機床的0.5G(重力加速度)提高到1.5G~2G,最高可達15G;直線電機在機床上開始使用,主軸上大量采用內(nèi)裝式主軸電機。
2.高精度化。數(shù)控機床的定位精度已由一般的0.01~0.02mm提高到0.008左右;亞微米級機床達到0.0005mm左右;納米級機床達到0.005~0.01um;最小分辨率為1nm(0.000001mm)的數(shù)控系統(tǒng)和機床已問世。
數(shù)控中兩軸以上插補技術(shù)大大提高,納米級插補使兩軸聯(lián)動出的圓弧都可以達到1u的圓度,插補前多程序預(yù)讀,大大提高了插補質(zhì)量,并可進行自動拐角處理等。
3.復(fù)合加工,新結(jié)構(gòu)機床大量出現(xiàn)。如5軸5面體復(fù)合加工機床,5軸5聯(lián)動加工各類異形零件。同時派生出各種新穎的機床結(jié)構(gòu),包括6軸虛擬軸機床,串并聯(lián)絞鏈機床等,采用特殊機械結(jié)構(gòu),數(shù)控的特殊運算方式,特殊編程要求。
4.使用各種高效特殊功能的刀具使數(shù)控機床“如虎添翼”。如內(nèi)冷轉(zhuǎn)頭由于使高壓冷卻液直接冷卻轉(zhuǎn)頭切削刃和排除切屑,在轉(zhuǎn)深孔時大大提高效率。加工剛件切削速度能達1000m/min,加工鋁件能達5000m/min。
5.?dāng)?shù)控機床的開放性和聯(lián)網(wǎng)管理。數(shù)控機床的開放性和聯(lián)網(wǎng)管理已是使用數(shù)控機床的基本要求,它不僅是提高數(shù)控機床開動率、生產(chǎn)率的必要手段,而且是企業(yè)合理化、最佳化利用這些制造手段的方法。因此,計算機集成制造、網(wǎng)絡(luò)制造、異地診斷、虛擬制造、并行工程等等各種新技術(shù)都在數(shù)控機床基礎(chǔ)上發(fā)展起來,這必然成為21世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展的一個主要潮流。
(二)自動機與自動生產(chǎn)線
在國民經(jīng)濟生產(chǎn)和生活中廣泛使用的各種自動機械、自動生產(chǎn)線及各種自動化設(shè)備,是當(dāng)前機電一體化技術(shù)應(yīng)用的又一具體體現(xiàn)。如:2000~80000瓶/h的啤酒自動生產(chǎn)線;18000~120000瓶/h的易拉罐灌裝生產(chǎn)線;各種高速香煙生產(chǎn)線;各種印刷包裝生產(chǎn)線;郵政信函自動分撿處理生產(chǎn)線;易拉罐自動生產(chǎn)線;FEBOPP型三層共擠雙向拉伸聚丙烯薄膜生產(chǎn)線等等,這些自動機或生產(chǎn)線中廣泛應(yīng)用了現(xiàn)代電子技術(shù)與傳感技術(shù)。如可編程序控制器,變頻調(diào)速器,人機界面控制裝置與光電控制系統(tǒng)等。我國的自動機與生產(chǎn)線產(chǎn)品的水平,比10多年前躍升了一大步,其技術(shù)水平已達到或超過發(fā)達國家上一世紀(jì)80年代后期的水平。使用這些自動機和生產(chǎn)線的企業(yè)越來越多,對維護和管理這些設(shè)備的相關(guān)人員的需求也越來越多。
三、機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢
以微電子技術(shù)、軟件技術(shù)、計算機技術(shù)及通信技術(shù)為核心而引發(fā)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化、個性化信息技術(shù)革命,不僅深刻地影響著全球的科技、經(jīng)濟、社會和軍事的發(fā)展,而且也深刻影響著機電一體化的發(fā)展趨勢。專家預(yù)測,機電一體化技術(shù)將向以下幾個方向發(fā)展:
(一)光機電一體化方向
一般機電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源(下轉(zhuǎn)第80頁)(上接第81頁)(動力)系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)等部件組成。引進光學(xué)技術(shù),利用光學(xué)技術(shù)的先天特點,就能有效地改進機電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。
(二)柔性化方向
未來機電一體化產(chǎn)品,控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余度”,有較強的“柔性”,能較好地應(yīng)付突發(fā)事件,被設(shè)計成“自律分配系統(tǒng)”。在這系統(tǒng)中,各子系統(tǒng)是相互獨立工作的,子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務(wù),同時具有本身的“自律性”,可根據(jù)不同環(huán)境條件做出不同反應(yīng)。其特點是子系統(tǒng)可產(chǎn)生本身的信息并附加所給信息,在總的前提下,具有“行動”是可以改變的。這樣,既明顯地增加了系統(tǒng)的能力(柔性),又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個系統(tǒng)。
(三)智能化方向
今后的機電一體化產(chǎn)品“全息”特征越來越明顯,智能化水平越來越高。這主要得益于模糊技術(shù)與信息技術(shù)(尤其是軟件及芯片技術(shù))的發(fā)展。
四、仿生物系統(tǒng)化方向
今后的機電一體化裝置對信息的依賴性很大,并且往往在結(jié)構(gòu)上處于“靜態(tài)”時不穩(wěn)定,但在動態(tài)(工作)時卻是穩(wěn)定的。這有點類似于活的生物:當(dāng)控制系統(tǒng)(大腦)停止工作時,生物便“死亡”,而當(dāng)控制系統(tǒng)(大腦)工作時,生物就很有活力。就目前情況看,機電一體化產(chǎn)品雖然有仿生物系統(tǒng)化方向發(fā)展的趨勢,但還有一段很漫長的道路要走。
五、微型化方向
目前,利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù),在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當(dāng)這一成果用于實際產(chǎn)品時,就沒有必要再區(qū)分機械部分和控制器部分了。那時,機械和電子完全可以“融合”機體,執(zhí)行結(jié)構(gòu)、傳感器、CPU等可集成在一起,體積很小,并組成一種自律元件。這種微型化是機電一體化的重要發(fā)展方向。
【參考文獻】
定槳距空氣動力制動的控制
對于定槳距機組,空氣動力制動裝置安裝在葉片上。它通過葉片形狀的改變使風(fēng)輪的阻力加大。如葉片的葉尖部分旋轉(zhuǎn)80°~90°以產(chǎn)生阻力。葉尖的旋轉(zhuǎn)部分稱為葉尖擾流器,使葉尖擾流器復(fù)位的動力是風(fēng)力機組中的液壓系統(tǒng),液壓系統(tǒng)提供的壓力油通過旋轉(zhuǎn)接頭進入葉片根部的液壓缸。葉尖的擾流器通過不銹鋼絲繩(圖中未畫出)與液壓缸的活塞桿相聯(lián)接。當(dāng)機組處于正常運行狀態(tài)時,在液壓系統(tǒng)的作用下,葉尖擾流器與葉片主體部分精密地合為一體,組成完整的葉片,起著吸收風(fēng)能的作用;當(dāng)風(fēng)力機需要制動時,液壓系統(tǒng)按控制指令將擾流器釋放,該葉尖部分旋轉(zhuǎn),形成阻尼板。由于葉尖部分(約為葉片半徑的15%)在風(fēng)輪產(chǎn)生功率時出力最大,所以作為擾流器時,葉尖產(chǎn)生的氣動阻力也相當(dāng)高,足以使風(fēng)力機很快減速。一種定槳距機組液壓系統(tǒng)。
變槳距、偏航驅(qū)動與制動
液壓變槳距系統(tǒng)風(fēng)電機組變槳距的目的主要是功率調(diào)節(jié)。液壓變槳距系統(tǒng)的組成如圖7所示。從圖7可見,液壓變槳距系統(tǒng)是一個自動控制系統(tǒng)。由槳距控制器、數(shù)碼轉(zhuǎn)換器、液壓控制單元、執(zhí)行機構(gòu)、位移傳感器等組成。在液壓變距型機組中根據(jù)驅(qū)動形式的差異可分為葉片單獨變距和統(tǒng)一變距兩種類型,單獨變距用的三個液壓缸布置在輪轂內(nèi),以曲柄滑塊的運動方式分別給三個葉片提供變距驅(qū)動力(圖略)。統(tǒng)一變距類型通過一個液壓缸驅(qū)動三個葉片同步變槳距,液壓缸放置在機艙里,活塞桿穿過主軸與輪轂內(nèi)部的同步盤連接,動力部分由電動機7、液壓泵5、油箱1及其附件組成。變距機構(gòu)的控制風(fēng)力機葉片的“開槳”和“順槳”,在機組運行和暫停的工作狀態(tài)實現(xiàn)位置控制。在機組關(guān)機和緊急關(guān)機時實現(xiàn)速度控制。還有一種電液結(jié)合的變槳距系統(tǒng)。電-液變槳距機構(gòu)原理圖。由圖可見,本系統(tǒng)用交流伺服電動機驅(qū)動可雙向轉(zhuǎn)動的定量泵,定量泵直接驅(qū)動液壓缸。通過改變電動機的旋轉(zhuǎn)方向、速度和運行時間來控制液壓缸的運動。偏航的驅(qū)動與制動液壓系統(tǒng)還可以用于偏航的驅(qū)動與制動。由于風(fēng)向經(jīng)常改變,如果風(fēng)輪掃掠面和風(fēng)向不垂直,不但功率輸出減少,而且承受的載荷更加惡劣。偏航系統(tǒng)的功能就是跟蹤風(fēng)向的變化,驅(qū)動機艙圍繞塔架中心線旋轉(zhuǎn),使風(fēng)輪掃掠面與風(fēng)向保持垂直。機艙在反復(fù)調(diào)整方向的過程中,有可能發(fā)生沿著同一方向累計轉(zhuǎn)了許多圈,造成機艙與塔底之間的電纜扭絞,因此偏航系統(tǒng)應(yīng)具備解纜功能。也有的風(fēng)力發(fā)電機組利用偏航進行功率調(diào)節(jié)。偏航驅(qū)動系統(tǒng)與變槳距驅(qū)動系統(tǒng)類似,是一個自動控制系統(tǒng),其組成和工作原理。由圖可見偏航系統(tǒng)由控制器、功率放大器、執(zhí)行機構(gòu)、偏航計數(shù)器、傳感器等部分組成。偏航系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)一般由偏航軸承、偏航驅(qū)動裝置、偏航制動器、偏航液壓回路等部分組成。偏航制動控制的功能是控制偏航制動器松開或鎖緊;為避免風(fēng)力發(fā)電機組在偏航過程中產(chǎn)生過大的振動而造成整機的共振,偏航系統(tǒng)在機組偏航時必須具有合適的阻尼力矩。阻尼力矩的大小要根據(jù)機艙和風(fēng)輪質(zhì)量總和的慣性力矩來確定。此阻尼力矩由液壓系統(tǒng)提供。
緒論,是學(xué)生入門的第一課,如何利用這第一節(jié)課,將對以后的教學(xué)起著關(guān)鍵性的作用,輕松有創(chuàng)意的課程引入,可以帶動學(xué)生對學(xué)科的興趣并引發(fā)其學(xué)習(xí)動力,這樣可以將學(xué)生的主觀能動性全面發(fā)揮出來,學(xué)生也會主動的去接受學(xué)習(xí)。所以引發(fā)學(xué)生對學(xué)科的興趣及動力就成為了這第一課的首要任務(wù)。首先要結(jié)合社會現(xiàn)行引領(lǐng)大趨勢的電子產(chǎn)品———計算機的發(fā)明與制造過程,簡介電子技術(shù)的發(fā)展史,使學(xué)生充分的了解到電子技術(shù)是一門在不斷革新、不斷探索的科學(xué)技術(shù),其在以驚人的速度發(fā)展。其次,我們應(yīng)舉例介紹同我們生活息息相關(guān)的電子產(chǎn)品,如液晶電視、激光唱片、交通指示燈等,使學(xué)生知道我們現(xiàn)在的生活處處離不開電子技術(shù)的應(yīng)用,使他們的思想在潛移默化之中由被動的接受變成主動的汲取。還有可以簡介與電子技術(shù)相關(guān)的專業(yè),使其明了電子技術(shù)在其中的重要性,讓學(xué)生的思想對其產(chǎn)生向往。
2采用多種教學(xué)方法和教學(xué)手段,調(diào)動積極性
針對《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》不同章節(jié)的不同內(nèi)容,在教學(xué)過程中,通常會選用以下幾種教學(xué)方式:①多種方式的問答。問答法主要是根據(jù)學(xué)生已掌握的知識或者是實踐經(jīng)驗,有目的性的引導(dǎo)提問,提出問題讓學(xué)生討論作答,有的則是為了拋磚引玉帶出之后的新課程,不回答,同時根據(jù)教學(xué)進度適時的進行相關(guān)知識點的補充。②誘發(fā)求知欲,進行實體演示,演示教學(xué)是我們在教學(xué)工程中運用教學(xué)用具或者做相應(yīng)的示范性試驗等方式,將學(xué)生引入角色,使學(xué)生通過近距離的觀摩實踐將所習(xí)得的知識加深理解的一種方式,還能讓學(xué)生體會到理論與實際更為貼近。③不斷地練習(xí),進行章節(jié)測驗。④運用類比法教學(xué)。我們在日常的教學(xué)是將內(nèi)容相近的知識點同時進行講解,這可以培養(yǎng)學(xué)生的舉一反三能力,同時也提高了教學(xué)質(zhì)量及學(xué)習(xí)效率。⑤不斷總結(jié),鞏固知識。每一章授課完畢后,要對此章的內(nèi)容進行歸納總結(jié)??偨Y(jié)的過程同時也是一個思考過程,這對知識的梳理與加工有很好的效果。⑥提升教師的個人魅力使得學(xué)生信任、尊重老師,這對于教師的教學(xué)會起到很大的作用,個人的良好人品與修養(yǎng),會得到人們的欣賞與向往,作為育人者,教師應(yīng)該更為注重個人素養(yǎng)及人格魅力,只有擁有了淵博的才識,具備極強的綜合處理事務(wù)能力,通過努力不斷完善自己的行為品質(zhì)。學(xué)高為師,道高為范。在學(xué)生們眼中會起到放大的效果,教師的優(yōu)缺點都會被放大。⑦講解二極管的整流功能時,就和學(xué)生說,大家聽說過“整容”吧,整流和整容是一個道理。這樣的話,可以激發(fā)學(xué)生的興趣。⑧在教授新課時,避免一次講的太多,講一點,練習(xí)一到兩節(jié)復(fù)習(xí)鞏固,千萬不要講的太多,避免學(xué)生害怕學(xué)習(xí)該門課程。
3注重實驗教學(xué),提高學(xué)生的實踐應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力
模擬電路實踐教學(xué)可分為以下三個部分,基礎(chǔ)實驗、提高實驗與職業(yè)技能,電工電子基礎(chǔ)試驗中心擁有創(chuàng)新實驗室,可以讓學(xué)生綜合全面的掌握電工電子的綜合技術(shù),提高學(xué)生的實踐操作能力。具體在實驗的內(nèi)容教學(xué)中,增強綜合性、設(shè)計性、開放性試驗比例。充分利用實驗教學(xué)對枯燥無趣的理論教學(xué)進行補充,將抽象難懂的內(nèi)容利用實驗課中的器具實驗用品進行模仿驗證,加深學(xué)生對知識的吸收與理解。引發(fā)調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及興趣。模擬電路實踐課可以給學(xué)生提供豐富的實驗課目,學(xué)生能夠根據(jù)自身的知識積累,來選擇安排實驗學(xué)習(xí)。例如,放大器的Q點和動態(tài)特性的圖解法是非常抽象的教學(xué)內(nèi)容,經(jīng)過相關(guān)程序的仿真,學(xué)生可以直觀地觀察到電路設(shè)置Q點的必要性,動態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律,直流負(fù)載線與交流負(fù)載線的不同之處。根據(jù)黑龍江大學(xué)電工電子基礎(chǔ)實驗中心為不同專業(yè)安排的1周~2周的模擬電路實訓(xùn),設(shè)計培訓(xùn)、制作電路與電源,一階濾波器電路,基本共射放大電路,學(xué)生首先進行理論設(shè)計及計算,然后利用計算機的相關(guān)軟件進行仿真,最后到動手操作、調(diào)試、焊接、制作。整個過程提高了學(xué)生的動手實踐能力,并同時提高了分析問題解決問題的能力。
4總結(jié)學(xué)習(xí)方法,培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣
《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》與其他科目有所不同,它不但需要扎實的理論基礎(chǔ),還要學(xué)會財務(wù)分析電子電路。首先,要讓學(xué)生可以更快的適應(yīng)模擬電子技術(shù)的學(xué)習(xí)。在教授知識的同時,還要培養(yǎng)學(xué)生正確的學(xué)習(xí)方法,提升他們的自學(xué)能力,培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。引導(dǎo)學(xué)生在聽課前先預(yù)習(xí)的習(xí)慣,然后在課前自學(xué)過程中將教材的重點、難點、惑點等都找出來。其次,督促要求學(xué)生做好隨堂筆記。指導(dǎo)學(xué)生如何做好筆記,使其更好地掌握知識。筆記重點記錄教師講課的,主題、重點、難點、概念,關(guān)鍵詞,對難點進行重點標(biāo)注,以方便課后的復(fù)習(xí)。督促學(xué)生復(fù)習(xí)可以防止遺忘。課后學(xué)生自主的溫習(xí)課程及筆記,可以將所學(xué)知識進一步鞏固同時加深理解。
5教學(xué)應(yīng)有側(cè)重點,以應(yīng)用為目的
高職要重點著手于理論知識的應(yīng)用及實踐動手能力的培養(yǎng)等方面。因此,教學(xué)內(nèi)容上要彰顯高職教育的特點,主動適應(yīng)社會需要,側(cè)重于應(yīng)用性、針對性。將知識與能力相互結(jié)合,重點培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力及處理問題的能力?;A(chǔ)理論的的初衷是對其的靈活運用,以必須、夠用為度,以掌握概念、強化應(yīng)用為側(cè)重點。目前電子技術(shù)基礎(chǔ)具有很淺的實用性,其技術(shù)更新的速度是無法想象的。因此授課時不可再生搬硬套之前的教學(xué)方式:首先講解元器件的原理、特征、性能,然后對其進行分析對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行講解,再舉例說明它的具體應(yīng)用。曾經(jīng)對模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)偏重于細(xì)節(jié),忽略了整體概念的講解,這對培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力起到了副作用。因此授課時應(yīng)有所側(cè)重,重點講解新思想、方法及應(yīng)用,重點講解所謂粗線條分析。需要與實際電路相結(jié)合,使學(xué)生對電路的應(yīng)用更加了解。
6設(shè)計特色引入,激發(fā)學(xué)生興趣
1優(yōu)化35kV輸電線路設(shè)計法分析
1.1線路設(shè)計法走向
為了優(yōu)化設(shè)計35kV輸電線路走向,在開展設(shè)計工作的過程中應(yīng)注意以下問題。A:盡量避免將線路走向設(shè)計為之字形或大轉(zhuǎn)角的路徑形式,盡可能縮短線路距離,并盡量使線路走向與公路路線走向相吻合,以便能夠利用交通優(yōu)勢。在設(shè)計時要避免輸電線路跨越河流或通信線路,如通信線路與輸電線路距離較小,則應(yīng)控制好交叉角度:如通信線路為I級,則交叉角度應(yīng)≥45°,如通信線路為II級,則應(yīng)≥30°。如在35kV輸電線路中設(shè)計有防雷保護措施,則通信線路與輸電線路之間的距離應(yīng)≥3m,在沒有設(shè)計防雷保護措施的情況下,兩種線路之間的距離應(yīng)≥5m。B:在設(shè)計線路走向時還應(yīng)注意避免穿越以下區(qū)域,即迷信或風(fēng)水地帶(廟宇、龍脈等)、高危險及高污染區(qū)域、自然災(zāi)害多發(fā)區(qū)、建筑物、風(fēng)景區(qū)、開發(fā)區(qū)及林區(qū)等,同時還應(yīng)避開鐵路電線。C:在設(shè)計線路走向時應(yīng)做好相應(yīng)的測量工作,標(biāo)記線路測量點時應(yīng)采用木樁,同時利用紅油漆將轉(zhuǎn)角樁、樁號高程標(biāo)示出來。樁位與公路的距離應(yīng)>15m,與通信線的距離應(yīng)>20m,與建筑物的距離應(yīng)>10m,同時避免在風(fēng)景區(qū)、開發(fā)區(qū)及林區(qū)等高賠償區(qū)域設(shè)置樁位。
1.2桿型選擇與桿塔設(shè)計
在桿型選擇與桿塔設(shè)計方面,可以采用以下優(yōu)化措施:A:在選擇輸電線路中的桿型時,應(yīng)根據(jù)施工圖紙要求、交樁及定樁等情況,盡量選擇成熟桿型,如需要使用新式桿型,則應(yīng)進行科學(xué)試驗及論證。在35kV輸電線路中使用的直線桿通常為15m,在特殊的情況下可采用18m的直線桿,輸電線路中的鐵塔高度通常設(shè)計為9m、15m或18m。B:目前輸電線路中常見的桿型包括雙桿及單桿,在選擇桿型時主要依據(jù)導(dǎo)線情況;設(shè)計線桿高度時可借鑒35kV輸電線路運行經(jīng)驗。對于加拉線直線桿的設(shè)計,應(yīng)在了解地質(zhì)條件后合理選擇淺埋式或深埋式,以保證線桿的穩(wěn)定性。確定直線桿尺寸與桿型后,便可以依據(jù)直線桿設(shè)計方案設(shè)計終端桿及轉(zhuǎn)角桿,如輸電線路中存在立桿困難的地段或特殊跨越地段,則在該地段設(shè)計鐵塔,完成以上設(shè)計工作后,便可以計算檔距。C:在設(shè)計桿塔時應(yīng)控制好數(shù)量,以降低土地的占有率及建設(shè)支出,在控制桿塔數(shù)量的同時要采取有效的措施提高桿塔所具有的柔度、強度,以保證35kV輸電線路運行的安全性及可靠性。
1.3排桿及基礎(chǔ)設(shè)計
選擇好輸電線路中的桿型后,應(yīng)在綜合考慮經(jīng)濟因素及技術(shù)因素的基礎(chǔ)上優(yōu)化排桿設(shè)計。第一,優(yōu)先排定轉(zhuǎn)角桿型,并同時使轉(zhuǎn)角耐張段的長度<2000m,如耐張段的長度>2000m,則將部分直線型耐張桿排定到轉(zhuǎn)角耐張段當(dāng)中。如直線桿段線路中存在吊檔現(xiàn)象,則可將耐張桿布設(shè)到吊檔地段中。第二,如發(fā)現(xiàn)在測量階段設(shè)定的直線樁位不能有效滿足設(shè)計及施工需要,則可以在不改變原線路走向的前提下適當(dāng)遷移部分直線桿,注意盡量保留轉(zhuǎn)角樁。第三,盡量避免將轉(zhuǎn)角桿安排在大檔距位置,如需要在耕地中排直線桿,則避免使用拉線。如條件允許,則盡量減少線路中的耐張桿、三連桿或雙桿,多排直線桿或單桿,以節(jié)省開支。對于一檔跨過地段,可適當(dāng)放大塔桿的檔距,無須將線桿布設(shè)在跨中位置。如35kV輸電線路需要跨越同等級輸電線路或低電壓輸電線路,則應(yīng)將線桿布設(shè)為水平排列形式。在設(shè)計35kV輸電線路的基礎(chǔ)時應(yīng)綜合考慮多種條件,如基礎(chǔ)受力情況、水文情況及地質(zhì)地形情況等,對于線桿,可以選擇傾覆類、下壓類及上拔類基礎(chǔ);對于鐵塔,則可以選擇混凝土灌注樁或裝配預(yù)制基礎(chǔ)。
2設(shè)計35kV輸電線路時應(yīng)注意的問題
為了提高35kV輸電線路的運行質(zhì)量,在開展設(shè)計工作的過程中還應(yīng)注意處理好以下問題。第一,確保架空線路中的終端引線與變電站中35kV進出線實現(xiàn)相互配合,以便為架設(shè)進出線的施工工作提供有利條件;確保架空線路的防雷保護措施、保護范圍能夠與所在區(qū)域電氣防雷保護措施、范圍實現(xiàn)有效銜接。線路設(shè)計人員應(yīng)親自參與放線測量工作,以便能夠了解工程實際情況,并在進行線路設(shè)計法的過程中做到實踐與理論有效結(jié)合,從而保證桿型設(shè)計及桿位選擇的合理性。第二,如需要設(shè)計T接輸電線路,則應(yīng)將T接點線桿布設(shè)方法明確標(biāo)示出來,同時注明桿型。應(yīng)在設(shè)計方案中清楚說明線路的具體路徑,并保證設(shè)計方案的嚴(yán)謹(jǐn)性、簡明性及準(zhǔn)確性。此外,在設(shè)計線路前應(yīng)做好相應(yīng)的勘察工作,設(shè)計工作完成后才能開始施工。
3結(jié)語