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篇（1）

直流電源后備系統是各類電廠、變電站、電站等必備的。其主要功能是作為主電源的替代電源，當主電源突然中斷后，給關鍵主控設備、故障監測系統、故障保護系統等提供動力電。它可以包括多個蓄電池組，每組可有多達一百多只鉛酸或其它種類的蓄電池，容量可達2000安時以上。

成套的無人值守、免維護直流電源系統由蓄電池組、充電浮充電裝置、電池監測(容量及電壓)裝置、絕緣監測裝置、交流監測裝置、硅鏈調壓裝置、一系列遙控開關、保護子系統以及將這些裝置連接成一個整體的工業通信網絡和中央控制器組成。上述裝置(除中央控制器之外)均可有多套。通信網絡采用RS485接口，為了提高現場抗干擾的能力，RS485接口應采用帶光隔離型的，也可采用工業現場總線如CAN總線、LonWorks等。中央控制器具有帶漢字液晶顯示的人機接口，一方面能通過通信網絡與各子系統(裝置)進行雙向通信，取得其運行的實時數據，并對這些設備進行遙控、遙調；另一方面還與電站綜合自動化系統相連，將整個直流系統的信息傳遞至這些更高層的系統。系統結構圖如圖1所示。

在這些裝置中，充電浮充電裝置(即智能充電機)無疑占據極其重要的地位，其作用在于提供智能充放電流程控制，自動補充蓄電池因事故放電和合閘操作而損耗的電能，從而使蓄電池組始終處于最佳的蓄能狀態，保證直流后備電源系統的可靠性。

1蓄電池充放電控制流程及智能充電機的功能設計

直流電源系統中的蓄電池在系統運行過程中可能會遇到各種運行狀態，如交流中斷導致的放電，以及長時間運行過程中由于內部化學反應而造成的自放電損失等。為了保證電池的容量，必須以一定的控制流程對蓄電池進行充電控制。

圖2是原電力部負責組織制定的微機控制直流電源系統運行程序的示波圖。從圖中可知，鉛酸蓄電池的充電流程由以下幾個部分組成：

(1)啟動階段

為了避免電壓突變對電池造成沖擊，上電時，充電電壓必須平滑地上升，在十幾秒鐘以后達到給定值。此階段稱為軟啟動階段，充電機應該實現恒流控制。

圖2

(2)0.1C10A恒流充電

軟啟動結束后，充電機以0.1C10A的電流對電池進行恒流充電。此時，電池的端壓將逐漸上升。當端壓上升至2.35×n(n為電池個數)時，恒流充電結束，轉為下一階段。

(3)均充階段

此階段為恒壓控制，給定值為2.35×n。此時充電電流將逐漸減小，當電流減小到0.01Cl0A時，計時系統開始計時，當計完“均轉浮設定時間”后(此時間可調，范圍為0～72小時)，系統進入下一階段——浮充階段。

(4)浮充階段

此階段也為恒壓控制，但其電壓給定值為2.25×n。浮充階段經過一個可設定的“活化時間”后(1～3個月)，系統重新回到上述第(2)階段。

(5)交流中斷與恢復供電

當電網的交流中斷以后，蓄電池放電給系統以提供后備電源。當交流系統恢復供電以后，充電機自動對電池進行恒流充電，也回到上述第(2)個階段。

綜上所述，智能充電機實現的功能如下：

(1)對蓄電池進行完整的充放電控制。

(2)所有的控制參數均可由用戶設定，包括均充、浮充電壓給定、恒流充電電流給定、均充轉浮充時間、活化時間等。

(3)完善的報警保護功能，包括交流中斷、缺相、過壓、過流、短路等。

(4)RS485通信接口及相應的通信協議，包括提供上位機遠控功能。

(5)恒壓恒流精度可達±1%，紋波系數在1%以下，功率因數及效率也可達到用戶給定的指標。

(6)溫度對蓄電池充電特性有一定影響，因此需具備溫度補償功能。

2智能充電機的硬件設計

本充電機采用可控硅三相全控橋的相控整流主電路型式。

本系統的特點是控制精度要求較高、任務較多，為了提高硬件可靠性，系統采用了多微控制器(單片機)的設計。

系統整個運行任務按功能獨立性及負荷均勻的原則大致可分為以下四個大的子任務：同步脈沖產生、移相觸發脈沖生成、流程控制及恒壓恒流算法實現、接口及串行通信等。這些任務由一兩塊單片機完成是不可能的，為此使用四塊單片機，每塊單片機完成上述的一個子任務，各單片機之間通過硬件握手信號及共享RAM存儲器來通信。圖3是這些單片機的聯系邏輯圖。

同步單片機完成同步脈沖的產生，包括相序的判定、缺相的判定等，從而使系統達到不認相序無需調整的要求。

觸發單片機完成6個觸發脈沖的產生與分配(根據相序信號及來自于控制單片機的單相導通信號來判定)。

圖5

人機接口單片機所擴展的功能電路單元較多，其原理框圖如圖4所示。

首先是溫度采樣。由于電池柜與控制器相距可達百米，因此采用溫度電流傳感芯片AD590。AD590輸出一個與絕對溫度值成正比的電流信號。由于其具有高阻抗的恒流源輸出特性，因此對長線阻抗不敏感，同時也能抗現場干擾。溫度采樣電路如圖5所示，圖中的兩個電位器可以對零點和滿刻度進行校正。

由于蓄電池數目較多，所占面積也較大，因此使用三只均勻放置的AD590，將它們并聯，所得測量結果為三點溫度的平均值。

顯示接口采用兩片串行的7219LED顯示驅動芯片，并擴展4x4位的LED數碼管顯示及若干LED發光指示燈。7219可自動完成LED數碼管動態掃描的顯示控制。

日歷時鐘芯片12C887提供充電流程控制所需要的日期時間標尺，同時其片內近128Byte的不掉電內存單元還可用于不掉電存儲控制參數。

DSl609是一個雙口RAM，共256Byte。在本系統中，它作為人機接口單片機與控制單片機的共享內存，傳遞公用信息。防止兩個單片機同一瞬間對1609同一單元進行讀寫而造成沖突是應用的關鍵，系統采用信號郵箱的方式解決這一問題，如后所述。

控制單片機的接線較為簡單，主要是為觸發單片機輸出單同步移相觸發信號。

3軟件設計

限于篇幅，僅討論接口單片機與控制單片機的軟件設計。接口單片機的軟件較為復雜，整個軟件運行受兩個中斷源驅動：一是主同步信號外中斷，另一個是串行口中斷。整體軟件是一個多任務后臺切換的結構，任務包括電壓電流采樣、鍵盤掃描、與1609通信、采樣值的標度變換、采樣值的顯示、報警處理、溫度的采樣與顯示、判斷是否接收到完整的串行通信數據與命令幀、串行通信命令幀解釋等。在每個主同步信號外中斷發生后，接口單片機必須完成前四個任務，其它不太急切的任務則由主控程序輪流挑選一個激活執行，激活的唯一依據就是次序。

對共享內存的讀寫使用了幾個信號量標志，如表1所示。

表1對共享內存的讀寫所使用的信號量標志

符號意義邏輯

Leftmsgchg左單片機寫入新的信息左置右清

Fetchingleftmsg右單片機正讀取1609信息右置右清

Rightmsgchg右單片機寫更新了的信息右置左清

Fetchingrightmsg左單片機正讀取1609信息左置左清

上表中，左單片機指的是接口單片機，右單片機指的是控制單片機，所謂“左置右清”指的是標志是由接口單片機置位，由控制單片機復位。

左單片機讀1609共享信息的流程圖如圖6所示。

可以證明通過對以上四個標志的運用，可完全避免對共享內存單元的讀寫沖突。

篇（2）

1、引言

從物理或數學意義的角度講，不同電壓等級網絡的綜合規劃對獲得全局最優解，得到總體上最大的經濟效益是必要的。然而，輸配電系統的同時綜合規劃長期以來并不被人們所重視，在實踐中，人們普遍采用將各電壓等級系統分層規劃的策略。造成這種狀況的原因主要是：

①輸配電系統的網絡結構不同，進而導致優化算法不同；

②各電壓等級綜合規劃導致問題規模激增。另外，各級電網的分層管轄也是造成分層規劃的一個實際原因。

本文對多電壓等級、不同網絡結構的輸配電系統綜合規劃問題進行了研究，提出了基于知識的最短路遺傳算法的解決方法[1].文獻[1]利用最短路遺傳算法求解了配電系統重構問題。實際上，網絡規劃問題與網絡重構問題可被看成一類問題，只不過是弧費用的計算方法不同而已，即規劃問題的弧費用需要用分段函數來表示，從而考慮固定投資和不同的線型。

2、不同電壓等級的開環系統綜合規劃

在電力系統中，為了避免電磁環網，高中壓配電網必定是開環運行的。這時就能利用能生成樹狀網絡的最短路遺傳算法來求解不同電壓等級的開環系統綜合規劃問題。對于規劃問題中根據安全性和可靠性的要求需要閉環設計的系統，可以先應用本文的方法得到樹狀網絡，然后采用文獻[2]的方法進行專門的聯絡線優化，以構成環網。最短路遺傳算法是在同一個電壓等級中實現的[1]，這樣才能直接將負荷潮流迭加到各弧的流量上。對于多電壓等級系統，只需仿照標幺值計算的原理將各電壓等級的電氣量折算到某一選定的電壓等級上，就可以采用最短路遺傳算法進行網絡的全局優化。

3、開環與非開環混合輸配電系統綜合規劃

如果需要進一步將開環與非開環系統綜合規劃，或配電系統允許弱環運行，最短路遺傳算法就不能直接應用了。

但是，經過下述2個改變以后，最短路遺傳算法即可近似地求解上述問題了。

3.1節點入度限制

首先，應允許在不需要放射運行的節點構成環。這可通過檢測和限制節點入度數的方法來實現。最短路遺傳算法中，在形成尋路網絡Gm時，當某個中間節點k的入弧數Nin-x-m=1時，則其余指向該節點的有向?。ǔ绷鞅貫?）均舍棄，這保證了最終形成的網絡為放射狀。現在，對每一節點規定最大入弧數，即最大入度Nin_k_MAX，若節點k屬于放射狀運行系統，則令其為1，否則令其為該節點最大允許的進線數。Nin_k_m記錄節點k入弧數的變化情況，其初始值為0，并有機會逐漸增加。當時，其余指向該節點的有向弧（潮流為0）均舍棄。即實現了不同運行方式系統對網絡結構的要求。經過以上改進的最短路遺傳算法就可以解決開環與非開環系統綜合規劃在網絡結構方面的要求。雖然，從原理上說它得到的只是較優解。

但可證明當各負荷大小趨近于0時，這種方法得到的解就會與全局最優解一致。當負荷越大時，其解越可能偏離最優解，因為此時該負荷有很大可能是由多個實際電源點供電。由于負荷通常在較低電壓等級，而允許成環網運行的網絡是在很高的電壓等級，且低壓負荷的容量比高壓環網系統中元件的容量要小得多，所以，可近似地認為負荷點是由一個（實際）電源點供電，因此用最短路遺傳算法獲得的解將接近于實際最優解。

3.2有功潮流

由于網孔的出現，使得以負荷復電流（或功率）直接迭加構成線路中潮流的方法失去了合理性。因為只有一個虛擬源點，對于同時由2條以上供電路徑供電的節點來說，可能會導致矛盾的節點電壓。為了避免這種情況，此時可只考慮有功功率的優化。實際上對于允許環網的系統規劃問題，現有的方法[3]也全是只考慮有功優化，而無功配置和電壓控制由專門的無功優化來完成。這是因為：一方面，無功設備的投資一般要比線路、變壓器和有功電源的投資小得多；另一方面，無功潮流在一定程度上可獨立于有功潮流的控制。

4、基于知識的高效最短路算法

盡管最短路遺傳算法不會有維數災問題。

但是基本的Dijkstra最短路算法的計算時間復雜性是O（N2），其中N是規劃問題的網絡流模型的節點數，因此，基于最短路算法的局部優化算法的計算時間復雜性是O（N3）（認為負荷數與節點數成一定比例）；若遺傳算法的種群個體數和最大代數取固定值，則最短路遺傳算法的計算時間復雜性是O（N3）。可見隨問題規模的增大，最短路遺傳算法的計算時間也將很長。實際上，直接在輸配電系統規模非常龐大的網絡上利用常規的最短路算法為某一個負荷點尋找供電路徑是很不必要的。對于一個負荷點來說，整個系統中可能為其供電的元件只是很小的一部分。如果能根據輸配電系統的實際信息把這一小部分元件提取出來后再應用最短路算法，則最短路算法的尋路時間將大大縮短。而由前面的分析可知，最短路算法的計算時間復雜性決定了整個算法的計算時間復雜性。我們稱這個被提取出來供尋找負荷m的最經濟供電路徑的網絡為尋路網絡Gm.用以提取尋路網絡的方法應具備以下特點：

①易于計算機實現。

②在保證不丟失最優解的基礎上，盡可能縮小尋路網絡。下面，以一個實例來說明如何實現基于輸配電系統知識的最短路算法。

若現有10kV，66kV，220kV，3個電壓等級系統，要尋找負荷m的最優供電路徑，則可按以下步驟提取尋路網絡Gm.

（1）將輸配電系統按電壓等級分層，負荷點通常在最底層10kV層，虛擬電源點在最高電壓等級層220kV層。

（2）定義元件Aij到負荷點m的距離為式中為元件Aij的起點坐標；XB-ij、yE-ij為元件Aij的終點坐標；Xm、Ym為負荷點m的坐標；Kij-m為元件Aij到負荷點m的距離調節系數，通常取1，可用于考慮一些特殊供電情況。按最大供電半徑Rm選擇出可能給負荷點m供電的10kV區域：若10kV元件（線路、變壓器或變電站）與負荷點m的距離大于Rm，則認為其不可能為m供電，因此不加入尋路網絡。反之，則將相應的元件加入負荷點m的尋路網絡。

（3）通常希望盡可能通過具有主干線型或可靠性高的主干網絡傳送電能，并且減少電能在主干線型和次要線型間的轉換。因此，規定最大精細尋路半徑rm.在此半徑之外，凡是具有非主干線型或位于次要分支線路或非主干路由（對于規劃問題由于許多路由上線型未確定，因此這里用“非主干路由”一詞）上的元件都不加入尋路網絡，而在此半徑之內的元件全加入尋路網絡。

（4）經上述步驟形成的10kV系統范圍內的尋路網絡Gm_10包含有若干66kV/10kV變電站，它們對于10kV負荷點m來說是可能的供電點，而對于66kV系統來說是可能的負荷點。對這些變電站的每一個均采用與步驟（2）、（3）類似的方法，可得到其在66kV系統范圍內的尋路網絡，這些網絡的并集構成負荷m在66kV系統范圍內的尋路網絡Gm_66.

（5）同理，Gm_66中所包含的220kV/66kV變電站也可看成220kV系統的負荷點。采用與步驟（4）同樣的方法可獲得負荷點m在220kV系統范圍內的尋路網絡Gm_220.當然，Gm_66中也可能包含發電廠，此時，可認為其是通過一條無損耗、無費用的虛擬弧，由設于220kV系統的虛擬源點供電。

（6）獲得負荷點m在整個輸配電系統的尋路網絡為顯然，經過以上步驟處理后，得到的負荷點m的尋路網絡Gm要比初始的整個網絡要小得多，因此最短路算法的計算量也將大大縮小。

5、結論

本文對多電壓等級、不同網絡結構的輸配電系統的綜合規劃問題進行了研究。在解決了電壓等級折算問題后，給出了基于最短路遺傳算法的純開環輸配電系統綜合規劃的方法。以此為基礎，通過控制節點出入度，并且只針對有功潮流進行優化，又提出了開環與非開環混合的輸配電系統綜合規劃問題的近似解決方法。為了解決輸配電系統規模大而造成的計算量問題，給出了基于輸配電系統知識的最短路算法的實現方法。

參考文獻

篇（3）

1、引言

從物理或數學意義的角度講，不同電壓等級網絡的綜合規劃對獲得全局最優解，得到總體上最大的經濟效益是必要的。然而，輸配電系統的同時綜合規劃長期以來并不被人們所重視，在實踐中，人們普遍采用將各電壓等級系統分層規劃的策略。造成這種狀況的原因主要是：

①輸配電系統的網絡結構不同，進而導致優化算法不同；

②各電壓等級綜合規劃導致問題規模激增。另外，各級電網的分層管轄也是造成分層規劃的一個實際原因。

本文對多電壓等級、不同網絡結構的輸配電系統綜合規劃問題進行了研究，提出了基于知識的最短路遺傳算法的解決方法[1].文獻[1]利用最短路遺傳算法求解了配電系統重構問題。實際上，網絡規劃問題與網絡重構問題可被看成一類問題，只不過是弧費用的計算方法不同而已，即規劃問題的弧費用需要用分段函數來表示，從而考慮固定投資和不同的線型。

2、不同電壓等級的開環系統綜合規劃

在電力系統中，為了避免電磁環網，高中壓配電網必定是開環運行的。這時就能利用能生成樹狀網絡的最短路遺傳算法來求解不同電壓等級的開環系統綜合規劃問題。對于規劃問題中根據安全性和可靠性的要求需要閉環設計的系統，可以先應用本文的方法得到樹狀網絡，然后采用文獻[2]的方法進行專門的聯絡線優化，以構成環網。最短路遺傳算法是在同一個電壓等級中實現的[1]，這樣才能直接將負荷潮流迭加到各弧的流量上。對于多電壓等級系統，只需仿照標幺值計算的原理將各電壓等級的電氣量折算到某一選定的電壓等級上，就可以采用最短路遺傳算法進行網絡的全局優化。

3、開環與非開環混合輸配電系統綜合規劃

如果需要進一步將開環與非開環系統綜合規劃，或配電系統允許弱環運行，最短路遺傳算法就不能直接應用了。

但是，經過下述2個改變以后，最短路遺傳算法即可近似地求解上述問題了。

3.1節點入度限制

首先，應允許在不需要放射運行的節點構成環。這可通過檢測和限制節點入度數的方法來實現。最短路遺傳算法中，在形成尋路網絡Gm時，當某個中間節點k的入弧數Nin-x-m=1時，則其余指向該節點的有向?。ǔ绷鞅貫?）均舍棄，這保證了最終形成的網絡為放射狀。現在，對每一節點規定最大入弧數，即最大入度Nin_k_MAX，若節點k屬于放射狀運行系統，則令其為1，否則令其為該節點最大允許的進線數。Nin_k_m記錄節點k入弧數的變化情況，其初始值為0，并有機會逐漸增加。當時，其余指向該節點的有向?。ǔ绷鳛?）均舍棄。即實現了不同運行方式系統對網絡結構的要求。經過以上改進的最短路遺傳算法就可以解決開環與非開環系統綜合規劃在網絡結構方面的要求。雖然，從原理上說它得到的只是較優解。

但可證明當各負荷大小趨近于0時，這種方法得到的解就會與全局最優解一致。當負荷越大時，其解越可能偏離最優解，因為此時該負荷有很大可能是由多個實際電源點供電。由于負荷通常在較低電壓等級，而允許成環網運行的網絡是在很高的電壓等級，且低壓負荷的容量比高壓環網系統中元件的容量要小得多，所以，可近似地認為負荷點是由一個（實際）電源點供電，因此用最短路遺傳算法獲得的解將接近于實際最優解。

3.2有功潮流

由于網孔的出現，使得以負荷復電流（或功率）直接迭加構成線路中潮流的方法失去了合理性。因為只有一個虛擬源點，對于同時由2條以上供電路徑供電的節點來說，可能會導致矛盾的節點電壓。為了避免這種情況，此時可只考慮有功功率的優化。實際上對于允許環網的系統規劃問題，現有的方法[3]也全是只考慮有功優化，而無功配置和電壓控制由專門的無功優化來完成。這是因為：一方面，無功設備的投資一般要比線路、變壓器和有功電源的投資小得多；另一方面，無功潮流在一定程度上可獨立于有功潮流的控制。

4、基于知識的高效最短路算法

盡管最短路遺傳算法不會有維數災問題。

但是基本的Dijkstra最短路算法的計算時間復雜性是O（N2），其中N是規劃問題的網絡流模型的節點數，因此，基于最短路算法的局部優化算法的計算時間復雜性是O（N3）（認為負荷數與節點數成一定比例）；若遺傳算法的種群個體數和最大代數取固定值，則最短路遺傳算法的計算時間復雜性是O（N3）?？梢婋S問題規模的增大，最短路遺傳算法的計算時間也將很長。實際上，直接在輸配電系統規模非常龐大的網絡上利用常規的最短路算法為某一個負荷點尋找供電路徑是很不必要的。對于一個負荷點來說，整個系統中可能為其供電的元件只是很小的一部分。如果能根據輸配電系統的實際信息把這一小部分元件提取出來后再應用最短路算法，則最短路算法的尋路時間將大大縮短。而由前面的分析可知，最短路算法的計算時間復雜性決定了整個算法的計算時間復雜性。我們稱這個被提取出來供尋找負荷m的最經濟供電路徑的網絡為尋路網絡Gm.用以提取尋路網絡的方法應具備以下特點：

①易于計算機實現。

②在保證不丟失最優解的基礎上，盡可能縮小尋路網絡。下面，以一個實例來說明如何實現基于輸配電系統知識的最短路算法。

若現有10kV，66kV，220kV，3個電壓等級系統，要尋找負荷m的最優供電路徑，則可按以下步驟提取尋路網絡Gm.

（1）將輸配電系統按電壓等級分層，負荷點通常在最底層10kV層，虛擬電源點在最高電壓等級層220kV層。

（2）定義元件Aij到負荷點m的距離為式中為元件Aij的起點坐標；XB-ij、yE-ij為元件Aij的終點坐標；Xm、Ym為負荷點m的坐標；Kij-m為元件Aij到負荷點m的距離調節系數，通常取1，可用于考慮一些特殊供電情況。按最大供電半徑Rm選擇出可能給負荷點m供電的10kV區域：若10kV元件（線路、變壓器或變電站）與負荷點m的距離大于Rm，則認為其不可能為m供電，因此不加入尋路網絡。反之，則將相應的元件加入負荷點m的尋路網絡。

（3）通常希望盡可能通過具有主干線型或可靠性高的主干網絡傳送電能，并且減少電能在主干線型和次要線型間的轉換。因此，規定最大精細尋路半徑rm.在此半徑之外，凡是具有非主干線型或位于次要分支線路或非主干路由（對于規劃問題由于許多路由上線型未確定，因此這里用“非主干路由”一詞）上的元件都不加入尋路網絡，而在此半徑之內的元件全加入尋路網絡。

（4）經上述步驟形成的10kV系統范圍內的尋路網絡Gm_10包含有若干66kV/10kV變電站，它們對于10kV負荷點m來說是可能的供電點，而對于66kV系統來說是可能的負荷點。對這些變電站的每一個均采用與步驟（2）、（3）類似的方法，可得到其在66kV系統范圍內的尋路網絡，這些網絡的并集構成負荷m在66kV系統范圍內的尋路網絡Gm_66.

（5）同理，Gm_66中所包含的220kV/66kV變電站也可看成220kV系統的負荷點。采用與步驟（4）同樣的方法可獲得負荷點m在220kV系統范圍內的尋路網絡Gm_220.當然，Gm_66中也可能包含發電廠，此時，可認為其是通過一條無損耗、無費用的虛擬弧，由設于220kV系統的虛擬源點供電。

（6）獲得負荷點m在整個輸配電系統的尋路網絡為顯然，經過以上步驟處理后，得到的負荷點m的尋路網絡Gm要比初始的整個網絡要小得多，因此最短路算法的計算量也將大大縮小。

5、結論

本文對多電壓等級、不同網絡結構的輸配電系統的綜合規劃問題進行了研究。在解決了電壓等級折算問題后，給出了基于最短路遺傳算法的純開環輸配電系統綜合規劃的方法。以此為基礎，通過控制節點出入度，并且只針對有功潮流進行優化，又提出了開環與非開環混合的輸配電系統綜合規劃問題的近似解決方法。為了解決輸配電系統規模大而造成的計算量問題，給出了基于輸配電系統知識的最短路算法的實現方法。

參考文獻

篇（4）

1變電站聯絡線路的油斷路器控制回路改進

1.1典型合閘回路及缺陷

中小型變電站的聯絡線路兩側都裝設油斷路器。對于35KV、10KV油斷路器的控制，典型設計是在電站側裝設同期裝置，在變電站側只設普通合閘回路，普通合閘回路的原理如圖1所示：操作控制開

關SA，其②-④觸點接通，經過防跳繼電器的常閉觸點KM2和斷路器的常閉觸點DL，接通合閘接觸器線圈HO，使斷路器合閘。這種設計簡潔，常為工程設計人員所采用。在具體操作中，按先合變電站側斷路器、再合對側斷路器的操作順序進行。但在小水電系統網絡中，因受地形、容量等技術條件的限制，建設不甚規范，特別是有些聯絡線路上還接有負載，當出現某種故障造成變電站側油斷路器跳閘，此時的對側斷路器可能還在合閘位置，如要對聯絡線路進行合閘，因不知對側是否有電，必須等到調度命令或接到匯報后才能進行操作，加至有些地段通訊不暢，經常耽誤時間，影響工農業生產用電；由于典型回路本身不能檢測線路是否有電壓，又無防范不規范操作的技術措施，如果誤操作SA發出合閘命令，就會造成非同期合閘事故，給人們生命財產帶來重大損失。

1.2改正后的合閘回路

為了防止事故的發生，對原典型合閘回路進行了如下改進（見圖1中虛線所示）：即在線路電壓互感器二次側增設一只電壓繼電器KV，用以檢測線路電壓，并將其常閉觸點KV1串入本站油開關合閘回路中。當線路有電壓時，就是誤操作SA發出了合閘命令，因KV1觸點斷開了合閘操作回路，無法啟動合閘接觸器，達到了防止非同期合閘的目的。同時，考慮到聯絡線路的可靠性，在KV1觸點兩端設計并聯一連接片LP，以便該電壓繼電器檢修或需該線路供給變電站負荷時好操作。正常情況下，連接片LP處在斷開位置。

還將電壓繼電器的常開觸點KV2與合閘位置繼電器HWJ的常閉觸點（或跳閘位置繼電器TWJ的常開觸點）串聯，以接通“線路有電壓”光字牌的信號回路，當斷路器在斷開位置，線路有電壓，該光字牌亮，提醒運行人員不得進行合閘操作。在信號回路中，串聯跳（合）閘位置繼電器觸點的作用是為了在該線路運行時斷開光字牌，以免光字牌長期帶電。電壓繼電器KV可選DJ—121型，繼電器校驗方法與其他電壓繼電器相同。

2水電站壓力裝置的控制回路改進

2.1典型油壓裝置自動回路及缺陷

調速器、高低壓氣機等是水電站中常見的壓力設備，在油（氣）裝置的自動回路中，一般采用電接點壓力表(如YX—150型)來反映油（氣）罐中壓力的變化，進而控制油（氣）泵電機。壓力表上可設置上、下兩個值限，上限用紅針指示，下限用黃針指示，實際壓力值用黑針指示。油壓裝置自動投入的動作過程如圖2所示：

當壓力罐油壓降到壓力下限時，壓力表黑針與黃針接觸，即觸點YLJ1

閉合，使中間繼電器1KA動作并自保持，因轉換開關SA在自動位置，其②-④觸點接通，啟動接觸器KM，使電機接通電源，帶動油泵向壓力罐打油，壓力逐漸上升，當到工作壓力值上限時，壓力表黑針與紅針接觸，即上限觸點YLJ2接通，使中間繼電器2KA動作，斷開1KA的自保持回路，油泵電機自動停止工作。對于這種典型設計，壓力表的上、下限觸點一直串在控制回路中，并帶有相應負載，特別是在啟動和停止過程中，壓力變化呈波動狀態，使觸頭抖動不已，無法可靠接觸，常常生火花，由于壓力罐補壓（氣）是通過自動回路完成的經常性的工作，壓力變化頻繁，使壓力表的觸頭接觸也相應頻繁，從開始的產生火花，到逐漸燒壞觸頭（或觸頭粘連），繼而造成壓力罐壓力消失，嚴重影響了機組的安全運行。

2.2改進后的控制回路

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2）考慮到開通期間內部MOSFET產生Mill－er效應，要用大電流驅動源對柵極的輸入電容進行快速充放電，以保證驅動信號有足夠陡峭的上升、下降沿，加快開關速度，從而使IGBT的開關損耗盡量小。

3）選擇合適的柵極串聯電阻（一般為10Ω左右）和合適的柵射并聯電阻（一般為數百歐姆），以保證動態驅動效果和防靜電效果。根據以上要求，可設計出如圖1所示的半橋LC串聯諧振充電電源的IGBT驅動電路原理圖?？紤]到多數芯片難以承受20V及以上的電源電壓，所以驅動電源Vo采用18V。二極管V79將其拆分為＋12．9V和－5．1V，前者是維持IGBT導通的電壓，后者用于IGBT關斷的負電壓保護。光耦TLP350將PWM弱電信號傳輸給驅動電路且實現了電氣隔離，而驅動器TC4422A可為IGBT模塊提供較高開關頻率下的動態大電流開關信號，其輸出端口串聯的電容C65可以進一步加快開關速度。應注意一個IGBT模塊有兩個相同單管，所以實際需要兩路不共地的18V穩壓電源；另外IGBT柵射極之間的510Ω并聯電阻應該直接焊裝在其管腳上（未在圖中畫出），而且最好在管腳上并聯焊裝一個1N4733和1N4744（反向串聯）穩壓二極管，以保護IGBT的柵極。

2實驗結果及分析

在變換器的LC輸出端接入兩個2W／200Ω的電阻進行靜態測試。實驗中使用的儀器為：Agi－lent54833A型示波器，10073D低壓探頭。示波器置于AC檔對輸出電壓紋波進行觀測，波形如圖5所示。由實驗結果看，輸出紋波可以基本保持在±10mV以內，滿足設計要求。此后對反激變換器電路板與IGBT模塊驅動電路板進行對接聯調。觀察了IGBT柵極的驅動信號波形。由實驗結果看，IGBT在開通時驅動電壓接近13V，而在其關斷時間內電壓接近5V。這主要是電路中的光耦和大電流驅動器本身內部的晶體管對驅動電壓有所消耗（即管壓降）造成的，故不可能完全達到18V供電電源的水平。

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RF2514各引腳的排列如圖1所示。各引腳的功能如下：

引腳1，9（GND1，3）：模擬地。為獲得最佳的性能，應使用較短的印制板導線直接連接到接地板。

引腳2（PD）：低功耗模式控制端。當PD為低電平時，所有電路關斷。當PD為高電平時，所有電路導通工作。

引腳3（TXOUT）：發射器輸出端。輸出為晶體管集電極開路（OC）方式，但需要一個提供偏壓（或匹配）的上拉電感和一個匹配電容。

引腳4（VCC1）：TX緩沖放大器電源端口。

引腳5（MODIN）：AM模擬或者數字調制輸入。信號通過該腳輸入可以把調幅信號或者數字調制信號加到載波上，而通過該腳外的一個電阻則可對輸出放大器進行偏置。該腳的電壓不能超過1．1V，過高的電壓可能會燒壞芯片。

引腳6（VCC2）：壓控振蕩器、分頻器、晶體振蕩器、鑒相器和充電泵電源。該端與地間應連接一個中頻旁路電容。

引腳7（GND2）：數字鎖相環接地端。

引腳8（VREFP）：偏置電壓基準端，用于為分頻器和鑒相器提供旁路。

引腳10，11（RESNTR－，RESNTR＋）：該腳可用來為壓控振蕩器（VCO）提供直流電壓，同時也可以對壓控振蕩器的中心頻率進行調節。10腳與11腳之間應連一電感。

引腳12（LOOPFLT）：充電泵的輸出端。該腳與地之間的RC回路可用來控制鎖相環的帶寬。

圖2

引腳13（LDFLT）：用來設定鎖定檢測電路的閾值。

引腳14（DIVCTRL）：分頻控制端。該腳為高電平時，選中64分頻器，反之，選中32分頻器。

引腳15（OSCB）：設計時可將該腳直接連接到基準振蕩器晶體管的基極，由于該基準振蕩器的結構是Colpitts的改進型，因此應在15腳和16腳之間連接一個68pF的電容。

引腳16（OSCE）：設計時將該腳直接連接到基準振蕩器晶體管的發射極，同時在該腳與地之間還應連接一個33pF的電容器。

圖3

2RF2514的內部結構

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1.1硬件設備管理

要確保機電設備具有良好性能，首先要加強新材料的入庫管理，如新采購的機械零件、儀器儀表、電器元件等。有統計顯示，大部分機電設備故障的發生多因為使用了不合格的零件材料，這不但給公司企業造成財產損失，也造成了國家資源浪費。因此，要重視新購材料的檢查問題，生產許可證、合格證、說明書、型號等，檢查無誤方可分好類入庫。此外，要嚴格進行日常保養，保證機電設備以最佳技術狀態運作，把機電設備非正常磨損或損壞風險降到最低。經調查表明，不良的措施會加大機電設備故障的發生。機電設備各零件間組合精密，以維持正常的間隙和適宜溫度做好工作，降低零件間摩擦磨損程度，能減少機電設備故障的發生。在日常保養工作中，一方面，要根據不同機電設備需求、工作環境選用合適的劑，另一方面，要經常檢查劑的質量和數量。質量發生改變時要及時更新，數量不足就要及時補給。同時，要綜合考慮機電設備的技術狀況、保養周期、工作環境等相關因素，制定有效保養計劃，必要時要停機保養。最后，要加強維修管理。性能再高的機械，即使享有細致的養護，經長時間運作后難免發生故障。這時便需要進行科學、合理、及時的維修，減少工程損失。在維修方面需要重視的是，莫要輕視小故障，以為小故障不會影響使用就只作小維修，甚至讓機電帶故障繼續作業，其后果可能是小故障釀成大損傷，不僅加大了修理困難，還延長修復工期，更有甚者便是機電設備報廢，得不償失。

1.2操作人員的綜合素質

首先，企業要保證招入合格的工作人員，并對其進行上崗前的技術培訓并組織上崗后的定期培訓，提高其操作技能和職業素養。這要求操作人員要精通機電設備的規范操作，懂維修，才能從根本上解決人為操作不當造成的機電設備故障。其次，企業一方可以在各部門員工之間開展各種技能比拼比賽并給予獎勵，為員工提供展示才華的平臺。通過參與比賽進行現場操作，員工間技藝比拼、相互學習，有助于提高員工規范操作和愛護機械的意識，達到強化機電設備技術管理的效果。

2.強化機電設備維修成本的管理

第一，賞罰分明，增強相關人員對機電設備維修成本的重視。公司要就維修成本問題制定賞罰條例，已引起各部門對機電設備維修成本的重視。例如，年度指標計劃，根據當年的生產經營情況定一個指標，考核后公開表揚對機電設備維修成本管理做出可觀貢獻的單位，并給予一定的物質獎勵。而對超標了的單位給予深刻批評，視輕重扣取部分年終獎金。第二，提倡節約。踐行節約維修成本目標，首先要做好對機電設備修理費和材料費的監控工作。尤其技術部門，應認真核對各單位遞交的劉永新內蒙古昆明卷煙有限責任公司010020修理費用計劃，聯系實際情況盡量縮小維修費用。維修人員方面，要適當“變廢為寶”能修理好的不要更換掉，以免造成不必要的浪費。最后，要節約成本，可倡導創新、改革技術，提倡使用新技術、新工藝。不斷改進生產技術，優化經濟效益，為此公司應樹立“為生產服務”的宗旨，允許員工參與討論改進生產技術相關活動，集思廣益，真正為生產服務。

3.重視機電工程質量控制管理

3.1確保施工前階段的質量控制萬無一失

在施工準備階段，相關人員一定要認真看待工作設計圖，若發現有較大誤差要敢于提出修改，以免影響正常施工。高素質的施工人員決定好工程的順利完成的關鍵。因此，為保證工作完滿完成，有必要安排好施工人員數量比，并對其進行考核。編制施工方案要依據實踐情況，并給予嚴格審查，要保正質量體系完善完整，確保做足工程質量各項技術準備；以符合國家的驗收標準。一般，施工人員的流動性比較大，上層在組織員工交底時要分批次、分階段進行，用詳盡周密交底工作保證工程如期開展。明文深化對現行的規范和操作規程的認識，工程的執行要全方位符合該工程所需的資料及有關的技術文件、標準、要求，還要檢查好工程中運用到的所有材料、設備，為起始實施工作做準備。此外，編制落實電氣工程進度計劃、人員計劃、機具計劃時，要根據業主和土建工程的總體進度來實現，并在施工過程中基于實際情況做適當修補完善整體工作。

3.2保證施工階段的質量控制正常運作

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高檔景觀別墅是近幾年出現的高標準住宅發展方向之一，它已不僅僅是要求居住方便，而是舒適乃至于華麗，其成功典型范例有上海的“碧云別墅”、杭州的“九溪玫瑰園”等等。高檔景觀別墅區與其它住宅區相比，有其明顯的特點：

1人口密度相對較低——容積率低、周界較長、地處遠離中心城區的地域；

2居住環境優雅舒適——小區綠化、小品、水體、地形有機地結合在一起。

弱電設計作為住宅建設中的重要部分，既要符合現階段生活要求，又要能適應未來一定時期內發展的需要。因此，對于高檔別墅區，弱電設計不能簡單套用一般住宅區的設計思路。而應該合理地運用新技術、新觀念、新標準，針對景觀別墅區的特點，確定系統功能、設計系統結構。關于弱電系統的具體系統組成與功能，相關文章已發表過很多，本文就不一一復述，現僅就景觀別墅弱電設計談一些我個人在實際工作中的體會。

1傳統弱電系統

1.1閉路監控電視與周界報警的配合

高檔景觀別墅區的基地往往是容積率較低，周界較長。同時小區的出入口(門衛)相對較少，多數景觀別墅區位于綠化較好、離城區較遠的城鄉結合部。出于安保的要求，沿周界圍墻設置周界報警系統是必需的。但僅僅設置周界報警系統是不夠的，因為一旦周界探測器報警，門衛中的安保人員要趕到報警地點需要一定的時間，即使趕到，也未必能起到作用，越墻而入的人可能早已躲入綠化叢或遠離報警地點。故有必要沿圍墻設置閉路監控電視系統，這樣既能及時了解報警點的實際情況，并作出相應的處理，也能識別一些誤報。

1.2室外背景音樂系統

景觀別墅區是住宅區的一種，有別于公園，發展商力求營造一種舒適、寧靜的氣氛。在室外綠化中設置背景音樂系統揚聲器是不可取的。如果一定要設置，也應局限于與宅基地有一定距離及分隔的中心綠化或景點，這些地方可以用作社區集中娛樂場所，如兒童嬉水、中心廣場等。

1.3訪客系統

為便于對小區的外來人員進行管理，訪客系統的設置是必需的。應該在小區入口處設置門口機，別墅內設置用戶話機，而在別墅的門口則不必設門口機。因為，對一個管理嚴格的小區來說，外來人員在進入小區之前已經過身份認定或住戶的同意，住戶通過窗戶、門上的玻璃已能看到別墅門口的情況，別墅門口的門口機僅能起到門鈴的作用。為了更好地實現身份認定，應選擇可視型訪客系統，同時為保證私密性，不宜使用CATV來實現可視功能。

1.4住戶防盜報警系統

住戶防盜報警系統也是十分實用的，如業主要求不高，可以采用帶有安保功能的訪客系統，組成安保型訪客系統。而對于報警探頭種類多、有遠程控制功能、要求預留一定擴展余地的系統，應采用獨立的住戶防盜報警系統。系統探測器的設置切忌

1.5電話、電視系統

對于毛壞房，應在主要居住空間預留電話、電視插座。對于全裝修房，特別是出租型別墅，在室內裝修竣工時，家具、家電已一步到位，電話、電視插座應密切配合家具、家電的布置，不宜過多。通常僅要求在起居室、主臥室、廚房內設置電視機插座，在起居室、書房、主臥室、廚房內設置電話機插座即可。2智能化系統

目前，國家尚未出善的住宅智能化系統設計標準、規范。與此同時，隨著科學技術的迅猛發展，智能化的要求不斷提高。因此，住宅小區智能化的定義各有各的觀點，但在設計中應掌握以下基本原則：利用現代計算機技術，通過網絡將各種通信、安防、管理子系統集成，從而為住戶提供豐富的信息服務、安全舒適的居住環境。

2.1開放性BA系統

設備自動化控制系統是智能化的重要組成部分，將小區的公共照明、綠化噴灌、水體循環、自動抄表、別墅內部照明及空調等不同系統構成一個整體，相互協調、集中管理控制，以保證各個子系統運行于最佳狀態。設計中應優先采用開放性控制系統，即使用標準通訊協議的集散控制系統。例如，在現場總線采用LonWorks技術，控制總線采用BACnet協議。所有子系統的生產廠商均按國際公認的技術標準生產各種器件并建立系統結構。使設計單位及發展商可以根據需求進行性能、價格比較，從而組成符合項目特點、具有最佳運行及管理方案、集成化程度更高、價格合理的自動化系統。

傳統BA系統為非開放性系統，不同的BA系統生產廠商所生產的系統器件不能進行互相操作、互相替換。BA系統一旦被使用，今后如需維護、改造、擴展時都需要依賴原生產廠商。而LonWorks技術體現今后自控技術、系統集成的最新技術，它利用一根總線就可將所有符合LonMark標準的系統模塊連接起來，擴展性大大增強，并能進行實時處理，也簡化了系統布線。這樣系統可不受原生產廠商的限制實現隨時按需更新，為用戶今后提升系統性能提供了標準的平臺和開放的基礎，從而保證系統的先進性。

2.2三表遠傳

實現水表、電表、煤氣表的遠傳自動抄表能減少抄表工作對別墅住戶的打擾，同時能減輕物業管理的工作量。在技術上，它的實現并不困難。關鍵是它涉及三個行業的管理部門，需要有關方面協同配合，而相應的建設管理辦法尚未出臺，協調工作難度較大，故工作重點是與公用事業管理部門進行協商，以確定一個合理的方案。

2.3信息服務

信息服務是小區智能化的主要目的之一。傳統設計思路是在小區中建立局域網，為住戶提供Intranet/Internet服務。住戶可以由局域網接入Internet，物業公司在其中扮演了ISP和ICP角色。其次，物業公司要長期配備一批專業技術人員進行信息收集與處理，而景觀別墅區的戶數相對較少，造成平均運行成本較高。所以，要慎重考慮以局域網方式提供信息服務的設計方案。建議在小區建設初期可暫不建局域網，預留管道待時機成熟后再發展。同時可以借鑒賓館電視點播系統的機頂盒方式(上行為電話網絡，下行為有線電視網)提供信息服務。此外，應充分利用公共網絡作為信息源，而物業公司的信息服務盡可能局限于內部物業管理服務及信息上。

3弱電管道與機房

3.1管道設計與管線綜合弱電系統管道設計應重視近期建設，并考慮遠期發展的需要。對于分期開發的小區，要充分考慮預留后續工程所需管道數量，對弱電設計標準相對較低的，特別要注意室外主干管的預留。室外各種弱電主干管道應與電話管道統一敷設，并統一設置人孔或手孔，同時要注意水體、橋梁對管線敷設的影響。

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對EHW的研究主要采用了進化理論中的進化計算（EvolutionaryComputing）算法,特別是遺傳算法（GA）為設計算法，在數字電路中以現場可編程門陣列（FPGA）為媒介，在模擬電路設計中以現場可編程模擬陣列（FPAA）為媒介來進行的。此外還有建立在晶體管級的現場可編程晶體管陣列（FPTA），它為同時設計數字電路和和模擬電路提供了一個可靠的平臺。下面主要介紹一下遺傳算法和現場可編程門陣列的相關知識，并以數字電路為例介紹可進化硬件設計方法。

1．1遺傳算法

遺傳算法是模擬生物在自然環境中的遺傳和進化過程的一種自適應全局優化算法，它借鑒了物種進化的思想，將欲求解問題編碼，把可行解表示成字符串形式，稱為染色體或個體。先通過初始化隨機產生一群個體，稱為種群，它們都是假設解。然后把這些假設解置于問題的“環境”中，根據適應值或某種競爭機制選擇個體（適應值就是解的滿意程度），使用各種遺傳操作算子（包括選擇，變異，交叉等等）產生下一代（下一代可以完全替代原種群，即非重疊種群；也可以部分替代原種群中一些較差的個體，即重疊種群），如此進化下去，直到滿足期望的終止條件，得到問題的最優解為止。

1．2現場可編程邏輯陣列(FPGA)

現場可編程邏輯陣列是一種基于查找表(LUT,LookupTable)結構的可在線編程的邏輯電路。它由存放在片內RAM中的程序來設置其工作狀態，工作時需要對片內的RAM進行編程。當用戶通過原理圖或硬件描述語言（HDL）描述了一個邏輯電路以后，FPGA開發軟件會把設計方案通過編譯形成數據流，并將數據流下載至RAM中。這些RAM中的數據流決定電路的邏輯關系。掉電后，FPGA恢復成白片，內部邏輯關系消失，因此，FPGA能夠反復使用，灌入不同的數據流就會獲得不同的硬件系統，這就是可編程特性。這一特性是實現EHW的重要特性。目前在可進化電子電路的設計中，用得最多得是Xilinx公司的Virtex系列FPGA芯片。

2進化電子電路設計架構

本節以設計高容錯性的數字電路設計為例來闡述EHW的設計架構及主要設計步驟。對于通過進化理論的遺傳算法來產生容錯性，所設計的電路系統可以看作一個具有持續性地、實時地適應變化的硬件系統。對于電子電路來說，所謂的變化的來源很多，如硬件故障導致的錯誤，設計要求和規則的改變，環境的改變（各種干擾的出現）等。

從進化論的角度來看，當這些變化發生時，個體的適應度會作相應的改變。當進化進行時，個體會適應這些變化重新獲得高的適應度?；谶M化論的電子電路設計就是利用這種原理,通過對設計結果進行多次地進化來提高其適應變化的能力。

電子電路進化設計架構如圖1所示。圖中給出了電子電路的設計的兩種進化，分別是內部進化和外部進化。其中內部進化是指硬件內部結構的進化，而外部進化是指軟件模擬的電路的進化。這兩種進化是相互獨立的，當然通過外部進化得到的最終設計結果還是要由硬件結構的變化來實際體現。從圖中可以看出，進化過程是一個循環往復的過程，其中是根據進化算法（遺傳算法）的計算結果來進行的。整個進化設計包括以下步驟：

（1）根據設計的目的，產生初步的方案，并把初步方案用一組染色體（一組“0”和“1”表示的數據串）來表示，其中每個個體表示的是設計的一部分。染色體轉化成控制數據流下載到FPGA上，用來定義FPGA的開關狀態，從而確定可重構硬件內部各單元的聯結，形成了初步的硬件系統。用來設計進化硬件的FPGA器件可以接受任意組合的數據流下載，而不會導致器件的損害。

（2）將設計結果與目標要求進行比較，并用某種誤差表示作為描述系統適應度的衡量準則。這需要一定的檢測手段和評估軟件的支持。對不同的個體，根據適應度進行排序，下一代的個體將由最優的個體來產生。

（3）根據適應度再對新的個體組進行統計，并根據統計結果挑選一些個體。一

部分被選個體保持原樣，另一部分個體根據遺傳算法進行修改，如進行交叉和變異，而這種交叉和變異的目的是為了產生更具適應性的下一代。把新一代染色體轉化成控制數據流下載到FPGA中對硬件進行進化。

（4）重復上述步驟，產生新的數代個體，直到新的個體表示的設計方案表現出接近要求的適應能力為止。

一般來說通過遺傳算法最后會得到一個或數個設計結果，最后設計方案具有對設計要求和系統工作環境的最佳適應性。這一過程又叫內部進化或硬件進化。

圖中的右邊展示了另一種設計可進化電路的方法，即用模擬軟件來代替可重構器件，染色體每一位確定的是軟件模擬電路的連接方式，而不是可重構器件各單元的連接方式。這一方法叫外部進化或軟件進化。這種方法中進化過程完全模擬進行，只有最后的結果才在器件上實施。

進化電子電路設計中，最關鍵的是遺傳算法的應用。在遺傳算法的應用過程中，變異因子的確定是需要慎重考慮的，它的大小既關系到個體變異的程度，也關系到個體對環境變化做出反應的能力，而這兩個因素相互抵觸。變異因子越大，個體更容易適應環境變化，對系統出現的錯誤做出快速反應，但個體更容易發生突變。而變異因子較小時，系統的反應力變差，但系統一旦獲得高適應度的設計方案時可以保持穩定。

對于可進化數字電路的設計，可以在兩個層面上進行。一個是在基本的“與”、“或”、“非”門的基礎上進行進化設計，一個是在功能塊如觸發器、加法器和多路選擇器的基礎上進行。前一種方法更為靈活，而后一種更適于工業應用。有人提出了一種基于進化細胞機（CellularAutomaton）的神經網絡模塊設計架構。采用這一結構設計時，只需要定義整個模塊的適應度，而對于每一模塊如何實現它復雜的功能可以不予理睬，對于超大規模線路的設計可以采用這一方法來將電路進行整體優化設計。

3可進化電路設計環境

上面描述的軟硬件進化電子電路設計可在圖2所示的設計系統環境下進行。這一設計系統環境對于測試可重構硬件的構架及展示在FPGA可重構硬件上的進化設計很有用處。該設計系統環境包括遺傳算法軟件包、FPGA開發系統板、數據采集軟硬件、適應度評估軟件、用戶接口程序及電路模擬仿真軟件。

遺傳算法由計算機上運行的一個程序包實現。由它來實現進化計算并產生染色體組。表示硬件描述的染色體通過通信電纜由計算機下載到有FPGA器件的實驗板上。然后通過接口將布線結果傳回計算機。適應度評估建立在儀器數據采集硬件及軟件上，一個接口碼將GA與硬件連接起來，可能的設計方案在此得到評估。同時還有一個圖形用戶接口以便于設計結果的可視化和將問題形式化。通過執行遺傳算法在每一代染色體組都會產生新的染色體群組，并被轉化為數據流傳入實驗板上。至于通過軟件進化的電子電路設計，可采用Spice軟件作為線路模擬仿真軟件，把染色體變成模擬電路并通過仿真軟件來仿真電路的運行情況，通過相應軟件來評估設計結果。

4結論與展望

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2電子工程中存在的問題

機械電子工程快速發展，但是到目前為止，世界各國對于機械電子工程都沒有明確的定義和統一的認識，出現這種問題的原因，一方面是機械電子工程發展速度太快，所涉獵的領域越來越多，另一方面是因為設立明確的定義必定會對其發展產生一定的限制作用，不利于機械電子工程繼續快速發展。電子工程在發展的過程中產生了一些難以解決的問題，電子產品的發展方向是具有更高集成和大容量，同時體積也越來越小，這就需要技術的不斷升級來實現發展目標。電子工程設計方案需要獲得科學的檢驗，要對其進行仿真分析。電子元件所處的工作環境是設計人員應該考慮的問題，要對設計方案進行有效優化，最后要對電路特性進行分析。另外電子工程在運行中要避免靜電的危害。為了實現電子工程取得進步獲得發展，需要在電子工程設計中采用EDA技術。

3電子工程設計要點

3.1仿真分析

機械電子工程設計方案需要通過科學的系統仿真或是結構模擬來說對其可行性、科學性進行驗證和分析。通過仿真分析來確保設計方案在后續實踐中能夠順利應用。在仿真分析過程中，使用EDA技術可以為仿真分析提供良好的支持。EDA技術能夠通過各個環節當中的傳遞函數來進行數學建模并對其進行仿真分析，這樣構建和仿真系統能夠準確驗證設計方案的實踐性，并能夠對電子系統工最后程設計方案進行推廣和使用。這種仿真分析對于提高我國電子工程設計的整體水平和產品質量有積極的指導意義。

3.2優化設計

對設計方案進行優化的目的是盡可能確保電子元件在應用過程中具備穩定性與可靠性，保證其擁有最佳的容差和工作環境。在實際工作條件下，使用傳統的電子工程設計方法，難以對實際容差及電子工程元件工作環境進行全面的檢查和分析。不能對電子元件環境進行全面勘測，就容易導致設計方案在此方面出現漏洞，這樣一來電子元件的容差及其工作環境溫度就很難得到有效的保障。利用EDA技術則能對設計方案進行良好的優化，因為EDA技術可以對電子方案環境進分析計算，獲得電子元件在實際工作中所處的環境溫度等相關數值。在分析獲得的數值基礎上，來對電子工程設計方案進行優化，保證方案在實施后，可以穩定工作，具有可靠安全保障。

3.3預防機械結構中的靜電

機械結構是根據設計方案來工作并應用于事物成為滿足功能需求的結構。在科技快速發展的大環境下，集成電路設計愈來愈復雜，這對靜電的防治也提出了更高的要求。靜電對電子元件的破壞巨大，靜電電場能夠對周邊電荷有吸引力會破壞絕緣體，使電子元件敏感度降低，甚至是引發集成電路燒毀，使電子產品直接報廢。這要求工作人員做好靜電防護，對防靜電工作區域進行劃分，保持操作空間的清潔，降低靜電發生的概率。在電子工程故障檢測方面，要將傳統的電子工程故障檢測和智能故障檢測方法結合，相互驗證，在電子技術投入方面加強，提升電子工程檢測技術的能力，增強電子元件、電路對環境的適應能力。

3.4電路特性的有效分析

對電特性進行有效分析是EDA技術中的重要內容，在電子工程設計的過程中，理論分析都是在數據分析和特性分析的基礎之上進行。因此，數據分析和特性分析方面的數據必須準確及時，使用傳統的電子工程設計方法會受到多方面的限制，難以保證數值的準確性，電力測試的實際精度會受到較大的影響，不利于后期穩定性的建立。EDA技術就能夠對整個系統進行全面的測試，并保證測試的精確性與科學性，避免設計方案出現結構性的差異確保設計方案的整體性以及合理性。

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2硬件電路設計

硬件電路設計分為水下和水上兩部分。水下和水上都是以STM32F103VE芯片為核心，通過各自電路以實現各自功能。STM32系列是專門為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的ARMCortex內核，本設計所用芯片主頻為72MHz,從閃存執行代碼，功耗27mA，是32位市場上功耗最低的產品之一，相當于0.375mA/MHz。

2.1水下電路設計

水下部分電路主要有主控電路、流速測量電路、姿態解算電路、鋰離子電池充放電及其保護電路、數據存儲及傳輸電路，壓力、溫度采集電路5部分組成。

2.1.1流速測量

流速是本設計最重要數據，因此本設計選用低功耗、高溫度穩定性霍爾器件A1220作為機械轉子轉速測量傳感器。A1220內部集成動態補償電路，低通濾波電路，施密特觸發器，電壓比較器等，我們可以看到霍爾器件輸出為規則方波，因此我們可直接由STM芯片采集這些方波信號就能達到我們的需求。

2.1.2姿態解算電路

本設計采用InvenSense公司的整合性6軸（3軸陀螺儀、3軸加速度計）運動處理組件MPU-6050和Honeywell公司的3軸數字羅盤HMC5883L來采集探測器角加速度W、線加速度A、磁場強度Η，用四元數的方法進行數據融合，計算探測器姿態角。

2.1.3電源電路

電源作為海流計運行的動力，其電路設計的優劣不僅決定設備能否正常運行而且還決定了設備是否安全運行。本設計采用摩米士三星GalaxyNote3高容量鋰離子電池作為電源，采用LINEAR公司的可編程充電電流的單節鋰離子充電管理芯片LTC4054，自動檢測鋰離子電池電壓及充電電流變化使鋰離子電池充電過程自動在涓流充電、恒流充電、恒壓充電、充電終止這四個充電過程切換，避免了處理器的參與，減少處理器的負擔；采用TexasInstruments公司的單節鋰離子電池電量檢測和保護芯片BQ28Z560-R1，該芯片使用德州儀器ImpedanceTrackTM精確電量計算算法來報告電池狀態，同時提供續航時間（分鐘），充電所需時間（分鐘）、電池電壓和電池溫度等信息,此外該芯片還提供短路、過流充電和放電、過度充電和放電保護功能；采用LINEAR公司的寬輸入電壓同步降壓-升壓DC/DC轉換器，該芯片可由動態輸入電壓（1.8~5.5V）獲得穩壓輸出，特別適合于鋰離子電池放電特點，改變了傳統先升壓再降壓的電路設計，降低了功耗。

2.1.4壓力、溫度采集電路設計

探測器所處的深度及該深度下的溫度同樣是海流計所需的數據，本設計采用MeasurementSpeclalties公司的工作深度0~3000m，高精度壓力傳感器89-03KA-4R，為了降低功耗每隔一段時間T單片機置位一次，BOOST管腳STM32采集Li_PRESSURE管腳上電壓，經轉化得到深度H。溫度傳感器采用pt100經24位模數轉換芯片AD7714轉換成數字信號，STM32采集數字信號，再轉化為溫度數據。為了提高精度，本設計采用高性能穩壓芯片壓力提供參考電壓，采用耦合電路避免處理器數字信號干擾。壓力采集電路如圖7所示。

2.2水上電路設計

水上電路主要有主控電路、無線數據傳輸電路、無線充電電路、顯示觸摸電路4部分組成。無線數據傳輸電路采用GFSK單片式收發芯片NRF24L01。水上和水下電路各連接一塊NRF24L01模塊，將水下探測器數據傳輸給水上接收電路。

3軟件設計

本設計軟件以Keil4為編譯平臺，采用模塊化編程思想，分別為水下探測部分和水上數據接收部分編寫了代碼，增加了代碼的可讀性，使設備易于升級維護。

3.1水下探測電路軟件設計

水下探測電路主要任務是采集機械轉子轉速、探測器姿態、壓力、溫度等信息，并將數據增加時間戳后存儲到SD卡中，其程序圖如圖9所示。

3.2水上接收電路軟件設計

水上接收電路主要功能是接收水下探測器測量的數據，此外還有控制鋰離子電池充電，控制數據傳輸，設置水下探測器采樣間隔，指示充電狀態，數據傳輸狀態的功能。