随着当下我国经济的不断发展，很多行业也发生了很多的变化，电气工程的电气自动化在我们的生活当中现在并不陌生了。那么电气的毕业论文应该怎么写呢？下面就跟着小编一起来看看吧。
第1篇：基于LoRa的电气设备温湿度监测终端设计
李时杰，何怡刚，罗旗舞，史露强，黄源，程彤彤
(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009)
摘要：针对目前电力设备监测通信方式存在的传输距离短、网络复杂的缺陷，提出了一种基于LoRa的电气设备温湿度监测终端的设计方案。给出了系统的总体构架；设计了系统的LoRa传感终端，在实验室环境下对其进行了通信测试；进行了低功耗的设计和测试，测试结果显示：所设计的终端设备休眠电流低至1.4μA，平均工作电流0.070mA，特别适合电池供电。系统具有传输距离远，功耗低的优势。
关键词：电力设备；LoRa传感终端；远距离；低功耗
0引言
温湿度是影响电气设备可靠性的两个重要指标[1，2]，因此，电气设备温湿度实时监测对保证电力系统安全运行具有重要意义。电气设备监测以有线通信和无线通信方式为主，有线通信方式线路复杂，成本高，不适合大范围电力系统的监测。基于无线传感器网络(wirelesssensornetworks，WSNs)技术的无线通信方式进入到了电气设备监测的领域，但WSNs技术的通信距离短，需要布置大量中继节点，网络结构复杂[3]。如今物联网的迅速发展，基于扩频调制的LoRa技术应运而生，解决了无线应用开发一直存在的在更长的距离和更低的功耗难以兼固的问题，与ZigBee和蓝牙等无线通信技术相比，其传输距离远、功耗低、组网方式简单[4]。
本文将LoRa技术和传感器技术融合并用于电力系统电气设备监测中，实现了电气设备温湿度远距离自动监控，大幅降低了网络复杂度和成本。
1LoRa传感终端硬件设计
基于LoRa的电气设备温湿度监测系统由LoRa传感终端、LoRa网关和监控中心组成，总体构架如图1。
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图1基于LoRa的电气设备温湿度监测系统
LoRa传感终端置于被监测的电气设备上，用于实时采集电气设备的温湿度信息，通过远距离的无线扩频通信技术，向LoRa网关发送监测的温湿度信息，LoRa网关通过以太网，将采集的各终端信息汇聚到监控中心，监控中心通过对检测的温湿度等信息进行分析，完成对电气设备温湿度的实时监测。
LoRa传感终端的设计如图2所示，由单片机(MCU)模块、电源模块、传感器模块和SX1278射频模块组成。
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图2LoRa传感终端
1.1MCU模块和传感器模块设计
MCU模块采用STM8L151单片机，可在1.65～3.6V的电压，-40～85℃的温度条件下工作，最高16MHz的工作频率，内置高达64kB的flash存储器和2kB的EEPROM，完全满足温湿度传感器数据所需的存储空间。同时该单片机支持等待、低功耗运行、低功耗等待、主动停止和停止5种低功耗模式，方便了LoRa传感终端的低功耗设计。传感器模块采用SHT20温湿度传感器，可在2.1～3.6V供电电压下工作，具有0～125℃的测温范围和20%～60%RH的湿度测量范围，休眠模式和测量状态下的工作电流低至0.15μA和300μA。SHT20内置A/D转换器将温湿度信息转换成数字信号输出，通过集成电路总线(I2C)通信方式传输至MCU模块，MCU模块利用I2C接口对传感器完成读写，获取温湿度信息并完成数据存取。
1.2SX1278射频模块
SX1278射频模块是一种高度集成低功耗半双工小功率无线数据传输模块，具有超远距离扩频调制通信、高抗干扰性和超低电流功耗，采用星型网络架构，能够将数百万的无线传感器节点与LoRa网关连接。采用LoRaTM模式可以实现-148dBm的高接收灵敏度，+14dBm的发射功率，低至9.9mA的接收电流消耗，工作频段为137～525MHz，本文射频模块工作频率为470MHz[5]。SX1278射频模块一方面将MCU模块处理后的温湿度信息通过无线远距离发送到LoRa网关，另一方面响应来自LoRa网关下发的命令。SX1278射频模块通过通用异步传输器(universalasynchronousreceiver/transmitter，UART)与MCU进行通信。
1.3电源模块
本文LoRa传感终端采用电池供电，虽然许多电气设备均置户外，LoRa传感终端以无线的方式传输数据，LoRa传感终端的有效工作时间有限，但采用于STM8L151单片机，SHT20温湿度传感器和SX1278芯片的超低功耗模式，使终端的休眠电流低至1.4μA，极大地延长了电池寿命。
2LoRa传感终端软件设计
LoRa传感终端中各个模块在工作模式和低功耗模式下功耗消耗非常大，合理设计这些模块的运行和休眠模式，既能实现的预设功能，又能有效降低电池能源消耗。基本软件流程如图3。
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图3软件流程
3LoRa传感终端测试结果
3.1LoRa传感终端通信测试
实验室环境搭建温湿度监测系统，验证LoRa传感终端的实际通信状况。模拟监测系统包括2个LoRa传感终端和1个网关。LoRa传感终端置于室外，距网关约5km，网关通过以太网接口与实验室路由器相连，并将采集的温湿度信息上传至云服务器。通过访问HTTP网址可以查看接收的温湿度信息，如图4所示，每个LoRa传感终端具有一个唯一的标识号，方便用户定位。
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图4LoRa网关云服务器数据显示
3.2低功耗设计与测试
本文从器件低功耗特性和单片机(MCU)端口控制等方式降低终端的休眠电流，延长电池的寿命。
一般系统的总功耗分为2个部分：静态功耗(晶体管消耗能量μA)和动态功耗(负载电容放电消耗能量，μA/MHz)，总电能消耗是二者之和，可表示为IDD=f×IDynamicRun+IStatic，其中，f为时钟频率[6]。
3.2.1低功耗硬件实现
利用MCU的端口控制功能对传感器的供电进行通断控制，在进行温湿度测量时控制传感器为通电状态，不测量时关断传感器的电源，防止传感器在不工作时依然耗电，最大程度节省功耗。如图5所示，EN端连接MCU的I/O口，VCC3V3GAS连接传感器电源端口，利用元器件的通断特性，当MCU控制EN端为高电平时，VCC3V3GAS亦为高电平，即传感器电源导通，可以进行温湿度测试；否则，当MCU控制EN端为低电平时，VCC3V3GAS也为低电平，即传感器电源关断，传感器不工作。
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图5低功耗硬件设计
3.2.2低功耗软件实现及测试
终端设计在24h内，th处于温湿度采集以及和网关通信状态，(24-t)h处于休眠状态。在信息采集和通信状态，MCU处于运行模式，SX1278射频模块处于射频接收或发送模式；在休眠状态，MCU仅实时时钟(real-timeclock，RTC)工作，定时唤醒传感器和射频模块。
低功耗测试方法通过吉时利Keithey2700系列数据采集仪测量整个终端在一段时间内的电流值，在一个采样发送周期内终端的电流波形如图6所示。
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图6LoRa传感终端电流曲线
可以看出：终端在一个采样发送周期内，不同工作模式下的各个硬件电流消耗情况，分析出该终端整体电气参数，如表1所示。
表1LoRa传感终端整体电气参数测试结果
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本文采用2节5号电池供电，容量约为2700mAh，由图6电流波形和表1整体电气参数测试结果可知，终端以37.89s的时间为一个工作周期，其中传感器采集与发送每个周期进行一次，可以根据式(1)在一个周期内计算出平均电流消耗[7]Iaver(mA)，为
Iaver=(1.4×10-3×37.5+1.15×0.35+
17.3×0.02+92.3×0.02)/37.89=0.070
(1)
电池工作时间T(天)为
T=(2700/0.070)/24=1607
(2)
LoRa传感终端的所消耗的电流主要由温湿度传感器和SX1278射频模块的功能起决定性作用，式(1)和式(2)给出了电池寿命和硬件工作时间及工作周期的关系，可以发现：增大硬件工作周期和减少硬件工作时间可大幅降低功耗，延长电池寿命。
4结论
提出了一种基于LoRa的电气设备温湿度监测系统，并结合传感器技术和远距离无线扩频通信技术，设计了一种LoRa传感终端，与现有其他终端设备相比，具有传输距离远，功耗低的优势，可以广泛应用于智能电网、智能建筑、智能城市等领域，具有良好的发展前景。
第2篇：多电飞机电气系统故障传递模式研究
樊智勇，谭卓，刘涛（中国民航大学，天津300300）
摘要：电气系统对多电飞机的运行状态和运行安全起着重要的作用。模拟仿真多电飞机电气系统的运行状态，分析故障在电气系统中的传递形式，对多电飞机电气系统的设计具有指导作用。以多电飞机电气系统为研究对象，分析多电飞机电气系统的结构和运行原理，在Simulink中建立电气系统主要部件的仿真模型，其能够实现故障设置，逻辑仿真。根据多电飞机电气系统各部件的输入/输出关系，对整个电气系统进行仿真建模，在各部件故障机理以及故障模式分析的基础上，对电气系统的仿真模型进行典型故障植入，得到不同故障状态下的故障传递状态表，对故障传递的模式进行分析。将所得的故障数据与分析结果应用到多电系统集成验证实验控制平台，完成多电系统故障传递结果的演示验证。
关键词：多电飞机；电气系统；故障传递模式；逻辑模型；集成验证；Simulink
随着多电飞机变速变频电力系统和电力电子技术的发展，飞机发电容量已经达到兆瓦级别，部分采用液压、气压和机械系统驱动的设备被电力作动装置所取代，多电飞机技术已成为近年来研究的热点[1]。以波音787、空客A380为代表的多电飞机已成为商用飞机的重要机型，其高安全性、大容量性和低维修性也决定了多电飞机技术必将成为未来飞机系统的重要发展方向[2]。在这种背景下，研制国产多电飞机是十分重要的课题。多电系统集成验证试验控制平台是多电飞机研制过程中重要的仿真环节，它在飞机真实供、配电基础上，模拟单个起动发电机的供配电功能，仿真并验证飞机起动发电模块、配电模块、电气负载模块、环控/防除冰模块、飞控电作动模块的功能特性，并对多电系统进行状态检测和故障诊断，仿真验证其在失效模式下的处理方式，完成多电系统稳态和瞬态特性仿真。目前，飞机系统的仿真研究主要集中在飞机部件、飞机供电网络控制逻辑、飞机电源系统故障诊断等方面[3?7]，主要侧重于飞机电源系统在正常状态下的运行方式或出现故障时检测手段的研究，对故障在电气系统中传递形式以及故障之间的关联关系没有深入研究。本文通过分析典型多电飞机电气系统结构和运行原理，建立带有故障注入模块的元件逻辑模型，根据元件的输入/输出关系连接形成电气系统仿真模型，通过设置故障，对多电飞机电气系统进行仿真，得到故障的传递模式和关联关系的数据，最后将故障数据应用到集成验证平台，完成平台的仿真。
1多电飞机电气系统结构及元件分析
多电飞机电气系统分为电源系统、配电网络和用电设备三部分。飞机电源系统由4台变频起动/发电机（VFSG）、2台辅助起动发电机（ASG）和应急发电机（RAT）构成。配电网络由变压器（ATU）、整流器（TRU）、自动变压整流器（ATRU）及其相连接的汇流条等元件构成。飞机上的负载分为交流负载和直流负载，分别连接到相应的汇流条，由功率控制单元进行控制。正常情况下，4台主发电机独立发电，给连接到发电机的汇流条、电源转换设备以及负载供电，从而形成4条相对独立的通道。当发电机或者通道中某一节点出现故障后，由相应的控制组件对电气系统进行控制。典型的多电飞机电气系统如图1所示。
电气系统中主要元件分析如下：
1）起动/发电机原理分析。多电飞机上的起动/发电机是三相无刷变频交流电机[8]。发电机控制组件给励磁机定子提供直流脉宽调制电压，在励磁机定子中形成磁场，在磁场作用下，转子电枢绕组发出交流电。励磁机转子中的旋转整流器将交流电转换成直流电供给主发电机转子，从而产生一个磁场，磁场和主发电机转子在发动机的带动下旋转，产生旋转的磁场，使主发电机在定子的绕组产生交流电。通过控制加在励磁机定子上的电压，可以控制发电机的输出电压。
2）变压器原理分析。变压器利用电磁感应的原理改变交流电压的大小，主要构件为初级线圈、次级线圈和磁芯。当变压器一次侧施加交流电压U，在一次绕组中产生的电流为I，则该电流在铁芯中会产生交变磁通，使一次绕组和二次绕组发生电磁联系，根据电磁感应原理，交变磁通穿过这两个绕组就会感应出电动势，根据初级线圈和次级线圈匝数的不同，实现电压的变化。
3）整流器原理分析。多电飞机中的整流器使用12脉冲整流电路[9]，整流器由移相变压器、整流器和滤波电路构成。通过移相变压器，输入三相电压可形成两组幅值相同的三相电压，它们分别超前和滞后于原三相电压15°，从而使得两组三相电压相位相差30°。经二极管整流和滤波电路后输出接至负载。
4）元件故障机理分析。当发电机控制器、励磁绕组、电枢绕组出现故障时，发电机的输出电压就会出现过压或欠压故障；当发电机转速出现故障时，发电机输出电压的频率出现过频或者欠频故障[10]。变压器在运行过程中，由于长期受到热、电、机械应力以及环境因素的影响，会发生一些不可逆的变化过程，会出现绝缘老化，铁芯、绕组故障等情况，造成变压器功能的下降或受损，导致输出偏离正常值[11]，当超过电压规定的范围时，便出现了过压或欠压的故障。
2仿真模型的建立
本文主要仿真过压、欠压、过频、欠频四种故障信号在电网中的传递模式，选择建立逻辑模型的方法对飞机各元件进行建模，在保证信号传递方式的前提下简化元件的结构。
2.1ATU逻辑模型的建立
自动变压器的逻辑模型分为输入变量、输出变量和转换逻辑，输入变量为上一级单元的输出电压信号和外部的设置信号，输出变量为经过变压的电压信号。模型的内部模块定义和外部设置信号的含义如下：
其中：VI，VO表示输入电压和输出电压；FI和FO表示输入频率和输出频率；VIL，VIH表示输入端电压的下限值和上限值；VOL，VOH表示输出端电压的下限值和上限值；Fault_set是故障设置信号；Fault_mode是故障模式设置信号，ATU只设置过压和欠压两种故障，Fault_mode变量的取值只有1和2两种情况。自动变压器的逻辑模型如图2所示。
2.2发电机和TRU的逻辑模型
发电机是电气系统的电能来源，由发动机直接或间接驱动，没有电能的输入信号。在建立逻辑模型时，主要考虑电能的流动，发电机的逻辑模型没有上一级电能的输入信号，模型的接口只包括两个外部设置信号接口和一个输出信号接口，根据外部的设置信号，发电机内部逻辑会选择相应的输出电压信号进行输出。TRU的逻辑模型在结构上与ATU相同，不同之处是TRU的输出为直流电，需将输出信号中的交流电信号改为直流电信号。多电飞机电气系统的主要元件逻辑模型建立完成。
3仿真实验及验证
将建立的逻辑模型根据输入/输出信号的关系连接成图1所示的电气系统，对系统进行仿真。仿真实验分为两部分，首先，设置飞机电气系统处于正常运行状态，测定电气系统各监测点的值，验证建立模型的合理性。其次，通过对多电系统进行过压、欠压、过频、欠频四种故障的设置，仿真各监测点的电压值，得到故障数据，并将故障数据应用到多电系统集成验证实验控制平台。
3.1正常稳态运行的仿真实验
在美国军用标准MIL?STD?704F[12]中，对飞机稳态运行时电能指标做了明确要求，如表1和表2所示。
在正常运行情况下，4台主发电机独立发电，辅助发电机和RAT（冲压空气涡轮）不工作，整个电气系统运行在4个相对独立的通道。选取发电机R1通道来说明系统正常运行时各元件的输出电压。运行得到AC230V，AC115V，DC270V，DC28V电压波形如图3所示。分析图3得出，230VAC_R1母线电压有效值为233V，频率为400Hz，115VAC_R1母线电压有效值为112.4V，频率为400Hz，270VDC_R1母线电压为269.7V，28VDC_R1母线电压为27.7V，均符合表1和表2中电气系统稳态运行的电能质量要求。以上仿真实验说明所建立的综合仿真模型能够正确地表示电压信号在电气系统中的传递路径和传递关系，表明所建立的电气系统逻辑模型是正确的。
3.2故障传递的仿真实验
为研究故障信号在电气系统中的传递，以发电机L1输出电压过压为例，仿真故障信号在电气系统中的传递形式。设置发电机L1输出电压值为260V，即发电机L1输出电压出现了过压故障，此时L1发电机通路AC115V电压正常和过压波形对比如图4所示。分析可知，115V交流母线电压从115V变为130V，将电压数据与表1和表2中的数据比较可得，L1通路的115V交流电出现了过压故障。电气系统部分仿真结果见表3。
用数字1表示输出在正常范围，数字2表示过压，数字3表示欠压，数字4表示过频，数字5表示欠频。以发电机R1过频为例，对表3进行分析。当发电机R1输出电压过频时，230V交流电压频率和115V交流电压频率从正常状态变为过频状态，270V直流电压和28V直流电压没有变化，说明R1通路的230V交流电和115V交流电出现了过频故障，270V直流电和28V直流电正常，过频故障只在交流电网络中进行传递，当交流电经过变压整流器变为直流电时，过频故障没有继续向下传递。
3.3故障数据在集成验证平台的应用
将仿真得到的故障数据输入到多电系统集成验证实验控制平台的工作站中，在故障注入模型管理中形成故障序列，传输到信号激励计算机中，信号激励计算机将故障序列转化为相应的电压值和频率值，输入到电气系统模型中。以L1发电机输出过压为例，得到集成验证实验控制平台电气系统中监测点6的电压波形如图5所示。多电系统集成验证平台的电气系统重现了仿真实验的故障传递结果，说明故障数据正确的注入到多电系统集成实验控制平台，为多电系统在失效模式下的仿真验证提供了条件。
4结语
本文构建的多电飞机电气系统逻辑模型体现了电压信号在电气系统中的传递模式，通过对系统进行4种典型故障注入，得到故障信号的传递模式和故障间的关联关系，形成故障数据。将得到的故障数据应用到多电系统集成验证实验控制平台，在平台上完成了故障传递波形的验证，完成了平台故障模块的设计，为平台后续的实验仿真提供了条件。
