CN109991905A - 一种集成的小型水电站自动化控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成的小型水电站自动化控制系统，该系统包括控制器以及多个控制模块；多个所述控制模块分别与所述控制器可通信相连；每个所述控制模块用于控制与其对应的水电站设备；将接收到的模拟信号和/或开关信号转化为数字信号；根据所述数字信号生成多个控制指令；将每个控制指令分别发送至与该指令对应的控制模块。该系统设备高度集成，用更少的设备实现更多的功能，设备购买成本低；控制器设备采用即插即用设计，更换方便，维护成本低；控制器设备集成物联网模块，实现大数据、云计算和人工智能功能、实现小型水电站的异地远程监测、无人智慧控制，减少甚至取消值班人员，降低运维成本，提高电能质量、发电效益和设备安全性。

Description

一种集成的小型水电站自动化控制系统

技术领域

本发明涉及水电站设备控制技术领域，特别是涉及一种高度集成的融合物联网和大数据集成的小型水电站自动化控制系统。

背景技术

现有大中型水电站的自动监控保护系统的调速、励磁、监控、保护和辅机等系统大多都采用分层和分布式设计，设备众多且高度分散，不同设备需要不同人员现场维护，运营和维护成本高，并且系统大多采用相对固定式的结构，需要不同专业技术人员现场维护，对现场技术人员的经验和水平要求高，故障排除困难；由于采用分散和非集中式的系统管理，水电站设备的数据相对独立，缺乏有效的基于物联网和大数据的集中管理和分析功能。

现有的小型水电站系统中有一部分是继承大中型电站的分层和分布式模式并改造而来，系统组成相对复杂，配套设备及厂家比较多，值班工作人员技术水平要求高，系统维护方面往往得不到足够的技术支持，故障排除困难，因此系统在运行一段时间后，故障会越来越多，导致整个系统功能逐步丧失，最后设备就变为半自动、手动、甚至整个瘫痪；现有的小型水电站中还有一部分则完全是采用手动控制模式，自动化程度低、人员多、劳动强度高、安全性差、发电效益低、电能质量差。总之，小型水电站数量大、规模小、单机发电量小，不论是采用传统的分层、分布和固定式系统结构模式还是采用手动控制模式，设备运营成本都会很高，同时还难以匹配到专业化的水平高的技术人员进行维护，故障排除难度大。

发明内容

本发明提供了一种集成的小型水电站自动化控制系统。

本发明提供了如下方案：

一种集成的小型水电站自动化控制系统，包括：

控制器以及多个控制模块；多个所述控制模块分别与所述控制器可通信相连；每个所述控制模块用于控制与其对应的水电站设备；

所述控制器执行以下操作：

将接收到的模拟信号和/或开关信号转化为数字信号；根据所述数字信号生成多个控制指令；

将每个控制指令分别发送至与该指令对应的控制模块，以便接收到控制指令的控制模块控制与其对应的水电站设备的运行状态。

优选的：多个所述控制模块至少包括闸门控制模块、调速器控制模块、刹车控制模块、励磁控制模块以及同期控制模块。

优选的：所述模拟信号和/或开关信号至少包括温度信号、钢管压力信号、开关位移信号、前池水位信号、开关信号、频率信号、导叶开度信号。

优选的：还包括与所述控制器相连的人机界面。

优选的：还包括与所述控制器相连的无线通信模块，所述无线通信模块用于实现与外部设备的通信连接，以便将数字信号传输至云端同时实现设备的远程诊断、控制以及相应的数据统计功能。

优选的：还包括与所述控制器相连的电量采集模块，所述电量采集模块用于获取机组电流互感器电流信号、机组电压互感器电压信号以及系统电压互感器电压信号。

优选的：所述控制器、多个控制模块、无线通信模块以及电量采集模块集成在一个集成电路板上。

优选的：所述集成电路板以及所述人机界面均设置于同一控制箱内。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

通过本发明，可以实现一种集成的小型水电站自动化控制系统，在一种实现方式下，该系统可以包括控制器以及多个控制模块；多个所述控制模块分别与所述控制器可通信相连；每个所述控制模块用于控制与其对应的水电站设备；所述控制器执行以下操作：将接收到的模拟信号和/或开关信号转化为数字信号；根据所述数字信号生成多个控制指令；将每个控制指令分别发送至与该指令对应的控制模块，以便接收到控制指令的控制模块控制与其对应的水电站设备的运行状态。该系统设备高度集成，用更少的设备实现更多的功能，设备购买成本低；控制器设备采用即插即用设计，更换方便，维护成本低；控制器设备集成物联网模块，实现大数据、云计算和人工智能功能，实现小型水电站的异地远程监测、无人智慧控制、减少甚至取消值班人员、降低运维成本、提高电能质量、发电效益和设备安全性。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种集成的小型水电站自动化控制系统的连接框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

随着物联网、大数据和云计算技术的飞速发展，给小型水电站自动化系统的发展带来了革命性的机遇。本发明关键技术就是将水电站的相关设备产生的模拟信号和开关信号(温度、压力、位移、水位、开关、频率、开度、电流和电压信号等)输入到本专利发明的、高度集成的、小型化和基于物联网的WK101智慧水电站自动控制保护器中，通过该自动控制保护器中的模数转换功能将以上模拟信号和开关信号转换成数字信号，并由该控制器相关程序进行处理，分别发送到调速、励磁、同期、刹车和阀门控制等功能模块，最终控制这些功能模块对应的水电站设备(水轮机、发电机、变速箱，刹车装置、机组断路器和阀门等)进行工作。

实施例

参见图1，为本发明实施例提供的一种集成的小型水电站自动化控制系统，如图1所示，该系统包括：

控制器以及多个控制模块；多个所述控制模块分别与所述控制器可通信相连；每个所述控制模块用于控制与其对应的水电站设备；多个所述控制模块至少包括闸门控制模块、调速器控制模块、刹车控制模块、励磁控制模块以及同期控制模块。其中，闸门控制模块用于控制进水阀门，调速器控制模块用于控制水轮机组的步进电机、变速箱以及接力器，刹车控制模块用于控制水轮机组的刹车装置，励磁控制模块用于控制发电机的可控硅，同期控制模块用于控制机组断路器。

所述控制器执行以下操作：

将接收到的模拟信号和/或开关信号转化为数字信号；根据所述数字信号生成多个控制指令；其中，所述模拟信号和/或开关信号至少包括温度信号、钢管压力信号、开关位移信号、前池水位信号、开关信号、频率信号、导叶开度信号。上述信号具可以通过设置于水电设备各部位的传感器获得。各传感器可通过控制器提供的接口与控制器实现可通信相连。

将每个控制指令分别发送至与该指令对应的控制模块，以便接收到控制指令的控制模块控制与其对应的水电站设备的运行状态。

进一步的，还包括与所述控制器相连的人机界面。还包括与所述控制器相连的无线通信模块，所述无线通信模块用于实现与外部设备的通信连接，以便将数字信号传输至云端同时实现设备的远程诊断、控制以及相应的数据统计功能。还包括与所述控制器相连的电量采集模块，所述电量采集模块用于获取机组电流互感器电流信号、机组电压互感器电压信号以及系统电压互感器电压信号。具体实现时，所述控制器、多个控制模块、无线通信模块以及电量采集模块集成在一个集成电路板上。所述集成电路板以及所述人机界面均设置于同一控制箱内。

在实际应用中，本申请提供的控制器可以采用STM32F105微处理器。STM32F105是STM icroe lectron ics公司推出的一款基于ARM Co rtex-M3内核的32位微控制器，其内核是专门设计于满足高性能、低功耗、实时应用的嵌入式领域的要求。由于采用Thumb-2指令集，与ARM7微控制器相比STM32运行速度最多可快35％且代码最多节省45％。较高的主频和代码执行效率使系统在进行CAN总线数据收发的同时仍可运行总线冗余算法。STM32F105微控制器内部集成2路独立的CAN控制器，控制器集成在芯片内部，避免了总线外扩引入的干扰，同时简化了电路设计、降低了成本。系统使用两条完全独立的CAN总线，两个CAN总线收发器和总线控制器，实现物理层、数据链路层的全面冗余。在初始化时两个控制器被同时激活，一个作为主CAN,另一个作为从CAN,为主控制器的备份。正常运作时，数据通过主CAN优先发送；当主CAN总线繁忙时，从CAN总线分担部分通信流量；而当主CAN总线发生故障时，数据转移至从CAN控制器传输，反之亦然。在任一总线发生故障时，数据都能经由另一条总线传输，而当两条总线都正常时，使用两总线同时传输，增加约1倍的通信带宽，这样在保证了通信可靠性的同时提高了实时性。

电量采集模块可以采用STM32F103微处理器，STM32F103微处理器多达51个快速I/O端口，所有I/O口均可以映像到16个外部中断，几乎所有端口都允许5V信号输入。每个端口都可以由软件配置成输出(推挽或开漏)、输入(带或不带上拉或下拉)或其它的外设功能口。2个12位模数转换器，多达16个外部输入通道，转换速率可达1MH z，转换范围为0～36V；具有双采样和保持功能；内部嵌入有温度传感器，可方便的测量处理器温度值。灵活的7路通用DMA可以管理存储器到存储器、设备到存储器和存储器到设备的数据传输，无须CPU任何干预。通过DMA可以使数据快速地移动，节约CPU的资源来进行其他操作。DMA控制器支持环形缓冲区的管理，避免了控制器传输到达缓冲区结尾时所产生的中断。它支持的外设包括：定时器、ADC、SPI、I2C和USART等。

无线通信模块采用AT91SAM9X35，基于ARM926架构的嵌入式微处理器，同期模块采用高速、低功耗、超强抗干扰的8051微处理器STC12C5A6052。同期模块功能是将小水电站的输出电流频率同步到和大电力公网一致。

本申请提供的系统将现有技术包含的调速、励磁、同期，刹车和阀门等模块进行高度集成化、小型化和即插即用化，将电量信号、物联网、人机界面、小型机组信号采集和电量采集模块等都集成到一个独立的、小巧的自动控制器内，系统运行时，系统将水轮机、发电机、变速箱，刹车装置、机组断路器和阀门等水电站的相关设备产生的模拟信号和开关信号(温度信号，压力信号，位移信号，水位信号，开关信号，频率信号，开度信号，电流信号和电压信号等)输入到本专利涉及的高度集成的无人自动控制器中，通过自动控制器内的模数转换功能将模拟信号转换成数字信号，并由控制器内相关程序进行处理，传送到调速、励磁、同期、刹车和阀门等模块，控制这些模块对应的设备(水轮机、发电机、变速箱，刹车装置、机组断路器和阀门等)，系统最后将水电站的相关数字信号信息通过物联网模块传送到云端，由另外开发的软件实现设备的远程诊断、控制以及相应的数据统计。

本发明提供的集成的小型水电站自动化控制系统和传统的水电站的自动监控系统相比，具有如下优点：

(1)高度集成的、小型化的即插即用系统结构，使得系统出现问题时候容易排除故障，系统维护成本低。

(2)自动化程度高，员工劳动强度低，系统安全性高，发电效益高，电能质量高。

(3)本申请提供的系统作为物联网中的一个接入节点，能够利用天气、水文、自然灾害和电网的大数据，并结合云计算和人工智能技术，真正实现小型水电站的异地远程监测和无人智慧控制，相对传统的大中型水电站，能够大大减少甚至取消系统值班人员，从而大大降低运维成本，即使系统在网络出现故障时，仍能自动切换到独立模式运行。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种集成的小型水电站自动化控制系统，其特征在于，所述系统包括：

控制器以及多个控制模块；多个所述控制模块分别与所述控制器可通信相连；每个所述控制模块用于控制与其对应的水电站设备；

所述控制器执行以下操作：

将接收到的模拟信号和/或开关信号转化为数字信号；根据所述数字信号生成多个控制指令；

将每个控制指令分别发送至与该指令对应的控制模块，以便接收到控制指令的控制模块控制与其对应的水电站设备的运行状态。

2.根据权利要求1所述的集成的小型水电站自动化控制系统，其特征在于，多个所述控制模块至少包括闸门控制模块、调速器控制模块、刹车控制模块、励磁控制模块以及同期控制模块。

3.根据权利要求2所述的集成的小型水电站自动化控制系统，其特征在于，所述模拟信号和/或开关信号至少包括温度信号、钢管压力信号、开关位移信号、前池水位信号、开关信号、频率信号、导叶开度信号。

4.根据权利要求1所述的集成的小型水电站自动化控制系统，其特征在于，还包括与所述控制器相连的人机界面。

5.根据权利要求4所述的集成的小型水电站自动化控制系统，其特征在于，还包括与所述控制器相连的无线通信模块，所述无线通信模块用于实现与外部设备的通信连接，以便将数字信号传输至云端同时实现设备的远程诊断、控制以及相应的数据统计功能。

6.根据权利要求5所述的集成的小型水电站自动化控制系统，其特征在于，还包括与所述控制器相连的电量采集模块，所述电量采集模块用于获取机组电流互感器电流信号、机组电压互感器电压信号以及系统电压互感器电压信号。

7.根据权利要求6所述的集成的小型水电站自动化控制系统，其特征在于，所述控制器、多个控制模块、无线通信模块以及电量采集模块集成在一个集成电路板上。

8.根据权利要求7所述的集成的小型水电站自动化控制系统，其特征在于，所述集成电路板以及所述人机界面均设置于同一控制箱内。