CN201515345U - 水电低压机组自动控制系统 - Google Patents

Abstract

水电低压机组自动控制系统，属于低压机组自动化综合控制系统的技术领域。包括系统控制处理板，其特征在于所述的系统控制处理板包括系统控制DSP处理板和励磁调节DSP处理板，所述的系统控制DSP处理板和励磁调节DSP处理板相应的接口上设置连接电源板、交流功能板、显示功能板、PWM功能板、I/O输出功能板和I/O输入功能板。上述的水电低压机组自动控制系统，采用TI公司32的DSP处理器组成的系统，对数据的处理和控制更加完善，可实现快速的交流采样，并采用以太网的网络协议TCP/IP来进行组网通讯的，系统从根本上解决了低压机组水电站数据采集和操作控制的一体化，使设备可靠性的提高和成本的降低成为可能，本实用新型能完全满足了农村水电站自动化的技术要求。

Description

水电低压机组自动控制系统

技术领域

本实用新型属于低压机组自动化综合控制系统的技术领域，具体涉及小水电站发电机机端输出在0.4kV电压等级的自动化控制的系统。

背景技术

我国是个多山的国家，小水电站数量众多，地域比较偏远。改革开放以来，小水电发展迅速，经过二、三十年的运行，发电机绝缘老化；水轮机转轮等过流部件磨损，机组效率严重下降；自动化程度不高；经济效益差。小水电的装机容量都比较小，普遍选用0.4kV低压机组。

小水电的建设大部分由合资的、民营或合股投资，对各股东来说，经济效益是第一位。近几年在建设新小电站或改造小水电的同时，小水电的自动化控制程度也大大提高。目前，基于对中国水电市场低压机组繁多，建设年代较早，改造任务迫在眉睫。

在我国，已建的农村水电站已有约五万余座，其中发电机机端电压为0.4kV的低压机组水电站占了约80％。2003年，水利部颁布了《农村水电技术现代化指导意见》，要求农村水电行业在2015年前全面实现现代化。《指导意见》提出：要通过科技创新，管理创新，使农村水电市场竞争力明显提高。要实现水利部提出的总体发展目标，必须解决占农村水电站总量80％以上的低压机组水电站的现代化问题。

目前小水电站低压机组的自动化设备大约可划为三类。第一类配置较高，基本采用高压机组的配置模式。采用可编程控制器(PLC)为核心的现地单元，采用微机保护、微机同期装置等。第二类配置最简单，此装置具有简单的调频功能、甩负荷自动关机功能、按水位调节有功的功能、半自动同期功能等。但是由于不能调节励磁，不能控制无功，并且不能进行编程和顺序控制。第三类配置，采用8位或16普通单片机，以功能仪表的方式组合，只能做到微机保护的部分功能，如自同期数字仪表，励磁调节数字仪表、调功数字仪表等组成。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于设计提供技术含量高，集成度高，性能良好，质量可靠，效率高，价位低，且含微机自动准同期功能、励磁调节功能、微机保护功能、调速电气控制功能、调有功/无功、测温制动功能的水电低压机组自动控制系统的技术方案。

所述的水电低压机组自动控制系统，包括系统控制处理板，其特征在于所述的系统控制处理板包括系统控制DSP处理板和励磁调节DSP处理板，所述的系统控制DSP处理板和励磁调节DSP处理板相应的接口上设置连接电源板、交流功能板、显示功能板、PWM功能板、I/O输出功能板和I/O输入功能板。

所述的水电低压机组自动控制系统，其特征在于所述的系统控制处理板的相应接口连接直流功能板。

所述的水电低压机组自动控制系统，其特征在于所述的系统控制处理板上通过设置RS485接口和以太网接口与通讯功能单元连接。

所述的水电低压机组自动控制系统，其特征在于所述的系统控制处理板上相应的接口可设置连接1块或1块以上的I/O输出功能板。

所述的水电低压机组自动控制系统，其特征在于所述的系统控制处理板上相应的接口可设置连接1块或1块以上的I/O输入功能板。

所述的水电低压机组自动控制系统，其特征在于所述的电源板为交流/直流开关电源。

所述的水电低压机组自动控制系统，其特征在于所述的交流功能板外接电压互感器和电流互感器。

上述的水电低压机组自动控制系统，采用TI公司32的DSP处理器组成的系统。对数据的处理和控制更加完善，可实现快速的交流采样。并采用以太网的网络协议TCP/IP来进行组网通讯的。

本实用新型设计完成顺控、测量、操作、调整、保护等主要任务和有功、无功的自动调节，提供交、直流二种操作电源供用户自由选择。系统从根本上解决了低压机组水电站数据采集和操作控制的一体化，使设备可靠性的提高和成本的降低成为可能。

本实用新型也可根据具体需要另配置有数字保护、数字式温巡、数字式转速测量和数字自动准同期等功能，系统提供基于TCP/IP的网络通讯和485通讯接口，对已有的小水电控制系统进行改造。本实用新型能完全满足了农村水电站自动化的技术要求。

本实用新型可对小水电站的主辅设备进行控制，包括机组各种工况的转换、紧急停机和事故停机，断路器分、合操作；辅助设备的启、停操作等。本实用新型的有功和无功功率给定可以由运行值班人员在中控室输入。本实用新型将对该给定值的合法性进行检查，按PID计算结果向操作器或励磁调节器发出负荷或无功调节命令。

附图说明

图1为本实用新型的系统框图；

图2-图6为控制处理板的电路原理图。

图1中：1-电源板；2-交流功能板；3-直流功能板；4-显示功能板；5-通讯功能单元；6-PWM功能板；7-I/O输出功能板；8-I/O输入功能板；9-系统控制DSP处理板，10-励磁调节DSP处理板。

具体实施方式

如图所示，水电低压机组自动控制系统，包括系统控制DSP处理板9和励磁调节DSP处理板10组成的系统控制处理板，系统控制处理板相应的接口上连接电源板1、交流功能板2、直流功能板3、显示功能板4、通讯功能单元5、PWM功能板6、I/O输出功能板7和I/O输入功能板8。

1.交流功能板

交流功能板2采集3相发电机机端电压、3相发电机机端电流、3相发电机机端测量电流、1路发电机零序电流和2路电网电压；信号进入系统控制处理板的2片AD7891/FP进行AD转换。

3相发电机机端电压：外接电压互感器，在二次恻输出100V的交流电压，在板上有电压互感器，把交流电压100V转换为5V的交流信号；经过2阶RC阻容滤波(R＝1K，C＝0.1uf)进入下一级的LF412CD运放。在进入运放前，其中的A相又经过U12的LF412CD运放，反馈为1:1和TLP121光电隔离器产生HSIO信号到系统控制DSP处理板9的DSP芯片的57脚，做为测量基准；由LF412CD运放输出2路交流信号，1路给励磁调节用，进入到励磁调节DSP处理板10片内AD转换；另1路给自动化(转速等)和发电机保护使用。

3相发电机机端电流：外接电流互感器，在二次恻输出1A或5A的交流电流，在板上有电流互感器，把交流电流1A或5A转换为5V的交流信号；经过2阶RC阻容滤波(R＝1K，C＝0.1uf)进入下一级的LF412CD运放。做为发电机保护用。

3相发电机机端测量电流：外接电流互感器，在二次恻输出1A或5A的交流电流，在板上有电流互感器，把交流电流1A或5A转换为5V的交流信号；经过2阶RC阻容滤波(R＝1K，C＝0.1uf)进入下一级的LF412CD运放；由LF412CD运放输出2路交流信号，1路给励磁调节用，进入到励磁调节DSP处理板10片内AD转换；另1路给发电机保护测量使用。

1路发电机零序电流：外接零序电流互感器，在二次恻输出1A或5A的交流电流；经过2阶RC阻容滤波(R＝1K，C＝0.1uf)进入下一级的LF412CD运放；由LF412CD运放输出提供给发电机接地保护使用。

2路电网电压：外接电压互感器，在二次恻输出100V的交流电压，在板上有电压互感器，把交流电压100V转换为5V的交流信号；经过2阶RC阻容滤波(R＝1K，C＝0.1uf)进入下一级的LF412CD运放。在进入运放前，其中的Ux又经过U13的LF412CD运放，反馈为1:1和TLP121光电隔离器产生HSI1信号到系统控制DSP处理板9的DSP芯片的59脚，做为测量基准；由LF412CD运放输出2路交流信号，1路给励磁调节用，进入到励磁调节DSP处理板10片内AD转换；另1路给自动准同期和发电机保护使用。

2.交流/直流电源板

电源板1为开关电源，交流/直流电源板容量为68W。输入为交流220V/直流220V兼容，有2路交流输入的滤波器LF2526/0.5A；输出多组直流电源：5V为系统使用；24V为输入和输出的信号与控制用；4-12V做为系统采集的运放使用。面板上有电源开关和5V/24V工作指示灯。

3.直流功能板

直流功能板3采集8路二线制或三线制热电阻(PT100或Cu50)；8路4-20Ma的直流电流或0-5V的直流电压；信号进入DSP片内的AD转换。

二线制或三线制热电阻：由4只2K阻值的高精密电阻组成测量电桥，电桥的两臂接入外接的测量电阻，另两臂接入AD623运放，对信号进行放大处理；AD623运放的输出端有3V的稳压管进行保护；电信号进入系统控制DSP处理板9的DSP片内AD转换的高8位。

4-20Ma的直流电流或0-5V的直流电压：通过短接帽可选择为电流还是电压信号。如是电压信号在输入上并联125欧的电阻，电阻的精度在1％。信号通过并联的电容(0.1uf)和5.1V的稳压管进入到运放OP07(其中有2路的4-20mA电流信号在OP07输出后做为励磁电流和励磁电压，进入到励磁调节DSP处理板10片内AD转换)；信号从运放输出到系统控制DSP处理板9的DSP片内AD转换的低8位。

4.I/O输入功能板

I/O输入功能板8采集16路数字开关量，每4路为一组，共4组。最大配置为4块I/O输入功能板。

外接的开关量经过10K电阻、稳压管1N755和二极管1N4148对外接的信号进行保护处理；同时有电阻10K和电容0.1uf对开关量的抖动进行处理；通过TLP521-4光电隔离器(电压变换)和74AC14思密特整形电路，16路开关量又分时经过2片74HCT541电路读入开关数据到系统控制DSP处理板9的数据总线

(D0-D7)。

5.I/O输出功能板

I/O输出功能板7，采用16路数字开关量输出，每4路为一组，共4组。最大配置为2块I/O输出功能板。

由系统控制DSP处理板9的数据总线(D0-D7)在本板通过2片74HCT273锁存电路和2片74AC14思密特整形电路；经过TLP627-4光电隔离器(电压变换)；驱动PA1A-24V的继电器线圈，线圈侧并联保护电容0.1uf和释放二极管1N4148；继电器的触点为5A的电流可通过。

6.PWM功能板

励磁调节DSP处理板10对外接的三相同步变压器(AC220V/AC24V)进行采样，经过软件处理，产生6个PWM脉冲。

同步变压器AC24V信号TAa，TBb，TCc经过RC(R＝1K，C＝1uf)滤波和双向限幅(SA6.0CA稳压管)后，进入LM324运放和74HC14思密特整形电路，输出EHS10、ESH11、ESH12矩形脉冲到励磁调节DSP处理板10的57脚、59脚和60脚。做为产生PWM脉冲的同步。

由励磁调节DSP处理板10的专用PWM引脚92-95脚、98脚、101脚产生受控的PWM脉冲，到本板的74HCT541和光电隔离器TLP521-4及驱动三极管2N5551去控制输出的脉冲变压器，进而控制可控硅的控制极。

在本板的面贴上有显示6个PWM脉冲的灯，同时信号又回送到74HCT541输入电路，进入励磁调节DSP处理板10的D0-D7的数据总线。

有关励磁的检测信号，如失脉冲、故障告警等信号也通过此本板，RC(R＝10K，C＝0.1uf)滤波，通过光电隔离器TLP521-4和74HC14思密特整形电路，送入74HCT541到励磁调节DSP处理板10的D0-D7的数据总线。

7.通讯功能

系统与外界的通信在系统控制DSP处理板9上进行。板上有2路RS485接口和1路以太网接口(RTL8019AS芯片)，RS485可接入外界的具有RS485通信接口的网络设备；以太网接口可与具有以太网通讯的网络设备进行通讯，执行的协议是TCP/IP，这样就可以与通讯功能单元5通讯。

8.显示功能板

显示功能板4在面板上有2块，1块用于励磁调节(由励磁调节DSP处理板10控制)；另1块用于系统控制(系统控制DSP处理板9控制)。2块显示功能板的硬件完全一致。

由DSP处理板的数据线D0-D7，到本板的74HC245对显示功能板进行数据的写出和读入；写出为74HC245到液晶显示片，并通过74HC574点亮相关的发光二极管；读入为面板上的9只功能开关到74HCT541后经74HC245进入DSP处理板的数据线D0-D7。

9.DSP处理器板

系统控制处理器板由2块组成，1块系统控制DSP处理板9，1块励磁调节DSP处理板10，处理板使用的处理器是TI公司的32位DSP芯片2812，芯片2812的引脚为176只，内置16通道12位A/D转换片，主频是150Mhz；DSP处理板由1片DC/DC变换芯片(PS767D318，完成由5V直流电源转换为3.3v和1.8v供DSP专用)；1片256K的16位存贮片(IS61LV25616)；SPI串行存储片为1片256Kb的串行铁氧体存贮片(FM33256)和1片AT45DB081D-SU芯片(FLASH)；片外A/D转换由2片16通道12位A/D的AD7891/FP组成；通过光电隔离器6N136和MAX485E组成2路的RS485通讯接口；1片以太网接口芯片(RTL8019AS)和16位的数据总线接口片74LVT162245到总线完成与外部功能板的数据交换；逻辑组合控制由GAL16V8D和其他一些接口片完成。

板内电源：由于TI公司的32位DSP芯片2812的内部工作电源为1.8v，对外的工作电源为3.3v及SPI接口的存储片FM33256和AT45DB081D-SU。系统的电源板提供的5V电源，经过1片DC/DC变换芯片(PS767D318)输出通过L1、L2电感(1Mh)和E1、E2电解电容滤波(22Uf)及0.01uf的高频电容滤波。PS767D318芯片的23、24脚并联输出1.8v，17、18脚并联输出3.3v。

板内存储分为2部分：1部分为数据区1片256K的16位存贮片(IS61LV25616)，使用DSP处理器XZCS2的片选88脚，包括常用数据、工作单元等。2部分为出厂数据FM33256，片选为为DSP处理器的140脚和故障数据的录波AT45DB081D(4096页*256字节/页)，片选为DSP处理器的20脚，SPI的数据和控制为DSP处理器的40、41、34脚。

板内A/D转换分为2部分：1部分为DSP处理器的内部16通道12位A/D转换。另1部分使用片外的2片16通道12位A/D的AD7891/FP，只使用A通道。片选从组合逻辑芯片GAL16V8D的12、13脚。

板内通讯分为2部分：1部分是1路以太网接口RTL8019AS，接受数据中断INT0进入DSP处理器的150脚，片选从从组合逻辑芯片GAL16V8D的14脚，SA0-SA4为选择内部寄存器命令。2部分是2路的RS485接口MAX485E，接口MAX485E片的控制分别由DSP处理器的45脚(T/RA)和46脚(T/RB)经过OC2(TLP121)、OC5(TLP121)光电隔离进行控制；在接口MAX485E片的内侧由DSP处理器的TXDA/TXDB和RXDA/RXDB(155、90脚和157、91脚)通过光电隔离OC3/OC6和OC1/OC4(6N136)，74HC14的整形电路到接口MAX485E片的4和1脚；在接口MAX485E片的外侧的线路上有RC滤波(2只3.9k的电阻和1只0.1uf的电容)，2只10V的稳压管为线路幅度保护，1只120欧的RS485线路的匹配电阻。

板内测试接口JTAG：为调试和测试用。使用的信号在DSP处理器上为TRES(135脚)、TCK(136脚)、TMS(126脚)、TDI(131脚)、TDO(127脚)、EMU0(137脚)、EMU1(146脚)。

本实用新型的控制方式按分层进行，上位机为主控层，现地为控制层。他们之间采用通过以太网通讯方式进行联接。考虑到通讯的可靠性和可维性，控制层的屏柜内部采用485通讯总线，外部使用基于以太网网络和主控层的通讯网络进行通讯。控制层配合主控层完成实时、准确、有效地完成对机组的被控对象的安全监控。主控层的主要功能有：

(1)完成控制层的数据采集和处理

(2)运行监视及事件报警

(3)控制与调节

(4)运行操作指导，运行参数统计记录与生产管理(包括事件顺序(SOE)记录)

(5)人机接口(包括画面显示、语音报警、打印等)；

(6)网络数据通信

(7)系统自诊断与冗余切换、系统自动重启动

(8)软件开发与维护

主控层也可通过通讯方式与电力载波机或企业的局域网连接，完成远程的调节、控制和维护。做到“无人值守或少人值守”。

1.励磁调节功能

要使发电机安全和稳定的运行，发电机励磁系统的性能是关键。在系统中，励磁调节有专用的32位DSP处理器承担控制与运算任务。信号采样为交流采样，提高了信号测量的准确性和有效性，通过控制算法能实时有效地对发电机的参数进行动态调节。同时，对励磁的接地保护等功能。为实现机组自动控制，要求励磁调节至少具有以下功能：

(1)自动起励。

(2)电压调节带有远动增减，带有增、减按钮。

(3)带有励磁开关。

系统采用可控硅自并激励磁方式。它具有调节范围宽、电压和无功调整方便、反应速度快等特点，将取代老式的励磁机、三次谐波、电抗分流、相复励等励磁方式，特别对于需要上网的小型发电机组尤为迫切，因为可控硅励磁可以克服老式励磁的上网困难、无功发不足所造成的经济损失问题，对提高电站经济效益有明显的作用，因此也吸引着老电站的更新改造。

调差功能是为了并列运行机组的合理分配无功而设置的。起励采用残压起励和它励起励。残压起励不需要外设辅助电源，它是通过起励开关投入，利用机组残压(约1.5％)直接经半波整流加入转子。它励起励为当机组失磁时可通过它励起励充磁并起励。利用外部厂用电源AC220V经半波整流后加入转子，使装置起励。

机组需要停机时的使转子能量尽快释放所采取的措施称为灭磁。灭磁方式很多，根据目前先进的灭磁方式，系统设计采用的最佳方式为逆变灭磁或线性电阻，通过调节可控硅使转子能量较块地消失。灭磁时间短而安全可靠。

发电机并网后，励磁调整主要是调整无功功率，一般不希望功率因数太低(调相运行除外)和励磁电流超过额定值。

2.发电机保护功能

发电机的保护也是系统的重要组成部分，使用32位DSP处理器作为控制核心。保护可通过网络或485通讯接口与其他设备连接。具有记忆最新8套故障波形，记录故障前2个周波，故障后4个周波，可在装置上查看、显示故障波数据，进行故障分析，也可上传当地监控或调度和“四遥”功能。中文汉化液晶显示，人机界面友善，操作方便。

发电机后备测控保护功能：

1)二时限复合电压过流保护

2)过负荷告警

3)负序过流保护

4)失磁保护

5)低电压保护

6)过电压保护

7)低频保护

8)过频保护

9)逆功率保护

10)CT断线报警

11)PT断线报警

12)控制回路断线报警

保护可通过液晶屏设定需要保护的各种参数值，包括时间、频率、电流等等，灵活性和可靠性于一体。其数据通过通讯接口上传到上位机或中控室。

3.调速器电气控制功能

水轮机的调速，可根据机组频率和网频的情况，控制导水机构的开度。主要功能是测量机组和电网的频率，按PID规律对频差进行运算，产生具有PID规律的调节信号，实现频率、开度和功率多种调节模式。系统可实现开停机操作和电气开限等功能。

1)液压随动系统：其功能是将DSP的输出电气信号，通过数字阀及油缸成比例地转换机械位移信号；推动水轮机导水叶机构运动，控制进入水轮机水量，实现对转速和负载的调节，是调速器的执行机构。

2)压力油源：它由油泵、电机、皮囊式蓄能器组成。是调速器的压力油

源，与常规调速器的油压装置不同，不仅油压高，而且油与气分离的。

3)技术性能

符合国家“水轮机调速器及油压装置技术条件”GB/T9652.1-1997的要求。各项调节参数均可通过人机对话进行修改。

4.自动准同期功能

发电机组并网需对机组、电网的频率、电压、相位进行交流的测量，在达到一定的条件时才能进行，否则，会造成冲击电流过大，并列点的电网电压瞬间下降可造成机组的损坏。系统对电网和机组的频率、电压、相位进行交流采样测量，根据偏差的情况进行调节，控制合闸时间。

5.涉及的关键技术

软件控制算法：由于采用了150MHz主频的DSP处理器，在工频周波内对交流可进行多点采样，可以大大提高采样的准确性和软件控制算法处理的及时性，可控性。对于电力控制中的时间控制、多种电力算法控制可有效的进行。基于TCP/IP的电力网络通讯。

Claims (7)

1.水电低压机组自动控制系统，包括系统控制处理板，其特征在于所述的系统控制处理板包括系统控制DSP处理板(9)和励磁调节DSP处理板(10)，所述的系统控制DSP处理板(9)和励磁调节DSP处理板(10)相应的接口上设置连接电源板(1)、交流功能板(2)、显示功能板(4)、PWM功能板(6)、I/O输出功能板(7)和I/O输入功能板(8)。

2.如权利要求1所述的水电低压机组自动控制系统，其特征在于所述的系统控制处理板的相应接口连接直流功能板(3)。

3.如权利要求1所述的水电低压机组自动控制系统，其特征在于所述的系统控制处理板上通过设置RS485接口和以太网接口与通讯功能单元(5)连接。

4.如权利要求1所述的水电低压机组自动控制系统，其特征在于所述的系统控制处理板上相应的接口可设置连接1块或1块以上的I/O输出功能板(7)。

5.如权利要求1所述的水电低压机组自动控制系统，其特征在于所述的系统控制处理板上相应的接口可设置连接1块或1块以上的I/O输入功能板(8)。

6.如权利要求1所述的水电低压机组自动控制系统，其特征在于所述的电源板(1)为交流/直流开关电源。

7.如权利要求1所述的水电低压机组自动控制系统，其特征在于所述的交流功能板(2)外接电压互感器和电流互感器。

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