一种基于计算机控制的水轮机自动调速器控制系统的制作方法

本发明属于调速器控制系统技术领域，尤其涉及一种基于计算机控制的水轮机自动调速器控制系统。

背景技术：

目前，在化石能源不可再生且使用过程极易造成环境污染的背景下，世界各国都把发展可再生能源当做振兴经济的重要措施，中国也是如此，水电就是各国优先开发的可再生能源。而我国水电资源蕴藏量位居世界第一，主要富集于大江大河，需要用大型的水轮机组才能有效的开发。水轮机组发电最重要的环节就是自动调速器部分，因水轮发电机组输出的电量要随用电量的不断变化作不断调整，使其等于外界用电量，这便要求水轮机组的自动调速器能够做到精确的控制。

现今的水轮机组自动调速器的控制系统智能化程度不高，且只能调整，在出现故障时无法及时确定故障点，控制系统中的电子设备极易受到电磁干扰，对于水轮机组的精确运转是一大隐患。

技术实现要素：

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种计算机远程控制的，智能化程度高，有效排除电磁干扰的，达到精确控制的一种基于计算机控制的水轮机自动调速器控制系统。

本发明是这样实现的，一种基于计算机控制的水轮机自动调速器控制系统，包括计算机，所述计算机通过数据线与单片机控制器连接；所述计算机通过GPRS网络与无线射频收发模块连接；所述单片机控制器的输入端分别与功率变送器模块、外部电网频率监测模块、滤波模块和电源模块的输出端电性连接；所述单片机控制器的输出端分别与信号接地模块、信号放大模块、位置监测模块和液位监测模块的输入端电性连接；所述单片机控制器分别与无线射频收发模块、数据存储模块、数据库模块和动态模拟模块电性连接；所述信号放大模块的输出端与电液伺服阀的输入端电性连接；所述位置监测模块的输出端分别与第一位置传感器、第二位置传感器和第三位置传感器的输入端电性连接；所述液位监测模块的输出端分别与第一液位传感器、第二液位传感器和第三液位传感器的输入端电性连接；

所述第一位置传感器设置在水轮机自动调速器的主配压阀上；

所述第二位置传感器设置在水轮机自动调速器的接力器上；

所述第三位置传感器设置在水轮机的导水机构上；

所述第一液位传感器设置在水轮机自动调速器的油压装置内；

所述第二液位传感器设置在水轮机自动调速器的回油箱内；

所述第三液位传感器设置在水轮机自动调速器的压力罐内。

进一步，所述单片机控制器设置有信号非线性变换模块，所述信号非线性变换模块对接收信号s(t)进行非线性变换，按如下公式进行：

其中A表示信号的幅度，a(m)表示信号的码元符号，p(t)表示成形函数，f_c表示信号的载波频率，表示信号的相位，通过该非线性变换后得到：

进一步，所述信号放大模块设置有

第一步，将Reived_V1或Reived_V2中的射频或中频采样信号进行N_FFT点数的FFT运算，然后求模运算，将其中的前N_FFT/2个点存入VectorF中，VectorF中保存了信号x2的幅度谱；

第二步，将分析带宽Bs分为N块相等的Block，N＝3，4，.....，每一个Block要进行运算的带宽为Bs/N，设要分析带宽Bs的最低频率为FL，这里FL＝0，则块nBlock，n＝1...N，所对应的频率区间范围分别是[FL+(n-1)Bs/N，FL+(n)Bs/N]，将VectorF中对应的频段的频率点分配给每个block，其中nBlock分得的VectorF点范围是[S_n，S_n+k_n]，其中表示每段分得的频率点的个数，而表示的是起始点，fs是信号采样频率，round(*)表示四舍五入运算；

第三步，对每个Block求其频谱的能量Σ|·|²，得到E(n)，n＝1...N；

第四步，对向量E求平均值

第五步，求得向量E的方差和

第六步，更新标志位flag，flag＝0，表示前一次检测结果为无信号，此种条件下，只有当σ_sum＞K2时判定为当前检测到信号，flag变为1；当flag＝1，表示前一次检测结果为有信号，此种条件下，只有当σ_sum＜K1时判定为当前未检测到信号，flag变为0，K1和K2为门限值，由理论仿真配合经验值给出，K2＞K1；

第七步，根据标志位控制后续解调线程等是否开启：flag＝1，开启后续解调线程等，否则关闭后续解调线程。

进一步，所述计算机设置有睡眠调度和覆盖补偿覆盖保持模块，所述睡眠调度和覆盖补偿覆盖保持模块的睡眠调度和覆盖补偿的覆盖保持方法包括：

步骤一，确定邻居节点数：节点广播HELLO消息给周围节点，节点记录接受到的不同的HELLO消息的数目从而得到本身的邻居节点数N；

步骤二，估计节点冗余度：利用邻居节点数N得到节点冗余度的期望值为：

当E(η_N)≥α时认为是绝对冗余节点，当1-α＜E(η_N)＜α时为相对冗余节点，0≤E(η_N)≤1-α时为非冗余节点，其中，α为预先设定的阈值；

步骤三，估计节点经过信息交换阶段之后的剩余能量：发送机每传1bit信息消耗能量：E_elec-te，接收机每接收1bit信息消耗能量：

E_elec-re，且有E_elec-te＝E_elec-re；每传输1bit信息通过单位距离发送端放大器需消耗的能量：E_amp，发送端发送kbits信息到距离d的接收端需消耗的能量为E_elec-te*k+E_amp*k*d²，接收端接收kbits信息消耗能量为：E_elec-re^*k；具有m个邻居节点的节点需要在信息交换过程中消耗的能量为：

(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*m+(E_elec-re*k)*m；

在信息交换过程之后具有m个邻居节点的剩余能量为：

E_est1＝E1-(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*m-(E_elec-re*k)*m，其中，E1为信息交换前的节点的实时能量；

步骤四，发现潜在的死亡节点：如果节点能量满足：则为潜在的死亡节点，其中，为一个时间段内消耗的平均能量；

步骤五，节点信息交换：每个节点将包含本身的冗余度信息和是否为潜在的死亡节点的信息广播给所有的邻居节点；

步骤六，非潜在死亡节点估计是否可以移动到潜在的死亡节点的位置；

估计信息交换消耗的能量：所有可移动节点移动前要进行信息交换，此过程消耗能量为：

(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*L+(E_elec-re*k)*L，L为进行信息交换的节点的数目，k为信息的bit，d为信息传送的距离；

若节点移动，估计节点在移动后的剩余能量：

E_est2＝E2-(E_elec-_te*k+E_amp*k*d²)*L-(E_elec-re*k)*L-E_move*h，其中，h为移动到目标位置的距离，E2为移动前的节点的实时能量；

判断节点是否具有移动的能量：要求移动节点到底新位置后至少工作x个时间段，若节点能量满足：则此节点具有移动到目标位置的能量，否则，不具有此能力，其中，x为预先设定的阈值；

步骤七，决定移动节点：

根据如下规则在所有可移动的节点中选择最佳节点：

若在可移动节点中存在绝对冗余节点，根据目标距离判断，移动目标距离最小的绝对冗余节点；若存在多个绝对冗余节点的目标距离相等且均为最小，则再根据剩余能量E_est2的大小判断，选择剩余能量最大的节点；

若在可移动节点中只有相对冗余节点，则根据相对冗余节点的移动距离进行选择，相对冗余节点移动的距离为相对冗余节点的最大可移动距离，最大可移动距离是指在不影响覆盖区域的条件下节点可移动的最大距离，根据最大可移动距离确定相对冗余节点移动的目标位置；比较相对冗余节点的最大可移动距离，移动最大可移动距离最小的相对冗余节点，若存在多个相对冗余节点的最大可移动距离相等且均为最小，则再根据剩余能量E_est2的大小判断，选择剩余能量最大的节点，

步骤八，对剩余绝对冗余节点采用睡眠调度机制：在节点移动到目标位置后，将绝对冗余节点状态改变为睡眠。

本发明提供的基于计算机控制的水轮机自动调速器控制系统，通过计算机实现对水轮机自动调速器的远程控制，操作便捷，计算机只需通过数据线或GPRS网络便可与单片机控制器建立连接，单片机控制器可实时的接收来自各监测装置的监测信号，对照数据库模块判断水轮机自动调速器的运转情况，并反馈给计算机，外部电网频率监测模块可获取外部电网用电量的实时动态，并反馈给单片机控制器，滤波模块可对控制系统内电流输送过程中产生的电磁波进行过滤，信号接地模块可对来自外部的电磁波过滤导出，起到了电磁屏蔽的作用，为水轮机自动调速器提供了精确的运转环境。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于计算机控制的水轮机自动调速器控制系统结构示意图。

图中：1、计算机；2、数据线；3、单片机控制器；4、GPRS网络；5、无线射频收发模块；6、功率变送器模块；7、外部电网频率监测模块；8、滤波模块；9、电源模块；10、信号接地模块；11、信号放大模块；12、位置监测模块；13、液位监测模块；14、数据存储模块；15、数据库模块；16、动态模拟模块；17、电液伺服阀；18、第一位置传感器；19、第二位置传感器；20、第三位置传感器；21、第一液位传感器；22、第二液位传感器；23、第三液位传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合图1对本发明的结构作详细的描述。

本发明实施例提供的基于计算机控制的水轮机自动调速器控制系统包括计算机1，所述计算机1通过数据线2与单片机控制器3连接；所述计算机1通过GPRS网络4与无线射频收发模块5连接；所述单片机控制器3的输入端分别与功率变送器模块6、外部电网频率监测模块7、滤波模块8和电源模块9的输出端电性连接；所述单片机控制器3的输出端分别与信号接地模块10、信号放大模块11、位置监测模块12和液位监测模块13的输入端电性连接；所述单片机控制器3分别与无线射频收发模块5、数据存储模块14、数据库模块15和动态模拟模块16电性连接；所述信号放大模块11的输出端与电液伺服阀17的输入端电性连接；所述位置监测模块12的输出端分别与第一位置传感器18、第二位置传感器19和第三位置传感器20的输入端电性连接；所述液位监测模块13的输出端分别与第一液位传感器21、第二液位传感器22和第三液位传感器23的输入端电性连接。

进一步，所述第一位置传感器18设置在水轮机自动调速器的主配压阀上。

进一步，所述第二位置传感器19设置在水轮机自动调速器的接力器上。

进一步，所述第三位置传感器20设置在水轮机的导水机构上。

进一步，所述第一液位传感器21设置在水轮机自动调速器的油压装置内。

进一步，所述第二液位传感器22设置在水轮机自动调速器的回油箱内。

进一步，所述第三液位传感器23设置在水轮机自动调速器的压力罐内。

进一步，所述单片机控制器设置有信号非线性变换模块，所述信号非线性变换模块对接收信号s(t)进行非线性变换，按如下公式进行：

其中A表示信号的幅度，a(m)表示信号的码元符号，p(t)表示成形函数，f_c表示信号的载波频率，表示信号的相位，通过该非线性变换后得到：

进一步，所述信号放大模块设置有

第一步，将Reived_V1或Reived_V2中的射频或中频采样信号进行N_FFT点数的FFT运算，然后求模运算，将其中的前N_FFT/2个点存入VectorF中，VectorF中保存了信号x2的幅度谱；

第二步，将分析带宽Bs分为N块相等的Block，N＝3，4，.....，每一个Block要进行运算的带宽为Bs/N，设要分析带宽Bs的最低频率为FL，这里FL＝0，则块nBlock，n＝1...N，所对应的频率区间范围分别是[FL+(n-1)Bs/N，FL+(n)Bs/N]，将VectorF中对应的频段的频率点分配给每个block，其中nBlock分得的VectorF点范围是[S_n，S_n+k_n]，其中表示每段分得的频率点的个数，而表示的是起始点，fs是信号采样频率，round(*)表示四舍五入运算；

第三步，对每个Block求其频谱的能量∑|·|²，得到E(n)，n＝1...N；

第四步，对向量E求平均值

第五步，求得向量E的方差和

第六步，更新标志位flag，flag＝0，表示前一次检测结果为无信号，此种条件下，只有当σ_sum>K2时判定为当前检测到信号，flag变为1；当flag＝1，表示前一次检测结果为有信号，此种条件下，只有当σ_sum<K1时判定为当前未检测到信号，flag变为0，K1和K2为门限值，由理论仿真配合经验值给出，K2>K1；

第七步，根据标志位控制后续解调线程等是否开启：flag＝1，开启后续解调线程等，否则关闭后续解调线程。

进一步，所述计算机设置有睡眠调度和覆盖补偿覆盖保持模块，所述睡眠调度和覆盖补偿覆盖保持模块的睡眠调度和覆盖补偿的覆盖保持方法包括：

步骤一，确定邻居节点数：节点广播HELLO消息给周围节点，节点记录接受到的不同的HELLO消息的数目从而得到本身的邻居节点数N；

步骤二，估计节点冗余度：利用邻居节点数N得到节点冗余度的期望值为：

当E(η_N)≥α时认为是绝对冗余节点，当1-α＜E(η_N)＜α时为相对冗余节点，0≤E(η_N)≤1-α时为非冗余节点，其中，α为预先设定的阈值；

步骤三，估计节点经过信息交换阶段之后的剩余能量：发送机每传1bit信息消耗能量：E_elec-te，接收机每接收1bit信息消耗能量：E_elec-re，且有E_elec-te＝E_elec-re；每传输1bit信息通过单位距离发送端放大器需消耗的能量：E_amp，发送端发送kbits信息到距离d的接收端需消耗的能量为E_elec-te*k+E_amp*k*d²，接收端接收k bits信息消耗能量为：E_elec-re*k；具有m个邻居节点的节点需要在信息交换过程中消耗的能量为：

(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*m+(E_elec-re*k)*m；

在信息交换过程之后具有m个邻居节点的剩余能量为：

E_est1＝E1-(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*m-(E_elec-re*k)*m，其中，E1为信息交换前的节点的实时能量；

步骤四，发现潜在的死亡节点：如果节点能量满足：则为潜在的死亡节点，其中，为一个时间段内消耗的平均能量；

步骤五，节点信息交换：每个节点将包含本身的冗余度信息和是否为潜在的死亡节点的信息广播给所有的邻居节点；

步骤六，非潜在死亡节点估计是否可以移动到潜在的死亡节点的位置；

估计信息交换消耗的能量：所有可移动节点移动前要进行信息交换，此过程消耗能量为：

(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*L+(E_elec-re*k)*L，L为进行信息交换的节点的数目，k为信息的bit，d为信息传送的距离；

若节点移动，估计节点在移动后的剩余能量：

E_est2＝E2-(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*L-(E_elec-re*k)*L-E_move*h，其中，h为移动到目标位置的距离，E2为移动前的节点的实时能量；

判断节点是否具有移动的能量：要求移动节点到底新位置后至少工作x个时间段，若节点能量满足：则此节点具有移动到目标位置的能量，否则，不具有此能力，其中，x为预先设定的阈值；

步骤七，决定移动节点：

根据如下规则在所有可移动的节点中选择最佳节点：

若在可移动节点中存在绝对冗余节点，根据目标距离判断，移动目标距离最小的绝对冗余节点；若存在多个绝对冗余节点的目标距离相等且均为最小，则再根据剩余能量E_est2的大小判断，选择剩余能量最大的节点；

若在可移动节点中只有相对冗余节点，则根据相对冗余节点的移动距离进行选择，相对冗余节点移动的距离为相对冗余节点的最大可移动距离，最大可移动距离是指在不影响覆盖区域的条件下节点可移动的最大距离，根据最大可移动距离确定相对冗余节点移动的目标位置；比较相对冗余节点的最大可移动距离，移动最大可移动距离最小的相对冗余节点，若存在多个相对冗余节点的最大可移动距离相等且均为最小，则再根据剩余能量E_est2的大小判断，选择剩余能量最大的节点，

步骤八，对剩余绝对冗余节点采用睡眠调度机制：在节点移动到目标位置后，将绝对冗余节点状态改变为睡眠。

工作原理：该基于计算机控制的水轮机自动调速器控制系统，计算机通过数据线或GPRS网络直接控制单片机控制器，单片机控制器可实时接收分别来自各监测装置的监测数据，并反馈给计算机，动态模拟模块可根据各监测数据对水轮机自动调速器的运转情况进行动态模拟，并反馈给计算机，滤波模块和信号接地模块可对整个控制系统进行电磁波过滤和导出，提供了良好的控制环境，外部电网频率监测模块可监测外部电网用电量的变化，并反馈给单片机控制器，单片机控制器结合数据库模块对信号放大模块下达相应的指令，通过电液伺服阀可及时地调整水轮机自动调速器的运转，整个系统智能化程度较高，只需通过计算机便可对水轮机自动调速器直接控制以及实时监测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。