一种山区小水电站的监测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种山区小水电站的监测系统，它的组成包括：电气设备运行参数监测与发射装置(1)，GPRS网(2)，Internet网络(3)，监测中心计算机(4)，其特征在于：电气设备运行参数监测与发射装置(1)，将监测的小水电站的电气设备运行参数定时或者将异常参数通过GPRS网(2)与Internet网络(3)发送至监测中心计算机(4)，参数出现异常时，监测中心计算机(4)通过其内的GIS系统(5)电气设备运行参数监测与发射装置(1)的GPS模块(6)实施故障定位。适合山区密集的小水电站发布，节约大量的人力资源成本，不需要重复建设基础设施节约系统的投入成本；建立统一的监测平台，优化本地区的电力系统运行，科学合理进行电力资源的优化与调度。
【专利说明】
一种山区小水电站的监测系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及发电变电站的电气设备运行参数监测，尤其是小水电站的电气设备运行参数监测。
【背景技术】
[0002]我国拥有丰富的水能资源，其中小水电资源的开发潜能非常大，但是小水电站主要集中在偏远、封闭的山区，技术装备普遍落后。机电设备陈旧老化，先进技术应用较少，自动化程度较低，完全靠人工对机组的运行情况进行现场的监控和管理，且工人的工作环境恶劣、劳动强度大、事故频繁、生产效率低下，总体运行维护水平低。
[0003]从上个世纪六七十年代开始，随着我国电网电力设备的不断建设，全国范围内各个城乡包括偏远山区已经全面实现了供电，极大的方便了山区和各个城乡居民的生活和生产劳动。但是由于电力线路建设初期，电力设备的不稳定和性能的缺陷、自然环境的恶劣以及设备的老化故障等等，经常发生大面积的停电事故，对人们的正常生产和生活产生了巨大的影响。此类大面积停电事故的发生，使得人们开始认识到要从电网整体和区域的不同角度对电网加强继电保护和自动控制，加强对供电系统的故障切除和自动保护功能，从而使得电网能够继续发挥优势，为人们的生产生活提供诸多便利。
[0004]通过物联网技术的应用，进一步提高这些电力设备的互连互通能力；同时，提升小水电站的配电系统的智能化程度，使之能够监测到设备的运行参数从简单的故障判断切除，提升到具有用电情况分析等高级功能;此外，建立网上统一的操作监视平台和故障的快速定位会更好地发挥作用。
【实用新型内容】
[0005]针对上述情况，提出一种山区小水电站的监测系统，具体技术方案如下:
[0006]1.—种山区小水电站的监测系统，它的组成包括:电气设备运行参数监测与发射装置1，GPRS网2，Internet网络3，监测中心计算机4，工作过程:电气设备运行参数监测与发射装置I，将监测的小水电站的电气设备运行参数定时或者将异常参数通过GPRS网2与Internet网络3发送至监测中心计算机4，参数出现异常时，监测中心计算机4通过其内的GIS系统5电气设备运行参数监测与发射装置I的GPS模块6实施故障定位。
[0007]2.电气设备运行参数监测与发射装置I，它的组成为一组电气设备运行参数监测传感器8，信号调理电路9，微处理器1，GPS模块6和GPRS天线模块7，电源模块11，一组电气设备运行参数监测传感器8采集水电站电气设备运行参数，通过信号调理电路9输入至微处理器10，经微处理器10处理，由GPRS天线模块7发射出去。
[0008]3.—组电气设备运行参数监测传感器8，分别为接入点A、B、C三相电流电压传感器，有功功率传感器，无功功率传感器，功率因数传感器，分界断路器开关的开合状态监测传感器，过电压监测传感器，单项接地故障监测传感器，相间短路故障监测传感器。
[0009]4.微处理器10是DSP微处理器或者ARM处理器。
[0010]本实用新型能够取得的积极技术效果如下:
[0011]I)适合山区密集的小水电站发布，节约大量的人力资源成本。
[0012]2)利用现有的GPRS、Internet、GPS、GIS的基础设施，不需要重复建设基础设施节约系统的投入成本。
[0013]3)建立统一的监测平台，可以优化本地区的电力系统运行，科学合理进行电力资源的优化与调度。
[0014]4)快速进行故障定位，能够保证电网可靠运行。
【附图说明】
[0015]图1是山区小水电站的监测系统组成图。
[0016]图2是电气设备运行参数监测与发射装置组成图。
[0017]图3是ADE7878外围电路。
[0018]图4是电流电压信号调理电路。
[0019]图5是电源供电系统设计。
[0020]图中:电气设备运行参数监测与发射装置1，GPRS网2，Internet网络3，监测中心计算机4，613系统5，6?3模块6，6?1?天线模块7，一组电气设备运行参数监测传感器8，信号调理电路9，微处理器10，电源模块11。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图具体说明如何实施。
[0022]1.山区小水电站的监测系统的工作过程
[0023]如图1所示，它的组成包括:电气设备运行参数监测与发射装置，GPRS网，Internet网络，监测中心计算机，工作过程:电气设备运行参数监测与发射装置，将监测的小水电站的电气设备运行参数定时或者将异常参数通过GPRS网与Internet网络发送至监测中心计算机，参数出现异常时，监测中心计算机通过其内的GIS系统电气设备运行参数监测与发射装置的GPS模块实施故障定位。
[0024]2.电气设备运行参数监测与发射装置
[0025]电气设备运行参数监测与发射装置组成如图2所示，具体实施以下:
[0026]2.1芯片的选择
[0027]系统的核心芯片的选型很大程度上决定了系统的性能和系统的成本。这两个因素也是在整个选型过程中需要权衡的重要方面。本次设计的小水电站的监测系统基本要求如下:
[0028]I)障发生到响应输出控制信号的响应时间不能大于15ms (控制系统要求小于50ms，而继电器等器件响应大约在35ms)，因此在这过程中需要完成采样和数据的计算处理，要求处理器的速度比较快；
[0029]2)主控制器要通过SPI通信的方式获取外部采样芯片的采样实时数据，这要求主控芯片首先具有SPI通信模块，其次SPI模块的通信速度要越快越好，这样获取采样数据的速度就越快；
[0030]3)主控制器要通过UART串行的方式和ZigBee模块、GPRS模块S頂900A、PC端进行数据交换，从而进行人机交互操作。因此，选择的主控芯片需要至少拥有3路串行通讯口；
[0031]4)主控制器需要通过I2C总线和实时时钟模块和铁电存储模块进行数据交互，通讯速度可以按照I2C标准速度进行。因此，选择的主控芯片需要包含至少I路I2C模块，将两个从器件挂在I2C总线上，进行数据交互；
[0032]5)主控制器需要获取外部的开关状态信息，同时需要将控制信息输出到外部的被控器件，因此I/O端口是必须的。根据系统的要求，需要至少8路状态输入(其中4路需要有中断功能的端口)和8路状态输出；
[0033]6)主控制器需要将大批量数据(大约16K)进行定时的快速存储，读写速度最好和RAM接近，且数据更新速度为Ims—次，频率要求很高。因此，需要主控芯片最好内部带有大容量的RAM空间进行数据的存储，同时需要主控制芯片具有内部定时器。
[0034]7)主控制器开发周期较短，最好选用熟悉的芯片，开发风险低，开发过程快速。同时，便于将来的二次开发和升级，同时需要性能优异，便于将来升级时移植进入操作系统，便于开发维护。
[0035]基于以上的控制器需求，选用目前比较主流的ARM7核的控制芯片是比较有利的。ARM7TDM1-S处理器最高可在72MHz的工作频率下工作，同时内部FLASH存储空间高达512kB，便于存储大规模的程序甚至操作系统。同时，具有系统编程(ISP)和应用编程(IAP)模式，便于程序开发和调试。同时，在ARM局部总线上有32kB的SRAM，在以太网模块中的16kB静态RAM和USB接口中的8kB静态RAM都可以用作SRAM，来提供应用程序高性能快速的CPU访问，完全可以满足系统设计的要求。ARM7TDM1-S处理器同时具有先进的向量中断控制器，可以支持多达32个向量中断。4个通用定时器可以完成系统的定时任务。看门狗定时器可以防止系统在收到电磁干扰跑飞程序的情况下自动复位重启。标准的ARM测试调试接口，与现有调试测试工具兼容。在这ARM7TDM1-S系列处理器中再根据系统要求的一些端口和通讯模块功能、性能和价格等综合考虑选择LPC2366为主控制器的主控芯片。除了上述特点和功能外，它还具有10/1 OOEthernet、USB2.0全速接口、I路SPI接口、4路UART接口、2个同步串行接口 SSP、3路I2C接口等完全满足系统设计要求。其中LPC2366采用的是32位ARM7TDM1-S处理器，具有标准的32位ARM指令集和16位THUMB指令集，便于程序开发。
[0036]2.2采样模块电路设计
[0037]在ADE7878外围电路设计过程中，基本参照芯片手册的推荐电路进行设计。如图3所示其中，VDD引脚为ADE7878提供电源，电源应该保持在3.3V± 10%的工作电压。DVDD引脚连接到片内数字部分LDO 2.5V输出，所以对地接0.1uF和4.7uF的电容。AVDD引脚连接到的是片内模拟部分的LDO 2.5V输出，同样对地接0.22uF和4.7uF的电容。其中PMO和PMl引脚为芯片工作模式控制引脚，连接到主控芯片的I/O 口 iESET引脚低电平有效，用于复位ADE7878，同样连接主控芯片I/O口。IAP和IAN、IBP和IBN、ICP和ICN、INP和INN为四组电流模拟输入通道，输入的应为差分电压信号，最大幅值不超过±0.5V。同样VN、VCP、VBP、VAP为电压模拟输入通道，输入的是单端电压信号，最大输入信号也为±0.5￥。55、1051、1050、50^为一组SPI接口，用于和外部进行数据交换[i]<JRQ0和IRQl为中断输出口，低电平有效，应接主控芯片的中断I/O口。REF引脚提供对片上基准电压的访问，可以连接两去耦电容到AGND。CLKIN和CLKOUT能够为ADE7878提供时钟源，外接16.384MHz晶体振荡器。
[0038]ADE7878采样芯片输入的是±0.5V的电压信号，如何使外部的电流电压互感器中的大电流大电压信号能够被ADE7878所接受，这就需要信号调理电路。信号调理电路的设计如图4
[0039]所示。前端的电流互感器采用的是CT43B402交流电流采样器。它可以将被测交流电流隔离转换成同频率同相的交流电流信号。支持输入信号线性范围0%?120%标称输入，线性误差0.08%，输入频响25Hz?5kHz，过载能力30倍标称值持续5秒。该电流互感器的输入/输出标称变比为2000:1。电压互感器采用的是PT43B402交流电压采样器。它可以将被测交流电压隔离转换成同频率同相的交流电流信号。支持输入信号线性范围0%?120%标称输入，线性误差0.08%,输入频响25Hz?5kHz，过载能力2倍标称值可持续。对于电流信号IA来说，从外部经过电流互感器之后，进行了 2000倍的缩小，然后通过电阻R65和R67，其两端的电压信号进入ADE7878采样芯片，同时，这信号通过R66、R68、C54、C56组成的电阻电容滤波网络，滤除高频噪声。对于电压信号VA来说，通过Rl高精度电阻，转成电流信号从电压互感器出去，此电流信号最大为1mA，因此对于测量多大的电压需要配合适当的电阻Rl，电流信号再通过电阻R79转成电压信号，输入ADE7878采样，其中电容C70起到滤除高频噪声作用。
[0040]2.3电源模块电路设计
[0041]在小水电站的监控系统的硬件设计时，由于将强电部分的输入输出模块电路和以主控芯片为主的信息处理部分电路分开，因此在电源设计时也需要考虑电源在两块电路板上的分布和连接关系(如图3、图4)。在输入输出模块的电路板中，从外部开关电源获取三路相互隔离的直流电压:220V、24V、25V。其中220V电压用于控制驱动分合闸电机，仅存在于输入输出模块电路板中。24V电压用于继电器的控制以及通过电压转换芯片转成5V电压提供主控芯片电路板的正常工作。5V电压在主控芯片电路板中再通过电压转换芯片转成3.3V提供LPC2366、采样芯片ADE7878等主要芯片使用，同时转换成4V电压供GPRS模块S頂900A工作。输入输出模块电路板中的另一路25V电压主要提供该板子上IGBT控制芯片F0D3120的正常工作。
[0042]2.4 GPRS天线通信模块
[0043]本系统采用S頂900A来完成GPRS无线通信功能，通过UART接口与LPC1778主芯片连接，主芯片将需要传输的协议通过UART发给S頂900A，然后由S頂900A往外发出，工作方式简单、可靠。SIM900A的工作电压为3.2V?4.8V ；在AT指令中选择TCP或者IP通讯协议；有42.8kbps的最大上行、85.6kbps的最大下行速率；自带S頂卡接口 [ii][iii][iv] APRS无线通讯模块的外围电路设计如图5所示，主芯片的TXD、RXD引脚分别与S頂900A的RXD、TXD相连接；通过主芯片的1 口控制驱动电路来使能S頂900A;用1口开控制S頂900A的复位。
[0044]2.5 GPS模块
[0045]全球卫星定位系统(GPS)是美国于1988年建立并运用于军方的卫星导航定位系统。目前，拥有GPS接收机的用户在全球范围内任意地点使用该系统，可以实现全天候实时导航定位与测速。此外，用户还可以利用全球卫星定位系统的授时功能进行高精度时间校准。
[0046]供配电网中的电力设备提供精确时间。由于电力设备的数量不断增加，尤其是新能源设备的科技含量不断提高，为保证电网的正常运行，监控中心和配电站对时钟的统一性有了更严格的要求，时钟的精确和统一对于电力系统的正常工作十分重要。GPS可以提供精确统一的时间，能够很好的解决这一难题。
[0047]定位单元在本系统中要完成两个任务，一是坐标定位，二是时间同步。针对坐标定位的精度要求，选择GPS芯片时除了根据需要的精度选择单、双频外，还需要注意以下几个方面:功耗、内存、频道数、采样率和输出数据格式。
[0048]针对时间同步，目前使用较多的公共时间基准主要有三种形式:无线广播电台授时信号、卫星授时信号和电视时钟信号。无线广播电台的短波授时可实现误差在ms级的时间传递，长波授时可实现误差在us级的时间传递;卫星授时信号的最小误差可在纳秒以内；电视时钟信号一般可实现误差小于1us的时间传递。上述所述的三种时间同步中，卫星授时方式的时间同步技术在传递精度、覆盖范围上都是最优的。
[0049]基于以上的分析，最终选用了性价比较高的NEO—SQ，由瑞士U—blox生产，具有独立的其中最新的GPS卫星信号搜索技术，具有高抗干扰性能，能够在接收信号的任意地区范围内快速获取信号并进行准确定位。近几年来，U—bloxGPS—直以设计简单、工作高效、维护方便而深受青睐，在各领域得到广泛应用。
[0050]利用GPS高精度、高可靠性的坐标定位和同步时间，对故障断路器的跳闸动作进行记录并搜索坐标，进行故障地点定位，为后续维修提供可靠依据，缩短整个维修时间，减小损失。
[0051]2.6 GIS技术
[0052]地理信息系统(GIS)是在计算机硬件、软件及网络支持下，对现实世界中有关空间数据及描述这些空间数据特性的属性进行预处理、输入、存储、查询检索、处理、分析、显示、更新和提供应用以及在不同用户、不同系统、不同地点之间传输地理数据的计算机信息系统。GIS根据自身内容来划分，通常由两种基本类型组成:工具型与应用型。这两类运用于不同的系统要求上，其特点在于将坐标位置、地理信息及其相关属性通过地理编码的形式整合为检索的关键词。这种数据存储和信息处理的独特方式不同于其他任何系统。
[0053]地理信息系统技术(GIS)在我国近些年电力方面研究相对较少，且比较落后。现代配电网系统的特点是设备日益庞大、功能复杂、数量众多，针对电网中大量的属性信息，需要统一管理并随时调用，而且正在从过去的主要集中在配电系统管理，向输变电与配电于一体的供配电自动化系统管理的方向发展。针对电网信息的时空属性，要能够时刻提供完整、准确的相关信息，也就是能够将收集和存储的属性信息进行统一管理并随时调用，实现整个系统的信息共享。这些都对数据采集、存储、查询提出了更加严格的指标，要解决这些问题的最好方法就是利用最新发展的地理信息系统技术在故障断路器地理定位上使用GIS技术，还未检索到文献涉及到。本实用新型将把这一技术应用在故障断路器的定位上，它可以实现断路器信息数据和监控中心数据库系统的匹配查询，发挥其强大的信息处理能力和数据显示功能，同时能够有效结合坐标位置、电子地图和数据库系统，完成综合管理。
[0054]3.监测中心计算机
[0055]根据用户操作的需要，需要小水电站的监测系统根据命令上传自己的运行参数等维护信息，包括:设备编号、数据中心网络地址、小水电站的监测系统工作情况、设定工作参数(设定的越限值、延时保护时间等)。同时需要小水电站的监测系统根据用户的直接命令进行相关的分合闸保护动作。当客户端主机或者现场遥测器通过操作界面向指定设备编号的设备发送分合闸命令时，能够准确无误执行动作。为了防止误操作，小水电站的监测系统需要分步判断执行，即选择、校核口令和权限、执行动作。当指令发出响应并执行动作后，需要立即上报该事件并在客户端给予显示相关操作信息。基本技术指标如下:
[0056]I)指令遥测响应时间<5s;
[0057]I)指令遥测响应时间<5s;
[0058]2)远程通讯中断后重新建立时间<5min。
[0059]数据存储分为小水电站的监测设备本地实时数据的更新和存储以及数据中心的数据更新和存储两部分。小水电监测系统设备本地的实时数据需要不断更新替换，以保证异常故障事件发生后能够调出故障发生前2秒钟内的电网电流电压等数据。在数据中心，得到上传的实时数据后，需要保存在数据库中。对于运行数据，需要为每一个小水电接入点每月建立一张小水电运行数据记录表，每当收到一条新的运行数据时就需要添加到该表中。对于异常故障事件，需要为每一个小水电站的每年建立一张异常故障事件表，同样每次更新。对于每一次的小水电站的监测系统参数改变时又需要建立相应的维护信息表。基本技术指标如下:
[0060]I)储异常报警事件发生前2s内的电网电流电压数据；
[0061 ] 2)在数据中心存储运行数据(电网三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、分界短路开关状态等)和异常报警事件；
[0062]3)数据最大容量>300GB;
[0063]4)历史运行数据保存时限>12个月；
[0064]5)历史故障报警事件保存时限>18个月。
【主权项】
1.一种山区小水电站的监测系统，它的组成包括:电气设备运行参数监测与发射装置(I)，GPRS网(2) ,Internet网络(3)，监测中心计算机(4)，其特征在于:电气设备运行参数监测与发射装置(I)，将监测的小水电站的电气设备运行参数定时或者将异常参数通过GPRS网(2)与Internet网络(3)发送至监测中心计算机(4)，参数出现异常时，监测中心计算机(4)通过其内的GIS系统(5)电气设备运行参数监测与发射装置(I)的GPS模块(6)实施故障定位。2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于:所述的电气设备运行参数监测与发射装置(I)，它的组成为一组电气设备运行参数监测传感器(8)，信号调理电路(9)，微处理器(10)，GPS模块(6)和GPRS天线模块(7)，电源模块(11)，一组电气设备运行参数监测传感器(8)采集水电站电气设备运行参数，通过信号调理电路(9)输入至微处理器(10)，经微处理器(10)处理，由GPRS天线模块(7)发射出去。3.根据权利要求2述的监测系统，其特征在于:所述的一组电气设备运行参数监测传感器(8)，分别为接入点A、B、C三相电流电压传感器，有功功率传感器，无功功率传感器，功率因数传感器，分界断路器开关的开合状态监测传感器，过电压监测传感器，单项接地故障监测传感器，相间短路故障监测传感器。4.据权利要求2述的监测系统，其特征在于:所述的微处理器(10)是DSP微处理器或者ARM处理器。
【文档编号】G01D21/02GK205539227SQ201620045021
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月14日
【发明人】秦亚杰, 朱建良
【申请人】南京理工大学