专利名称：水电低压机组自动控制系统的制作方法
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、P丽功 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。
3[0009] 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。
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-P丽功能板；7-1/0输出功能板；8-1/0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、P丽功能板6、 I/O输出功能板7和1/
0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
4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. luf)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. luf)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. luf)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. luf)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. luf) 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l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. luf)和5. IV的稳压管进入到运放0P07 (其中有2路的4-20mA电流信号在0P07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。[0035] 4. 1/0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O. luf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. 1/0输出功能板 1/0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/0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O. luf和释放二极管1N4148 ;继电器的触点为5A的电 流可通过。 6. P丽功能板 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P丽脉冲。 同步变压器AC24V信号TAa， TBb， TCc经过RC(R = 1K， C = luf)滤波和双向限幅 (SA6. OCA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P丽脉冲的同步。 由励磁调节DSP处理板10的专用P丽引脚92-95展卩、98脚、101脚产生受控的P丽 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P丽脉冲的灯，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 = IOK，C = 0. luf)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
6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);片夕卜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. Oluf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l部分是l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0C2 (TLP121) 、 0C5 (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0C3/0C6和0C1/0C4(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. luf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)、TD0(127脚)、EMUO (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
7[0062] (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(S0E)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 [OOSS] (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[0084] 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 IO)CT断线报警 ll)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。
权利要求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1/0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1/0输入功能板(8)。
6. 如权利要求l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。
专利摘要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。
文档编号H02P9/14GK201515345SQ200920196099
公开日2010年6月23日 申请日期2009年9月10日 优先权日2009年9月10日
发明者徐亮, 鲍建江 申请人:杭州西湖电力电子技术有限公司