单位文秘网 2022-02-26 08:14:42 点击: 次
【摘 要】本文就目前小水电站存在运行管理落后、自动化程度低等问题,提出了采用集中监测的解决思路。根据集中监测系统的功能提出了设计方案。并对每个模块进行了设计思路的分析,希望通过这些剖析能够对读者提供参考。
【关键词】水电站;自动化;集中监测;单片机
0 引言
我国是一个小水电资源非常丰富的国家,而且分布十分广泛。近几年来通过国家实施的以小水电为基础的农村电气化建设、农网改造、送电到乡、光明工程等一系列项目,使小水电成了我国最大的优质可再生能源,形成了一个社会、环境和经济效益相结合的新的行业。但是目前绝大多数的小水电站存在运行管理落后、自动化监测水平低等问题。特别是有许多水电站还采用人工监测和控制模式,巨大的噪声干扰和辐射必将对人体健康产生影响。另外,人容易受环境、情绪、性格、疾病等诸多因素影响,本身就是一个不可靠因素,容易导致事故的发生。
本文就上述问题提出了小型水电站实施集中监测的解决方案,并对具体设计方案进行阐述。利用成熟的计算机技术、通信技术和传感器技术,对电站温度、电流、电压、功率等参数进行实时集中监测,实现电站的远距离控制,达到少人值班、甚至无人值班的运行模式。
1 系统设计要求
本系统主要作为水电站设备运行情况、电站环境、电量参数等的监测设备,因此必须具备的特点有以下几个方面:
1.1 必须有精确高效的电流、电压、功率检测系统。
1.2 必须对各个电路和电站设备进行温度检测,以防止事故发生。
1.3 必须对进出电站情况进行监测(主要监测人员或其他动物进出情况)。
1.4 必须有一个快速、便捷、高效的数据传输线路,以确保所得数据的准确性,便于控制。
2 系统设计方案剖析
根据系统设计的要求,系统必须具备电流、电压、功率等基本电参数的检测功能,具备对设备的温度检测功能,具备电站环境监测功能等,另外还需具备数据远距离传输功能。因此,系统分为检测系统和监视系统。检测系统主要完成上述数据的检测,其安装在电站;监视系统主要是对检测到的数据进行显示,有异常情况下实施报警,其安装在离电站有一定距离的监控室。
对于检测系统,其电路主要由主控电路、电参数检测电路、温度检测电路、环境监测电路、数据传输电路、数据显示电路、报警电路、系统复位电路等八部分组成。设计的方案可如图1所示。
图1 检测系统设计框图
对于监视系统,其电路主要由主控电路、数据通信电路、数据显示电路、报警电路和系统复位电路组成。设计方案框图如图2所示。
3 模块电路设计思路剖析
电路的设计分模块进行,本文针对几个主要电路提出设计思路,供读者参考。
图2 监视系统设计框图
3.1 主控电路设计思路
对于检测系统,主控电路的主要功能有以下一些:完成电压、电流、功率等电参数的检测,将数据通过传输电路发送给监视系统,并且完成这些电参数的本地显示;完成设备实时温度的检测,将数据通过传输电路发送给监视系统,并且完成温度的本地显示;进行本地环境的监测,特别是人员、其他动物的擅自进出;对温度过高、有非工作人员进出等进行本地报警。因此,从以上分析得知,系统硬件电路和软件并不复杂,控制相对比较简单。综上主控器件可选择8位单片机即可。
3.2 电参数检测电路设计思路
电流、电压、功率的检测是本系统的重点设计内容之一。对于电路的要求是需要稳定、并能精确的检测参数。基本设计思路见图3所示框图。
图3 电参数检测框图
图4 CS5460A应用程序流程
图5 温度检测电路设计框图
图6 恒流源构成的信号获取电路
图7 恒流源参考电路
设计过程中注意,如果采用电流和电压分开采样,会使硬件电路变得非常复杂,而且要实现功率计算,会使得程序非常复杂。因此设计中可以考虑使用CS5460A芯片。CS5460A是一个包含两个ΔΣ模-数转换器(ADC)、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的ΔΣ模-数转换器。它可以精确测量和计算电能、瞬时功率、IRMS和VRMS,适宜用于研制开发单相2线或3线电表和电参数检测。
该电路设计流程可按图4流程编写。
3.3 温度检测电路设计思路
温度检测部分主要是用来对电站中设备的发热程度进行检测。因此不必考虑精度太高的检测方法,误差在0.5度足以了解设备的运行情况的,但必须进行多点检测。
根据要求,笔者提出一种设计思路供读者参考。设计框图如图5所示。
温度传感器可以选择线性度相对较好的PT100。在使用模拟传感器时,调理电路的设计至关重要,其作用是将来自于现场传感器的信号变换成前向通道中A/D转换器能识别的信号。由PT100构成信号的获取电路常用的方法有2种,一种是电桥电路,另一种是运用恒流源电路,将恒流源通过温度传感器,温度传感器两端的电压即反映温度的变化。在设计中,后者相对比较稳定。其典型电路如图6所示。
在此电路中,恒流源可参考图7电路。应用时需要注意以下几点:图示1.5K电阻的精度及温度稳定性要好,可以采用高精度高稳定的电阻;还有是一定要选择输入阻抗高的运放,包括产生虚地处的运放和后级的放大器,否则较大的输入电流也将直接影响恒流的效果;最后一点是参考电压的稳定性要高,可以参考使用LM336-2.5V。对于A/D转换来说,最重要的2个技术指标是转换的速度以及转换的精度,本系统可以采用典型的A/D转换芯片,如TLC2543等,其典型电路如图8所示。放大器的选择好坏对提高测量准确度也十分关键,可以考虑采用三运放结构。当然随着数字技术的发展,目前市场中也有许多集AD转换于一体的数字传感器,如18B20。
3.4 环境监测电路设计思路
环境监测主要是对无人值守的电站现场进行移动物进出监测。特别是在山区,野生动物的进出,会对设备安全产生隐患。在实际中一般采用视频监控,但是视频监控存在容量大的问题,而且长时间开启会有一定量的功耗。考虑到实际问题,电站的视频监控不需要长期处于开启状态。因此,可以采用红外监控和视频监控结合的方式,即红外监控处于开启状态,一旦有移动物体进入监控区,则立刻打开视频监控,中控室可以实时观察到电站内部情况。
3.5 其他电路设计
检测系统显示电路主要是起到备份作用,监控人员进行电站实地巡检时可以观察到实时数据,可采用功耗低、亮度大的数码管显示。检测系统报警电路主要是保证通信异常或者有移动物体进入电站时实现实时报警,起到警示作用,只要采用电子开关将主控电路和成熟的报警电路连接即可。检测系统复位电路主要是完成电路状态恢复初始,可通过软件设置来完成,但必须有一个复位按钮。
监视系统中的显示数据由检测系统通过传输电路送达,采用数码管显示比较合适。报警系统可独立设置,当数据异常或者有移动物进入电站,报警即可拉响。复位电路应该具备监视系统和检测系统同时复位功能。
4 结束语
本系统主要是作为提高电站集中监控能力所设计的附加设备。系统的应用可以减少电站辐射和噪声对管理人员的影响,具有一定的推广应用价值。本文主要是对系统中几个主要电路的设计思路进行阐述,希望对读者提供一定的参考。
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