本發明屬于調速器控制系統技術領域，尤其涉及一種基于計算機控制的水輪機自動調速器控制系統。

背景技術：

目前，在化石能源不可再生且使用過程極易造成環境污染的背景下，世界各國都把發展可再生能源當做振興經濟的重要措施，中國也是如此，水電就是各國優先開發的可再生能源。而我國水電資源蘊藏量位居世界第一，主要富集于大江大河，需要用大型的水輪機組才能有效的開發。水輪機組發電最重要的環節就是自動調速器部分，因水輪發電機組輸出的電量要隨用電量的不斷變化作不斷調整，使其等于外界用電量，這便要求水輪機組的自動調速器能夠做到精確的控制。

現今的水輪機組自動調速器的控制系統智能化程度不高，且只能調整，在出現故障時無法及時確定故障點，控制系統中的電子設備極易受到電磁干擾，對于水輪機組的精確運轉是一大隱患。

技術實現要素：

本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種計算機遠程控制的，智能化程度高，有效排除電磁干擾的，達到精確控制的一種基于計算機控制的水輪機自動調速器控制系統。

本發明是這樣實現的，一種基于計算機控制的水輪機自動調速器控制系統，包括計算機，所述計算機通過數據線與單片機控制器連接；所述計算機通過GPRS網絡與無線射頻收發模塊連接；所述單片機控制器的輸入端分別與功率變送器模塊、外部電網頻率監測模塊、濾波模塊和電源模塊的輸出端電性連接；所述單片機控制器的輸出端分別與信號接地模塊、信號放大模塊、位置監測模塊和液位監測模塊的輸入端電性連接；所述單片機控制器分別與無線射頻收發模塊、數據存儲模塊、數據庫模塊和動態模擬模塊電性連接；所述信號放大模塊的輸出端與電液伺服閥的輸入端電性連接；所述位置監測模塊的輸出端分別與第一位置傳感器、第二位置傳感器和第三位置傳感器的輸入端電性連接；所述液位監測模塊的輸出端分別與第一液位傳感器、第二液位傳感器和第三液位傳感器的輸入端電性連接；

所述第一位置傳感器設置在水輪機自動調速器的主配壓閥上；

所述第二位置傳感器設置在水輪機自動調速器的接力器上；

所述第三位置傳感器設置在水輪機的導水機構上；

所述第一液位傳感器設置在水輪機自動調速器的油壓裝置內；

所述第二液位傳感器設置在水輪機自動調速器的回油箱內；

所述第三液位傳感器設置在水輪機自動調速器的壓力罐內。

進一步，所述單片機控制器設置有信號非線性變換模塊，所述信號非線性變換模塊對接收信號s(t)進行非線性變換，按如下公式進行：

其中A表示信號的幅度，a(m)表示信號的碼元符號，p(t)表示成形函數，f_c表示信號的載波頻率，表示信號的相位，通過該非線性變換后得到：

進一步，所述信號放大模塊設置有

第一步，將Reived_V1或Reived_V2中的射頻或中頻采樣信號進行N_FFT點數的FFT運算，然后求模運算，將其中的前N_FFT/2個點存入VectorF中，VectorF中保存了信號x2的幅度譜；

第二步，將分析帶寬Bs分為N塊相等的Block，N＝3，4，.....，每一個Block要進行運算的帶寬為Bs/N，設要分析帶寬Bs的最低頻率為FL，這里FL＝0，則塊nBlock，n＝1...N，所對應的頻率區間范圍分別是[FL+(n-1)Bs/N，FL+(n)Bs/N]，將VectorF中對應的頻段的頻率點分配給每個block，其中nBlock分得的VectorF點范圍是[S_n，S_n+k_n]，其中表示每段分得的頻率點的個數，而表示的是起始點，fs是信號采樣頻率，round(*)表示四舍五入運算；

第三步，對每個Block求其頻譜的能量Σ|·|²，得到E(n)，n＝1...N；

第四步，對向量E求平均值

第五步，求得向量E的方差和

第六步，更新標志位flag，flag＝0，表示前一次檢測結果為無信號，此種條件下，只有當σ_sum＞K2時判定為當前檢測到信號，flag變為1；當flag＝1，表示前一次檢測結果為有信號，此種條件下，只有當σ_sum＜K1時判定為當前未檢測到信號，flag變為0，K1和K2為門限值，由理論仿真配合經驗值給出，K2＞K1；

第七步，根據標志位控制后續解調線程等是否開啟：flag＝1，開啟后續解調線程等，否則關閉后續解調線程。

進一步，所述計算機設置有睡眠調度和覆蓋補償覆蓋保持模塊，所述睡眠調度和覆蓋補償覆蓋保持模塊的睡眠調度和覆蓋補償的覆蓋保持方法包括：

步驟一，確定鄰居節點數：節點廣播HELLO消息給周圍節點，節點記錄接受到的不同的HELLO消息的數目從而得到本身的鄰居節點數N；

步驟二，估計節點冗余度：利用鄰居節點數N得到節點冗余度的期望值為：

當E(η_N)≥α時認為是絕對冗余節點，當1-α＜E(η_N)＜α時為相對冗余節點，0≤E(η_N)≤1-α時為非冗余節點，其中，α為預先設定的閾值；

步驟三，估計節點經過信息交換階段之后的剩余能量：發送機每傳1bit信息消耗能量：E_elec-te，接收機每接收1bit信息消耗能量：

E_elec-re，且有E_elec-te＝E_elec-re；每傳輸1bit信息通過單位距離發送端放大器需消耗的能量：E_amp，發送端發送kbits信息到距離d的接收端需消耗的能量為E_elec-te*k+E_amp*k*d²，接收端接收kbits信息消耗能量為：E_elec-re^*k；具有m個鄰居節點的節點需要在信息交換過程中消耗的能量為：

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

在信息交換過程之后具有m個鄰居節點的剩余能量為：

E_est1＝E1-(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*m-(E_elec-re*k)*m，其中，E1為信息交換前的節點的實時能量；

步驟四，發現潛在的死亡節點：如果節點能量滿足：則為潛在的死亡節點，其中，為一個時間段內消耗的平均能量；

步驟五，節點信息交換：每個節點將包含本身的冗余度信息和是否為潛在的死亡節點的信息廣播給所有的鄰居節點；

步驟六，非潛在死亡節點估計是否可以移動到潛在的死亡節點的位置；

估計信息交換消耗的能量：所有可移動節點移動前要進行信息交換，此過程消耗能量為：

(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*L+(E_elec-re*k)*L，L為進行信息交換的節點的數目，k為信息的bit，d為信息傳送的距離；

若節點移動，估計節點在移動后的剩余能量：

E_est2＝E2-(E_elec-_te*k+E_amp*k*d²)*L-(E_elec-re*k)*L-E_move*h，其中，h為移動到目標位置的距離，E2為移動前的節點的實時能量；

判斷節點是否具有移動的能量：要求移動節點到底新位置后至少工作x個時間段，若節點能量滿足：則此節點具有移動到目標位置的能量，否則，不具有此能力，其中，x為預先設定的閾值；

步驟七，決定移動節點：

根據如下規則在所有可移動的節點中選擇最佳節點：

若在可移動節點中存在絕對冗余節點，根據目標距離判斷，移動目標距離最小的絕對冗余節點；若存在多個絕對冗余節點的目標距離相等且均為最小，則再根據剩余能量E_est2的大小判斷，選擇剩余能量最大的節點；

若在可移動節點中只有相對冗余節點，則根據相對冗余節點的移動距離進行選擇，相對冗余節點移動的距離為相對冗余節點的最大可移動距離，最大可移動距離是指在不影響覆蓋區域的條件下節點可移動的最大距離，根據最大可移動距離確定相對冗余節點移動的目標位置；比較相對冗余節點的最大可移動距離，移動最大可移動距離最小的相對冗余節點，若存在多個相對冗余節點的最大可移動距離相等且均為最小，則再根據剩余能量E_est2的大小判斷，選擇剩余能量最大的節點，

步驟八，對剩余絕對冗余節點采用睡眠調度機制：在節點移動到目標位置后，將絕對冗余節點狀態改變為睡眠。

本發明提供的基于計算機控制的水輪機自動調速器控制系統，通過計算機實現對水輪機自動調速器的遠程控制，操作便捷，計算機只需通過數據線或GPRS網絡便可與單片機控制器建立連接，單片機控制器可實時的接收來自各監測裝置的監測信號，對照數據庫模塊判斷水輪機自動調速器的運轉情況，并反饋給計算機，外部電網頻率監測模塊可獲取外部電網用電量的實時動態，并反饋給單片機控制器，濾波模塊可對控制系統內電流輸送過程中產生的電磁波進行過濾，信號接地模塊可對來自外部的電磁波過濾導出，起到了電磁屏蔽的作用，為水輪機自動調速器提供了精確的運轉環境。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的基于計算機控制的水輪機自動調速器控制系統結構示意圖。

圖中：1、計算機；2、數據線；3、單片機控制器；4、GPRS網絡；5、無線射頻收發模塊；6、功率變送器模塊；7、外部電網頻率監測模塊；8、濾波模塊；9、電源模塊；10、信號接地模塊；11、信號放大模塊；12、位置監測模塊；13、液位監測模塊；14、數據存儲模塊；15、數據庫模塊；16、動態模擬模塊；17、電液伺服閥；18、第一位置傳感器；19、第二位置傳感器；20、第三位置傳感器；21、第一液位傳感器；22、第二液位傳感器；23、第三液位傳感器。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

下面結合圖1對本發明的結構作詳細的描述。

本發明實施例提供的基于計算機控制的水輪機自動調速器控制系統包括計算機1，所述計算機1通過數據線2與單片機控制器3連接；所述計算機1通過GPRS網絡4與無線射頻收發模塊5連接；所述單片機控制器3的輸入端分別與功率變送器模塊6、外部電網頻率監測模塊7、濾波模塊8和電源模塊9的輸出端電性連接；所述單片機控制器3的輸出端分別與信號接地模塊10、信號放大模塊11、位置監測模塊12和液位監測模塊13的輸入端電性連接；所述單片機控制器3分別與無線射頻收發模塊5、數據存儲模塊14、數據庫模塊15和動態模擬模塊16電性連接；所述信號放大模塊11的輸出端與電液伺服閥17的輸入端電性連接；所述位置監測模塊12的輸出端分別與第一位置傳感器18、第二位置傳感器19和第三位置傳感器20的輸入端電性連接；所述液位監測模塊13的輸出端分別與第一液位傳感器21、第二液位傳感器22和第三液位傳感器23的輸入端電性連接。

進一步，所述第一位置傳感器18設置在水輪機自動調速器的主配壓閥上。

進一步，所述第二位置傳感器19設置在水輪機自動調速器的接力器上。

進一步，所述第三位置傳感器20設置在水輪機的導水機構上。

進一步，所述第一液位傳感器21設置在水輪機自動調速器的油壓裝置內。

進一步，所述第二液位傳感器22設置在水輪機自動調速器的回油箱內。

進一步，所述第三液位傳感器23設置在水輪機自動調速器的壓力罐內。

進一步，所述單片機控制器設置有信號非線性變換模塊，所述信號非線性變換模塊對接收信號s(t)進行非線性變換，按如下公式進行：

其中A表示信號的幅度，a(m)表示信號的碼元符號，p(t)表示成形函數，f_c表示信號的載波頻率，表示信號的相位，通過該非線性變換后得到：

進一步，所述信號放大模塊設置有

第一步，將Reived_V1或Reived_V2中的射頻或中頻采樣信號進行N_FFT點數的FFT運算，然后求模運算，將其中的前N_FFT/2個點存入VectorF中，VectorF中保存了信號x2的幅度譜；

第二步，將分析帶寬Bs分為N塊相等的Block，N＝3，4，.....，每一個Block要進行運算的帶寬為Bs/N，設要分析帶寬Bs的最低頻率為FL，這里FL＝0，則塊nBlock，n＝1...N，所對應的頻率區間范圍分別是[FL+(n-1)Bs/N，FL+(n)Bs/N]，將VectorF中對應的頻段的頻率點分配給每個block，其中nBlock分得的VectorF點范圍是[S_n，S_n+k_n]，其中表示每段分得的頻率點的個數，而表示的是起始點，fs是信號采樣頻率，round(*)表示四舍五入運算；

第三步，對每個Block求其頻譜的能量∑|·|²，得到E(n)，n＝1...N；

第四步，對向量E求平均值

第五步，求得向量E的方差和

第六步，更新標志位flag，flag＝0，表示前一次檢測結果為無信號，此種條件下，只有當σ_sum>K2時判定為當前檢測到信號，flag變為1；當flag＝1，表示前一次檢測結果為有信號，此種條件下，只有當σ_sum<K1時判定為當前未檢測到信號，flag變為0，K1和K2為門限值，由理論仿真配合經驗值給出，K2>K1；

第七步，根據標志位控制后續解調線程等是否開啟：flag＝1，開啟后續解調線程等，否則關閉后續解調線程。

進一步，所述計算機設置有睡眠調度和覆蓋補償覆蓋保持模塊，所述睡眠調度和覆蓋補償覆蓋保持模塊的睡眠調度和覆蓋補償的覆蓋保持方法包括：

步驟一，確定鄰居節點數：節點廣播HELLO消息給周圍節點，節點記錄接受到的不同的HELLO消息的數目從而得到本身的鄰居節點數N；

步驟二，估計節點冗余度：利用鄰居節點數N得到節點冗余度的期望值為：

當E(η_N)≥α時認為是絕對冗余節點，當1-α＜E(η_N)＜α時為相對冗余節點，0≤E(η_N)≤1-α時為非冗余節點，其中，α為預先設定的閾值；

步驟三，估計節點經過信息交換階段之后的剩余能量：發送機每傳1bit信息消耗能量：E_elec-te，接收機每接收1bit信息消耗能量：E_elec-re，且有E_elec-te＝E_elec-re；每傳輸1bit信息通過單位距離發送端放大器需消耗的能量：E_amp，發送端發送kbits信息到距離d的接收端需消耗的能量為E_elec-te*k+E_amp*k*d²，接收端接收k bits信息消耗能量為：E_elec-re*k；具有m個鄰居節點的節點需要在信息交換過程中消耗的能量為：

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

在信息交換過程之后具有m個鄰居節點的剩余能量為：

E_est1＝E1-(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*m-(E_elec-re*k)*m，其中，E1為信息交換前的節點的實時能量；

步驟四，發現潛在的死亡節點：如果節點能量滿足：則為潛在的死亡節點，其中，為一個時間段內消耗的平均能量；

步驟五，節點信息交換：每個節點將包含本身的冗余度信息和是否為潛在的死亡節點的信息廣播給所有的鄰居節點；

步驟六，非潛在死亡節點估計是否可以移動到潛在的死亡節點的位置；

估計信息交換消耗的能量：所有可移動節點移動前要進行信息交換，此過程消耗能量為：

(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*L+(E_elec-re*k)*L，L為進行信息交換的節點的數目，k為信息的bit，d為信息傳送的距離；

若節點移動，估計節點在移動后的剩余能量：

E_est2＝E2-(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*L-(E_elec-re*k)*L-E_move*h，其中，h為移動到目標位置的距離，E2為移動前的節點的實時能量；

判斷節點是否具有移動的能量：要求移動節點到底新位置后至少工作x個時間段，若節點能量滿足：則此節點具有移動到目標位置的能量，否則，不具有此能力，其中，x為預先設定的閾值；

步驟七，決定移動節點：

根據如下規則在所有可移動的節點中選擇最佳節點：

若在可移動節點中存在絕對冗余節點，根據目標距離判斷，移動目標距離最小的絕對冗余節點；若存在多個絕對冗余節點的目標距離相等且均為最小，則再根據剩余能量E_est2的大小判斷，選擇剩余能量最大的節點；

若在可移動節點中只有相對冗余節點，則根據相對冗余節點的移動距離進行選擇，相對冗余節點移動的距離為相對冗余節點的最大可移動距離，最大可移動距離是指在不影響覆蓋區域的條件下節點可移動的最大距離，根據最大可移動距離確定相對冗余節點移動的目標位置；比較相對冗余節點的最大可移動距離，移動最大可移動距離最小的相對冗余節點，若存在多個相對冗余節點的最大可移動距離相等且均為最小，則再根據剩余能量E_est2的大小判斷，選擇剩余能量最大的節點，

步驟八，對剩余絕對冗余節點采用睡眠調度機制：在節點移動到目標位置后，將絕對冗余節點狀態改變為睡眠。

工作原理：該基于計算機控制的水輪機自動調速器控制系統，計算機通過數據線或GPRS網絡直接控制單片機控制器，單片機控制器可實時接收分別來自各監測裝置的監測數據，并反饋給計算機，動態模擬模塊可根據各監測數據對水輪機自動調速器的運轉情況進行動態模擬，并反饋給計算機，濾波模塊和信號接地模塊可對整個控制系統進行電磁波過濾和導出，提供了良好的控制環境，外部電網頻率監測模塊可監測外部電網用電量的變化，并反饋給單片機控制器，單片機控制器結合數據庫模塊對信號放大模塊下達相應的指令，通過電液伺服閥可及時地調整水輪機自動調速器的運轉，整個系統智能化程度較高，只需通過計算機便可對水輪機自動調速器直接控制以及實時監測。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。