一種基于MCU單片機技術(shù)的小水電站

無人值班自動化控制系統(tǒng)

江西上猶供電公司 黃志敏 

摘要：介紹了一種基于MCU單片機的低成本、高可靠自動化控制技術(shù)，解決了小水電站的安全運行和用工難題，實現(xiàn)了基于互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)電環(huán)節(jié)大運行管理模式的創(chuàng)新。該技術(shù)已在上猶縣靈潭電站、大余縣電站等地得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：單片機、小水電站、無人值班、自動化控制、大運行

0引言

在小水電豐富的贛南，分布著數(shù)量眾多的小水電站，為贛南的經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮著重要作用。但由于1000KW及以下的小水電站大多數(shù)地處偏遠山區(qū)，在勞動力成本越來越高的今天，招工難、員工素質(zhì)低成為了制約小水電發(fā)展的瓶頸。適應(yīng)用工形勢的變化，采用自動化遠程控制技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)電過程的無人值班，已是必然趨勢。為此，我們研究開發(fā)了一套適合小水電機組的自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)電的遠程控制，解決小水電站的用工難題。該系統(tǒng)為小水電站的發(fā)電、并網(wǎng)、直流電源、水位等進行自動化控制，坐在家里輕輕一點電腦鼠標，就可以通過以太網(wǎng)或GPRS無線網(wǎng)絡(luò)開啟水輪機發(fā)電。該系統(tǒng)的硬件控制采用基于單片機技術(shù)的模塊化設(shè)計，現(xiàn)場控制軟件采用匯編語言，子站和主站操作系統(tǒng)軟件采用VB語言，通過網(wǎng)絡(luò)可以直接訪問現(xiàn)場控制模塊，擺脫了對組態(tài)軟件的依賴性，提高了系統(tǒng)的可靠性，大大降低產(chǎn)品的造價，是一款性價比很高的小水電站自動化控制系統(tǒng)，完全符合小水電站的運行需要，并可擴展到發(fā)電環(huán)節(jié)的大運行管理，實現(xiàn)多達32臺發(fā)電機的遠程集中控制。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)是一種基于MCU單片機技術(shù)的自動控制系統(tǒng)，采用分層、分布式，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，整個系統(tǒng)分單元控制模塊、現(xiàn)場總線、現(xiàn)場終端（子站）、遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心（主站）四個部分，可實現(xiàn)對水電站發(fā)電、并網(wǎng)、直流電源、水位等的自動控制，遠程視頻及監(jiān)控操作。

系統(tǒng)框圖如下：

                RS-485

2 技術(shù)特點

2.1網(wǎng)絡(luò)通訊特點

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊在現(xiàn)場通過RS-485組網(wǎng)后，采用三通道通訊技術(shù)與遠程工作站相連，一個MODEM通訊接口，一個IPORT以太網(wǎng)通訊接口，一個GPRS通訊接口，三個信道在物理層相互獨立，一個信道的損壞不影響另一個信道,并且具有以下特點：

①主站可通過互聯(lián)網(wǎng)直接訪問單元控制模塊內(nèi)存；

②主站與現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)采用三通道進行通訊，即基于有線傳輸?shù)腗ODEM、基于IPORT的以太網(wǎng)和基于GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)進行通訊，安全可靠，互不影響；

③在主站與子站通訊中斷的情況下，備用通訊管理模塊可指揮現(xiàn)場主機對各單元模塊的控制，保證正常工作，直到主站通訊恢復。

④一個主站可同時管理32臺發(fā)電機，實現(xiàn)小水電站的大運行管理。

2.2自動控制特點

    本系統(tǒng)由水輪機控制模塊、勵磁調(diào)速機控制模塊、并網(wǎng)及保護模塊、公共測控模塊、直流系統(tǒng)模塊、水位監(jiān)控模塊及嵌入式顯控儀組成，在基于MCU單片機的控制之下協(xié)同工作。

①對發(fā)電機組，可遠程開、停機，調(diào)節(jié)有功、無功出力；

②可遠程設(shè)定發(fā)電機組運行參數(shù)、保護定值；

③可遠程監(jiān)控調(diào)節(jié)水位，根據(jù)水位智能調(diào)節(jié)發(fā)電機負荷，提高發(fā)電效益；

④可遠程視頻監(jiān)控；

⑤可自動上傳電參數(shù)，分類存儲，輸出報表；

⑥在電網(wǎng)故障導致停機后，系統(tǒng)能自動檢測系統(tǒng)是否恢復正常，并開機發(fā)電；

⑦屬于電站自身的故障會通過多種呼叫方式向外發(fā)信。

⑧可以把最多32臺發(fā)電機集中在一個監(jiān)控平臺進行運行管理，實現(xiàn)小水電站的大運行管理；

3 功能說明

3.1發(fā)電機控制系統(tǒng)（包括水輪機控制、勵磁機控制、并網(wǎng)保護控制三個子模塊）：

智能化調(diào)控水輪機導葉開度、碟閥、勵磁、并網(wǎng)以及實時監(jiān)控發(fā)電機運行的各種參數(shù)，控制發(fā)電機運行的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)在無人值班的情況下發(fā)電機正常運行，故障時能自動停機并報警，電網(wǎng)故障解除后能自動并網(wǎng)發(fā)電，并通過多種呼叫方式向外發(fā)信。

3.2直流電源控制模塊：

自動控制整流逆變，控母電壓電流的測量，蓄電池充放電管理及性能檢測，提供合格的直流操作電源。

3.3水位測控模塊：

測量水庫、前池和尾水水位，把水位信號送到發(fā)電機控制模塊，以優(yōu)化發(fā)電機出力，達到提高發(fā)電效益的目的；水位異常時報警。

3.4公共測控模塊：

    測量電流、電壓、頻率、溫度等參量，通過現(xiàn)場總線送至子站，同時各功能模塊可根據(jù)需要直接訪問該模塊內(nèi)存，為自動控制服務(wù)。

3.5現(xiàn)場總線：

采用工業(yè)級的STC系列單片機（比傳統(tǒng)的51系列速度快5倍以上，具備雙串口、A/D轉(zhuǎn)換，PWM、SPI、PCA等功能），利用RS485組網(wǎng)，達成嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)場總線構(gòu)架，把發(fā)電、直流電源、水位測控、公共測控等現(xiàn)場模塊控制單元組合在一起，實現(xiàn)控制單元中每個模塊通過現(xiàn)場總線可互訪內(nèi)存。

3.6子站（嵌入式顯控儀或PC機）：

相當于一個現(xiàn)場終端，通過現(xiàn)場總線與各模塊通訊，同時通過網(wǎng)絡(luò)通訊方便主站對各功能模塊的訪問，節(jié)省通訊時間。

3.7主站：

由服務(wù)器和監(jiān)控中心組成，負責遠程監(jiān)控水電站的工況。只要能上網(wǎng)的地方打開電腦就可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。主站具有調(diào)節(jié)優(yōu)化運行、故障診斷、報表輸出及數(shù)據(jù)分析功能；每個監(jiān)控中心可以管理最多32臺發(fā)電機，實現(xiàn)小水電站的大運行管理。

4結(jié)束語

本文介紹的小水電站綜合自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對小水電站的發(fā)電機組、直流系統(tǒng)、水位、公共測控等的全自動化控制，為實現(xiàn)小水電站的無人值班和大運行管理模式創(chuàng)新提供了技術(shù)支撐，是一套性價比高并適應(yīng)小水電站用工變化的遠程自動控制系統(tǒng)。從公開的文獻資料來看，本項目的整體技術(shù)水平達到國內(nèi)領(lǐng)先。

參考文獻

[1]李朝青，單片機&DSP外圍數(shù)字IC技術(shù)手冊（第2版），北京航空航天大學出版社，2005年

[2]胡漢才，單片機原理及其接口技術(shù)，清華大學出版社，2010年

[3]潘新民，微型計算機控制技術(shù)（第2 版），電子工業(yè)出版社，2011年

[4]馬躍先，小型水電站優(yōu)化運行與管理，黃河水利出版社，2000年

[5]韓富春，電力系統(tǒng)自動化技術(shù)，水利水電出版社，2003年