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一種基于MCU單片機技術的小水電站
無人值班自動化控制系統
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，解決了小水電站的安全運行和用工難題，實現了基于互聯網的發電環節大運行管理模式的創新。該技術已在上猶縣靈潭電站、大余縣電站等地得到應用。
關鍵詞：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，分布著數量眾多的小水電站，為贛南的經濟建設發揮著重要作用。但由于1000KW及以下的小水電站大多數地處偏遠山區，在勞動力成本越來越高的今天，招工難、員工素質低成為了制約小水電發展的瓶頸。適應用工形勢的變化，采用自動化遠程控制技術，實現發電過程的無人值班，已是必然趨勢。為此，我們研究開發了一套適合小水電機組的自動控制系統，實現發電的遠程控制，解決小水電站的用工難題。該系統為小水電站的發電、并網、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，就可以通過以太網或GPRS無線網絡開啟水輪機發電。該系統的硬件控制采用基于單片機技術的模塊化設計，現場控制軟件采用匯編語言，子站和主站操作系統軟件采用VB語言，通過網絡可以直接訪問現場控制模塊，擺脫了對組態軟件的依賴性，提高了系統的可靠性，大大降低產品的造價，是一款性價比很高的小水電站自動化控制系統，完全符合小水電站的運行需要，并可擴展到發電環節的大運行管理，實現多達32臺發電機的遠程集中控制。
1 系統組成
本系統是一種基于MCU單片機技術的自動控制系統，采用分層、分布式，數字化、網絡化架構，整個系統分單元控制模塊、現場總線、現場終端（子站）、遠程網絡監控中心（主站）四個部分，可實現對水電站發電、并網、直流電源、水位等的自動控制，遠程視頻及監控操作。
系統框圖如下：
 
  
  
    
 
    
   
 
 
 
RS-485
    
   
  
 
 
  
2 技術特點
2.1網絡通訊特點
本系統的網絡通訊在現場通過RS-485組網后，采用三通道通訊技術與遠程工作站相連，一個MODEM通訊接口，一個IPORT以太網通訊接口，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主站可通過互聯網直接訪問單元控制模塊內存；
②主站與現場網絡采用三通道進行通訊，即基于有線傳輸的MODEM、基于IPORT的以太網和基于GPRS的無線網絡進行通訊，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臺發電機，實現小水電站的大運行管理。
2.2自動控制特點
本系統由水輪機控制模塊、勵磁調速機控制模塊、并網及保護模塊、公共測控模塊、直流系統模塊、水位監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同工作。
①對發電機組，可遠程開、停機，調節有功、無功出力；
②可遠程設定發電機組運行參數、保護定值；
③可遠程監控調節水位，根據水位智能調節發電機負荷，提高發電效益；
④可遠程視頻監控；
⑤可自動上傳電參數，分類存儲，輸出報表；
⑥在電網故障導致停機后，系統能自動檢測系統是否恢復正常，并開機發電；
⑦屬于電站自身的故障會通過多種呼叫方式向外發信。
⑧可以把最多32臺發電機集中在一個監控平臺進行運行管理，實現小水電站的大運行管理；
3 功能說明
3.1發電機控制系統（包括水輪機控制、勵磁機控制、并網保護控制三個子模塊）：
智能化調控水輪機導葉開度、碟閥、勵磁、并網以及實時監控發電機運行的各種參數，控制發電機運行的各個環節，實現在無人值班的情況下發電機正常運行，故障時能自動停機并報警，電網故障解除后能自動并網發電，并通過多種呼叫方式向外發信。
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，把水位信號送到發電機控制模塊，以優化發電機出力，達到提高發電效益的目的；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，通過現場總線送至子站，同時各功能模塊可根據需要直接訪問該模塊內存，為自動控制服務。
3.5現場總線：
采用工業級的STC系列單片機（比傳統的51系列速度快5倍以上，具備雙串口、A/D轉換，PWM、SPI、PCA等功能），利用RS485組網，達成嵌入式系統現場總線構架，把發電、直流電源、水位測控、公共測控等現場模塊控制單元組合在一起，實現控制單元中每個模塊通過現場總線可互訪內存。
3.6子站（嵌入式顯控儀或PC機）：
相當于一個現場終端，通過現場總線與各模塊通訊，同時通過網絡通訊方便主站對各功能模塊的訪問，節省通訊時間。
3.7主站：
由服務器和監控中心組成，負責遠程監控水電站的工況。只要能上網的地方打開電腦就可實現遠程監控。主站具有調節優化運行、故障診斷、報表輸出及數據分析功能；每個監控中心可以管理最多32臺發電機，實現小水電站的大運行管理。
4結束語
本文介紹的小水電站綜合自動化控制系統實現了對小水電站的發電機組、直流系統、水位、公共測控等的全自動化控制，為實現小水電站的無人值班和大運行管理模式創新提供了技術支撐，是一套性價比高并適應小水電站用工變化的遠程自動控制系統。從公開的文獻資料來看，本項目的整體技術水平達到國內領先。
參考文獻
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