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一種基于MCU單片機(jī)技術(shù)的小水電站
無(wú)人值班自動(dòng)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(jī)的低成本、高可靠自動(dòng)化控制技術(shù)，解決了小水電站的安全運(yùn)行和用工難題，實(shí)現(xiàn)了基于互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)電環(huán)節(jié)大運(yùn)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)、小水電站、無(wú)人值班、自動(dòng)化控制、大運(yùn)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(jì)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(yuǎn)山區(qū)，在勞動(dòng)力成本越來(lái)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(shì)的變化，采用自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電過(guò)程的無(wú)人值班，已是必然趨勢(shì)。為此，我們研究開發(fā)了一套適合小水電機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電的遠(yuǎn)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(jìn)行自動(dòng)化控制，坐在家里輕輕一點(diǎn)電腦鼠標(biāo)，就可以通過(guò)以太網(wǎng)或GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開啟水輪機(jī)發(fā)電。該系統(tǒng)的硬件控制采用基于單片機(jī)技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)控制軟件采用匯編語(yǔ)言，子站和主站操作系統(tǒng)軟件采用VB語(yǔ)言，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以直接訪問現(xiàn)場(chǎng)控制模塊，擺脫了對(duì)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(jià)，是一款性價(jià)比很高的小水電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)，完全符合小水電站的運(yùn)行需要，并可擴(kuò)展到發(fā)電環(huán)節(jié)的大運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)多達(dá)32臺(tái)發(fā)電機(jī)的遠(yuǎn)程集中控制。
1 系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)是一種基于MCU單片機(jī)技術(shù)的自動(dòng)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(gè)系統(tǒng)分單元控制模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線、現(xiàn)場(chǎng)終端（子站）、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心（主站）四個(gè)部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站發(fā)電、并網(wǎng)、直流電源、水位等的自動(dòng)控制，遠(yuǎn)程視頻及監(jiān)控操作。
系統(tǒng)框圖如下：
 
  
  
    
 
    
   
 
 
 
RS-485
    
   
  
 
 
  
2 技術(shù)特點(diǎn)
2.1網(wǎng)絡(luò)通訊特點(diǎn)
本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)RS-485組網(wǎng)后，采用三通道通訊技術(shù)與遠(yuǎn)程工作站相連，一個(gè)MODEM通訊接口，一個(gè)IPORT以太網(wǎng)通訊接口，一個(gè)GPRS通訊接口，三個(gè)信道在物理層相互獨(dú)立，一個(gè)信道的損壞不影響另一個(gè)信道,并且具有以下特點(diǎn)：
①主站可通過(guò)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(chǎng)網(wǎng)絡(luò)采用三通道進(jìn)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(chǎng)主機(jī)對(duì)各單元模塊的控制，保證正常工作，直到主站通訊恢復(fù)。
④一個(gè)主站可同時(shí)管理32臺(tái)發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)小水電站的大運(yùn)行管理。
2.2自動(dòng)控制特點(diǎn)
本系統(tǒng)由水輪機(jī)控制模塊、勵(lì)磁調(diào)速機(jī)控制模塊、并網(wǎng)及保護(hù)模塊、公共測(cè)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(jī)的控制之下協(xié)同工作。
①對(duì)發(fā)電機(jī)組，可遠(yuǎn)程開、停機(jī)，調(diào)節(jié)有功、無(wú)功出力；
②可遠(yuǎn)程設(shè)定發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、保護(hù)定值；
③可遠(yuǎn)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(jī)負(fù)荷，提高發(fā)電效益；
④可遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控；
⑤可自動(dòng)上傳電參數(shù)，分類存儲(chǔ)，輸出報(bào)表；
⑥在電網(wǎng)故障導(dǎo)致停機(jī)后，系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是否恢復(fù)正常，并開機(jī)發(fā)電；
⑦屬于電站自身的故障會(huì)通過(guò)多種呼叫方式向外發(fā)信。
⑧可以把最多32臺(tái)發(fā)電機(jī)集中在一個(gè)監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)小水電站的大運(yùn)行管理；
3 功能說(shuō)明
3.1發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)（包括水輪機(jī)控制、勵(lì)磁機(jī)控制、并網(wǎng)保護(hù)控制三個(gè)子模塊）：
智能化調(diào)控水輪機(jī)導(dǎo)葉開度、碟閥、勵(lì)磁、并網(wǎng)以及實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電機(jī)運(yùn)行的各種參數(shù)，控制發(fā)電機(jī)運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)在無(wú)人值班的情況下發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，故障時(shí)能自動(dòng)停機(jī)并報(bào)警，電網(wǎng)故障解除后能自動(dòng)并網(wǎng)發(fā)電，并通過(guò)多種呼叫方式向外發(fā)信。
3.2直流電源控制模塊：
自動(dòng)控制整流逆變，控母電壓電流的測(cè)量，蓄電池充放電管理及性能檢測(cè)，提供合格的直流操作電源。
3.3水位測(cè)控模塊：
測(cè)量水庫(kù)、前池和尾水水位，把水位信號(hào)送到發(fā)電機(jī)控制模塊，以優(yōu)化發(fā)電機(jī)出力，達(dá)到提高發(fā)電效益的目的；水位異常時(shí)報(bào)警。
3.4公共測(cè)控模塊：
測(cè)量電流、電壓、頻率、溫度等參量，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線送至子站，同時(shí)各功能模塊可根據(jù)需要直接訪問該模塊內(nèi)存，為自動(dòng)控制服務(wù)。
3.5現(xiàn)場(chǎng)總線：
采用工業(yè)級(jí)的STC系列單片機(jī)（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(dá)成嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)架，把發(fā)電、直流電源、水位測(cè)控、公共測(cè)控等現(xiàn)場(chǎng)模塊控制單元組合在一起，實(shí)現(xiàn)控制單元中每個(gè)模塊通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線可互訪內(nèi)存。
3.6子站（嵌入式顯控儀或PC機(jī)）：
相當(dāng)于一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)終端，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與各模塊通訊，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊方便主站對(duì)各功能模塊的訪問，節(jié)省通訊時(shí)間。
3.7主站：
由服務(wù)器和監(jiān)控中心組成，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。主站具有調(diào)節(jié)優(yōu)化運(yùn)行、故障診斷、報(bào)表輸出及數(shù)據(jù)分析功能；每個(gè)監(jiān)控中心可以管理最多32臺(tái)發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)小水電站的大運(yùn)行管理。
4結(jié)束語(yǔ)
本文介紹的小水電站綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)小水電站的發(fā)電機(jī)組、直流系統(tǒng)、水位、公共測(cè)控等的全自動(dòng)化控制，為實(shí)現(xiàn)小水電站的無(wú)人值班和大運(yùn)行管理模式創(chuàng)新提供了技術(shù)支撐，是一套性價(jià)比高并適應(yīng)小水電站用工變化的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)。從公開的文獻(xiàn)資料來(lái)看，本項(xiàng)目的整體技術(shù)水平達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。
參考文獻(xiàn)
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