一种基于MCU单片机技术的小水电站

无人值班自动化控制系统

江西上犹供电公司 黄志敏 

摘要：介绍了一种基于MCU单片机的低成本、高可靠自动化控制技术，解决了小水电站的安全运行和用工难题，实现了基于互联网的发电环节大运行管理模式的创新。该技术已在上犹县灵潭电站、大余县电站等地得到应用。

关键词：单片机、小水电站、无人值班、自动化控制、大运行

0引言

在小水电丰富的赣南，分布着数量众多的小水电站，为赣南的经济建设发挥着重要作用。但由于1000KW及以下的小水电站大多数地处偏远山区，在劳动力成本越来越高的今天，招工难、员工素质低成为了制约小水电发展的瓶颈。适应用工形势的变化，采用自动化远程控制技术，实现发电过程的无人值班，已是必然趋势。为此，我们研究开发了一套适合小水电机组的自动控制系统，实现发电的远程控制，解决小水电站的用工难题。该系统为小水电站的发电、并网、直流电源、水位等进行自动化控制，坐在家里轻轻一点电脑鼠标，就可以通过以太网或GPRS无线网络开启水轮机发电。该系统的硬件控制采用基于单片机技术的模块化设计，现场控制软件采用汇编语言，子站和主站操作系统软件采用VB语言，通过网络可以直接访问现场控制模块，摆脱了对组态软件的依赖性，提高了系统的可靠性，大大降低产品的造价，是一款性价比很高的小水电站自动化控制系统，完全符合小水电站的运行需要，并可扩展到发电环节的大运行管理，实现多达32台发电机的远程集中控制。

1 系统组成

本系统是一种基于MCU单片机技术的自动控制系统，采用分层、分布式，数字化、网络化架构，整个系统分单元控制模块、现场总线、现场终端（子站）、远程网络监控中心（主站）四个部分，可实现对水电站发电、并网、直流电源、水位等的自动控制，远程视频及监控操作。

系统框图如下：

                RS-485

2 技术特点

2.1网络通讯特点

本系统的网络通讯在现场通过RS-485组网后，采用三通道通讯技术与远程工作站相连，一个MODEM通讯接口，一个IPORT以太网通讯接口，一个GPRS通讯接口，三个信道在物理层相互独立，一个信道的损坏不影响另一个信道,并且具有以下特点：

①主站可通过互联网直接访问单元控制模块内存；

②主站与现场网络采用三通道进行通讯，即基于有线传输的MODEM、基于IPORT的以太网和基于GPRS的无线网络进行通讯，安全可靠，互不影响；

③在主站与子站通讯中断的情况下，备用通讯管理模块可指挥现场主机对各单元模块的控制，保证正常工作，直到主站通讯恢复。

④一个主站可同时管理32台发电机，实现小水电站的大运行管理。

2.2自动控制特点

    本系统由水轮机控制模块、励磁调速机控制模块、并网及保护模块、公共测控模块、直流系统模块、水位监控模块及嵌入式显控仪组成，在基于MCU单片机的控制之下协同工作。

①对发电机组，可远程开、停机，调节有功、无功出力；

②可远程设定发电机组运行参数、保护定值；

③可远程监控调节水位，根据水位智能调节发电机负荷，提高发电效益；

④可远程视频监控；

⑤可自动上传电参数，分类存储，输出报表；

⑥在电网故障导致停机后，系统能自动检测系统是否恢复正常，并开机发电；

⑦属于电站自身的故障会通过多种呼叫方式向外发信。

⑧可以把最多32台发电机集中在一个监控平台进行运行管理，实现小水电站的大运行管理；

3 功能说明

3.1发电机控制系统（包括水轮机控制、励磁机控制、并网保护控制三个子模块）：

智能化调控水轮机导叶开度、碟阀、励磁、并网以及实时监控发电机运行的各种参数，控制发电机运行的各个环节，实现在无人值班的情况下发电机正常运行，故障时能自动停机并报警，电网故障解除后能自动并网发电，并通过多种呼叫方式向外发信。

3.2直流电源控制模块：

自动控制整流逆变，控母电压电流的测量，蓄电池充放电管理及性能检测，提供合格的直流操作电源。

3.3水位测控模块：

测量水库、前池和尾水水位，把水位信号送到发电机控制模块，以优化发电机出力，达到提高发电效益的目的；水位异常时报警。

3.4公共测控模块：

    测量电流、电压、频率、温度等参量，通过现场总线送至子站，同时各功能模块可根据需要直接访问该模块内存，为自动控制服务。

3.5现场总线：

采用工业级的STC系列单片机（比传统的51系列速度快5倍以上，具备双串口、A/D转换，PWM、SPI、PCA等功能），利用RS485组网，达成嵌入式系统现场总线构架，把发电、直流电源、水位测控、公共测控等现场模块控制单元组合在一起，实现控制单元中每个模块通过现场总线可互访内存。

3.6子站（嵌入式显控仪或PC机）：

相当于一个现场终端，通过现场总线与各模块通讯，同时通过网络通讯方便主站对各功能模块的访问，节省通讯时间。

3.7主站：

由服务器和监控中心组成，负责远程监控水电站的工况。只要能上网的地方打开电脑就可实现远程监控。主站具有调节优化运行、故障诊断、报表输出及数据分析功能；每个监控中心可以管理最多32台发电机，实现小水电站的大运行管理。

4结束语

本文介绍的小水电站综合自动化控制系统实现了对小水电站的发电机组、直流系统、水位、公共测控等的全自动化控制，为实现小水电站的无人值班和大运行管理模式创新提供了技术支撑，是一套性价比高并适应小水电站用工变化的远程自动控制系统。从公开的文献资料来看，本项目的整体技术水平达到国内领先。

参考文献

[1]李朝青，单片机&DSP外围数字IC技术手册（第2版），北京航空航天大学出版社，2005年

[2]胡汉才，单片机原理及其接口技术，清华大学出版社，2010年

[3]潘新民，微型计算机控制技术（第2 版），电子工业出版社，2011年

[4]马跃先，小型水电站优化运行与管理，黄河水利出版社，2000年

[5]韩富春，电力系统自动化技术，水利水电出版社，2003年