自动准同期并列装置

自动准同期并列装置（精选5篇）

自动准同期并列装置 篇1

摘要：研制了一种用双单片机实现的双原理自动准同期并列装置, 该装置内部采用插件式结构, 有2个单片机插件, 分别采用侧重于硬件电路和软件算法的同期检测原理, CPU采用80296SA单片机。当2个单片机检测到同期条件符合时, 才发出并列合闸信号, 可最大限度地避免非同期误并列。装置采用一种基于加窗插值傅里叶变换及校正原理的准同期并列测量算法, 在采样频率固定、发电机频率范围变化大的情况下, 可同时精确测量并列两侧电压参数, 保证并列的准确性和快速性。

关键词：自动准同期,发电机,电力系统,双单片机,CPU

0 引言

目前, 微机型自动准同期并列装置实现的原理、方法主要有2类:一类用硬件电路测量并列双方电压频率和相角差, 另一类则通过交流采样用数值算法计算2个电压频率和相角差。前者侧重于硬件, 运算简单, 对 CPU 运算速度要求低, 目前被相当一部分同期装置采用[1,2,3,4,5,6];但该方法需要频差和角差测量硬件电路, 且其测量精度易受输入信号中的噪声、高次谐波及其他扰动的影响。后者侧重软件计算, 不需专用频差和角差测量电路, 测量精度及同期性能取决于频率、相角及幅值的微机算法。传统应用于同期并列的电参量测量算法 (如傅里叶变换算法[7,8]、递推最小二乘算法等[9]) , 均要求对信号进行同步采样, 否则会出现较大的误差。但并列装置测量的2个电压信号频率不等, 且发电机电压的频率会在一个较大范围内变化, 同时实现2个信号的整周期采样十分困难。为此, 出现了一些改进算法[10,11]。

文中研制一种基于双原理的准同期并列装置。装置采用2个单片机插件, 它们分别采用侧重于硬件和侧重于软件的同期原理独立运行, 同时计算幅值差、频率差和预报同期点;只有当2个单片机检测到同期条件符合时, 装置才发出合闸并列信号。由于2个单片机插件的工作原理和硬件电路不同, 同时误判同期条件的概率几乎为0, 从而可最大限度地避免非同期误并列。装置通过采用新的电压参数估计算法等措施, 同时保证并列的准确性和快速性。

1 装置结构及硬件系统设计

1.1 装置结构

装置内部采用插件式结构, 由电压变换及调理插件、单片机插件Ⅰ、单片机插件Ⅱ、开关量插件、人机接口面板、电源插件等组成, 如图1所示 (图中, A为并列点选择、B为远方复位、C为断路器辅助触点) 。

电压变换及调理插件将并列两侧电压变换成微机适合处理的小电压信号, 再用低通滤波消除信号中的高次谐波和噪声, 然后将调理后的信号送2个单片机插件。单片机插件Ⅱ通过交流采样和数值计算检测同期条件和预测同期点, 并通过并行口将恒定越前时间的并列指令送单片机插件Ⅰ。单片机插件Ⅰ采用以硬件为主的方式检测同期条件, 当同期条件不满足时, 闭锁并列信号出口, 并发出调速、调压信号;当频率差、幅值差均满足同期条件时, 在给定的相角差范围内, 开放并列信号出口。仅在出口开放的时间段内, 来自单片机插件Ⅰ的并列信号才能送至开关量插件, 经继电器驱动后进行并列操作。同期参数的整定等通过人机接口面板的小键盘和液晶显示器以汉字菜单的方式进行。

1.2 基于 PSD 的单片机系统设计

2个单片机插件均采用80296SA 单片机。该单片机是Intel公司在80196系列单片机的基础上推出的具有 DSP 功能的16位单片机, 其运算速度远高于80196, 特别适合于在线数据处理的场合, 为同期检测的实时性提供了保障。

采用可编程单片机通用外围接口芯片 PSD4135G2。该芯片能与80296SA 总线直接接口, 它集成了 Flash ROM、SRAM、通用 I/O 口和多种可编程逻辑器件。装置所需的大容量程序存储器、数据存储器以及多个 I/O 口和地址译码器, 1片 PSD4135G2即可满足, 提高可靠性, 且降低成本。

A/D 转换采用12位8通道 A/D 转换芯片 MAX197, 它单电源供电, 输入电压范围可软件设定, 自带多路转换开关, 转换速率高。

2单片机插件 Ⅰ 及基于硬件电路的同期检测

单片机插件Ⅰ采用以硬件电路为主的方式检测同期条件, 它由单片机系统、幅值测量电路、频率及相角差测量电路等构成。电压幅值测量电路用真有效值变换芯片将交流电压信号转换为直流电压信号;频率和相角差测量基于波形过零原理, 测量电路用电压比较器和逻辑电路将并列两侧电压周期及它们的相角差变换成相应的矩形波的高电平宽度, 80296SA 单片机用 HSI 测量矩形波的高电平宽度, 计算得到并列两侧电压的频率和相角差;然后, 进行同期条件判断, 开放并列合闸信号, 或闭锁合闸信号并发出均频、均压信号。

当电压信号中含有谐波、噪声时, 电压信号的过零点会发生偏移, 甚至可能在一个周期内出现2次以上, 影响频率和相角差测量的准确性和可靠性。为此, 插件采用集成开关电容滤波器设计了截止频率为140 Hz 的3阶 Butterworth 低通滤波器, 先对信号滤波, 抑制谐波和噪声干扰。

3 单片机插件 Ⅱ 及其电压参数检测算法

单片机插件Ⅱ先对并列两侧电压信号交流采样, 然后通过数值运算进行同期条件检测和预报同期点。同期检测和预报的基础是并列两侧电压频率、幅值及相角等参数的实时估计。

本文采用一种基于加窗插值傅里叶变换及校正原理[12,13,14]的准同期并列测量算法。在采样频率固定不变的情况下, 该算法可以对频率在较大范围内变化的信号进行频率、相角和幅值的较精确的测量。

3.1 算法原理

根据同期并列检测响应速度的要求, 同时考虑到算法的计算量, 设定采样频率为800 Hz。以这一固定频率同时对并列两侧电压采样, 得到发电机电压 uG (t) 和系统电压 uX (t) 的采样值序列 uG (n) 、uX (n) 。通过 uG (n) 、uX (n) 求取2个电压的频率、幅值和相角。

对 u (n) (表示 uG (n) 或 uX (n) ) 加长度 N=32的周期对称的 Bartlett 窗, 得到序列窗口函数值 uWF (n) , 即 uWF (n) =u (n) w (n) (n=0, 1, 2, …, N-1) 。uWF (n) 的频谱为

UWF (f) =U (f) W (f) (1)

由 Bartlett 窗的频谱特性[7]知:

$\begin{array}{l}W(f)=\frac{2}{{\rm N}}\frac{\sin {}^2({\rm N}\text{π}f{\rm T}{}_{\text{s}}/2)}{\sin {}^2(\text{π}f{\rm T}{}_{\text{s}})}\text{e}{}^{-\text{j}\text{π}{\rm N}f{\rm T}{}_{\text{s}}}=W{}_0(f)\text{e}{}^{-\text{j}Cf}\\ W{}_0(f)=\frac{2}{{\rm N}}\frac{\sin {}^2({\rm N}\text{π}f{\rm T}{}_{\text{s}}/2)}{\sin {}^2(\text{π}f{\rm T}{}_{\text{s}})}=\frac{\sin {}^2(0.02\text{π}f)}{16\sin {}^2(0.01\text{π}f/8)}\end{array}(2)$

W0 (f) 为实函数, C=πNTs=0.04 π为常数。

假设被检测电压为单频率信号, 设 u (t) =Umcos (2 πf1t+θ) , 则

$U(f)=\frac{U{}_{\text{m}}}{2}\text{e}{}^{\text{j}\theta }\delta (f-f{}_1)+\frac{U{}_{\text{m}}}{2}\text{e}{}^{-\text{j}\theta }\delta (f+f{}_1)(3)$

由式 (1) (2) (3) , uWF (n) 的频谱为

$\begin{array}{l}U{}_{\text{W}\text{F}}(f)=\frac{U{}_{\text{m}}}{2}W{}_0(f-f{}_1)\text{e}{}^{-\text{j}[C(f-f{}_1)-\theta ]}+\\ \frac{U{}_{\text{m}}}{2}W{}_0(f+f{}_1)\text{e}{}^{-\text{j}[C(f+f{}_1)+\theta ]}\end{array}$

在f=f1附近, 忽略负频率分量$\frac{U{}_{\text{m}}}{2}W{}_0(f+f{}_1)\times \text{e}{}^{-\text{j}[C(f+f{}_1)+\theta ]}$, 则有

$U{}_{\text{W}\text{F}}(f)=\frac{U{}_{\text{m}}}{2}W{}_0(f-f{}_1)\text{e}{}^{-\text{j}[C(f-f{}_1)-\theta ]}(4)$

UWF (f) 相位谱为

$\Phi (f)=\theta -C(f-f{}_1)(5)$

对 UWF (f) 以f0=1/ (NTs) =25 Hz 为间隔抽样, 可得序列{uWF (n) (n=1, 2, …, N-1) }的离散傅里叶变换 DFT (Discrete Fourier Transform) UWF (k) :

$\begin{array}{l}U{}_{\text{W}\text{F}}(k)=U{}_{\text{W}\text{F}}(f)|{}_{f=kf{}_0}\\ k=1,2,\cdots ,{\rm N}-1\end{array}(6)$

UWF (k) 的相角为

$\Phi (k)=\Phi (f)|{}_{f=kf{}_0}=\theta -C(kf{}_0-f{}_1)(7)$

信号频率 f1在25～75 Hz 中变化时, 令 f1= (2+α) f0 (其中, -0.5≤ α ≤0.5) , 由式 (4) (6) :

$\begin{array}{l}U{}_{\text{W}\text{F}}(2)=\frac{U{}_{\text{m}}}{2}W{}_0(-\alpha f{}_0)\text{e}{}^{\text{j}(C\alpha f{}_0+\theta )}=\\ \frac{U{}_{\text{m}}}{2}W{}_0(-\alpha f{}_0)\text{e}{}^{\text{j}(\text{π}\alpha +\theta )}\end{array}$

若能求得 α, 则亦可求得 u (t) 的频率、幅值和相角:

f1=50+25 α (8)

$\begin{array}{l}U{}_{\text{m}}=\frac{2|U{}_{\text{W}\text{F}}(2)|}{|W{}_0(-25\alpha )|}(9)\\ \theta =\Phi (2)-\alpha \text{π}(10)\end{array}$

|UWF (2) |、Φ (2) 由 uWF (n) 的 N 点 DFT 求得。

将 u (t) 在时域平移 Ts 得 u1 (t) :

u1 (t) =u (t+Ts) =Umsin (2 πf1t+

2 πf1Ts+θ) =Umsin (2 πf1t+θ1)

θ1=2 πf1Ts+θ=0.002 5πf1+θ。

由 u1 (t) 采样得 u1 (n) , 再用长度 N 的窗 w (n) 加权截断得 u1WF (n) =u1 (n) w (n) (n=0, 1, 2, …, N-1) 。依照式 (7) 推导方法同理得 u1WF (n) 在 f=kf0处的相角为

$\Phi {}_1(k)=\theta {}_1-C(kf{}_0-f{}_1)(11)$

式 (11) 减式 (7) , 并令 k=2得:

ΔΦ=Φ1 (2) -Φ (2) =

θ1-θ=0.002 5 πf1 (12)

式中 Φ1 (2) 由{u1WF (n) }的 N 点 DFT 求得。

于是有

f1=400 ΔΦ / π (13)

$\alpha =\frac{f{}_1-kf{}_0}{f{}_0}=\frac{16\text{Δ}\Phi -2\text{π}}{\text{π}}(14)$

由式 (12) (14) 和 (8) (9) (10) 可计算电压 u (t) (即 uG (t) 或 uX (t) ) 的频率、幅值和相角, 从而得到2个电压的频率差、幅值差和相角差, 进行同期条件检测和同期点预报。

3.2 算法仿真分析

算法推导时假设电压为单频率信号, 并忽略了负频率的影响。当信号中含有谐波分量时, 如果信号频率 f1=2/ (NTs) =50 Hz, 负频率分量及谐波分量在 f=f1处均为0, 对 f1处频谱分析无影响, 电压参数估计误差为零。当 f1在50 Hz 附近时, 根据Bartlett窗的频谱特性 (主瓣宽2/ (NTs) =50 Hz, 在 f=50 Hz 处为0, 且其导数亦为0) , 加窗信号的负频率分量及各谐波分量在 f=f1处取很小的值, 电压参数估计会有误差, 但误差较小。

假设系统电压 uX (t) =100 cos (2 πfXt) +5 cos (4 πfXt+π/3) +20 cos (6 πfXt-π) (V) , 令 fX=49.8 Hz 不变;设发电机电压 uG (t) =A1cos (2 πfGt) +0.1A1cos (6 πfGt+π) (V) , 其中 fG= (45+t) Hz, 即从45 Hz 开始以1 Hz/s 的速度加速, A1= (95+t) (V) , 即从95 V 开始以1 V/s 的速度升压。图2～4分别给出采用本文算法的发电机与系统电压的频率差Δferr、幅值差Δ A 和相角差Δ α 的仿真计算误差 (未考虑噪声及 A/D 量化误差影响) 。图5则为2个电压相角差Δθ 随时间变化的情况。

仿真计算中, 系统电压的频率、幅值、相角误差仅约为0.001 5 Hz、0.006 % 和0.01°, 工程上几乎可忽略不计;测量误差主要是发电机参数的计算误差。发电机参数计算误差由3个方面的原因引起。原因1, 发电机频率偏离50 Hz;原因2, 发电机频率和幅值不断变化, 信号不为严格周期信号;原因3, 某一时刻的参数测量值, 是由在这之前的时间窗内的信号采样值计算求得, 计算值滞后于实际值。当发电机频率接近50 Hz 时, 原因1引起的误差很小;发电机频率和电压幅值变化速率较小时, 原因2、3引起的误差也较小。

3.3 同期点预报方法

计算求得当前的频率差Δf 及其变化率Δf ′ (即Δf的导数, 用差分的方法求得) 后, 根据设定的恒定越前时间 ty, 可计算对应的越前相角δy:

δy=2 πΔfty+πΔf ′ (ty) 2 (15)

若当前相角差与δy 的和接近0或2 π (差值小于设定值) , 则发出并列合闸信号。

注意, 按前述算法在某时刻 t 计算得到的相角和相角差, 实际上是 t-0.04 s 时刻的相角和相角差, 因此, 在计算越前相角δy 时, 应把这0.04 s 的时间考虑进去, 即式 (15) 中的 ty 应为实际整定越前时间 (对应断路器等的动作时间) 再加上0.04 s。

图5中, 若并列允许的频率差、幅值差分别为0.3 Hz 和5%, 则第1个同期并列点应出现在t=4.613 9 s 的时刻。设恒定越前时间为0.3 s, 根据电压参数估计算法和同期点预报公式 (15) , 仿真得到装置在t=4.317 5 s 时发出并列信号。不考虑断路器动作时间误差, 合闸时 (t=4.617 5 s) 断路器两侧电压相角差为0.23°。

上述仿真表明, 算法精度较高。采用本文算法, 每隔1.25 ms 即可进行一次同期条件检测和同期点预报, 可准确捕捉第1次同期合闸机会, 实时性和同期快速性能好。所研制装置的各项性能指标[15]均通过了某电力试验研究所的测试, 并经现场试运行后, 通过科研鉴定。

4 结论

a. 研制了由双单片机系统实现的双原理自动准同期并列装置。装置中一块单片机插件采用基于硬件电路的测量方法进行同期条件检测, 另一单片机插件则采用交流采样和数字算法测量同期参数和预报同期点。2个单片机插件相互监视对方是否运行正常, 并只有两者均检测到并列两侧电压满足同期并列条件时, 装置才发出合闸命令, 可最大限度地避免误合闸。

b. 装置采用基于异步采样的准同期并列算法。该算法不需要对电压信号进行整周期采样, 在采样频率固定不变的情况下, 可对频率不等且频率在较大范围内变化的并列双方电压信号进行频率、幅值和相角的快速、准确测量;算法计算量小, 易实现。

c. 采用具有 DSP 功能的高性能80296SA 单片机, 并在单片机系统设计中采用 PSD 技术。装置具有硬件结构简单、体积小, 成本低、可靠性高等特点。

浅析新型微机自动准同期装置 篇2

关键词：准同期,并网,压差,频差,导前时间

1 概述

电力系统中微机式产品以其精度高、通讯方便、体积小、耗电少等优点备受用户青睐, 就准同期装置而言, 从性能方面来看, 微机式准同期较以前集成电路式准同期产品在可靠性、测量精度和并网速度等方有较大程度改善, 且其能够通讯优点更是集成电路所无法比拟的, 而电力系统少人值守和无人值守的发展趋势要求准同期必须具有通讯功能。现以RAS-100微机自动准同期装置 (以下简称装置) 为例, 对此作以详细的介绍。

该装置是为实现水、火电厂发电机快速并网而设计的智能控制器, 可用于一至十六台机组的场合, 装置对输入、输出、通讯信号均采用了光电隔离技术增强抗干扰能力。采用均频均压控制快速促成并网条件到来。装置采用双机并行运行系统合闸脉冲经“与”输出, 此外对于合闸脉冲的发出在硬件和软件上加入多种闭锁增加并网的可靠性。在发合闸脉冲时考虑到了频差变化率的影响, 保证并网质量, 除本地操作外装置还可由上位机直接完成各种操作, 或由开关量实现远方操作。调频、调压可单独设置为投入或退出状态, 各种试验证明该装置技术先进, 可靠运行。

2 主要特点

2.1 一台发电机可专用一台装置并网, 也可16台发电机共用一台装置并网。

2.2 现场各输入、输出信号与装置内部隔离, 输入电源隔离, 通讯隔离。

2.3 装置为双机系统 (两个CPU) , 并网过程中两个CPU并行工作, 它们发出的合闸信号在输出单元经“与”后由继电器输出, 硬件上每个CPU板上调频、调压、闭锁、报警信号闭锁合闸信号。

2.4 软件中装置采用压差、频差、频率变化率、最大相角、最小相角同时闭锁合闸回路。

2.5 装置具有自检, 断线监视, 故障报警的功能。

2.6 并网过程除本地和上位机操作外, 也可由开关量操作 (此种工作方式不能修改参数) 。

2.7 通过装置的工作方式选择可使发电机工作于准同步方式也可以工作于自同步方式。

2.8 各种控制参数均可独立设置, 参数可就地或远方修改。

2.9 调频、调压均可单独设置为投入和退出状态, 调频退出并不表示并网时装置发出合闸脉冲不受频差限制, 而是不由本装置发出调频脉冲, 同理调压退出也是如此。

2.10 调频、调压采用模糊控制尽快促成同期条件到来, 模糊控制系数通过设置调频、调压系数完成。

2.11 并网后显示“断路器操作回路实际合闸时间”。

2.12 装置能向上微机适时传送并网过程中的信息。

2.13 液晶显示。

2.14 通讯接口RS485、RS232或以太网接口, 通信规约采用IEC60870-5-103、M O D B U S等通信规约。

2.15 当发电机和系统出现同频不同相时会导致并网时间过长, 此时装置能自动发出冲击脉冲。

3 工作原理

R A S-1 0 0微机自动准同期装置应用于电力系统二次回路中, 完成两个相互独立的电力系统与发电机间按准同步要求进行并列运行, 具体讲就是:装置检测发电机和系统频差和压差, 当压差和频差都满足用户要求时, 装置就控制断路器主触头在发电机和系统电压相位差为零时闭合。当发电机和系统压差、频差不满足要求时装置自动发出调压和调频脉冲。

3.1构成

装置主要由输入单元、CPU单元、输出单元、显示单元、电源单元组成。

3.2 输入单元工作原理

3.2.1 输入信号内容

发电机、系统P T电压信号

1~16组来自同期开关的并列点选择信号 (常开空接点) , 远方来复位及启动并网信号 (常开空接点)

3.2.2 输入单元输出信号

来自发电机和系统的电压信号经由输入回路后, 整形为体现发电机电压周期、系统电压周期、发电机和系统电压相位差的方波信号和经整流后发电机和系统电压信号。

开入量经抗干扰处理后送CPU单元。

3.2.3 输入回路组成

由互感器, 过零检测电路, 整流回路等部分组成。

3.3 CPU单元由CPU1和CPU2两部分组成。

CPU单元是本装置的核心, 用来完成数据采集、计算、逻辑判断处理、与上位机通讯、向输出单元发出各种控制命令。

CPU1接收输入单元送来的方波和整流后的电压信号, 处理后发出闭锁、报警、调频、调压和断路器合闸脉冲给输出板。除此外, CPU1还接收处理键盘输入信息, 控制液晶, 负责装置和上位机通讯。

CPU2接收输入单元送来的方波和整流后的电压信号, 处理后发出闭锁、报警以及合闸脉冲送给输出板。

CPU1和CPU2间通讯由80C196KB单片机的串行口实现, 通过串行口实现定值传送, 错误信息传送, CPU1和CPU2间同步控制等功能。

硬件上CPU1和CPU2都采用高性能的80C196KB型16位单片机 (集成有定时器/计数器、通讯接口、模拟及数字I/O等外围电路) 、12MHz晶振、32K的数据存储器62C256和程序存储器27C256、4K的参数存储器28C17、地址锁存器74HC573、译码器GAL16V8、出口锁存器74HC273等构成单元的核心部分。

3.4输出单元工作原理

输出单元接收CPU1、CPU2传送来的信息, 经逻辑电路后由继电器输出调频、调压、合闸、报警等控制信息, 输出为继电器常开空接点。

3.5 显示单元

显示键盘回路由液晶、动作指示灯、运行指示灯、故障指示灯、电源指示灯、按键电路组成。

3.6 电源单元

装置采用高效率开关稳压电源。3.7软件组成

装置软件主要由主程序、His中断、soft中断、A/D中断等组成。

主程序中主要对采集的数据进行计算、判断、向输出单元发出各种控制信息

His中断测量发电机和系统电压周期, 发电机电压信号和系统电压信号的相位差

soft中断作为装置内部计时, 同时与主程序结合发出各种控制信息。

4 主要技术数据

4.1 交流额定电压值:100V 50Hz

4.2 导前时间:40~990ms, 间隔1ms

4.3 允许发合闸脉冲的相角差为0~45°, 整定间隔为1°

4.4 允许发合闸脉冲的频差为0.1~0.5Hz, 整定间隔为0.01Hz

4.5 允许发合闸脉冲的压差为±3%~±20%, 整定间隔为0.1%

4.6 调频系数0.00~1, 整定间隔为0.01

4.7 调压系数0.00~1, 整定间隔为0.01

4.8 调频和调压可单独设置成投入和退出状态, 退出不表示装置不闭锁频差或压差, 而是不发调频和调压脉冲

4.9 频差≤0.3Hz时, 合闸相角差A≤1.8°

4.10 开关量输出

继电器:容量AC220V/5A, DC220V/0.5A

5 结束语

各项试验表明该装置软件运行正常, 抗干扰能力强, 能正确发出合闸、调频、调压等各种控制信号且满足技术要求, 装置各种功能运行良好, 达到用户要求。

参考文献

[1]李佑光, 林东.电力系统继电保护原理及新技术.北京科学出版社.2003

[2]张新国.继电保护原理.北京中国电力出版社.2004

自动准同期并列装置 篇3

1 硬件设计

1.1 硬件电路框图及装置工作原理

本装置首先必须要准确地测量系统侧和待并侧的同期参数, 也就是精确测量两侧的电压、频率以及相位差, 然后装置要进行准确的同期动作以及相关的通信。因此, 系统的硬件设计和软件流程紧紧围绕这3个方面展开。单片机AT89C51主要负责识别和保存按键值 (中断方式) , 以及直接驱动LED。控制输出开关量, 主要包括同期失败报警、升降压、升降频、同期合闸等。装置硬件电路框图如图1所示。

1.2 单片机的选择

单片机选择AT89C51, 时钟信号产生采用内部时钟方式。AT89C51的I/O口不能满足本装置输入、输出的要求, 需进行I/O扩展, 则选用8155芯片, AT89C51扩展图如图2。程序存储器的扩展采用27128A, 据存储器的扩展采用6264。本装置硬件连接如图3。

1.3 模拟输入/输出通道电路

模拟输入装置由电压互感器、低通滤波器、相序检测, 频率、电压和相位的测量单元组成。A/D转换采用2×4通道14位高速A/D转换芯片MAX125, AT89C51的P0、P2端口可以用作I/O口使用。AT89C51与MAX125的接口电路见图4。

测控板与外部强电部分应该电气隔离, 通过光耦将输出信号传送给调压执行单元、调速执行单元、合闸执行单元和报警单元等。光耦隔离驱动电路如图5。

TLP-521是慢速光耦, 响应时间约为25μs, 这个响应速度在本装置中是合适的。驱动外部合闸电路的继电器, 采用ULN2004集成驱动芯片。调压、调速、合闸、报警显示电路如图6。

1.4 键盘和显示单元

3*4矩阵键盘及接口电路如图7所示。由BIC8717构成LED驱动接口电路, LED接口显示电路如图8所示。8155A的端口A用来输出显示字符, 8155A的端口B用来控制LED的显示位, 即位空端口。

1.5 电源电路

模拟电路电源变压器比为44 ∶3, 数字电路电源变压器比为22 ∶3。工作电源电路如图9。

2 软件结构

程序包括有主程序、中断程序等组成。主程序流程如图10。1ms中断服务程序流程如图11。

2.1 调频调压控制

当频差、压差不满足并网条件时, 同期装置就要对发电机电压和频率进行调节, 使得发电机电压和频率尽快地满足并网条件, 及时并网。PID调节流程如图12。

2.2 同期合闸判断

考虑到复杂的电力系统, 既有差频并网又有同频并网, 在同期装置中可把实现差频并网和同频并网的功能结合起来。同期对象为线路型的流程图如图13。同期对象为发电机型的流程图如图14。

3 结论

农用电网同步发电机自动准同期并网装置, 能够对发电机和系统之间的相序作出检测, 通过软件程序的调节, 使电压差、频率差和相位差尽可能小, 使发电机快速、平滑、安全的并入电网中, 保证农用电网电力系统的正常稳定地运行。

参考文献

[1]卓友乐, 叶念国.微机型自动准同步装置的设计和应用[M].中国电力出版社.

[2]李俊霞.一种微机型自动准同期装置[J].继电器, 2002.2.

[3]傅周兴等.单片机准同期自动并列合闸时机的研究[J].煤矿自动化, 2000.6.

[4]廖新征等.微机准同期与PC机的串口通信[J].现代电子技术, 2002.8.

[5]蔡美琴.MCS-51系列单片机系统及其应用[M].高等教育出版社, 2004.6.

[6]严玉峰.单片机应用系统设计与仿真[M].北京航空航天大学出版社.

自动准同期并列装置 篇4

1 硬件设计

1.1 硬件整体框架设计

本文设计的自动准同期装置的硬件平台以32位带浮点功能DSP28335和16位AD作为核心,DSP、AD均采用工业控制领域的主流制造厂商并已有成功应用的、形成系列化的主导产品;DSP除具有常规的高速计算功能外,还包含了大容量的程序FLASH、RAM、I/O接口、SCI、SPI、CAN等资源,大大地简化了硬件的复杂程度,提高了硬件可靠性。

自动准同期装置的功能板件,按功能合理划分,采用了模块化、功能化、通用化的设计思想,使功能板件的功能明确、便于互换。

图1是自动准同期装置的硬件构架模式。

1.2 角差测量电路

本文中角差采用硬件电路直接测量,设计一个电压比较电路(如图2),把系统侧和待并侧的交流电压信号变换为与它们同频率的方波信号,然后将这2个方波信号进行异或,异或输出的信号宽度反映了两交流信号相角差的变化情况,然后把异或输出信号作为DSP捕获中断的输入信号,分别读取2次捕获寄存器,可知道异或方波信号的宽度,也就知道了两交流信号的角差值[3]。

2 主要软件模块设计

2.1 自适应采样测待并侧电压量

考虑到系统侧电压频率稳定,基本可以认为是Hz不变,若每个系统侧电压周波采样点,那么系统电压固定0.833 3 ms采样一个点,也就是固定0.833 3 ms执行一次中断采样程序来处理系统侧电压量。

而待并侧电压频率是变化的,若采样待并侧电压量还是固定0.833 3 ms中断采样一次的话,那么连续采样点得到的波形则不一定是一个周波,既而如果像计算系统侧电压量那样采用点DFT算法来计算的话,有可能会得到大于误差范围的电压有效值。因此,在待并侧电压采样程序编写时用到了自适应采样的方法,就是根据实时测量到的待并侧电压频率来决定待并侧电压的采样间隔,以保证连续采样待并侧电压点为一个完整的周波[4],采样子程序如图3所示。

2.2 最小二乘求角差变化率

电力系统运行中的噪声、谐波和随机干扰等对测量造成污染,这为准确测量角差变化率等物理量带来了难度。

最小二乘法是一种数学优化技术,它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配,利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据,并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小,最小二乘法用于曲线拟合可计算得到所需的物理量,如图4所示,θ=θ0+w×t为拟合所得曲线。

同期合闸的关键是准确地计算出导前角,导前角的计算公式由式(1)可得:

式中:θ0为初始相角差;wD为角差变化率;tdq为导前时间。

可以看出,如何计算出角差变化率wD是准确地得到导前角的关键,角差变化率反映的是角差的变化速度,实际中短时间内dwD/dt≈0,式(1)可以简化为θi=θ0+wD×tdq,则也可以理解为角差和角差变化率为一阶线性关系,角差的测量可由式(2)完成,式中τi为异或方波对应的计数值,τs系统半周波对应的计数值。

若已知若干角差测量值,可以通过最小二乘拟合出角差与角差变化率的线性关系,这也是最大程度上提取真实角差变化率的一种可行方法,依据以上思路且根据式(2)可解出角差变化率wD。

2.3 参考角差计算[5]

为了确保可靠地捕捉同期合闸时机,需进一步防止干扰或者其他原因带来角差测量的误差,本文采用参考角差测量来防止误操作,参考角差是通过计算系统侧和待并侧电压向量夹角得到,如式(4),其中Us为系统侧电压向量,Ug为待并侧电压向量。

同时为了能够捕捉到第一次同期合闸时机,在满足一定的合闸角误差时,且角差测量正常情况下即可发出合闸命令,如图5所示,其中合闸误差为实际导前角与测量导前角之间的差值。

3 实验结果

实验结果如表1所示,在不同导前时间及不同的频差条件下,本文所设计的准同期装置均能准确合闸,且有较小的合闸误差。

4 结束语

本文设计一种基于DSP自动准同期装置,它利用最小二乘算法来处理测量数据及采用自适应调整采样间隔技术,具有测量精度高、抗干扰能力强、响应时间短等优点。

对于同期合闸时机的可靠捕捉,提出了参考角差来防止错误合闸,经现场运行证明该装置具有良好的可靠性和稳定性。

参考文献

[1]卓乐友,叶念国.微机型自动准同步装置的设计和应用[M].北京,中国电力出版社,2002.

[2]黄梅.电力系统自动装置[M].中国电力出版社,2000.

[3]傅全兴,李忠,郭颖娜.单片机准同期自动并列合闸时机捕捉的研究[J].煤矿自动化,2002(6):1-3.

[4]黄纯,何怡刚,江亚群,等.交流采样同步方法的分析与改进[J].中国电机工程学报,2002,22(9):38-42.

自动准同期并列装置 篇5

并列操作是小水电运行中一项重要操作, 在准同期操作时, 只有待并发电机与系统的相序相同, 频率、电压大小、电压相位差等满足要求时, 才能进行并列操作。经升压变进行送电的小水电, 一般都以发电机出口、主变压器高压侧、输电线路出口处的断路器作为并列操作的同期点, 由于升压变通常采用Y/△-11 (Y, d11) 或Yo/Y/△-12, 11 (YN, y, d-12, 11) 的连接组别, 主变压器的高、中低两侧存在30°的相位差。因此对引入同期装置的电压必须加以补偿, 以满足并列条件。针对这一问题, 笔者根据现场多年的经验, 提出了同期电压几种常用的补偿方法及其对这个问题的认识。

2 同期电压引入电路的差别

同期电压是指同期点 (断路器) 两侧电压经过电压互感器变换和二次回路切换后的交流电压。为了全厂 (站) 配用一套同期装置, 需要把同期电压引到同期电压小母线上。通常把同期电压小母线上的二次电压称为同期电压。同期电压的引入方式与同期系统采用的接线方式有关。

1) 小电流接地系统升压变两侧同期电压的引入存在相位差:

小电流接地系统的升压变压器, 一般采用Y, d11接线, 其相位相差30°角 (即三角形 d侧超前星形Y侧30°) 。在同期电压的引入电路中, 当利用高压侧的断路器DL进行并列时, 同期电压分别从其高、低压侧电压互感器引接。而高低压侧电压互感器TV1与TV2都是Y, y12接线, 电压互感器一、二次侧电压相位相同。因此, 从变压器两侧的电压经TV1、TV2到其二次侧的电压相位也相差30°角。不能直接作为同期电压。

2) 大电流接地系统升压变两侧同期电压的引入方式存在差别:

大电流接地系统升压变压器, 一般采用YN, D11或 YN, y, d-12, 11接线, 中低压侧为中性点不接地系统, 同期电压采集的母线电压互感器二次侧为B相接地;而高压侧为中性点接地系统, 其母线电压互感器二次侧为N相接地。所以出现TV二次侧B相接地和中性点接地并存的情况。为了实现共用一台同期装置, 需使中性点直接接地系统的同期电压变换为B相接地。

3 同期补偿的方法

3.1 利用微机自动补偿

现在的微机自动准同期装置一般都有自动转角功能和自适应功能, 补偿超前30°或滞后30°。

3.2 利用转角变压器进行补偿

利用转角变压器进行补偿, 关键在于转角变压器的接线方式及其输入的电压。转角变根据安装地点和采集电压的不同, 有着不同的接线方式。

1) 如果转角变安装在待并侧, 且待并侧与系统侧的同期电压采集两侧母线TV二次侧的线电压UAB, 则转角变的接线方式应为D, Y1, 如图1所示, 转角变由3只单相100V/57.7V的变压器组合而成, 输入端为三角形接线方式, 每一相绕组的相电压等于线电压为100V, 输出端为星形接线方式, 每一相绕组的相电压为57.7V, 所以输出端的线电压等于100V, 且输出侧线电压Uab滞后输入侧线电压UAB30°, 这样就消除了变压器相角差。

2) 如果转角变安装在系统侧, 且待并侧与系统侧的同期电压采集两侧母线TV二次侧的线电压UAB, 则转角变的接线方式应为Y, d11, 变比为57.7V/100V, 经转角变后, 系统侧的同期采集电压UAB超前了30°, 这同样消除了变压器相角差。

3) 如果转角变安装在系统侧, 同期电压也可采集母线TV二次侧的相电压, 但必须是B 相电压UBN, 且待并侧的同期电压应采集母线TV二次侧的线电压UAB, 这样两侧采集的电压相位相差180°, 幅值相差1.732倍。转角变的接线方式应如图2所示, 转角变是由3只单相57.7V/100V的变压器组合而成, 转角变的输入为星形接线方式, 每一相绕组的相电压为33.3V, 而输出同样为星形接线方式, 每一相绕组的相电压为57.7V, 且转角变的输入输出A (a) 相极性端短接并接系统侧的B相, 这样经转角变后输出端的电压即为线电压100V, 相位也转了180°。这也消除了变压器相角差。

3.3 用TV开口三角的电压进行补偿

如果升压变压器高压侧为110KV及以上的大电流接地系统, 其主变的接线方式为YN, d11或 YN, y, d-12, 11, 两侧电压向量也相差30°, 引入的同期电压也须进行补偿。因大电流接地系统的中性点直接接地, 其母线电压互感器TV的辅助二次绕组开口三角主要作为零序保护采集零序电压用, 其绕组的电压为100V, 其任何一相接地, 都不影响零序电压的采集, 所以可将其B相接地, 从而实现N相接地到B相接地的变换。为此, 同期电压可从变压器高压侧母线电压互感器TV的开口三角取得, 不必增加中间转角变压器。如图3所示:系统侧同期电压采集TV开口三角的AC相电压, 每一相绕组的电压为100V。待并侧的同期电压同样采集母线TV二次侧的线电压UAB。这就解决了变压器相角差和中性点的问题, 满足同期并列的要求。

4 结束语

在水电站自动准同期中, 如接入的同期电压的一次接线为中性点不接地系统, 必须采用转角变压器进行补偿, 转角变的结线和变比根据采样的电压在现场可灵活改变, 如接入的同期电压的一次接线为中性点接地系统, 不必采用转角变压器, 可利用电压互感的辅助二次绕组进行补偿。

摘要：通过对同期电压的引入电路的分析, 提出了小水电同期电压多种补偿方法及其对同期电压补偿的认识。

关键词：小水电,同期,补偿方法

参考文献

[1]应明耕.水电站电气部分[M].浙江大学出版社, 1987, 7