基于STM32自动准同期并列装置的设计

•机械研究与应用•2020年第6期（第33卷，总第170期）电机工程
doi： 10.16576/ki. 1007-4414.2020.06.051
基于STM32自动准同期并列装置的设计
张鹏\杨勇2,崔力心2,陈仕彬2
(1.国网天水供电公司，甘肃天水741000 ; 2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州 730070)
摘要：电气工程师近年研制了许多微机式自动准同期并列装置。

但是，都仍然采用模拟式自动准同期并列装置的方式，并没有发当今社会微机电脑的作用，限制了微机式自动准同期并列的作用。

针对这种状况，基于单片机STM32自动准同期并列的硬件及软件的设计，通过硬件设计及软件编程自动调节三个并列因素，使之满足机组并列条件。

可以进一步提高电网的精确度、快速性和可靠性。

关键词：自动准同期；stm32单片机;调理电路；信号采集
中图分类号：TN8 文献标志码：A 文章编号：1007-4414(2020)06-0187-05
Design for the Automatic Quasi-Synchronous Parallel Device based on STM32
ZHANG Peng
(Tianshui Power Supply Company，Stale Grid Corporation of China，Tianshui Gansu 74]000，China)
A bstract：With the development of science and technology, the fluctuation of load is more and more serious, and the number
of generators is often increasing or decreasing, so the automatic quasi-synchronization is one of the important operations in power system. Because of the increase of capacity, misoperation will lead to very serious consequences. Therefore, it is very important to improve the accuracy, rapidity and reliability of power system interconnection. At the earliest time, the "rotating light method" was used for grid connection in China；then, the manual quasi — synchronous parallel device consisting of a pointer electromagnetic winding step-by-step meter was adopted in China. In the 1980s, most parts of our country adopted the analog automatic quasi-synchronization device consisting of discrete devices. However, the instability of the analog device leads to many erroneous actions and accidents. Therefore, we design a digital parallel device based on STM32fl03ZE MCU.
Because of its simple hardware, convenient programming and mature development trend, it has become the main body of auto­matic quasi-synchronous parallel device in todays society. The device includes conditioning circuit, switching circuit, MCU, LCD. The designed micro-computer automatic quasi-synchronization parallel device has high reliability, rapidity and stability.
Key w ords：automatic quasi-synchronization；STM32 single chip computer；conditioning circuit；signal acquisition
0引言
随着疫情过后消费业与工业的迅速恢复，以及今 冬明春各地区供暖问题，我国湖南、浙江等省份出现 电力紧张、供电缺口等问题，备用发电机组的投运操 作频繁，所以快速、准确的调整电压、频率、相位，使备 用机组稳定的投人到电网中，自动准同期并列操作将 是电网稳定运行的必要条件之一。

从20世纪60年代，我国准同期并列主要“旋转 光束发”手动调节，到80年代数字式准同期并列装 置的出现，但因调试不方便，速度低，可靠性不稳定，慢慢被淘汰，随着科技的发展，微机式自动准同期并 列装置逐渐出现电力系统中，但基于51系列单片机 的微机装置传输速率过慢，寄存器少，功耗较大。

而 STM32单片机属于arm内核的一个版本，比传统的 51单片机更加高级，具备很多51单片机不能使用的 资源，并且STM32单片机程序模块化，接口相对简单，运行速度更快。

笔者将采用S T M32单片机来设计自动准同期并 列装置。

主要的硬件设计可控电源电路、交流电压调 理电路、频率调理电路、相位差调理电路，通过软件的 设计完成自动调节，实现自动准同期并列。

1自动准同期并列原理
1.1并列操作的原则
电力系统在电网中运行的时候，随意的一条母线 的电压瞬时值可以用以下公式表示：
u =Um s\n(cot+(p)
公式:为电压幅值;W为电压的角速度；(p为初相 角。

这3个量表示的是该母线电压的幅值、频率、相 角。

这3个参数表示为该运行母线的电压瞬时量。

当1台发电机组在没有并人电网之前，他的电压 和待并侧电压的值常常不一定相等。

所以需要对待
收稿日期：2020-丨2-04
作者简介：张鹕（I996-),男，甘肃平凉人，助J1T：程师，主要从事电力运检方面的科研T.作
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电机工程
2020年第6期（第33卷，总第170期）
•机械研究与应用•
并侧的电压进行调节，使它符合并列的规定才发出合 闸命令让断路器Q F 合闸。

这就是我们所说的并网， 也可以称为并列操作。

同步发电机并列时要符合以下几点要求。

(1) 当并列断路器合闸的时侯，电网中的冲击电 流要尽可能的小，它的最大瞬时值一般不能大于1~2 倍的额定电流。

(2) 没有并人发电机组在准备投入时，要做到快 速性，使投人并列的速度快，这样暂态过程时间越短， 给电网的冲击和干扰也就越小。

1.2准同期并列原理
当发电机组在没有故障的状态下运行的时候，现 实生活中常依据的是准同期并列方式,将待并侧的发 电机组并列到到电网之中去运行。

自同期并列的方 式目前已经基本不再采用了，仅仅当电力系统在发生 故障的时候，为了方便快速的投人水轮机组，过去曾 采用的就是自同期并列的方法。

2自动准同期硬件设计
2.1 STM 32单片机
S T M 32单片机开发板的资源有很多，其中C PU
是S T M 32F 103Z E ,单片机的F L A S H 是256K 容量的， S R A M 是48K 容量的；并且有1个标准的J T A G /S W D 调试下载口，有1个IIC接口的E E P R O M 芯片，它的
型号是24C02,并且其容量为256字节；有1个SPI F L A S H 芯片，它的容量为8M 字节，也就是64M bit; 还带有1个D S 18B 20,它的作用是温度传感器的一个 接口，还有一个标准的2.4寸L C D 屏的接口，可以插 触摸屏;一个U S B 的接口，可以用来供电和上传下载 程序;一个S D 卡的接口，支持内存卡存储;还有一个 3.3V ，5V 的排线口，可以支持内部供电和给外设 供电。

2.2可控电源回路 2.2.1整流滤波部分
单片机的开关电源部分，首先把外部的交流电源 变为所需要的的直流电源，并且直流电源的电压小于
等于3.3 V 。

文中设计采用的外部交流电源先经过一 个变压器将220 V 的相电压降低，这是因为全桥整流 电路的耐压值较低，接着通过一个整流电路，滤波电 路，稳压电路，就得到所需要的一个可控电源开关电 路，图1为可控电源电路。

变压器可以将220 V 的相电压，降低成为11 V 的电压，它的峰值为:W x l l = 15.554(V )。

对于此设计采用的为全桥整流方式，其输出电压 公式有：
Ux - — f 72 t /2sin 〇)t ( d〇
t /, = —
= 0.9U 2
7T
所以经过全桥整流之后的直流电压为0.9〖/2 = 9.
9 V ,它的峰值为W x 9= 13.998,如图2所示，使用
Multisim得到没有经过滤波的直流仿真图。

图
2
全桥整流
2.2.2可控稳压部分
在之前的实验中单片机供电，都是通过稳压模块
是7805模块稳压，随着设备的要求以及科技发展， 7805输出的精确度已经不能达到精密电源的要求。

所以这里的稳压部分采用串联稳压电路，如图3所示 设计的串联稳压电路，其不但可以稳定电压,还可以 控制电压的大小。

图3串联稳压电路
当输出电压因为电源的电压或者负载的变化而 下降的时候，当{/。

降低时，将导致t /E 的值降低，在 %恒定的情况下，t /BK的值会增大，导致/B 增大，使 得/c 电流增大，同时/…心也将增大，最终导致[/(>增 大。

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反之，当增大的时候，经过电路的调节作用，%将自动减小，这样输出的电压降稳定。

电路输入的为14 V的直流电源，经过r t,限流电 阻和Z)5稳压二极管进行稳压调节，设计稳压二极管 的电压为1.1 V,并在稳压管两边并列一个滑动变阻 器,它的可调的范围就是0 ~ 1.1 V,滑动变阻器接在运 放的正极端，所以正极端的电压变化范围为0~ 1.1 V，运放的负极端接在和/?,电阻的中间，根据运放的 虚短虚断原理，f t,电阻可以调节的电压范围为0-1.1 V,又因为/?2电阻为4kfl，为&电阻的2倍，所以/?2电阻调节的电压范围为0 V〜2.2 V,通过滑动滑动变阻 器，尺，两端的电压的调节范围将为0〜3.3 V。

2.2.3交流电压调理图
设计交流电压调理电路主要采用了电压互感器，反相比例运放，低通滤波器和电压跟随器四个部分组 成。

如图4所示，因为单片机只能接受3.3 V及以下 的电压，为了保证实验的安全性，设计留有一定的裕 度，防止电压失稳而烧坏单片机设备。

设计输人端采 用380 V的电压，根据各个参数的计算调整,最终输 出2 V的电压供单片机使用。

R8
采用2 m A/2 m A型的H P T系列的电压互感器，取二次侧的电阻为400 n,测得二次测的电压值为 817 m V,理论值为800 m V。

欲使交流调理电路输出 2V的电压，采用反相比例运放，根据公式得：u-u_ u_-u0
10 10
G= 0_817 V，"0 = 2 V，"_ = 0.64 V
"_ = "+，取尺6= 2 kfi
5—1/+i7+—0
=-^—. «5= 13.6 k H
尺5^6压信号c:
I I«.»)• W X t S s x*47^7■»
n U B O B•-»»•»».»«»»I O S7*
TJ-TJ |N.IMM 1-SS7V l.M»»
~me m
r a函
r m a n m)：〇
mjwma
〇今丨
M X触：
,09 i
I.a c
C Q G
图5交流电压仿真示波器图
2.3频率调理电路
当频率变化时，发电机旋转的的速度，输出的有 功功率都会发生一定的变化，对发电机造成了一定的 损伤。

当频率偏大或偏小时，它会影响设备的准确性 和精准性，以及对电网的负面影响。

发电机的速度应 用于装置的轴，确定扭矩的平衡。

由于不存在发电机 上的扭矩的绝对平衡，即不可能严格保持发电机转速 或频率不变，但频率偏离额定值相对小范围的限制是 可以达到的。

关于对频率信号的有效采集，设计见图6电路模 块实现对频率信号的采集〇初级电压信号由电压互 感器转换生成，使用比较单元将正弦波转换成方波，然后将得到的方波信号再通过一个过零比较器，检测 过零时间去测量输出频率信号。

一次侧接交流电源，取线电压的有效值为380 V，通过设置电阻&为150 k n，变压器取1:1，测得 一次侧和二次侧的电流之比为3.55 m A/3.55 m A,设 计采用3 V的直流电压作为过零比较之后的时间间 隔检测，并且采用等值的分压，所以仿真输出为1.5 V 的矩形波。

根据对输出的设计，&电阻的取430 kfl,使得经过变压器二次侧的电压也为1.5 V，方便和矩 形波比较，且整齐美观。

脉冲经过反相比例放大器之后，再连接低通滤波 器，消去高频的信号，然后经过电压跟随器，使得输出 脉冲和这个电路前面的不互相影响，同时也不和这个 电路后面的有任何的影响，它发挥了特别好的电气隔 离的作用，同时也提高了带负载的能力。

如图5所示，采用multisim仿真，得到电压互感 器采集的800 m V的电压信号和最终输出的2V的电
图6频率调理电路图
过零比较器是用来检测输入量是否为零的电路。

原理是采用比较放大器对两个输人量进行比较采集。

如图6图所示，电压一个是参考电压，通过一个电阻 接地，所以参考电压为零，所以输入电压在每一次过 零的时候输出才发生一次变化，过零比较器后面连接
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直流源，可以得到所需要的频率所对应的矩形波宽 度，交流信号一个周期内过零两次，刚好矩形波采取 的两次之间的宽度所对应的时间就是频率的大小。

2.4相位差调理电路
相位差调理电路是在频率调理电路后面添加了
电气隔离电路和异或门进行相位差测量。

电压调理 电路通过低通滤波器和过零比较器，获得两个输人量
的频率,两个方波信号经过光电耦合TLP521 -1，起到 电气隔离作用，在异或门输出两个输人信号的相位差〇
5V V C C
5V
VC C
3v
lR15
I r 18
5k n
?5k n
图7相位差调理电路图
2.5整体硬件电路
如图8所示，此硬件图设计一个整体的准同期并 列的硬件图。

一次侧交流电压经过熔断器，送至变压 器，经过调理电路之后再从PIO 口，单片机驱动电路 经过10 口输出至继电器完成T.作，同理，调理电流从 电流互感器二次侧获取电流，经过PIO 口送把调理 过的电电流信号送至单片机，单片机的驱动是从10 口送至继电器完成工作。

图8整体硬件电路图
3.1软件流程图
主程序的功能有系统的初始化，通道的选择和切 换，可以进行电压的测量，频率差的测量，相位差的测
量以及p w m 控制和逆磁电流控制，以及合闸接口的 设定。

其流程图如图9所示。

3自动准同期并列软件设计
图9程序流程图
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3.2 P W M调节
关于P W M输出信号的频率和占空比此处以P W M模式1为例来介绍，首先，P W M输出的频率大 小,是通过寄存器来确定出来的，这个/对应的占空 比，也是通过寄存器来确定出来的。

当定时器开始计 数的时候，如果这时候计数器的值小于通道*的值，就应该将*通道输出的信号对应的保持的高电平;如 果这时候计数器的值不断的增大，大于等于x通道值 的时候，就应该将输出变换为相反的低电平；当计数 器的值不断的增大，达到了重载值的时候，输出的信 号就应该继续保持为高电平，当计数值重新装载在此 计数，接着在一次完成上面的步骤。

假设输出信号的 比较值设为Fm,，重装载值设为Fp,这个时候的P W M 信号的周期就为K/T I M计数时钟频率，而P W M信 号它的占空比就是^。

…/匕。

P W M是脉宽调制，设定周期为0.02 s，然后通过 调节脉宽,这样占空比为0.5,高电平和低电平脉冲占 都是r的1/2,使0.01 S内输出的信号为0 V，0.01 S 输出的信号为3.3 V,计算平均电压即有效电压为1.
15 V,如果通过P W M调节，改变前面输入信号的占 空比，设计就可以得到0~3.3 V之间的电压。

通过前 面外围调理电路的设计,本设计已有可调节的线性电 源。

如果改变输入信号的占空比，不但可以变化信号 的大小,还可以变化频率大小，如图10所示，当脉冲 的占空比调高之后，电压的频率也会随着调高。

4结束语
此次设计通过S T M32单片机实现自动准同期并 列，实现了稳定的，快速的自动准同期的各个功能，预
计达到规定的目标。

由于装置是通过单片机在较稳定的电压下完成
装置，在实际生活中的发电厂中，实际的环境问题以
及突发性故障问题很多，所以装置要考虑的需要增加
的功能改进的方面也有很多，通过此次设计，对于自
动装同期装置有一个初步的学习认识,对实际电气装
置设计有一个深人的认识，积累了一些经验。

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图10占空比增大
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