同期装置

同期装置
摘要
随着电力系统自动化水平的不断提高，对研制先进、方便、安全的同期装置提出了更高的要求。

研制先进的微机自动准同期装置对于电力系统的安全和发展具有重要意义。

本课题结合工程实际应用的需要，通过对准同期条件的理论分析，设计完成了一种基于80C196的数字信号控制器的自动准同期装置。

装置主要完成同期操作控制、并列条件的检测与判断、合闸时机计算、液晶显示等功能。

本文重点阐述了所设计的微机自动准同期装置的硬件组成、结构特点和软件实现方法。

在硬件设计中，提出硬件的整体设计方案，详细介绍了电压交流采样电路、电源电路、显示电路等，同时也详细介绍了80C196单片机信号控制器及其他相关元器件的功能和应用。

在软件设计中，设计完成了电压采集程序、信号处理程序、中断服务程序等，同时详细论证了交流采样算法和合闸时机判断方案等相关内容。

最后，对所设计和制作的自动准同期装置进行了总结，指出所存在的不足和可以继续改进的地方。

关键词：自动准同期，交流采样，信号处理，A/D转换，显示。

1 概述
1.1 控制单元
自动准同期装置一般由三个控制单元构成。

1）频差控制单元：检测滑差频率，调节待并发电机转速，使发电机频率接近于待并系统频率。

2）电压差控制单元：检测待并发电机电压幅值与系统电压幅值之间的向量差，调节发电机电压G u 使它与系统电压S u 之间的电压差值小于规定值，促使并
列条件的实现。

3）合闸信号控制单元：检查并列条件，当发电机频率和电压都满足并列条件时，控制单元就选择合适的时间发出合闸信号，使并列断路器的主触头接通时，相角差接近于零。

1.2 原理构成
1）两侧电压的相角差可以表现为一定的脉冲宽度。

宽度随时间变化的脉冲序列表征两侧电压相位差随时间的变化。

可以采用直接测量脉宽的方式计算两侧电压的相角差。

采用基于单片机的测控系统能够方便地测量脉冲宽度，并进行处理。

2）同理，采用了单片机以后，可以分别测量两侧电压、频率，将两侧频率相减得到频率差。

对于电压差，也可以通过分别测量两侧电压幅值，将测得的电压幅值进行比较获得电压幅值差。

3）采用单片机的数字式准同期装置脉络清晰，实现起来比模拟式装置简单明了。

单片机具有高速运算和逻辑判断功能，它的指令周期是微秒级的，对于每一个周期近于20ms 的矩形波来说，可以有充裕的时间进行运算。

1.3 准同期并列的理想条件
同期并列前的断路器两侧的电压为：
发电机组侧电压
0sin()G Gm G G u U t ωφ=+
电网系统侧电压
0sin()S Sm S S u U t ωφ=+
式中，Gm U —待并发电机侧电压幅值；Sm U —待并系统侧电压幅值；G u —待并发电机侧电压向量；S u —待并系统侧电压向量；G ω—待并发电机角频率；S ω—待并系统的角频率；0G φ—待并发电机的初相角；0S φ—待并系统的初相角。

并列的理想条件为：
1）电压幅值相等，Gm U =Sm U 。

2）电压角频率相等，G ω=S ω；或电压频率相等，即G f =s f 。

3）合闸瞬间的相角差为零，即δ=0°。

1.4 现实意义
频率差、电压差、相角差都是影响同期并列的重要因素，且直接影响到发电机组的运行、寿命以及系统稳定。

因此，以上三个条件也就成为数字式自动准同期装置必须控制的量。

运行实践表明，绝大多数造成发电机损坏的非同期并列是由于相角差失控所导致的，而在发电机空载运行时，即使存在较大的电压差和较大的频率差，其在并网时所产生的无功功率和有功功率的冲击，由于幅值所限，不会对发电机造成致命损坏。

但是，如果相角差很大的情况下并网的后果就完全不同了。

相角差是指发电机的转子的d 轴和定子三相电流合成的同步旋转磁场磁轴之间的角差。

在断路器合闸的那一瞬间，系统电压加在发电机定子上，其角速度为必S ω旋转的旋转磁场将产生一个电磁转矩，强迫发电机转子轴系的磁轴与其取向一致，这一拉入同步的过程是在极短的时间内完成的，数百吨质量的转子轴系在定子电磁转矩作用下旋转一个角度的过程。

因此，准同期并列操作时，严格控制相角差是同期条件中最重要的一环。

2硬件电路设计
2.1系统整体结构设计
本装置要实现数字半自动准同期装置，即主要能给运行人员提供调节发电机
励磁、转速以及合闸的信号。

其中，A/D 转换及数字信号处理和判断在单片机内部完成。

自动准同期装置的主要信号有1）输入信号：① 待并系统侧电压向量S u ；② 待并发电机侧电压向量G u 。

2）输出信号：①加速；②减速；③升压；④降
压；⑤合闸。

由于发电机机端电压一般为17.5KV 左右，而系统输电线路中电压也属于高压，故需将高压转换为所需电压，再经交流采样、CPU 处理等程序经过一定的算法得出所需的量并加以简单显示，这便是整个设计流程的思路。

总的硬件结构可分为五个模块，分别为：单片机系统模块、输入模块、输出模块、存储模块和电源模块，整体结构设计见图2.1。

图 2.1 硬件总方案
2.2系统各硬件电路模块设计
2.2.1降压滤波电路
有于系统及机端电压为高压，且含有许多高次谐波，若需对其采样，需进行降压和滤波的处理，系统中的PT 装置一般只能将电压降至100V ，因此，还需要另外加装精密电压互感器，将其降至为0~5V 交流电压，第二级电压互感器型号采用JC0.002S21型号，输入额定值为100V ，输出额定值为5V ，带负载能力为10K 欧。

另外降压后的电压所进行的滤波处理，即通过一个无源低通滤波电路，滤除其中的高次谐波，才不会影响对其采样的精度。

降压滤波后的电压信号送往采样/保持电路之前的电压偏置缓冲处理电路。

Ux
UG
图2.2 降压滤波电路
图 2.3 降压滤波原理图
2.2.2 电压偏置缓冲电路
由于输送到单片机A/D转换的中的信号不能为负值，故需要将正弦波信号加以抬升，使其位于X轴上方，这样采集到的数值才能送入单片机进行处理。

下图电路原理为这个把两路输入信号相加后减半输出，跟随器为2：1的同相放大器。

图2.4 信号偏置电路
2.2.3 采样保持电路
计算机系统模拟量输入通道中的一种模拟量存储装置。

它是连接采样器和模数转换器的中间环节。

采样器是一种开关电路或装置，它在固定时间点上取出被处理信号的值。

采样保持器则把这个信号值放大后存储起来，保持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值。

在模数转换器工作期间采样保持器一直保持着转换开始时的输入值，因而能抑制由放大器干扰带来的转换噪声，降低模数转换器的孔径时间，提高模数转换器的精确度和消除转换时间的不准确性。

保持电路主要有输入缓冲放大器、模拟开关、保持电容以及输出缓冲放大器组成。

采样在采样时刻，加到模拟开关上的数字信号为低电平，此时模拟开关被接通，使存储元件（通常是电容器）两端的电压随被采样信号变化。

当采样间隔终止时，变为高电平,模拟开关断开,U则保持在断开瞬间的值不变。

缓冲放大
器的作用是放大采样信号。

图2.5 采样保持电路
2.2.4电压过零比较电路
电压比较电路主要用于测量交流电压的过零点，是CPU定时器记录下这一时刻，如果再记录下下一次的电压过零时刻，便可计算出该交流电压的周期。

经降压滤波后的电压信号分别接到过零比较器的输入端，经过零比较器输出同周期、同相位的脉冲信号，经过一系列逻辑运算门可得到相角差时间段为脉宽的脉冲信号，三个输出端分别接至单片机的HSI.0、HSI.1、HSI.2高速输入端口，然后采用T1定时器编程计算出他们的脉宽t1、t2、t3，便可计算出其周期和越前相角。

图2.7 电压过零比较电路。