基于单片机的同步发电机准同步自动并列装置的设计

3 微机准同步自动并列装置软件设计
微机准同步自动并列装置软件设计流程图如图 4 所示。系统通电后，主程序先完成初始化工作， 包括堆栈指针﹑设定定时器/计数器工作方式及初值， 将有关的存储器单元置初值等。然后循环查询各输 入口状态，检测是否满足合闸条件。当直流电动机 －三相同步发电机组起动后，系统前向通道采集现 场信号，将检测到的电气量信号，经降压﹑ 滤波﹑ 模数转换等传送给 AT80C52 单片机，单片机将数 据进行处理﹑运算﹑比较。当满足合闸条件时， 发合闸信号。当发电机电压与电网电压不等时，相 应的 自动调整发电机励磁控制系统达到改 变发电机端电压的目的，使其与电网电压相等； 当频率不等时，相应的调整直流电动机的端电压 大小，以达到调整系统转速的目的，从而达到两 者频率相等。最后再检测相位差是否在设定的偏 差范围内。
基于单片机的同步发电机准同步自动并列装置的设计
马永翔 ,闫群民
（陕西理工学院电气工程系, 摘 要：随着电力系统网络的不断扩大，发动机安全、可靠 陕西 汉中 723003）
的并网操作就愈来愈显重要。 为了解决传统模拟式并网装置 的缺陷，本文介绍了一种以 MCS-51 系列单片机为核心实现 同步发电机准同步自动并列装置的原理。 该装置以三相电动 机－发动机组为研究对象， 实现了发电机安全、 可靠的并网。 通过对该装置并网过程的测试， 其并网过程具有快速﹑准确 等特点。 关键词：单片机; 同步发动机; 自动; 并列
3
UBS BS
.
S
.
.
G
UCG
.
等值于电网的发电
速控制。因此，对一个完整的并列装置而言，必须 有励磁调节和转速调节两大控制系统。
2 微机准同步自动并列装置设计
2.1 单向频率差和单向相角差的并列原则 一般的微机准同步自动并列装置对频率差和 相角差条件的判别采用下式：
0.1Hz f s f f f set
图4
软件流程图
参考文献
[1] 朱东起 李发海 电机学 科学出版社
2003、6 [2] 潘新民 王燕芳 微型计算机控制技术 电子工业出版社 2005.3 [3] 商国才 电力系统自动化 天津大学出版设 2004. 8 [4] 李建忠 单片机原理 西安电子科技大学出版社 2005、6
作者简介：
马永翔（1965－） ，男，副教授，研究方向计算机及电力系 统自动化，Email:mayx@snut.edu.cn 闫群民（1980－）男，硕士研究生，研究方向电力系统综合 自动化,
OE
AT80C52
模拟信号 Vx
10V 20V AGND _ 12/ 8 ___ CS DGND
___ EA
&
+5V
VLOGIC
STS
____ WR ___ RD
2
图3
微机准同步自动并列装置前向通道硬件电路图
中设计中我们选用 12 位逐次逼近型快速 A/D 转换 器 AD574， 其转换速度最快为 35us， 其转换误差± 出格式， 因此， 将低 4 位 DB0～DB3 接至高 4 位 DB11～ 0.05%,是目前应用较为广泛、价格适中的 A/D 转换 器。由于 AD574 内部含三态锁存器，故可直接与单 片机数据总线接口连接，如图 3 所示。设计中使 AD574 工作于单极性输入方式， 采用 12 位左对齐输
较快，因此要加入采样保持器，再送到 A/D 转换器
P2.7~P2.0 ALE P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0
A15~A8 G 8D 7D 6D 5D 4D 3D 2D 1D
74LS373
_ R/C Ao
AD574
DIP OFF DB11 DB10 DB9 DB8 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 CE
出格式， 因此， 将低 4 位 DB0～DB3 接至高 4 位 DB11～ DB8 上。读出时，先读高 8 位（ DB11～DB4） ，后读低 4 位（DB3～DB0） ，此时，DB7～DB4 为 0000H。由于直 接采用寻位指令查询，将 AD574 的标志位 STS 直接 接到 80C51 的 P1.0 位， AD574 的 5 根控制逻辑线， 用 来完成寻址﹑启动和读出功能。
并网瞬间不会引起较大的电流冲击，其等值电路如 图 1 所示。 在上述四个条件中，条件 3)可在并网前通过相 序鉴别器测定，条件 1)中发电机端电压大小主要由 发电机励磁控制， 条件 2)和条件 4)主要由原动机转
图1 同步发电机与大电网并联 △UA
AS UAS
.
IA.
. UCS CS
AG UAG UBG BG 待并网的发电机
+15V
-15V Vcc VEE REF IN REF OUT -15V +15V Q8 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1
储器（ROM） ，32 个双向输入/输出（I/O）口，3 个 16 位定时/计数器和 5 个两级中断结构，一个全双 工串行通信口，片内时钟振荡电路等。系统由电压 ﹑电流互感器﹑单片机﹑模数转换器﹑直流电动 机及励磁驱动电路等组成，系统框图如图 2 所示。
为此，提出了采用单向频率差和单向相角差的并列 原则，以保证发电机并列后（包括并列瞬间）总是
1 f set (3) 2 0 YJ i W Toc 2 (4) si 0.1Hz f s f f
向系统输出少量有功功率。根据这一原则，并列条 件变为： 由于越前时间可正可负，按式(4)整定可能出现 实测滑差频率。当越前时间误差为正时合闸瞬间的冲 击电流为传统整定方法的 2 倍，为此将式(3)中的频 率差整定值设为式(1)的 1/2。
(1) (2)
2 i YJ
1 同步发电机并列合闸条件
同步发电机并入到电网时要求它在较短时间 内不应产生大的电流冲击。为此，必须满足下述四 个条件： 1） 电机的电压幅值等于电网电压的幅值，且 波形一致； 2) 发电机的频率等于电网的频率； 3) 发电机的电压相序与电网的相序一致； 4) 合闸时，发电机的电压相位与电网电压的 相位一样。 满足上述四个条件后，发电机端电压的瞬时值 与电网电压的瞬时值就完全一样，这样就可保证在
.
0 引言
同步发电机单机运行时，随着负载的变化，发 电机的频率和端电压将发生相应的变化，供电的质 量及可靠性变差。为了克服这一缺点，现代电力系 统多采用多台发电机并联运行，同时许多发电厂也 并联运行形成较大的电力联合系统。目前，电力系 统规模日益扩大，发电设备容量也相应增大，系统 运行方式的变化也愈加频繁。因此，要求备用发电 机迅速投入系统，以满足用户电量增长的要求，同 时系统发生故障会失去部分电源时也要求备用机 组快速投入电力系统，防止系统事故的进一步扩 大，这些情况均要求将发电机组安全、可靠、准确 的并入电网。 本文设计出了一种以 AT80C52 单片机为核心 的微机式准同期自动并列装置。该装置具有性能可 靠、并网速度快﹑准确性高﹑误差小等特点。
开始 初始化 自检 Us Uf 采样 A/D 转换 Uf≥Us Y Uf =Us Y fs ff 检测 ff≥fs Y ff =fs Y δ检测 δ判断 Y 发合闸信号 结束 N N 原动机降速 N 原动机升速 N 发电机降压 N 发电机升压
4 结束语
所设计的微机准同步自动并列装置， 充分利用 AT80C52 的内部资源，进行数据处 理和实时控制功能，使系统工作处于最佳状 态，提高了系统并列的快速性﹑准确性。实 践证明该装置具有体积小、操作简便、可靠
式中： Toc 为越前时间误差，Wsi 为发合闸脉冲时 的实测滑差频率。 2.2 微机准同步自动并列装置的硬件设计
数据采集 隔 离 驱 动
电网电压
降压 滤波
励磁调 节系统
方波形成 与逻辑 AT 80C5
发电机 端电压
ห้องสมุดไป่ตู้
降压 滤波
方波形成
转速调 节系统 数据采集
数据
图 2 系统框图
根据系统实际需要和产品性价比，选用 INTEL 公司生产的 80C52。它采用可靠的 CHMOS 工艺技术 制造的高性能 8 位单片机，属于标准的 MC－51 的 HCMOS 产品。 其结合了 HMOS 的高速和高密度技术及 CHMOS 的低功耗特征。80C52 内置 8 位中央处理单 元，256 字节内部数据存储器 RAM，8K 片内程序存 2.3 微机准同步自动并列装置前向通道设计 数据采集系统中，由于电网﹑发电机参数变化
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式中： f set 为频率差整定值， i 为发合闸命令时实 测相角差， YJ 为越前合闸相角， 是实际应用中 为便于确定合闸脉冲而设定的偏角差。 式(1)、(2)中的绝对值符号，表明发电机频率 既可能高于系统频率，也可能低于系统频率；合闸 瞬间发电机电压相量既可能超前系统电压相量，也 可能滞后于系统电压相量。但在合闸瞬间，如果发 电机电压相量滞后于系统电压相量，则暂时从系统 吸收有功功率，这种情况对系统缺乏有功时不利。