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1、基于微机的自动准同期装置设计 本科毕业设计（论文）开题报告题目：基于微机的自动准同期装置设计 的统的学生姓名陈幸学号0807020315教学院系电气信息学院专业年级电气工程及其自动化2008级指导教师陈贵职称讲师单位西南石油大学91准同期装置研究的目的意义1.1 研究目的与意义一台发电机组在未并入系统运行之前，它的电压UG与并列母线电压UX的状态量往往不等，须对待并发电机组进行适当的操作，使之符合并列条件后才允许断路器QF合闸作并网运行。这一系列操作称为并列操作，有时也称为“并车”、“并网”等。随着负荷的波动，电力系统中运行的发电机组台数也经常要波动。因此，同步发电机的并列操作是电厂的一项重要
2、操作。另外，当系统发生某些事故时，也常要求将备用发电机组迅速投入电网运行。可见，在电力系统运行中，并列操作是较为繁琐的。电力系统的容量在不断增大，同步发电机的单机容量也越来越大，大型机组不恰当地并列操作将导致严重后果。因此，对同步发电机的并列操作进行研究，提高并列操作的精准度和可靠性，对于系统的可靠运行具有很大的现实意义。同步发电机组并列时遵循如下的原则：并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能的小，其瞬时最大值一般不宜超过12倍的额定电流。发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动。1.2 研究现状在早期，我国大多采用“旋转灯光法”进行准同期并列操作，这是
3、最原始的准同期方法。后来改用指针式电磁绕组的整步表构成的手动准同期装置。手动同期完全由人来判断合闸时机，因而误差较大，很容易造成同期失败，甚至损坏设备。二十世纪七十年代，一些电站采用了由分立器件构成的模拟式自动准同期装置，这是最早的自动准同期装置。但是模拟式自动准同期装置由于元器件的不稳定性，在合闸时机的选择和其他方面存在很多缺陷，不能很好的满足要求。二十世纪八十年代，随着微机技术的普及，出现了基于微机的数字式准同期装置。基于微处理器的数字式准同期装置具有高精度、高可靠性、人机界面有好、操作方便、接线简单等特点。我国是世界上准同期装置最早研制的国家之一。深圳市智能设备开发有限公司研制的SID-
4、2系列多功能微机准同期装置比较具有代表性。它是我国最早从事微机准同期控制器研究、开发生产的企业之一，相继推出了QSA型、SID-1型、SID-2型、SID-2V系列发电机用微机准同期控制器及SID-2T系列线路用微机准同期控制器。目前国内有许多科研、制造单位都在进行微机自动准同期装置的研制。2 同期装置设计任务概况根据电力系统对发电机机组并网发电的要求，设计一套以微机为核心的，基于单片机的自动准同期装置，实现发电机机组自动并网发电的自动准同期装置，并设计相关的接口电路和外围电路，并编写相应的软件流程图，最后按要求写出设计说明书，绘出设计图样。具体需要设计：发电厂组母线电压、发电机组端电压的检测
5、电路；发电厂母线电压、发电机组端电压的频率检测电路；母线电压与电机机端电压相角差的检测电路；微机系统及外围接口电路，并组成系统。3 主要研究内容及研究方法3.1 自动准同期原理设待并发电机组G已经加上了励磁电流，其端电压为UG，调节待并发电机组UG的状态参数使之符合并列条件并将发电机并入系统的操作，称为准同期并列。如图1所示，QF为并列断路器，QF的另一侧为电网电压UX。并列断路器合闸之前，QF两侧电压的状态量一般不相等，须对发电机组G进行控制使它符合并列条件，然后发出QF的合闸信号。这里需要说明的是，发电机三相电压A、B、C与系统的三相电压A、B、C的相序要相同，这在新机组装机时应该调好。
6、图1 电路示意图 图2 相量图3.1.1 准同期的理想条件 设发电机的电压UG的角频率为G，电网电压UX的角频率为X，它们间的相量差UGUX为US。计算并列时冲击电流的等值电路如图3所示。当电网参数一定时，冲击电流的大小决定于合闸瞬间的US的值。要求QF合闸瞬间的US尽可能的小，其最大值应使冲击电流不超过允许值。最理想的情况是US的值为零，这时QF合闸的冲击电流也就等于零；并且希望并列后能顺利进入同步运行状态，对电网无任何扰动。可以看出，发电机并列的理想条件为并列断路器两侧电源电压的三个状态量全部相等，即图2中的UG，UX两个相量完全重合并且同步旋转，所以并列的理想条件可表达为：fG=fX或G
7、=X，即频率相等UG=UX，即电压幅值相等 （1）e=0，即相角差为零这时并列合闸的冲击电流等于零，并且并列后发电机G与电网立即进入同步运行，不发生任何扰动现象。可以设想，如果待并发电机的调速器和调压器能按式（1）进行调节，实现理想的并列操作，则可极大的简化并列过程。但是，实际运行中，待并发电机组的调节系统并不按式（1）的理想条件调节，因此三个条件很难同时满足。其实，在实际操作中也没有这样的苛刻的必要。因为并列合闸时只要冲击电流较小，不危机电气设备，合闸后的发电机组就能迅速拉入同步运行，对待并发电机和电网运行的影响较小，不致引起任何不良后果。图3 等值电路图因此，在实际并列操作中并列的实际条件
8、允许偏离式（1），其偏离的允许范围则需经过分析确定。3.1.2 电压幅值偏差对准同期的影响设发电机并列时的电压相量图如图4（a）所示，即并列时：发电机频率fG等于电网频率fX；相角差e等于零；电压幅值不等，UGUX。在上述条件下，冲击电流最大瞬时值为 （2）式中 UG、UX发电机电压、电网电压有效值； 发电机直轴次暂态电抗。从图4（a），当e很小时，可认为Ih与UG夹角为90，所以由电压幅值差产生的冲击电流Ih主要为无功冲击电流。冲击电流的电动力对发电机组绕组产生影响，由于定子绕组端部的机械强度最弱，所以须特别注意对它所造成的危害。由于并列操作为正常运行操作，冲击电流最大瞬时值限制在12倍额定
9、电流以下为宜。为了保证机组的安全，我国曾规定电压差并列冲击电流不允许超过机端短路电流的1/201/10。据此，得到准同期并列的一个条件为：电压差US不能超过额定电压的5%10%。现在一些巨型发电机组更规定在0.1%以下，即要求尽量避免无功冲击电流。（a） （b）图4 准同期条件分析（a）e0时的相量图；（b）e0时的相量图3.1.3合闸相角差对准同期的影响设并列合闸时，断路器两侧电压相量图如图4（b）所示，即：发电机频率fG等于电网频率fX；合闸瞬间存在相角差，即e0；电压幅值相等，UG=UX。这时发电机为空载情况，电动势即为端电压，并与电网电压相等，冲击电流的最大瞬时值为 （3）式中 UX系
10、统电压有效值； 发电机交轴次暂态电抗。从图4（b）可见，当e很小时，可认为h与G夹角为0，所以由电压幅值差产生的冲击电流h主要为用功冲击电流。当相角差较小时，冲击电流主要为有功电流分量，说明合闸后发电机立刻向电网输出有功功率，使机组联轴受到突然冲击，这对机组和电网运行都是不利的。为了保证机组安全，一般将有功冲击电流限制在较小数值以内。设待并发电机电压与电网电压之差为S，若G与X之间既存幅值差，又存在相角差，这时S所产生的冲击电流可综合以上两种典型情况进行分析。3.1.4频率不相等对准同期的影响设待并发电机的电压相量如图5所示，且有UG=UX，电压幅值相等；当频率不相等即fGfX，两者的频率差是
11、一项很重要的参数，用频差fS表示，即fS=fGfX。当两个交流电压的频率不等（但较接近）时，一般可用两个有相对旋转速度的相量来表示它们。两个交流电压G、X间的瞬时相角差e就是图中两个电压相量间图5 滑差电压原理图的夹角；两电压相量同方向旋转，一快一慢，两者间的电角频率只差称为滑差角频率，简称滑差，用S表示。于是得SGX，显然，S是有正负值的，其方向与所规定的参考相量有关。图5中，以系统电压X为参考相量，于是GX时，S0；当GX时，S0。反之，若以G为参考相量，则S的方向恰好相反。滑差周期为。可见频率fS、滑差S与滑差周期TS是可以相互换算的，它们是描述两电压相量相对运动快慢的一组数据。频差fS
12、，滑差S和滑差周期TS都可以用来确定地表示待并发电机与系统之间频率差的大小。滑差大，则滑差周期短；滑差小，则滑差周期长。在有滑差的情况下，将机组投入电网，需要经过一段加速或减速的过程，才能使机组于系统在频率上“同步”。加速或减速力矩会对机组造成冲击。显然，滑差越大，并列时的冲击就越大，因而应该严格限制并列时的允许滑差。我国在发电厂进行正常人工手动并列操作时，一般取滑差周期在10s16s之间。3.2 自动准同期装置3.2.1基于单片机控制的微机准同期装置微机准同期装置与电站或变电站的其他检测、控制和保护装置可采用分布式或集中式安装，全部装置构成电站或变电站整套检测、控制和保护系统，以保障电站或变
13、电站的安全运行。各个装置独立完成相应的功能。设计方案原理图如图6所示。图6 设计方案原理图本文中设计的微机准同期装置的工作工程是：电力系统通过二次设备将输送的高电压转换为低电压，将转换后的正弦波信号进行滤波、波形变换等整理进而减少电网中的高次谐波干扰，并满足测量电路对信号波形的要求，从而减小采样、量化和参数测量过程中的误差。经交流变换及低通滤波后的信号一部分送至A/D转换电路进行数模转换并进行参数测量，另一部分送至硬件测频电路进行频率差和相角差的测量，达到软件测量和硬件测量相结合的效果。最后捕捉并网时机准确控制断路器合闸。当执行并网时，断路器两侧的频差和压差如果不满足并网条件，可以依照偏差量的
14、大小，发出升、降，增、减速信号进行调节，加速并网条件的形成。3.2.2基于PLC控制的微机准同期装置为了使待并发电机组满足并列条件，自动准同期装置主要有三个控制单元：频率差控制单元、电压差控制单元、合闸信号控制单元。1、频率差控制单元：测量发电机频率fG与系统频率fX的差值并调节fG ,使它与fX的差值小于规定值。2、电压差控制单元：测量发电机电压G与母线电压X幅值的差值并调节G，使它与X的差值小于规定值。3、合闸信号控制单元：检测发电机电压与系统电压的相角差,在合适的时间发出合闸信号,使断路器主触点接触的瞬间,相角差接近于0。调速单元、调压单元、合闸单元以及机组、系统总体连接图如图7所示。如
15、图7所示，其中设置了频率差控制单元、电压差控制单元和合闸信号控制单元。当同步发电机并列时，发电机的频率和电压都由并列装置自动调节，使它与电网的频率、电压间的差值减小。当满足并列条件时，自动选择合适的时机发出合闸信号。图7 基于PLC控制的总体连接图3.3单片机与PLC的选择由于单片机具有以下优点：集成度高。单片机包括CPU、4KB容量的ROM（8031无）、128B容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口；系统结构简单，使用方便，实现模块化；单片机可靠性高，可工作到106 107小时无故障；处理功能强，速度快。故在本次设计中最终将选用单片机来实现对设备的控制。4 预
16、期结果经过对发电机机端和系统母线电压的幅值、频率相位参量检测硬件电路的设计，将这些参量转换为微机能够识别的信号，利用编写的程序软件对这些信号进行分析、比较、计算，并根据运算结果输出相关的控制信号，经驱动放大后去驱动或操作相关的外置设备，达到自动准同期操作的预期效果。经过各个装置独立完成各自的相关功能后，并经过控制器的总体调节，能够基本实现准同期并列的相关操作，并且将频差、压差控制在允许的偏差范围内：（1）发电机组并网时电压差US不超过额定电压的5%10%；（2）发电机组并网时频率差fS不超过0.1HZ；（3）发电机组并网时相角差很小。（未查到具体数据，请陈老师告知）最后，发电机组能够顺利并网。
17、5 时间进程安排设计（论文）的进程安排序号设计各阶段内容起止日期1查阅、收集资料，确定方案，开题报告，开题答辩2012.4.2-20124.15(第7-8周)2电压幅值的检测电路的设计、并学习单片机的知识2012.4.16-20124.22(第9周)3电压幅值的比较电路的设计、继续学习单片机的知识2012.4.23-20124.29(第10周)4变压器选型设计，电气设备选型2012.4.30-2012.5.6(第11周)5短路电流计算与设备校验，无功功率计算与补偿2012.5.7-2012.5.13(第12周)6绘制电气平面图，电气系统图2012.5.14-2012.5.20(第13周)7组成
18、系统，并进行相应仿真2012.5.21-2012.5.27(第14周)8撰写设计报告（论文）2012.5.27-2012.6.3(第15周)9提交毕业设计报告（论文）2012.6.4-2012.6.7(第16周)10教师审阅、评阅报告、准备答辩2012.6.8-2012.6.18(第16-18周)11毕业答辩、成绩评定、争优答辩2012.6.19-2012.6.21(第18周)6 参考文献1 电气控制与可编程控制器技术(第2版) 史国生编，化学工业出版社，2004.2出版2 电力系统自动化李先彬主编，中国电力出版社，2004.7出版3 单片机原理及接口技术李朝青主编，北京航空航天大学出版社，1999.3出版4 电力系统自动化孙莹主编，中国电力出版社，2004.5出版