1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告</p><p>　題目：基于微機(jī)的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置設(shè)計(jì)的統(tǒng)的</p><p>　　1準(zhǔn)同期裝置研究的目的意義</p><p>　　1.1 研究目的與意義</p><p>　　一臺(tái)發(fā)電機(jī)組在未并入系統(tǒng)運(yùn)行之前，它的電壓UG與并列母線電壓UX的狀態(tài)量往往不等，須對(duì)待并發(fā)電機(jī)組進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮?，使之?/p>

2、合并列條件后才允許斷路器QF合閘作并網(wǎng)運(yùn)行。這一系列操作稱為并列操作，有時(shí)也稱為“并車”、“并網(wǎng)”等。</p><p>　　隨著負(fù)荷的波動(dòng)，電力系統(tǒng)中運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)也經(jīng)常要波動(dòng)。因此，同步發(fā)電機(jī)的并列操作是電廠的一項(xiàng)重要操作。另外，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某些事故時(shí)，也常要求將備用發(fā)電機(jī)組迅速投入電網(wǎng)運(yùn)行。可見，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，并列操作是較為繁瑣的。</p><p>　　電力系統(tǒng)的容量在不斷增大，

3、同步發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量也越來越大，大型機(jī)組不恰當(dāng)?shù)夭⒘胁僮鲗?dǎo)致嚴(yán)重后果。因此，對(duì)同步發(fā)電機(jī)的并列操作進(jìn)行研究，提高并列操作的精準(zhǔn)度和可靠性，對(duì)于系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　同步發(fā)電機(jī)組并列時(shí)遵循如下的原則：</p><p>　　⑴并列斷路器合閘時(shí)，沖擊電流應(yīng)盡可能的小，其瞬時(shí)最大值一般不宜超過1~2倍的額定電流。</p><p>　　⑵發(fā)

4、電機(jī)組并入電網(wǎng)后，應(yīng)能迅速進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)，其暫態(tài)過程要短，以減少對(duì)電力系統(tǒng)的擾動(dòng)。</p><p><b>　　1.2 研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　在早期，我國大多采用“旋轉(zhuǎn)燈光法”進(jìn)行準(zhǔn)同期并列操作，這是最原始的準(zhǔn)同期方法。后來改用指針式電磁繞組的整步表構(gòu)成的手動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。手動(dòng)同期完全由人來判斷合閘時(shí)機(jī)，因而誤差較大，很容易造成同期失敗，甚至損壞設(shè)備。

5、</p><p>　　二十世紀(jì)七十年代，一些電站采用了由分立器件構(gòu)成的模擬式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，這是最早的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。但是模擬式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置由于元器件的不穩(wěn)定性，在合閘時(shí)機(jī)的選擇和其他方面存在很多缺陷，不能很好的滿足要求。</p><p>　　二十世紀(jì)八十年代，隨著微機(jī)技術(shù)的普及，出現(xiàn)了基于微機(jī)的數(shù)字式準(zhǔn)同期裝置?；谖⑻幚砥鞯臄?shù)字式準(zhǔn)同期裝置具有高精度、高可靠性、人機(jī)界面有好、操作方便

6、、接線簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。</p><p>　　我國是世界上準(zhǔn)同期裝置最早研制的國家之一。深圳市智能設(shè)備開發(fā)有限公司研制的SID-2系列多功能微機(jī)準(zhǔn)同期裝置比較具有代表性。它是我國最早從事微機(jī)準(zhǔn)同期控制器研究、開發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)之一，相繼推出了QSA型、SID-1型、SID-2型、SID-2V系列發(fā)電機(jī)用微機(jī)準(zhǔn)同期控制器及SID-2T系列線路用微機(jī)準(zhǔn)同期控制器。目前國內(nèi)有許多科研、制造單位都在進(jìn)行微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的研制。&

7、lt;/p><p>　　2 同期裝置設(shè)計(jì)任務(wù)概況</p><p>　　根據(jù)電力系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電的要求，設(shè)計(jì)一套以微機(jī)為核心的，基于單片機(jī)的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)組自動(dòng)并網(wǎng)發(fā)電的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，并設(shè)計(jì)相關(guān)的接口電路和外圍電路，并編寫相應(yīng)的軟件流程圖，最后按要求寫出設(shè)計(jì)說明書，繪出設(shè)計(jì)圖樣。</p><p>　　具體需要設(shè)計(jì)：①發(fā)電廠組母線電壓、發(fā)電機(jī)組端電壓

8、的檢測(cè)電路；②發(fā)電廠母線電壓、發(fā)電機(jī)組端電壓的頻率檢測(cè)電路；③母線電壓與電機(jī)機(jī)端電壓相角差的檢測(cè)電路；④微機(jī)系統(tǒng)及外圍接口電路，并組成系統(tǒng)。</p><p>　　3 主要研究?jī)?nèi)容及研究方法</p><p>　　3.1 自動(dòng)準(zhǔn)同期原理</p><p>　　設(shè)待并發(fā)電機(jī)組G已經(jīng)加上了勵(lì)磁電流，其端電壓為UG，調(diào)節(jié)待并發(fā)電機(jī)組UG的狀態(tài)參數(shù)使之符合并列條件并將發(fā)電機(jī)并入系

9、統(tǒng)的操作，稱為準(zhǔn)同期并列。如圖1所示，QF為并列斷路器，QF的另一側(cè)為電網(wǎng)電壓UX。并列斷路器合閘之前，QF兩側(cè)電壓的狀態(tài)量一般不相等，須對(duì)發(fā)電機(jī)組G進(jìn)行控制使它符合并列條件，然后發(fā)出QF的合閘信號(hào)。這里需要說明的是，發(fā)電機(jī)三相電壓A、B、C與系統(tǒng)的三相電壓A、B、C的相序要相同，這在新機(jī)組裝機(jī)時(shí)應(yīng)該調(diào)好。</p><p>　　圖1 電路示意圖 圖2 相量圖

10、</p><p>　　3.1.1 準(zhǔn)同期的理想條件</p><p>　　設(shè)發(fā)電機(jī)的電壓UG的角頻率為ωG，電網(wǎng)電壓UX的角頻率為ωX，它們間的相量差UG－UX為US。計(jì)算并列時(shí)沖擊電流的等值電路如圖3所示。當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)一定時(shí)，沖擊電流的大小決定于合閘瞬間的US的值。要求QF合閘瞬間的US盡可能的小，其最大值應(yīng)使沖擊電流不超過允許值。最理想的情況是US的值為零，這時(shí)QF合閘的沖擊電流也就等于零

11、；并且希望并列后能順利進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)電網(wǎng)無任何擾動(dòng)。</p><p>　　可以看出，發(fā)電機(jī)并列的理想條件為并列斷路器兩側(cè)電源電壓的三個(gè)狀態(tài)量全部相等，即圖2中的UG，UX兩個(gè)相量完全重合并且同步旋轉(zhuǎn)，所以并列的理想條件可表達(dá)為：</p><p>　　fG=fX或ωG=ωX，即頻率相等</p><p>　　UG=UX，即電壓幅值相等

12、 （1）</p><p>　　δe=0，即相角差為零</p><p>　　這時(shí)并列合閘的沖擊電流等于零，并且并列后發(fā)電機(jī)G與電網(wǎng)立即進(jìn)入同步運(yùn)行，不發(fā)生任何擾動(dòng)現(xiàn)象?？梢栽O(shè)想，如果待并發(fā)電機(jī)的調(diào)速器和調(diào)壓器能按式（1）進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)理想的并列操作，則可極大的簡(jiǎn)化并列過程。</p><p>　　但是，實(shí)際運(yùn)行中，待并發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)并不按式（1）的理想

13、條件調(diào)節(jié)，因此三個(gè)條件很難同時(shí)滿足。其實(shí)，在實(shí)際操作中也沒有這樣的苛刻的必要。因?yàn)椴⒘泻祥l時(shí)只要沖擊電流較小，不危機(jī)電氣設(shè)備，合閘后的發(fā)電機(jī)組就能迅速拉入同步運(yùn)行，對(duì)待并發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)運(yùn)行的影響較小，不致引起任何不良后果。</p><p><b>　　圖3 等值電路圖</b></p><p>　　因此，在實(shí)際并列操作中并列的實(shí)際條件允許偏離式（1），其偏離的允許范圍則需

14、經(jīng)過分析確定。</p><p>　　3.1.2 電壓幅值偏差對(duì)準(zhǔn)同期的影響</p><p>　　設(shè)發(fā)電機(jī)并列時(shí)的電壓相量圖如圖4（a）所示，即并列時(shí)：①發(fā)電機(jī)頻率fG等于電網(wǎng)頻率fX；②相角差δe等于零；③電壓幅值不等，UG≠UX。在上述條件下，沖擊電流最大瞬時(shí)值為</p><p><b>　　（2）</b></p><p&

15、gt;　　式中 UG、UX–—發(fā)電機(jī)電壓、電網(wǎng)電壓有效值；</p><p>　　——發(fā)電機(jī)直軸次暫態(tài)電抗。</p><p>　　從圖4（a），當(dāng)δe很小時(shí)，可認(rèn)為Ih與UG夾角為90°，所以由電壓幅值差產(chǎn)生的沖擊電流Ih主要為無功沖擊電流。</p><p>　　沖擊電流的電動(dòng)力對(duì)發(fā)電機(jī)組繞組產(chǎn)生影響，由于定子繞組端部的機(jī)械強(qiáng)度最弱，所以須特別注意對(duì)它所造成

16、的危害。由于并列操作為正常運(yùn)行操作，沖擊電流最大瞬時(shí)值限制在1～2倍額定電流以下為宜。為了保證機(jī)組的安全，我國曾規(guī)定電壓差并列沖擊電流不允許超過機(jī)端短路電流的1/20～1/10。據(jù)此，得到準(zhǔn)同期并列的一個(gè)條件為：電壓差US不能超過額定電壓的5%～10%?，F(xiàn)在一些巨型發(fā)電機(jī)組更規(guī)定在0.1%以下，即要求盡量避免無功沖擊電流。</p><p>　　（a）

17、 （b）</p><p>　　圖4 準(zhǔn)同期條件分析</p><p>　?。╝）δe＝0時(shí)的相量圖；（b）δe≠0時(shí)的相量圖</p><p>　　3.1.3合閘相角差對(duì)準(zhǔn)同期的影響</p><p>　　設(shè)并列合閘時(shí)，斷路器兩側(cè)電壓相量圖如圖4（b）所示，即：①發(fā)電機(jī)頻率fG等于電網(wǎng)頻率fX；②合閘瞬間存在相角差，即δe≠0；③電壓幅

18、值相等，UG=UX。</p><p>　　這時(shí)發(fā)電機(jī)為空載情況，電動(dòng)勢(shì)即為端電壓，并與電網(wǎng)電壓相等，沖擊電流的最大瞬時(shí)值為</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中 UX——系統(tǒng)電壓有效值；</p><p>　　——發(fā)電機(jī)交軸次暫態(tài)電抗。</p><p>　　從圖4（b

19、）可見，當(dāng)δe很小時(shí)，可認(rèn)為h與G夾角為0°，所以由電壓幅值差產(chǎn)生的沖擊電流h主要為用功沖擊電流。</p><p>　　當(dāng)相角差較小時(shí)，沖擊電流主要為有功電流分量，說明合閘后發(fā)電機(jī)立刻向電網(wǎng)輸出有功功率，使機(jī)組聯(lián)軸受到突然沖擊，這對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)運(yùn)行都是不利的。為了保證機(jī)組安全，一般將有功沖擊電流限制在較小數(shù)值以內(nèi)。</p><p>　　設(shè)待并發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓之差為S，若G與X之

20、間既存幅值差，又存在相角差，這時(shí)S所產(chǎn)生的沖擊電流可綜合以上兩種典型情況進(jìn)行分析。</p><p>　　3.1.4頻率不相等對(duì)準(zhǔn)同期的影響</p><p>　　設(shè)待并發(fā)電機(jī)的電壓相量如圖5所示，且有UG=UX，電壓幅值相等；當(dāng)頻率不相等即fG≠fX，兩者的頻率差是一項(xiàng)很重要的參數(shù)，用頻差fS表示，即fS=fG－fX。</p><p>　　當(dāng)兩個(gè)交流電壓的頻率不等（但

21、較接近）時(shí)，一般可用兩個(gè)有相對(duì)旋轉(zhuǎn)速度的相量來表示它們。兩個(gè)交流電壓G、X間的瞬時(shí)相角差δe就是圖中兩個(gè)電壓相量間</p><p>　　圖5 滑差電壓原理圖</p><p>　　的夾角；兩電壓相量同方向旋轉(zhuǎn)，一快一慢，兩者間的電角頻率只差稱為滑差角頻率，簡(jiǎn)稱滑差，用ωS表示。于是得ωS＝ωG－ωX，顯然，ωS是有正負(fù)值的，其方向與所規(guī)定的參考相量有關(guān)。圖5中，以系統(tǒng)電壓X為參考相量，于是ω

22、G＞ωX時(shí)，ωS＞0；當(dāng)ωG＜ωX時(shí)，ωS＜0。反之，若以G為參考相量，則ωS的方向恰好相反。</p><p>　　滑差周期為?？梢婎l率fS、滑差ωS與滑差周期TS是可以相互換</p><p>　　算的，它們是描述兩電壓相量相對(duì)運(yùn)動(dòng)快慢的一組數(shù)據(jù)。</p><p>　　頻差fS，滑差ωS和滑差周期TS都可以用來確定地表示待并發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間頻率差的大小?；畲?，則滑

23、差周期短；滑差小，則滑差周期長。在有滑差的情況下，將機(jī)組投入電網(wǎng)，需要經(jīng)過一段加速或減速的過程，才能使機(jī)組于系統(tǒng)在頻率上“同步”。加速或減速力矩會(huì)對(duì)機(jī)組造成沖擊。顯然，滑差越大，并列時(shí)的沖擊就越大，因而應(yīng)該嚴(yán)格限制并列時(shí)的允許滑差。我國在發(fā)電廠進(jìn)行正常人工手動(dòng)并列操作時(shí)，一般取滑差周期在10s~16s之間。</p><p>　　3.2 自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置</p><p>　　3.2.1基于單片

24、機(jī)控制的微機(jī)準(zhǔn)同期裝置</p><p>　　微機(jī)準(zhǔn)同期裝置與電站或變電站的其他檢測(cè)、控制和保護(hù)裝置可采用分布式或集中式安裝，全部裝置構(gòu)成電站或變電站整套檢測(cè)、控制和保護(hù)系統(tǒng)，以保障電站或變電站的安全運(yùn)行。各個(gè)裝置獨(dú)立完成相應(yīng)的功能。設(shè)計(jì)方案原理圖如圖6所示。</p><p>　　圖6 設(shè)計(jì)方案原理圖</p><p>　　本文中設(shè)計(jì)的微機(jī)準(zhǔn)同期裝置的工作工程是：電力系

25、統(tǒng)通過二次設(shè)備將輸送的高</p><p>　　電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，將轉(zhuǎn)換后的正弦波信號(hào)進(jìn)行濾波、波形變換等整理進(jìn)而減少電網(wǎng)中的高次諧波干擾，并滿足測(cè)量電路對(duì)信號(hào)波形的要求，從而減小采樣、量化和參數(shù)測(cè)量過程中的誤差。經(jīng)交流變換及低通濾波后的信號(hào)一部分送至A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行</p><p>　　數(shù)模轉(zhuǎn)換并進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，另一部分送至硬件測(cè)頻電路進(jìn)行頻率差和相角差的測(cè)量，達(dá)到軟件測(cè)量和硬件測(cè)量相結(jié)合

26、的效果。最后捕捉并網(wǎng)時(shí)機(jī)準(zhǔn)確控制斷路器合閘。當(dāng)執(zhí)行并網(wǎng)時(shí)，斷路器兩側(cè)的頻差和壓差如果不滿足并網(wǎng)條件，可以依照偏差量的大小，發(fā)出升、降，增、減速信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，加速并網(wǎng)條件的形成。</p><p>　　3.2.2基于PLC控制的微機(jī)準(zhǔn)同期裝置</p><p>　　為了使待并發(fā)電機(jī)組滿足并列條件，自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置主要有三個(gè)控制單元：頻率差控制單元、電壓差控制單元、合閘信號(hào)控制單元。</p&g

27、t;<p>　　1、頻率差控制單元：測(cè)量發(fā)電機(jī)頻率fG與系統(tǒng)頻率fX的差值并調(diào)節(jié)fG ,使它與fX的差值小于規(guī)定值。</p><p>　　2、電壓差控制單元：測(cè)量發(fā)電機(jī)電壓G與母線電壓X幅值的差值并調(diào)節(jié)G，使它與X的差值小于規(guī)定值。</p><p>　　3、合閘信號(hào)控制單元：檢測(cè)發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓的相角差,在合適的時(shí)間發(fā)出合閘信號(hào),使斷路器主觸點(diǎn)接觸的瞬間,相角差接近于0。

28、</p><p>　　調(diào)速單元、調(diào)壓?jiǎn)卧?、合閘單元以及機(jī)組、系統(tǒng)總體連接圖如圖7所示。</p><p>　　如圖7所示，其中設(shè)置了頻率差控制單元、電壓差控制單元和合閘信號(hào)控制單元。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)并列時(shí)，發(fā)電機(jī)的頻率和電壓都由并列裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)，使它與電網(wǎng)的頻率、電壓間的差值減小。當(dāng)滿足并列條件時(shí)，自動(dòng)選擇合適的時(shí)機(jī)發(fā)出合閘信號(hào)。</p><p>　　圖7 基于PLC控制

29、的總體連接圖</p><p>　　3.3單片機(jī)與PLC的選擇</p><p>　　由于單片機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?、偌啥雀?。單片機(jī)包括CPU、4KB容量的ROM（8031無）、128B容量的RAM、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、4個(gè)8位并行口、全雙工串口行口；②系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)模塊化；③單片機(jī)可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小時(shí)無故障；④

30、處理功能強(qiáng)，速度快。</p><p>　　故在本次設(shè)計(jì)中最終將選用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。</p><p><b>　　4 預(yù)期結(jié)果</b></p><p>　　經(jīng)過對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)端和系統(tǒng)母線電壓的幅值、頻率相位參量檢測(cè)硬件電路的設(shè)計(jì)，將這些參量轉(zhuǎn)換為微機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)，利用編寫的程序軟件對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析、比較、計(jì)算，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果輸出相關(guān)的控

31、制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后去驅(qū)動(dòng)或操作相關(guān)的外置設(shè)備，達(dá)到自動(dòng)準(zhǔn)同期操作的預(yù)期效果。</p><p>　　經(jīng)過各個(gè)裝置獨(dú)立完成各自的相關(guān)功能后，并經(jīng)過控制器的總體調(diào)節(jié)，能夠基本實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同期并列的相關(guān)操作，并且將頻差、壓差控制在允許的偏差范圍內(nèi)：</p><p>　?。?）發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)電壓差US不超過額定電壓的5%~10%；</p><p>　?。?）發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)頻率差f

32、S不超過±0.1HZ；</p><p>　?。?）發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)相角差很小。（未查到具體數(shù)據(jù)，請(qǐng)陳老師告知）</p><p>　　最后，發(fā)電機(jī)組能夠順利并網(wǎng)。</p><p><b>　　5 時(shí)間進(jìn)程安排</b></p><p><b>　　6 參考文獻(xiàn)</b></p>&l

33、t;p>　　[1] 《電氣控制與可編程控制器技術(shù)》(第2版) 史國生編，化學(xué)工業(yè)出版社，2004.2出版</p><p>　　[2] 《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》李先彬主編，中國電力出版社，2004.7出版</p><p>　　[3] 《單片機(jī)原理及接口技術(shù)》李朝青主編，北京航空航天大學(xué)出版社，1999.3出版</p><p>　　[4] 《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》孫瑩主編，中