双微机自动准同期装置SJ-12D的研制（王伟,韩晋）

时间：2021-01-14 08:08:16　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要：研制了一种基于DSP和单片机的自动准同期装置，介绍了该装置的硬件结构、工作原理及软件设计。除了传统的同期功能外，还具有通讯和录波等功能，而且人机界面友好。经测试，该装置能快速、准确、可靠的实现并网操作。

关键词：DSP 准同期导前时间

1 引言

同期并列是电力系统中经常进行的一项重要操作。发电厂在系统正常运行时，随着负荷的增加，要求备用发电机迅速投入系统，以满足用电量增长的需求；
在系统发生事故时，会失去部分电源，要求备用机组快速投入电力系统制止系统崩溃。在变电所，同期操作可以使系统中分开运行的线路断路器正确投入，实现系统并列运行，以提高系统的稳定、可靠运行及线路负荷的合理、经济分配。

随着电力系统容量及发电机单机容量的不断增大，不符合同期条件的并列操作将会带来极其严重的后果。对同期操作进行研究，提高同期并列操作的准确性、快速性和可靠性，对于系统的可靠运行具有很大的现实意义[1]。另外，随着变频器的广泛使用，电网中的谐波越来越多，这对同期装置提出了更高的要求。

本文介绍了一种以DSP和单片机为微处理器的自动准同期装置。该装置能够调节发电机电压和频率来快速、平稳地达到并网条件，能捕捉到第一次出现的零相角差时机并将发电机准确、快速、可靠地并入电网。该装置还具有记录合闸回路动作的时间、通讯和录波功能。

该装置的设计综合考虑了在水电厂、火电厂、变电站、抽水蓄能电厂和厂矿企业自备电厂及电动机同期的不同需求。不仅考虑了一般电厂在一般情况下的同期，亦考虑了在特殊场合及异常情况下的同期操作。如发电机同期时的同频不同相状态如对抽水蓄能电厂，抽水蓄能电厂由于变频器产生大量谐波对同期的干扰，以及一些电站对非逆功率并网的严格要求，等等。

2 准同期并列的基本原理

同期并列的理想条件是并列断路器两侧电源电压的三个状态量全部相等，即待并侧频率与系统侧频率相等；
待并侧电压与系统侧电压幅值相等；
相角差为零。

压差和频差的存在将导致并网瞬间，并列点两侧会出现一定的无功功率和有功功率的交换。电网和发电设备，一般都具有承受一定功率交换的能力。相比而言，相角差的存在会给断路器两侧带来更多的伤害，严重时会诱发次同步谐振。因此，一个好的同期装置应确保在相角差为零时完成并网。同时，为加速并网过程，没有必要对压差和频差的整定限制太严。

因此，在实际并列操作中，并列条件允许有一定的偏差，只要并列合闸时冲击电流较小，不危及电气设备。同期装置在同期并列操作时必须满足以下三个条件：

待并侧电压与系统侧电压的电压差应小于整定值；

待并侧电压频率与系统侧电压频率的频率差应小于整定值；

在并列断路器主触头闭合瞬间，待并侧与系统侧的电压相位差为零[2]。

3 硬件设计

该装置采用了双CPU设计，即DSP与MCU的方式。前者作为装置的主CPU，其任务是采样，识别、调节和捕捉同期。后者是装置的辅CPU，承担了人机交互和闭锁同期的功能。两者之间通过串口进行通讯。辅CPU闭锁相角的功能是为了防止主CPU故障而导致误发合闸令。这类似于原来单CPU的准同期装置的合闸回路串联一个同步检查继电器，避免发电机在大相角差时并网。从这一点来说，二者构成了一个表决系统。

这种双CPU系统设计对系统任务并行处理的方式，能充分利用DSP强大的运算能力和丰富的外围接口以及MCU较强的控制能力，更有效地发挥DSP的功效和MCU的特长，这无疑是高性能低成本的系统；
同时这种结构又可以保证系统资源上一定程度的冗余，使得今后系统功能的升级和改进变得容易。

本装置选用Motorola公司的16位定点处理器DSP56F807为微处理器，它在80MHz的时钟频率下可达40MIPS的指令执行速度。片内存储器分为程序Flash、程序RAM、数据Flash、数据RAM和BOOT Flash；
还集成了4个16位的定时器单元，每个定时器单元又包括4个定时器/计数器；
2个异步串行通信接口和一个控制器局域网模块CAN2.0A/B、4×4路12位A/D转换模块，实现了完全的单片化[3]。

同期装置通过硬件测频回路计算两侧电压的频率；
跟踪频率交流采样，采用傅氏算法求出电压有效值；
把两路硬件测频回路相异或，异或输出信号的宽度反映了两交流信号相角差的变化情况。装置中引入了启动、无压使能、断路器辅助节点和16个对象选择开入信号，输出合闸，增速、减速、升压、降压等开出信号。

由于同期装置用于环境恶劣的工业场合，因此，是否具有良好的抗干扰能力是衡量其性能的重要指标。本装置的硬件设计针对各种干扰源进行了设计。例如，针对输入线路引入的谐波干扰和尖峰干扰。本装置采用了带隔离功能电压型PT,不但可以使信号得到隔离，而且可以防止高频信号进入回路。对频率测量回路，使用了施密特触发器对波形进行整形，以达到增加触发沿的陡度，减弱沿的抖动，改善边沿质量，从而防止了对单片机的误触发。并且对输入的PT信号进行了低通滤波。针对输出回路的抗干扰，装置内部对升降压、加减速、合闸和故障输出使用光隔进行隔离。

装置硬件原理图如图1所示。

4 软件设计

装置的软件设计功能主要有以下三个方面：采集并计算电压、频率和相角差；
自动识别各种同期（无压合、差频同期和环并）、捕捉并调节；
通信任务。

交流量采集采用每周波24点采样，经软件波器计算后，用傅氏算法计算出电压有效值。由于发电机同期时，机组侧频率会发生变化，会给电压有效值的计算带来误差，因此，在此采用了频率跟踪（即根据测得的频率动态改变采样时间）。

同期模块的操作步骤是：首先，自动检测无压。两侧至少有一侧无电压信号，且无PT断线信号，则认为是无压合，直接合断路器。然后，在两侧均有压的情况下，自动识别差频和同频并网。

如果识别是同频并网，则进行是否允许同频并网的判定；

①Us,Ug,fs,fg在整定的允许值范围内；

②压差△U＜允许值（压差允许值可以整定）；

③相角差＜允许值（为两侧电压的相角差，此处即功角，允许值可以整定）。

在同频并网延时期间均满足上述3个条件，则发出合闸信号；
否则，不发合闸信号。

如果识别是差频并网，则进行是否允许差频并网的判定。

①Us,Ug,fs,fg在整定的允许值范围内；

②压差△U＜允许值（压差允许值可以整定）；

③0.05Hz＜︱△f︱＜允许值；

④相角差在1800－00的范围。

在同时满足上述4个条件以后，有两种方法实现导前时间。方法一是不断根据以下公式计算导前角

并检测实时相角差，捕捉到＝时，发出合闸信号。如果在同期允许时间内，捕捉不到同期点，发出同期失败信号。合闸信号发出后，等待回收断路器辅助节点变位信号，记录断路器的合闸回路动作时间。为了确保断路器可靠合闸，准同期装置经过（断路器的合闸导前时间）后断开合闸回路。

另外一种算法是采用最小二乘法原理，根据采集数据，利用残差递推等方法预报同期点。这种方法与前一种方法比，可以避免受到太多采样误差的影响。因此，本程序采用了后者。

在自动化要求越来越高的监控系统中，自动准同期装置与外部系统的联系很重要。因此，装置提供了与后台通信的接口RS485，并遵从了开放的通信协议MODBUS规约，这样装置可以方便的纳入各种控制系统。软件结构框图如图2所示。

5 装置特点

（1）双CPU硬件结构体系设计。先进的数字信号处理器(DSP)和单片机并行处理技术，充分发挥两者的优势，保证系统具有强大的数据处理能力、灵活的功能可扩充性及可配置性。

（2）DSP内置12位高精度A/D、自动跟踪频率同步控制交流采样技术、模拟量通道的自动校正技术等保证系统数据采集、处理的精度和准确性。

（3）调节发电机电压和频率快速、平稳地达到并网条件，能捕捉到第一次出现的零相角差时机。在软件及硬件上对合闸输出采用了多重冗余闭锁，误合闸概率接近于零。

（4）装置最多可用于16个同期对象，可以对断路器两侧电压进行相角补偿和幅值补偿。

（5）前置RS232串口可以进行参数的设置以及录波输出，后置RS485串口可以实现装置与上位机的通讯，以实现同期装置的远程控制与监视。

（6）人机界面友好。面板配有液晶屏显示，采用菜单式工作方式。具有丰富直观的数据分析处理能力，按键操作简单、方便。

（7）自检及自恢复功能。具备软件和硬件看门狗，受到干扰时，都能使系统复位，避免死机。

6 结论

装置经过实际的调试和运行，硬件电路功能正常。试验结果表明DSP能实现快速交流采样，确保同期装置快速、平稳地将发电机电压、频率调节到允许值，在频差、压差满足要求后，计算相角差并对合闸导前角进行预测，可快速、准确地捕捉到同期点，实现发电机与电网准确、快速、可靠的自动准同期并列操作。

参考文献：

[1]卓乐友，叶念国，翁乐阳，等.微机型自动准同步装置的设计和应用[M].北京：中国电力出版社，2002ZHUO Le-you,YE Nian-guo,WENG Le-yang,et al.Design and application of microprocessor based automatic quasi-synchronization device[M].Beijing:China Electric Power Press,2002

[2]杨冠城.电力系统自动装置原理[M]. 北京：水利电力出版社，1995YANG Guan-cheng.Principle of power system automatic device[M].Beijing:Hydraulic and Electric Power Press,1995

[3]邵贝贝，龚光华，薛涛，等.Motorola DSP型16位单片机原理与实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2003SHAO Bei-bei,GONG Guang-hua,XUE Tao,et al.Principle and practice of Motorola DSP type 16 bits single chip[M].Beijing:Beijing Aeronautics And Astronautics University Press,2003

[4]周斌，鲁国刚.具有检同期合闸功能的变电站测控装置[J].电力自动化设备，2004,24（1）：91－93.ZHOU Bin,LU Guo-gang.Substation measuring and control device with synchronization function[J].Electric Power Automation Equipment.2004,24(1):91-93.

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