開題報告---基于微機的自動準(zhǔn)同期裝置設(shè)計

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告</p><p>　題目：基于微機的自動準(zhǔn)同期裝置設(shè)計的統(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>　　一臺發(fā)電機組在未并入系統(tǒng)運行之前，它的電壓UG與并列母線電壓UX的狀態(tài)量往往不等，須對待并發(fā)電機組進行適當(dāng)?shù)牟僮鳎怪?/p>

2、合并列條件后才允許斷路器QF合閘作并網(wǎng)運行。這一系列操作稱為并列操作，有時也稱為“并車”、“并網(wǎng)”等。</p><p>　　隨著負荷的波動，電力系統(tǒng)中運行的發(fā)電機組臺數(shù)也經(jīng)常要波動。因此，同步發(fā)電機的并列操作是電廠的一項重要操作。另外，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某些事故時，也常要求將備用發(fā)電機組迅速投入電網(wǎng)運行。可見，在電力系統(tǒng)運行中，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)電機的單機容量也越來越大，大型機組不恰當(dāng)?shù)夭⒘胁僮鲗?dǎo)致嚴重后果。因此，對同步發(fā)電機的并列操作進行研究，提高并列操作的精準(zhǔn)度和可靠性，對于系統(tǒng)的可靠運行具有很大的現(xiàn)實意義。</p><p>　　同步發(fā)電機組并列時遵循如下的原則：</p><p>　?、挪⒘袛嗦菲骱祥l時，沖擊電流應(yīng)盡可能的小，其瞬時最大值一般不宜超過1~2倍的額定電流。</p><p>　　⑵發(fā)

4、電機組并入電網(wǎng)后，應(yīng)能迅速進入同步運行狀態(tài)，其暫態(tài)過程要短，以減少對電力系統(tǒng)的擾動。</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)成的手動準(zhǔn)同期裝置。手動同期完全由人來判斷合閘時機，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)成的模擬式自動準(zhǔn)同期裝置，這是最早的自動準(zhǔn)同期裝置。但是模擬式自動準(zhǔn)同期裝置由于元器件的不穩(wěn)定性，在合閘時機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>　　二十世紀八十年代，隨著微機技術(shù)的普及，出現(xiàn)了基于微機的數(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、人機界面有好、操作方便

6、、接線簡單等特點。</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系列多功能微機準(zhǔn)同期裝置比較具有代表性。它是我國最早從事微機準(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)電機用微機準(zhǔn)同期控制器及SID-2T系列線路用微機準(zhǔn)同期控制器。目前國內(nèi)有許多科研、制造單位都在進行微機自動準(zhǔn)同期裝置的研制。&

7、lt;/p><p>　　2 同期裝置設(shè)計任務(wù)概況</p><p>　　根據(jù)電力系統(tǒng)對發(fā)電機機組并網(wǎng)發(fā)電的要求，設(shè)計一套以微機為核心的，基于單片機的自動準(zhǔn)同期裝置，實現(xiàn)發(fā)電機機組自動并網(wǎng)發(fā)電的自動準(zhǔn)同期裝置，并設(shè)計相關(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)計說明書，繪出設(shè)計圖樣。</p><p>　　具體需要設(shè)計：①發(fā)電廠組母線電壓、發(fā)電機組端電壓

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

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，須對發(fā)電機組G進行控制使它符合并列條件，然后發(fā)出QF的合閘信號。這里需要說明的是，發(fā)電機三相電壓A、B、C與系統(tǒng)的三相電壓A、B、C的相序要相同，這在新機組裝機時應(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。計算并列時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，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入同步運行狀態(tài)，對電網(wǎng)無任何擾動。</p><p>　　可以看出，發(fā)電機并列的理想條件為并列斷路器兩側(cè)電源電壓的三個狀態(tài)量全部相等，即圖2中的UG，UX兩個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>　　這時并列合閘的沖擊電流等于零，并且并列后發(fā)電機G與電網(wǎng)立即進入同步運行，不發(fā)生任何擾動現(xiàn)象?？梢栽O(shè)想，如果待并發(fā)電機的調(diào)速器和調(diào)壓器能按式（1）進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)理想的并列操作，則可極大的簡化并列過程。</p><p>　　但是，實際運行中，待并發(fā)電機組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)并不按式（1）的理想

13、條件調(diào)節(jié)，因此三個條件很難同時滿足。其實，在實際操作中也沒有這樣的苛刻的必要。因為并列合閘時只要沖擊電流較小，不危機電氣設(shè)備，合閘后的發(fā)電機組就能迅速拉入同步運行，對待并發(fā)電機和電網(wǎng)運行的影響較小，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，在實際并列操作中并列的實際條件允許偏離式（1），其偏離的允許范圍則需

14、經(jīng)過分析確定。</p><p>　　3.1.2 電壓幅值偏差對準(zhǔn)同期的影響</p><p>　　設(shè)發(fā)電機并列時的電壓相量圖如圖4（a）所示，即并列時：①發(fā)電機頻率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，沖擊電流最大瞬時值為</p><p><b>　?。?）</b></p><p&

15、gt;　　式中 UG、UX–—發(fā)電機電壓、電網(wǎng)電壓有效值；</p><p>　　——發(fā)電機直軸次暫態(tài)電抗。</p><p>　　從圖4（a），當(dāng)δe很小時，可認為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>　　沖擊電流的電動力對發(fā)電機組繞組產(chǎn)生影響，由于定子繞組端部的機械強度最弱，所以須特別注意對它所造成

16、的危害。由于并列操作為正常運行操作，沖擊電流最大瞬時值限制在1～2倍額定電流以下為宜。為了保證機組的安全，我國曾規(guī)定電壓差并列沖擊電流不允許超過機端短路電流的1/20～1/10。據(jù)此，得到準(zhǔn)同期并列的一個條件為：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>　?。╝）

17、 （b）</p><p>　　圖4 準(zhǔn)同期條件分析</p><p>　?。╝）δe＝0時的相量圖；（b）δe≠0時的相量圖</p><p>　　3.1.3合閘相角差對準(zhǔn)同期的影響</p><p>　　設(shè)并列合閘時，斷路器兩側(cè)電壓相量圖如圖4（b）所示，即：①發(fā)電機頻率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>　　這時發(fā)電機為空載情況，電動勢即為端電壓，并與電網(wǎng)電壓相等，沖擊電流的最大瞬時值為</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中 UX——系統(tǒng)電壓有效值；</p><p>　　——發(fā)電機交軸次暫態(tài)電抗。</p><p>　　從圖4（b

19、）可見，當(dāng)δe很小時，可認為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，沖擊電流主要為有功電流分量，說明合閘后發(fā)電機立刻向電網(wǎng)輸出有功功率，使機組聯(lián)軸受到突然沖擊，這對機組和電網(wǎng)運行都是不利的。為了保證機組安全，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S所產(chǎn)生的沖擊電流可綜合以上兩種典型情況進行分析。</p><p>　　3.1.4頻率不相等對準(zhǔn)同期的影響</p><p>　　設(shè)待并發(fā)電機的電壓相量如圖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很重要的參數(shù)，用頻差fS表示，即fS=fG－fX。</p><p>　　當(dāng)兩個交流電壓的頻率不等（但

21、較接近）時，一般可用兩個有相對旋轉(zhuǎn)速度的相量來表示它們。兩個交流電壓G、X間的瞬時相角差δe就是圖中兩個電壓相量間</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，簡稱滑差，用ωS表示。于是得ωS＝ωG－ωX，顯然，ωS是有正負值的，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，ωS＞0；當(dāng)ωG＜ωX時，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運動快慢的一組數(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，才能使機組于系統(tǒng)在頻率上“同步”。加速或減速力矩會對機組造成沖擊。顯然，滑差越大，并列時的沖擊就越大，因而應(yīng)該嚴格限制并列時的允許滑差。我國在發(fā)電廠進行正常人工手動并列操作時，一般取滑差周期在10s~16s之間。</p><p>　　3.2 自動準(zhǔn)同期裝置</p><p>　　3.2.1基于單片

24、機控制的微機準(zhǔn)同期裝置</p><p>　　微機準(zhǔn)同期裝置與電站或變電站的其他檢測、控制和保護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、控制和保護系統(tǒng)，以保障電站或變電站的安全運行。各個裝置獨立完成相應(yīng)的功能。設(shè)計方案原理圖如圖6所示。</p><p>　　圖6 設(shè)計方案原理圖</p><p>　　本文中設(shè)計的微機準(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)換后的正弦波信號進行濾波、波形變換等整理進而減少電網(wǎng)中的高次諧波干擾，并滿足測量電路對信號波形的要求，從而減小采樣、量化和參數(shù)測量過程中的誤差。經(jīng)交流變換及低通濾波后的信號一部分送至A/D轉(zhuǎn)換電路進行</p><p>　　數(shù)模轉(zhuǎn)換并進行參數(shù)測量，另一部分送至硬件測頻電路進行頻率差和相角差的測量，達到軟件測量和硬件測量相結(jié)合

26、的效果。最后捕捉并網(wǎng)時機準(zhǔn)確控制斷路器合閘。當(dāng)執(zhí)行并網(wǎng)時，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、減速信號進行調(diào)節(jié)，加速并網(wǎng)條件的形成。</p><p>　　3.2.2基于PLC控制的微機準(zhǔn)同期裝置</p><p>　　為了使待并發(fā)電機組滿足并列條件，自動準(zhǔn)同期裝置主要有三個控制單元：頻率差控制單元、電壓差控制單元、合閘信號控制單元。</p&g

27、t;<p>　　1、頻率差控制單元：測量發(fā)電機頻率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：測量發(fā)電機電壓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、合閘信號控制單元：檢測發(fā)電機電壓與系統(tǒng)電壓的相角差,在合適的時間發(fā)出合閘信號,使斷路器主觸點接觸的瞬間,相角差接近于0。

28、</p><p>　　調(diào)速單元、調(diào)壓單元、合閘單元以及機組、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控制單元。當(dāng)同步發(fā)電機并列時，發(fā)電機的頻率和電壓都由并列裝置自動調(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，自動選擇合適的時機發(fā)出合閘信號。</p><p>　　圖7 基于PLC控制

29、的總體連接圖</p><p>　　3.3單片機與PLC的選擇</p><p>　　由于單片機具有以下優(yōu)點：</p><p>　?、偌啥雀摺纹瑱C包括CPU、4KB容量的ROM（8031無）、128B容量的RAM、2個16位定時/計數(shù)器、4個8位并行口、全雙工串口行口；②系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，實現(xiàn)模塊化；③單片機可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小時無故障；④

30、處理功能強，速度快。</p><p>　　故在本次設(shè)計中最終將選用單片機來實現(xiàn)對設(shè)備的控制。</p><p><b>　　4 預(yù)期結(jié)果</b></p><p>　　經(jīng)過對發(fā)電機機端和系統(tǒng)母線電壓的幅值、頻率相位參量檢測硬件電路的設(shè)計，將這些參量轉(zhuǎn)換為微機能夠識別的信號，利用編寫的程序軟件對這些信號進行分析、比較、計算，并根據(jù)運算結(jié)果輸出相關(guān)的控

31、制信號，經(jīng)驅(qū)動放大后去驅(qū)動或操作相關(guān)的外置設(shè)備，達到自動準(zhǔn)同期操作的預(yù)期效果。</p><p>　　經(jīng)過各個裝置獨立完成各自的相關(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)電機組并網(wǎng)時電壓差US不超過額定電壓的5%~10%；</p><p>　?。?）發(fā)電機組并網(wǎng)時頻率差f

32、S不超過±0.1HZ；</p><p>　?。?）發(fā)電機組并網(wǎng)時相角差很小。（未查到具體數(shù)據(jù)，請陳老師告知）</p><p>　　最后，發(fā)電機組能夠順利并網(wǎng)。</p><p><b>　　5 時間進程安排</b></p><p><b>　　6 參考文獻</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)自動化》李先彬主編，中國電力出版社，2004.7出版</p><p>　　[3] 《單片機原理及接口技術(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)自動化》孫瑩主編，中