2001年9月第3期 电站设备自动化 17 一种新型微机自动准同期装置 施春雷韦德成付廷胜 微机自动化工程部 摘要本文阐述了微机自动准同期装置的功能、基本原理、硬件设计及主要技术数据。 关键词自动准同期并网自动调压自动调频导出时间 0 概述 1工作原理 随着电力系统的发展，单机容量越来越大。大 微机自动准同期装置应用于电力系统二次回 容量机组造价高、安全系数较低、耐冲击能力较差。 路中，完成两个相互独立的电力系统或系统与发电 因此，要求大容量机组准同期并列时冲击要小。例 机间按准同步要求进行并列运行。具体讲就是：装 如，国外600MW以上的机组要求并列合闸相角在 置检测发电机和系统频差和压差，当频差和压差都 2~4、电压差小于额定电压的1%。而且，自同 满足用户要求时，装置就控制断路主触头在发电机 期并列冲击大，大型机组不宜采用。但是，由于大 和系统电压相位差为零时闭合。当发电机和系统压 容量机组在电力系统中占举足轻重的地位，要求在 差、频差不满足要求时装置自动发出调和调频脉 系统事故时能够快速地并人电力系统。大机组对机 冲。 组并列提出了更高的要求。另一方面，由于同期并 准同期并列的条件 列不当有可能造成机组损坏，中小机组也希望能够 准同期并列要求在合闸前调节待并发电机或 平稳而快速地并人电力系统。 待并系统同时满足以下4个条件。 冲击小且速度快，一直是机组并列所追求的目 a.应核实待并发电机和系统相序，确保相同。 标。为了实现这一目标，随着微型计算机技术的发 b.应使待并发电机的频率接近系统频率。一般 展，于20世纪70年代出现了微机自动同期装置。 频差最大不超过0.4Hz,本装置控制在0.33Hz以内。 微型计算机存贮量大、运算速度快、各种功能可通 c.应使待并发电机和系统电压接近相等，一般 过编程实现，既方便又灵活，为研制新型自动同期 电压差应在10%以内。 装置提供了良好的技术基础。而微型计算机的高可 d.应使得在断路器主触头闭合时，待并发电机 靠性和高性能价格比又为微机自动同期装置在工 与系统相角差趋于零。通常此相角差不宜超过10。 程中实际应用提供了良好的信誉保证。目前，微机 假如待并发电机和电力系统之间满足上述4个 自动同期装置正以很快的速度普及，尤其在水电厂 条件，则发电机投人瞬间冲击电流很小，能马上拉 中。微机自动准同期装置作为一种计算机自动控制 人同步，对系统忧动最小。 装置出硬件和软件两部分组成。硬件包括基于微处 2装置的构成 理器(CPU)构成的主机、输人和输出通道及其接 口电路和人机联系设备等。这些与一般的计算机控 WQQZ微机自动准同期装置（如图1所示）属 制装置大同小异。微机自动同期装置的功能主要通 于恒定越前时间自动并列装置，当压差和频差在允 过软件实现。 许范围内，即在已设定的越前时刻，发出合闸信号， 各种不同形式的微机自动同期装置的不同之处 以保证经一个断路器合闸时间后，即发电机并网瞬 往往也表现在软件上。微机自动同期装置的研究主，间，待并发电机电压与系统电压相角差尽可能接近 要集中在减少并列冲击和提高并列速度两个方面。 零，若压差或频差条件中任意一个不满足，立即闭 1994-201I China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
年 ! 月 第 ∀ 期 电站设备自动化 一种新型微机 自动准同期装置 施春雷 韦德成 付廷胜 微机 自动化工程部 摘要 关键词 概述 本文 阐述 了微机 自动 准 同期装置 的 功能 、 基本原 理 、 硬件设计及主要技 术数据 。 自动准 同期 并 网 自动调 压 自动 调频 导 出时 间 随着电力系统的发展 , 单机容量越来越大 。 大 容量机组造价高 、 安全系数较低 、 耐冲击能力较差 。 因此 , 要求大容量机组准 同期并列时冲击要小 。 例 如 , 国外 # ∃ % 以上的机组要求并列合闸相角在 一 & 、 电压差小于额定电压的 ∋ 。 。 而且 , 自同 期并列冲击大 , 大型机组不宜采用 。 但是 , 由于大 容量机组在电力 系统中占举足轻重的地位 , 要求在 系统事故时能够快速地并人 电力系统 。 大机组对机 组并列提出了更高的要求 。 另一方面 , 由于 同期并 列不 当有可能造成机组损坏 , 中小机组也希望能够 平稳而快速地并人电力系统 。 冲击小且速度快 , 一直是机组并列所追求的 目 标 。 为了实现这一 目标 , 随着微型计算机技术的发 展 , 于 世纪 ( 年代出现 了微机 自动同期装置 。 微型计算机存贮 量大 、 运算速度快 、 各种功能可通 过编程实现 , 既方便又灵活 , 为研制新 型 自动同期 装置提供了良好的技术基础 。 而微型计算机的高可 靠性 和高性 能价格 比 又 为微 机 自动同期装 置在 工 程 中实际应用提供了良好的信誉保证 。 目前 , 微机 自动同期装置正以很快的速度普及 , 尤其在水 电厂 中 。 微机 白动准 同期装置作为一种计算机 自动控制 装置 由硬件和软件两部分组成 。 硬件包括基于微处 理器 )∗ +, − 构成的主机 、 输人和输 出通道及其接 口 电路和人机联系设备等 。 这些与一般的计算机控 制装置大同小异 。 微机 自动 同期装置的功能主要通 过软件实现 。 各种不同形式的微机 自动同期装置的不 同之处 往往也表现在软件上 。 微机 自动同期装置的研究主 要集中在减少并列冲击 和提高并列速度两个方面 。 工作原理 微机 自动准 同期装置应用 于 电力 系统 二 次回 路中 , 完成两个相互独立的电力系统或系统与发电 机间按准同步要求进行并列运行 。 具体讲就是 . 装 置检测发电机和系统频差和压差 , 当频差和压差都 满足用户要求时 , 装置就控制断路主触头在发电机 和系统电压相位差为零时闭合 。 当发电机和系统压 差 、 频差不 满足要求时装置 自动发出调压 和调频脉 冲 。 准同期并列的条件 准同期并列要求在合闸前调节待并发 电机或 待并系统同时满足以 下 & 个条件 。 / 0 应核实待并发 电机和系统相序 , 确保相同 。 1 0 应使待并发电机的频率接近系统频率 。 一般 频差最大不超过 0 &2 3 , 本装置控制在 0 ∀ 24 以 内 。 。 0 应使待并发电机和系统电压接近相等 , 一般 电压差应在 ∋ 以 内 。 5 0 应使得在断路器主触头闭合时 , 待并发电机 与系统相角差趋于零 。 通常此相角差不宜超过 。 假如待并发电机和电力系统之间满足上述 & 个 条件 , 则发电机投人瞬间冲击电流很小 , 能马上拉 人同步 , 对系统扰动最小 。 装置的构成 % 664 微机 自动准同期装置 )如图 7 所示 − 属 于恒定越前时间 自动并列装置 , 当压差和频差在允 许范围内 , 即在已设定的越前时刻 , 发出合闸信号 , 以保 证经一个断路器合闸时间后 , 即发电机并网瞬 间 , 待并发电机电压与系统 电压相角差尽 可能接近 零 , 若压差或频差条件中任意一个不满足 , 立即闭
18 电站设备自动化 2001年10月第3期 锁同期合闸环节。这时将通过测频环节测出待并发 过测压部分检查发电机电压高低，相应发出降压或 电机转速的快慢，相应发出增速或减速脉冲，并通 升压脉冲。 投入 信号 整流 滤波 徽 均频控制 增速 系统 降压 方波 计 单元 减速 电压 滤波 形成 章 与逻辑 离 均压控制 升压 机 单元 降压 发电机 降压 方波 要 端电压 滤波 形成 动 整流 季 合闸控制 同期 单元 合闸 滤波 滑差同期 导前时间 附图自动准同期装置系统框图 导前时间是时间通过4位拨码送入微机的，每 果发电机电压频率低于系统电压频率，则发升速信 一位代表0.1s,所以4位拨码所代表的数值变化范 号，如果发电机电压频率高于系统电压频率，则发 围是0000~1111，其相对应的导前时间为0.1s~1.6s, 出降速信号，直至频率之差小于0.33Hz。 一旦断路器合闸时间测定，则通过拔码将该值固定。 自动同期合闸：当发电机电压与系统电压差值 滑差周期〔发电机端电压与系统电压之差所形成的 在10%以内，同时发电机电压频率与系统电压频率 脉动电压信号周期)的选定也是通过3位拨码送入 差值不超过0.33Hz,满足滑差周期设定的要求，对 微机，每位代表1.0s,3位拨码范围为0~7，实际 发电机电压频率信号进行严密监视，如果某段时间 代表的滑差周期为3.0~10.0s。 内（如3.0s~10.0s),发电机速度平稳、频率保持 本装置将发电机电压互感器(TV)、系统TV 相对稳定，也就说，滑差相对稳定。发电机电压信 送进来的信号，经过小TV隔离降压，分别分成2 号与系统电压信号在一个滑差周期内必有一个同 路，整流滤波转换成0~5V的标准电压信号，当 步时刻为最佳同步并列点。在下…个滑差周期内同 TV送来信号为100V时，AD输人信号取3.20V: 步点到来之前准备进行合闸。合闸脉冲发出时刻为 另一路经过方波信号形成回路转换为方波信号，经 下一个同步时刻到来之前的一个时间提前量，该时 过中间环节处理后送人80C196高速输入通道供测 间提前量为断路器合闸所需的时间。 频采集。 出口执行及信号显示：出口执行部分主要由输 自动调压部分：微机系统通过AD通道采集发 入输出接口芯片8255、光电隔离器TLP5214及7 电机电压与系统电压，经电压转换回路将信号幅值 路大功率反向驱动器1416和12V松下继电器构成， 变换为0~5V,发电机电压信号进人ACH4通道， 共有5个继电器，分别承担增速、减速、升压、降 系统电压信号进人ACH5通道，采集周期为I0ms。 压及同期合闸功能。其中增速与减速继电器通过各 当发电机电压低于系统电压时，发出连续升压信 自的常闭触点互相闭锁，升压与降压继电器也以互 号，直至发电机电压与系统电压的偏差值小于5%。 锁处理。每个继电器通过辅助点点亮面板上相应指 自动调频部分：通过80C196高速输人通道对 示灯，作为功能指示。 发电机频率信号、系统频率信号依次进行采集。如 本装置除具有手动投人开关外，同时也接收来 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
电站设备自动化 年 月 第 ∀ 期 锁同期合闸环节 。 这时将通过测频环节测出待并发 电机转速 的快慢 , 相应发出增速或减速脉冲 , 并通 过测压部分检查发电机电压高低 , 相应发出降压或 升压脉冲 。 投 入 微 信 号 0 计 算 机 整 流 · 系 滤 波 统 隔 离 均频控制 系 统 降 压 动驱 单元 电 压 滤 波 均压控制 发 电机 降 压 单元 端电压 滤 波 合闸控制 单元 整 流 涟 波 增速 减速 升压 降压 同期 合闸 附图 自动准同期装盆 系统框图 导前时间是时 间通过 & 位拨码送人微机的 , 每 一位代表 0 8 , 所 以 & 位拨码所代表的数值变化范 围是 9以刃: , 其相对应 的导前时间为 0 8 : 0 #8 , 一旦断路器合闸时 间测定 , 则通过拨码将该值 固定 。 滑差周期 )发电机端电压与系统电压之差所形成的 脉动电压信号周期− 的选定也是通过 ∀ 位拨码送人 微机 , 每位代表 0 8 , ∀ 位拨码范围为 : ( , 实际 代表的滑差周期为 ∀0 : 0 8 。 本装置将发电机电压互感器 ); 隔离降压 , 分别分成 路 , 整流滤波转换成 ?一≅> 的标准电压信号 , 当 ; > 送来信号为 ΑΒ > 时 , Χ ΔΕ 输人信号取 ∀ 0 > Φ 另一路经过方波信号形成回路转换为方波信号 , 经 过 中间环节处理后送人 Γ ∗ Η∋ 高速输人通道供测 频采集 。 自动调压部分 . 微机系统通过 户以Ε 通道采集发 电机电压与系统电压 , 经电压转换 回路将信号幅值 变换为 : Ι 松下继电器构成 , 共有 8 个继电器 , 分别承担增速 、 减速 、 升压 、 降 压及同期合闸功能 。 其中增速与减速继 电器通过各 自的常闭触点互相闭锁 , 升压与降压继 电器也以互 锁处理 。 每个继 电器通过辅助点点亮面板上相应指 示灯 , 作为功能指示 。 本装置除具有手动投人开关外 , 同时也接收来
2001年9月第3期 电站设备自动化 19 自机组转速信号装置的转速接点信号或其他控制 差周期内，TP逐步减小，在后半个滑差周期内， 信号作为装置自动投入受控信号，直至将机组同期 TP逐步增加。同步信号发出时，在上述条件下，该 并列完成后，由发电机出口断路器的常开辅助触点 脉冲宽度TP为 的闭合信号关闭自动准同期装置。由此完成从自动 (TP}ms=10-0.13×15=8.00 投人，自动并列，直至自动退出的一系列自动化操 表1断路器合闸时间为15个系统同期计算结果 作。 3主要技术数据 滑差 机端电压 机端电压 正脉冲 周期s 周期/ms 频率/ms 宽度/ms a交流额定电压值：100V50Hz b导前时间：0.1-1.6s,级差01s 3.00 20.13 49.67 8.00 c滑差周期3.0-10.0s,级差0.1s 4.00 20.10 49.75 8.50 d频差≤0.4Hz 5.00 20.08 49.67 8.80 e允许发合闸脉冲的压差≤10% 6.00 20.07 49.85 9.10 f 允许发合闸脉冲的相角差≤10 7.00 20.06 49.86 9.15 g频差≤0.33Hz时，合闸相角差A≤1.8 8.00 20.05 49.87 9.25 h开关量输出继电器：容量AC220V/5A, 9.00 20.04 49.89 9.34 DC220V/0.5A 10.00 20.03 49.90 9.40 4同期并列有关计算方法 5结束语 假定系统电压频率为50Hz,断路器合闸时间 一般而言，同期并列时冲击电流越小越好，理 为03s,设定滑差周期为3.0s发电机端电压信号同 论上希望滑差周期尽可能长一些，这样却导致调节 期为T(f),发电机端电压信号频率为F(g),当F 过程相对较长。实际操作中，在满足冲击电流要求 (g)50Hz时，系统电压 情况，在上述范围内，滑差周期相对短一些，效果 从本次同步至下次同步比发电机电压信号少经历 更好，整个自动准周期过程，调节迅速，并列平稳， 一个工频同期，即与发电机电压信号达到同步。以 成功率更高。 F(g)<50Hz为例，进行计算。 参考文献 由3.0T(0/0.02=3.0×0.02/0.02+0.020 商国才《电力系统自动化》1999年 得T(0=0.02013s 钱晟汪福明黄立军《智能双微机自动准同 (F(g)}Hz=1/0.02013=49.67 期装置的设计》 断路器合闸时间为15个系统同期，即应在下 《电力系统自动化》1999年№23 一个同步时刻到来之前提前15个系统同期发出合 收稿日期2001年7月 闸信号。此刻系统电压与发电机端电压脉冲相与之 后的正脉冲宽度TP也作为判断条件。在前半个滑 作者简介 施春雷男主要从事变电站综自动化设计方面的工作 韦德成男从事过变电站综合自动化系统的研究开发工作 付成胜男主要从事变电站自动化化设计方面的工作 1994-201I China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
年 ! 月 第 ∀ 期 电站设 Φ斤自动化 自机组转速信号 装置的转速接点信号或其他控制 信号作为装置 自动投人受控信号 , 直至将机组 同期 并列完成后 , 由发 电机出口 断路器的常开辅助触点 的闭合信号关闭 自动准同期装置 。 由此完成从 自动 投人 , 自动并列 , 直至 自动退 出的一系列 自动化操 作 。 ∀ 主要技术数据 差周期内 , ;+ 逐步减小 , 在后半个滑差周期内 , ; + 逐步增加 。 同步信号发出时 , 在上述条件下 , 该 脉 冲宽度 ; + 为 Ν; + Ο Π ΙΘ 一 0 ∀ Ρ 8 Θ Γ 0 )Ρ− 表 Α 断路器合闸时 间为 巧 个系统同期计算结果 滑 差 周期ΔΙ 机端 电压 周期4Π Ι 机端电压 频率ΔΗΚΙ 正脉 冲 宽度角巧 / 交流额定 电压值 . ΑΒ > 8 2 3 1 导前时间 . Β ‘ Α一# 8 , 级差 , 8 Σ 滑差周期 ∀ 0 一 0 8 , 级差 0 8 5 频差 燕 0 & 2 3 Σ 允许发合闸脉冲的压差 共 ∋ Τ 允许发合闸脉冲的相角差 簇 Υ 频差蕊0 ∀ 2 3 时 , 合闸相角差 Χ 燕 0 Γ ς 开关量输 出 继 电器 . 容量 Χ ∗ > 巧Χ , Ε ∗ > 0 ≅Χ & 同期并列有关计算方法 假定系统电压频率为 ≅ 92 3 , 断路器合闸时间 为 0 ∀8 , 设定滑差周期为 ∀0 8 发电机端电压信号同 期为 ; )Τ− , 发 电机端电压信号频率为 Ω )Υ− , 当 Ω )Υ− Ξ ΙΒ 2 3 时 , 系统电压信号从本次同步至下次 同步需要多经历一个工频 同期 , 方可与发电机电压 信号再达同步条件 Φ 当 Ω )Υ − Ψ 8 2 3 时 , 系统 电压 从本 次同步至下次 同步 比发电机电压信号少经历 一个工频同期 , 即与发 电机电压信号达到同步 。 以 Ω )Υ − Ξ8 92 3 为例 , 进行计算 。 由 ∀ 0 9; ) 0 Θ ∀ 0 Ρ 0 Δ 0 Ζ 0 得 ; )9Θ 0 ∀ 8 ΝΩ )Υ − Ο 2 3 Θ ΑΔ 0 ∀ Θ & ! 0 # ( 断路器合闸时间为 巧 个系统 同期 , 即应在下 一个同步时刻到来之前提前 巧 个系统同期发 出合 闸信号 。 此刻系统电压与发电机端电压脉冲相与之 后的正脉冲宽度 ; + 也作为判断条件 。 在前半个滑 ∀ 0 0 ∀ & ! 0 # ( Γ 0 )Ρ− & 0 0 & ! 0 ( 8 Γ 0 8 8 0 )− 0 Γ & ! 0 # ( Γ 0 Γ # 0 0 ( & ! 0 Γ 8 ! 0 ( 0 )− 0 # & ! 0 Γ # ! 0 8 Γ 0 )− 0 8 & ! 0 Γ ( ! 0 8 ! 0 0 & & ! 0 Γ ! ! 0 ∀ & 0 0 ∀ & ! 0 !)− ! 0 & 8 结束语 一般而言 , 同期并列时冲击电流越小越好 , 理 论上希望滑差周期尽可能长一些 , 这样却导致调节 过程相对较长 。 实际操作中 , 在满足冲击电流要求 情况下 , 综合考虑快速性的特点 , 一般建议滑差周 期取 ∀ 0 8 一 Γ 0 8 。 从近几 年几十座中小发电厂使用 情况 , 在上述范围内 , 滑差周期相对短一些 , 效果 更好 , 整个 自动准周期过程 , 调节迅速 , 并列平稳 , 成功率更高 。 参考文 献 商 国才 《电力 系统 自动化》 ! ! 年 钱 最 汪福 明 黄立 军 《智能双微机 自动 准同 期 装置 的设计》 《电力 系统 自动 化》 ! ! 年地 ∀ 收稿 日期 年 ( 月 作者简介 施春雷 男 主要从 事变 电站 综 自动化设计 方 面 的工作 韦德成 男 从事过 变 电站 综合 自动化 系统 的研 究开发工 作 付成胜 男 主要从事变 电站 自动化化设计 方 面 的工 作