微機自動準同期裝置的原理及應用

李文通

[摘要]闡述微機自動準同期裝置的功能，基本原理，硬件設計及主要技術數據。

[關鍵詞]準同期 并網 壓差 頻差 導前時間

中圖分類號：TP2文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0120113－01

一、概述

電力系統中微機式產品以其精度高、通訊方便、體積小、耗電少等優點備受用戶青睞，就準同期裝置而言，從性能方面來看，微機式準同期較以前集成電路式準同期產品在可靠性、測量精度和并網速度等方有較大程度改善，且其能夠通訊優點更是集成電路所無法比擬的，而電力系統少人值守和無人值守的發展趨勢要求準同期必須具有通訊功能。因此我們開發了RAS-100微機自動準同期裝置（以下簡稱裝置），該裝置是為實現水、火電廠發電機快速并網而設計的智能控制器，可用于一至十六臺機組的場合，裝置對輸入、輸出、通訊信號均采用了光電隔離技術增強抗干擾能力。采用均頻均壓控制快速促成并網條件到來。裝置采用雙機并行運行系統合閘脈沖經“與”輸出，此外對于合閘脈沖的發出在硬件和軟件上加入多種閉鎖增加并網的可靠性。在發合閘脈沖時考慮到了頻差變化率的影響，保證并網質量，除本地操作外裝置還可由上微機直接完成各種操作，或由開關量實現遠方操作。調頻、調壓可單獨設置為投入或退出狀態，各種實驗證明該裝置技術先進，可靠運行。

二、主要特點

1．一臺發電機可專用一臺裝置并網，也可16臺發電機公用一臺裝置并網；

2．現場各輸入、輸出信號與裝置內部隔離，輸入電源隔離，通訊隔離；

3．裝置為雙機系統（兩個CPU），并網過程中兩個CPU并行工作，他們發出的合閘信號在輸出單元經“與”后由繼電器輸出，硬件上每個CPU板上調頻、調壓、閉鎖、報警信號閉鎖合閘信號；

4．軟件中裝置采用壓差、頻差、頻率變化率、最大相角、最小相角同時閉鎖合閘回路；

5．裝置具有自檢，斷線監視，故障報警的功能；

6．并網過程除本地和上微機操作外，也可由開關量操作（此種工作方式不能修改參數）；

7．通過裝置的工作方式選擇可使發電機工作于準同步方式也可以工作于自同步方式；

8．各種控制參數均可獨立設置，參數可就地或遠方修改；

9．調頻、調壓均可單獨設置為投入和退出狀態，調頻退出并不表示并網時裝置發出合閘脈沖不受頻差限制，而是不由本裝置發出調頻脈沖，同理調壓退出也是如此；

10．調頻、調壓采用模糊控制盡快促成同期條件到來，模糊控制系數通過設置調頻、調壓系數完成；

11．并網后顯示“斷路器操作回路實際合閘時間”；

12．裝置能向上微機適時傳送并網過程中的信息；

13．液晶顯示；

14．通訊接口RS485、RS232或以太網接口，通信規約采用IEC60870-5-103、MODBUS等通信規約；

15．當發電機和系統出現同頻不同相時會導致并網時間過長，此時裝置能自動發出沖擊脈沖。

三、工作原理

RAS-100微機自動準同期裝置應用于電力系統二次回路中，完成兩個相互獨立的電力系統與發電機間按準同步要求進行并列運行，具體講就是：裝置檢測發電機和系統頻差和壓差，當壓差和頻差都滿足用戶要求時，裝置就控制斷路器主觸頭在發電機和系統電壓相位差為零時閉合。當發電機和系統壓差、頻差不滿足要求時裝置自動發出調壓和調頻脈沖。

（一）構成

裝置主要由輸入單元、CPU單元、輸出單元、顯示單元、電源單元組成。

（二）輸入單元工作原理

1．輸入信號內容。發電機、系統PT電壓信號；1-16組來自同期開關的并列點選擇信號（常開空接點），遠方來復位及啟動并網信號（常開空接點）。

2．輸入單元輸出信號。來自發電機和系統的電壓信號經由輸入回路后，整形為體現發電機電壓周期、系統電壓周期、發電機和系統電壓相位差的方波信號和經整流后發電機和系統電壓信號；開入量經抗干擾處理后送CPU單元。

3．輸入回路組成。由互感器，過零檢測電路，整流回路等部分組成。

（三）CPU單元由CPU1和CPU2兩部分組成

CPU單元是本裝置的核心，用來完成數據采集、計算、邏輯判斷處理、與上微機通訊、向輸出單元發出各種控制命令。

CPU1接收輸入單元送來的方波和整流后的電壓信號，處理后發出閉鎖、報警、調頻、調壓和斷路器合閘脈沖給輸出板。除此外，CPU1還接收處理鍵盤輸入信息，控制液晶，負責裝置和上位機通訊。

CPU2接收輸入單元送來的方波和整流后的電壓信號，處理后發出閉鎖、報警以及合閘脈沖送給輸出板。

CPU1和CPU2間通訊由80C196KB單片機的串行口實現，通過串行口實現定值傳送，錯誤信息傳送，CPU1和CPU2間同步控制等功能。

硬件上CPU1和CPU2都采用高性能的80C196KB型16位單片機（集成有定時器/計數器、通訊接口、模擬及數字I/O等外圍電路）、12MHz晶振、32K的數據存儲器62C256和程序存儲器27C256、4K的參數存儲器28C17、地址鎖存器74HC573、譯碼器GAL16V8、出口鎖存器74HC273等構成單元的核心部分。

（四）輸出單元工作原理

輸出單元接收CPU1、CPU2傳送來的信息，經邏輯電路后由繼電器輸出調頻、調壓、合閘、報警等控制信息，輸出為繼電器常開空接點。

（五）顯示單元

顯示鍵盤回路由液晶、動作指示燈、運行指示燈、故障指示燈、電源指示燈、按鍵電路組成。

（六）電源單元

裝置采用高效率開關穩壓電源。

（七）軟件組成

裝置軟件主要由主程序、His中斷、soft中斷、A/D中斷等組成。

主程序中主要對采集的數據進行計算、判斷、向輸出單元發出各種控制信息。

His中斷測量發電機和系統電壓周期，發電機電壓信號和系統電壓信號的相位差。

soft中斷作為裝置內部記時，同時與主程序結合發出各種控制信息。

A/D中斷測量發電機和系統電壓。

四、主要技術數據

1．交流額定電壓值：100V 50Hz；

2．導前時間：40～990ms，間隔1ms；

3．允許發合閘脈沖的相角差為0～45°，整定間隔為1°；

4．允許發合閘脈沖的頻差為0.1～0.5Hz，整定間隔為0.01Hz；

5．允許發合閘脈沖的壓差為±3%～±20%，整定間隔為0.1%；

6．調頻系數0.00～1，整定間隔為0.01；

7．調壓系數0.00～1，整定間隔為0.01；

8．調頻和調壓可單獨設置成投入和退出狀態，退出不表示裝置不閉鎖頻差或壓差，而是不發調頻和調壓脈沖；

9．頻差≤0.3Hz時，合閘相角差A≤1.8°；

10．開關量輸出；

繼電器：容量AC220V/5A，DC220V/0.5A。

五、結束語

各項實驗表明該裝置軟件運行正常，抗干擾能力強，能正確發出合閘、調頻、調壓等各種控制信號且滿足技術要求，裝置各種功能運行良好，達到用戶要求。

參考文獻：

[1]李佑光、林東，電力系統繼電保護原理及新技術，北京科學出版社，2003.

[2]張新國，繼電保護原理，北京中國電力出版社，2004.

[3]李火元，電力系統繼電保護與自動裝置，中國電力出版社，2006.