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1、基于8051单片机实现数字式自动准同期装置的硬件规划朱连宝1、赵耀1、于菲2（1大唐淮南洛河发电厂 安徽 淮南 232008；2大唐南京发电厂 江苏 南京 210000）摘要：数字式自动准同期装置是电力系统中一个非常重要的装置，本文基于同期并列过程中使用安全可靠、操作快捷方便的同期装置的需要，规划了基于8051单片机的数字式自动准同期控制装置，并阐述了该装置的硬件组成结构及其原理。关键词：数字式；自动准同期装置；单片机；硬件组成结构 The 8051 Microprocessor-based Automatic Quasi-synchronizing Device In The Hardwar
2、e DesignZHU Lian-bao1，ZHAO Yao1，YU Fei2（1 Datang Huainan Luohe Power Plant,Anhui Huainan 232008;2 Datang Nanjing Power Plant，Jiangsu Nanjing 210000 ）Abstract: Digital automatic synchronization devices as a power system is very important automation devices，Based on the synchronization process using s
3、afe, reliable, fast and convenient operation of the device the same period, Development of the 8051 microcontroller-based digital automatic synchronization control device,and specialized the hardware architecture and its principles.Key words: digital; automatic synchronization devices; microprocesso
4、r; the hardware architecture and its principles0 引言准同期并列是电力系统中一项重要操作。数字式自动准同期装置作为电力系统中一个非常重要的自动化装置，对提高系统的稳定、可靠运行及线路负荷的合理、经济分配起着十分重要的作用，本文探讨了基于8051单片机所实现的数字式自动准同期装置的硬件规划，具有并网准确、可靠性强、抗干扰能力强、技术上比较先进、市场前景良好等优势。1 准同期并列的条件及分析1.1 准同期并列的理想条件同期并列前的断路器两侧的电压为：发电机组侧电压电网系统侧电压 式中，待并发电机侧电压幅值；待并系统侧电压幅值；待并发电机侧电压向量；待
5、并系统侧电压向量；待并发电机角频率；待并系统的角频率；待并发电机的初相角；待并系统的初相角。并列的理想条件为：1）电压幅值相等， =。2）电压角频率相等，=；或电压频率相等，即=。3）合闸瞬间的相角差为零，即=0。1.2 准同期并列条件的现实意义频率差、电压差、相角差都是影响同期并列的重要因素，且直接影响到发电机组的运行、寿命以及系统稳定。因此，以上三个条件也就成为数字式自动准同期装置必须控制的量。运行实践表明，绝大多数造成发电机损坏的非同期并列是由于相角差失控所导致的，而在发电机空载运行时，即使存在较大的电压差和较大的频率差，其在并网时所产生的无功功率和有功功率的冲击，由于幅值所限，不会对发
6、电机造成致命损坏。因为发电机在正常运行在本来就伴随较大的负荷波动，比如说线路的故障跳闸或线路的重合闸都是较大的负荷波动。但是，如果相角差很大的情况下并网的后果就完全不同了。相角差是指发电机的转子的d轴和定子三相电流合成的同步旋转磁场磁轴之间的角差。在断路器合闸的那一瞬间，系统电压加在发电机定子上，其角速度为必旋转的旋转磁场将产生一个电磁转矩，强迫发电机转子轴系的磁轴与其取向一致，这一拉入同步的过程是在极短的时间内完成的，数百吨质量的转子轴系在定子电磁转矩作用下旋转一个角度的过程。很明显相角差较大时对转子轴系绕组及机械体系的伤害是巨大的。而且在相角差不为零的情况下进行发电机组并网有时还会引起更惨
7、重的后果，例如一次同步谐振扭振。短路或是不良并网，将引起不断增长的电气系统与发电机组转子轴系机械系统的次同步谐振。此时导致定子的电磁转矩和转子轴系的扭矩不断增长，它们相互间的这种能量交换最终引起转子轴系的严重损毁。因此，准同期并列操作时，严格控制相角差是同期条件中最重要的一环。2 数字式准同期装置的硬件原理2.1 自动准同期装置的控制单元自动准同期装置一般由三个控制单元构成。1）频差控制单元：检测滑差频率，调节待并发电机转速，使发电机频率接近于待并系统频率。2）电压差控制单元：检测待并发电机电压幅值与系统电压幅值之间的向量差，调节发电机电压使它与系统电压之间的电压差值小于规定值，促使并列条件的
8、实现。3）合闸信号控制单元：检查并列条件，当发电机频率和电压都满足并列条件时，控制单元就选择合适的时间发出合闸信号，使并列断路器的主触头接通时，相角差接近于零。2.2 数字式自动准同期装置的原理构成1）两侧电压的相角差可以表现为一定的脉冲宽度。宽度随时间变化的脉冲序列表征两侧电压相位差随时间的变化。可以采用直接测量脉宽的方式计算两侧电压的相角差。采用基于单片机的测控系统能够方便地测量脉冲宽度，并进行处理。2）同理，采用了单片机以后，可以分别测量两侧电压、频率，将两侧频率相减得到频率差。对于电压差，也可以通过分别测量两侧电压幅值，将测得的电压幅值进行比较获得电压幅值差。3）采用单片机的数字式准同
9、期装置脉络清晰，实现起来比模拟式装置简单明了。单片机具有高速运算和逻辑判断功能，它的指令周期是微秒级的，对于每一个周期近于20ms的矩形波来说，可以有充裕的时间进行运算。3 数字式准同期装置的硬件实施3.1 自动准同期装置的主要信号1）主要输入信号： 待并系统侧电压向量； 待并发电机侧电压向量。2）主要输出信号：加速；减速；升压；降压；合闸。3.2 硬件结构框图硬件结构分为五个模块，分别为：单片机系统模块、输入模块、输出模块、存储模块和辅助模块，总的硬件框图如图1所示。图1 硬件结构框图Fig. 1 The hardware block diagram1）单片机系统模块：装置采用8051单片机
10、，最高晶振是12MHZ。起复位电路采用专门的微处理器X25045，该芯片具有上电复位和看门狗功能，可以提供可靠的复位脉冲。2）输入模块：实时测量待并系统和发电机的电压、频率及相角，并提供与单片机的输入电路接口。该模块包括整流电路、整形电路、鉴相电路以及单元测量电路。单片机利用采集到的电压、频率和相位差数据进行准同期条件的判断，预测合闸脉冲的发出时机，实现准确合闸。3）输出模块：完成整个系统的输出控制功能，包括信号输出、合闸输出及调节输出，实现报警、调压、调速、合闸及闭锁等功能。4）存储模块：用于设置、记录和存储装置运行所必需的参数，比如开关导前时间等。被设置和修改参数存储在串行EEPROM28
11、64A，2864A通过总线与单片机接口。单片机模拟总线的时序，实现对2864A的读写操作。5）辅助模块：用于提供电源、显示、通信、打印等辅助功能。3.3 硬件抗干扰功能的实现1）电源部分：对模拟电源和数字电源采用分开独立的电源供电。以15V、12V开关电源作为数字电源，使用与开关电源隔离的+24V电源作为模拟电源，可防止供电回路中的窜扰，又可抑制环流。2）去耦电路：由于数字信号电平在转换过程中会产生很大的冲击电流，并在传输线和供应电源内阻上产生很大的压降，形成严重干扰，为抑制这种干扰，在电源电路、数字电路和信号处理电路中，配置了一定的去耦电容。3）输入输出通道部分：输入、输出信号通过光电耦合器
12、、中间继电器和隔离变压器实现有效隔离，避免强电流对电路的冲击。同时采用滤波电容，减少高频信号对通道的干扰。4）看门狗电路：为防止单片机死锁或程序失控，装置采用专门看门狗电路对系统进行监控，如果由于异常造成看门狗电路无法复位，在1.6秒后看门狗会自动发出复位脉冲将装置整机复位。4 结语基于8051单片机的数字式自动准同期装置在现场实际中得到了广泛的应用，正在电力系统中发挥着重要的作用。参考文献：1杨冠成电力系统自动装置原理M北京：中国电力出版社，20072陈建平浅析新型微机自动准同期装置J中国科技信息，2011，163丁建伟自备电厂自动准同期并列装置的研制J西安工业学院学报，1999，2作者简介：朱连宝：男，本科/学士，工程师，大唐淮南洛河发电厂安监部专工，232008，zlb579赵 耀：男，本科/学士，工程师，大唐淮南洛河发电厂运行副主任，232008，luohezhao于 菲：女，本科/学士，助理工程师，大唐南京发电厂，210000，yufei8250
