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水电站自动化

1.7数字式并列装置

1.7.1概述

用大规模集成电路微处理器（CPU）等器件构成的数字式并列装置，由于硬件简单，编程方便灵活，运行可靠，且技术上已日趋成熟，成为当前自动并列装置发展的主流。

模拟式并列装置为简化电路，在一个滑差周期时间内，把假设为恒定。

数字式并列装置可以克服这一假设的局限性，采用较为精确的公式，按照当时的变化规律，选择最佳的越前时间发出合闸信号，可以缩短并列操作的过程，提高了自动并列装置的技术性能和运行可靠性。

数字式并列装置由硬件和软件组成，以下分别进行介绍。

1.主机。

微处理器（CPU）是装置的核心。

2.输入、输出接口通道。

在计算机控制系统中，输入、输出过程通道的信息不能直接与主机总线相连，它必须由接口电路来完成信息传递的任务。

3.输入、输出过程通道。

为了实现发电机自动并列操作，需要将电网和带并发电机的电压和频率等状态按照要求送到接口电路进入主机。

（1）输入通道。

按发电机并列条件，分别从发电机和母线电压互感器二次侧交流电压信号中提取电压幅值、频率和相角差等三种信息，作为并列操作的依据。

1）交流电压幅值测量。

采用变送器，把交流电压转换成直流电压，然后由A／D接口电路进入主机。

对交流电压信号直接采样，通过计算求得它的有效值。

如图1.18所示。

2）频率测量。

测量交流信号波形的周期T。

把交流电压正弦信号转化为方波，经二分频后，它的半波时间即为交流电压的周期T。

3）相角差测量。

如图1.19所示，把电压互感器电压信号转换成同频、同相的方波信号。

（2）输出通道。

自动并列装置的输出控制信号有：

1）发电机转速调节的增速、减速信号。

2）调节发电机电压的升压、降压信号。

3）并列断路器合闸脉冲控制信号。

这些控制信号可由并行接口电路输出，经放大后驱动继电器用触点控制相应的电路。

4.人一机联系。

主要用于程序调试，设置或修改参数。

常用的设备有：

（1）键盘——用于输入程序和数据。

（2）按钮——供运行人员操作。

（3）CRT显示器——生产厂调试程序时需要。

（4）数码和发光二极管显示指示——为操作人员提供直观的显示方式，以利于过程的监控。

1.7.2数字式并列装置的软件

1.电压检测

交流电压变送器输出的直流电压与输入的交流电压值成正比。

设机组并列时，电压偏差设定的阀值为，装置内对应的设定值为。

当时，不允许合闸信号输出；当时，允许合闸信号输出。

如时，并行口输出升压信号，输出调节信号的宽度与其差值成比例；反之，则发降压信号。

2.频率检测

发电机电压和电网电压分别由可编程定时计数器计数，主机读取计数脉冲值和。

与上述电压检测所采用算式类同，把频率差的绝对值与设定的允许频率偏差阀值比较，作出是否允许并列的判断。

按发电机频率高于或低于电网频率来输出减速或增速信号。

选择在0到π期间，调节量按差值比例进行调节。

3.越前时间检测

设系统频率为额定值50Hz，待并发电机的频率低于50Hz。

从电压互感器二次侧来的电压波形如图1.20（a）所示，经削波限幅后得到如图1.20（b）所示的方波，两方波异或后得到如图1.20（c）中的一系列宽度不等的矩形波。

显然，这一系列矩形波宽度与相角差相对应。

系统电压方波的宽度为已知，它等于二分之一周期π（或180°），因此可按下式求得。

（1.5）

式中和的值，CPU可以从定时计数器读入求得。

理想的导前合闸相角，式中是计算点的滑差角速度。

其值可按照下式求得。

，式中和分别是计算点和上一个计算点的角度值，是两计算点的时间，是微处理器发出合闸信号到主触头闭合时需要经历的时间。

按照上式求出最佳合闸越前相角的值。

该值与本计算点的相角按照下式进行比较（式中为计算允许误差）。

如果式成立，则立刻发出合闸信号；如果，且，则继续进行下一点计算，直到逐渐逼近符合发出合闸信号条件为止。

1.7.3计算机同步装置实例

近年来，我国自己研制了一些计算机同步装置，如深圳智能设备开发有限公司研制的SID—2V型SID—2T型灯多功能微机同步控制器，电力自动化研究所研制的SJ—11和SJ—12微机同步装置等。

SID—2V型多功能微机准同期控制器简述如下。

1.主要功能及技术指标

（1）主要功能。

1）控制器可使用交流220V或直流220V、110V或用户指定的其它电压等级的电源供电。

在进行准同期过程中，能有效地进行均频控制和均压控制，尽快促成准同期条件的到来。

2）每次并网时，都自动测量和显示“断路器操作回路实际合闸时间”，作为是否需要修改原来设置的“断路器合闸导前时间”整定值的依据，以使下次合闸更加精确无误。

此外，这一功能也提供了鉴别断路器是否有故障的依据。

3）机组的各种控制参数均可独立设置，这些参数包括：

断路器合闸导前时间、合闸允许频差、均频控制系数、均压控制系数。

由于采用了EEPROM电可擦写存储器，以上参数均可就地在带电重新设置或修改。

4）具备过压保护功能，一旦机组电压出现115％额定电压的过压（过压值可根据用户要求进行整定），立刻输出一降压控制信号，并闭锁加速控制回路，直至机组电压恢复正常为止。

5）当不执行同期操作，且给控制器提供电源时，控制器将进行频率监视，显示器显示系统频率，相当于一个五位数字工频频率表。

6）除控制器面板上具有一个复位键可在面板上进行复位操作外，还具有远方复位信号接口，可用于中央控制台在必要时进行远方复位操作，或由上位机对控制器实现复位操作。

7）完善的自检功能，能定时地检查控制器内部各部件的工作情况，一旦发现错误，立即显示相应出错信息，指示出错部位，并同时以接点形式输出报警信号。

当失电时，也以接点形式输出失电信号。

8）控制器内可自行产生两路试验电压信号，可分别模拟系统及发电机电压，且发电机模拟电压可任意改变频率。

因此，无需外接可调工频信号源即可调试。

在使用机内模拟电压信号进行试验时，装置将自动切断合闸回路，以免在试验状态下引起误合闸。

9）控制器还设置了一个键盘接口，当键盘接口与选配的专用开发试验装置连接时，将具有对装置更深层的开发调试功能。

10）控制器可捕捉到第一次出现的并网时机，为联络线解列后快速再并列提供了可能，因控制器可在电网解列后的第一个频差周期后进行同期重合闸。

（2）技术指标。

1）输入信号。

a.待并机组电压互感器A相电压：

100V或100V/√3。

b.系统电压互感器A相电压：

100V或100V/√3。

c.并列机组断路器辅助常开接点一对。

d.待并机组并列点选择信号（常开空接点）。

e.远方复位信号（常开按钮空接点）。

2）输出信号。

a.所有输出信号均为继电器输出：

AC220V/5A或DC220V/0.5A。

　b.输出的控制信号有：

加速、减速、升压、降压、合闸等控制信号；

c.输出的报警信号有：

自检出错、失电等信号。

3）工作电源：

AC220V、50HZ或DC220V或DC110V

4）绝缘强度。

a.弱电回路对地：

　工频500V、1分钟；

b.强电回路对地：

　工频1750V、1分钟；

c.强弱电回路之间：

工频1000V、1分钟。

5）工作环境。

a.环境温度：

10℃～+50℃；

b.相对湿度：

不大于80％。

c.海拔2500米以下地区。

2.基本原理及组成

SID-2V型控制器工作原理如图1.21所示。

CPU配8KEPROM、2KEEPROM、8KRAM和若干定时计数器及并行接口等芯片，组成一个专用微机控制系统，下面就各主要功能的原理进行介绍。

（1）自动准同期并列。

当待并列发电机的电压、频率与系统相应值相近（即压差、频差在允许范围内）时，待并机组断路器的主触头应在相角差δ=0°时闭合。

这时冲击电流在相应频差、压差允许条件下最小，从而大大减少了机组的冲击受损。

允许差值越小，其冲击电流越小，但这将影响并列的快速性。

因此，允许值可根据实际要求选择。

为精确满足上述并列条件，一个理想的准同期并列过程应该是在操作人员发出并网操作命令后，便能有效地对机组的电压和频率进行控制，使其尽快地平稳地接近系统值，并在达到允许值时有能力使其不再偏离允许值，且在此前提下，准确捕捉第一次出现δ=0°的时机。

确切地说，即在δ=0°到来前相当于断路器合闸时间的时刻发出并网命令，将机组并入电网。

这种理想的准同期并列过程，要求自动准同期装置具有优良的均压及均频控制功能，并能不失时机地捕捉第一次出现的同期时机。

一般机组所配备的励磁调节器都具有较好的调压性能，因此自动准同期装置无需在调压功能上考虑过多。

但不同机组的调速器具有很大的特性差异，因此，为了取得快速、平稳的准同期效果，要求自动准同期装置不仅应具有优良的均频控制品质而且还应对不同调速器具备良好的自适应能力。

为此，SID-2V型控制器采用了模糊控制原理来实施均频控制。

模糊控制的基本思想是模拟人脑的功能。

人脑的思维不能用一个确切的数学函数来表达，而是基于靠实践经验所建立的一些模糊概念之上的，模糊控制理论是依据模糊数学的知识来作出模糊决策。

一般模糊控制器是根据被控量的偏差Ｅ及偏差的变化率Ｃ按模糊推理规则确定控制量Ｕ。

通常把E分八挡。

即分别为负大、负中、负小、负零、零、正小、正中、正大。

把C和U分成七挡。

即分别为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。

这样就可以按照人们的实践经验确定控制量U与偏差E、变化率C的关系,并列出一张模糊推理规则表（见表1.1）。

　在准同期过程中将根据待并机组与系统的频差Δf及Δf'对调速器进行控制，控制量的大小表现为每次控制脉冲的持续时间，即脉冲宽度τ。

所以在模糊控制器中Δf即为E，Δf'即为C，于是可写出：

U=g（Δf，Δf'）（1.6）

式中g为模糊控制算法。

我们将每组Δf及Δf′按设定的调频系数Ｋ所产生的控制量Ｕ值列出一张模糊控制表，将其存在内存中。

SID-2V型控制器即按此表进行均频控制。

根据机组调速器的特性，整定不同调频系数K值，在机组运行时试设不同的K值，最终找到一个控制过程既快且稳的K值，从而实现对不同调速器都有良好的自适应性能。

　众所周知，机组在并网过程中的转速是变化的。

特别是作为运行备用的水轮机组、燃气轮机组、柴油发电机组等是由静止状态启动加速至额定转速的。

因此，不能忽视频差变化率在准同期过程中所带来的影响，频差Δf和其变化率Δf′分别是表征机组较之系统转速的快慢及其发展趋势。

特别对于断路器合闸时间较长的情况，如果不计及Δf′的影响，则势必产生较大的合闸误差角，甚至在发出合闸脉冲后出现频差符号改变的情况，即同步表反转。

因此，引起的后果有时会很严重。

为此SID-2V型控制器的理想合闸导前角由以下数学模型确定。

　　　（1.7）

　式中──理想合闸导前角；

　　──系统与机组角频率之差；

　　──并列点开关合闸时间；

──频差变化率。

SID-2V型控制器每半个工频周期测量一次实时的相角差δ值，并在每两个工频周期计算一次理想合闸导前角，当时控制器即发出合闸脉冲。

考虑到的测量以及的计算均是离散的，为了不漏掉合闸机会，控制器采用了一种合闸角的预测算法，从而确保在频差及压差已满足允许值时，能不失时机地捕捉到第一次出现的并网机会。

综上所述，控制器的均频控制，采用模糊控制技术，计及频差变化率的理想合闸导前角的数学模型及其预测技术,保证了SID-2V型控制器的快速性、精确性。

（2）断路器合闸时间的测量。

断路器合闸时间是指发出合闸命令至断路器主触头闭合这段时间。

用SID-2V型控制器的计时功能可以在发出并网命令时开始计时，直至因开关主触头闭合停止计时，从而获得开关合闸回路的总体合闸时间。

停止计时信号取自于断路