SJ12D双微机手自动同期装置技术及使用.docx
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SJ12D双微机手自动同期装置技术及使用
SJ-12D双微机手自动同期装置
技术及使用说明书
国网南京自动化研究院
南京南瑞自动控制有限公司
二零零七年九月
1、概述
SJ-12D双微机手自动同期装置是在SJ-12A、SJ-12B、SJ-12C后开发的第四代微机同期装置，在总结前几代产品运行经验的基础上，对硬件和软件设计作了较大的改进。
除了保留原有产品的优点外，还增加了同期相位表、录波功能及与上位机通讯的功能。
装置采用本公司新一代基于DSP和超大规模集成在线可编程技术的硬件平台。
整体大面板，全封闭机箱，硬件电路采用后插拔式的插件式结构，强弱电分离。
CPU电路板和MMI电路板采用四层板，表面贴装技术，提高了装置的可靠性。
装置采用频率跟踪交流采样技术，不断监测发电机和系统的电压、频率，并可根据频差、压差大小发出宽窄不同的调节脉冲，直到频差、压差满足要求。
在压差、频差满足要求的情况下，不断监测发电机电压和系统电压的相位差，准确预测断路器的合闸时刻，实现快速无冲击合闸。
SJ-12D双微机手自动同期装置适用于各种类型的水电厂、火电厂，对于变电站同样适用，可充分满足电厂、变电站实现并网自动化的要求。
2、装置特点
1）装置采用双CPU设计。
先进的数字信号处理器（DSP）和单片机并行处理，充分发挥两者的优势，保证系统具有强大的数据处理能力、灵活的功能可扩充性。
双CPU之间相互独立，因而装置具备很高的可靠性。
与同类装置相比较，本装置具备高集成度、高可靠性、元器件少、性能完善的特点。
2）DSP内置12位高精度A/D、自动跟踪频率同步控制交流采样技术、模拟量通道的自动校正技术等保证系统数据采集、处理的精确性和准确性。
3）调节发电机电压和频率快速、平稳地满足并网条件，并不失时机地捕捉到第一次出现的零相角差时机。
在软件及硬件上对合闸输出采用了多重冗余闭锁，误合闸概率接近于零。
4）装置最多可用于16个同期对象，每个对象可以设置为机组型的开关对象或输电线路型的开关对象。
5）可以对断路器两侧电压进行相角补偿和幅值补偿。
6）前置RS-232串口可以进行参数的设置以及录波输出，后置RS-485串口可以实现装置与上位机的通讯，以实现同期装置的远程监视。
7）人机界面友好。
面板配有液晶屏显示，采用菜单式工作方式。
具有丰富直观的数据分析处理能力，按键操作简单、方便。
同时设有电子式相位表，结合面板上直观的指示灯，使运行状态一目了然，十分方便运行人员的监视。
8）自检及自恢复功能。
具备软件和硬件看门狗，受到干扰时，都能使系统复位，避免死机。
9）装置运行状态分为工作态和调试态。
同期操作只能在工作态时进行，而参数修改、标定及装置测试则只能在调试态时进行。
10）增加手动闭锁功能，类似于传统手动同期功能中通过闭锁继电器对相角差进行闭锁。
采用该装置的手动方式，可以在范围内设定闭锁角度，并根据需要自动对电压频率等进行调节。
3、技术参数
3.1额定参数
3.1.1工作电源
a）额定电压：
AC220V或DC220V；
b）允许偏差：
-20％～＋20％。
3.1.2交流输入
a）额定电压：
100V或
V；
b）额定频率：
50Hz或60Hz。
3.1.3功率消耗
a）交流电压回路：
额定电压时，每相不大于0.5VA；
b）直流电源回路：
≤20W。
3.1.4开入信号：
a）对象选择输入：
空接点输入，需保持到“启动”信号有效；
b）无压使能输入：
空接点输入，需保持到“启动”信号有效；
c）启动信号输入：
空接点输入，闭合时间需≥1s；
d）辅助节点信号：
空接点输入，用于断路器合闸导前时间的测量；
上述（a）、（b）、（c）、（d）项输入信号的内部信号电平为24VDC。
3.2主要技术性能
3.2.1交流过载能力
交流电压回路：
1.2倍额定电压连续工作。
3.2.2输出接点容量
输出信号包括：
·ω+加速信号·ω-减速信号
·V+升压信号·V-降压信号
·ERR同期失败信号·CLO合闸输出信号
·FLT故障开出信号
a）输出信号均以继电器接点输出；
b）合闸输出接点容量：
8A250VAC，8A30VDC；
c）其它输出接点容量：
5A250VAC，5A30VDC。
3.2.3模拟量测量范围
a）交流电压：
0V～120V；
b）频率：
45Hz～65Hz。
3.2.4模拟量回路测量精度
a）交流电压：
≤0.5%；
b）频率：
≤±0.01Hz。
3.2.5允许频率差：
Δf≤0.5Hz，可以通过面板显示菜单或通信口整定。
3.2.6允许电压差：
│ΔU│≤15%Us（Us为系统电压），可以通过面板显示菜单或通信口整定。
3.2.7调频、调压为脉冲输出，脉冲序列的间隔可整定，脉冲宽度由PID调节规律计算得出，PID参数可整定。
调频、调压输出回路可以根据需要投入或切除，不影响频差闭锁、压差闭锁及其它功能。
3.2.8当同频不同相时同期装置发出一系列增速脉冲及时消除这种状态，便于快速并网。
对于线路型断路器，允许电网环并，环并合闸角可整定。
3.2.9考虑机组频率及系统频率波动会造成频差变化，因此只允许在频差一阶导数df/dt≤0.3Hz/s、二阶导数d2f/dt2≤0.1Hz/s2范围内并网。
3.2.10同期误差：
当频差≤0.3Hz时，合闸相角差误差：
≤1.5°。
3.3绝缘性能
3.3.1绝缘电阻
装置的带电部分和非带电部分及外壳之间以及电气上无联系的各电路之间用开路电压500V的兆欧表测量其绝缘电阻值，正常试验大气条件下，各等级的各回路绝缘电阻不小于20MΩ。
3.3.2介质强度
在正常试验大气条件下，装置能承受频率为50Hz，电压2000V历时1分钟的工频耐压试验而无击穿闪络及元件损坏现象。
试验过程中，任一被试回路施加电压时其余回路等电位互联接地。
3.3.3耐湿热性能
装置能承受GB/T7261规定的交变湿热试验。
试验温度为+40℃±2℃、相对湿度（93±3）%，试验时间为48h，在试验结束前2小时内根据要求，测量各导电电路对外露非带电金属部分及外壳之间、电气上不联系的各回路之间的绝缘电阻不小于1.5MΩ，介质耐压强度不低于规定的介质强度试验电压幅值的75%。
3.4电磁兼容性
3.4.1静电放电抗扰度
装置能承受GB/T17626.2－1998中规定的试验严酷等级为4级的静电放电干扰试验。
3.4.2辐射电磁场抗扰度
装置能承受GB/T17626.3－1998中规定的试验严酷等级为3级的辐射电磁场干扰试验。
3.4.3快速瞬变脉冲群抗扰度
装置能承受GB/T17626.4－1998规定的试验严酷等级为4级的快速瞬变抗扰试验。
3.4.41MHz脉冲群抗扰度
装置能承受GB/T17626.12－1999中规定的试验严酷等级为3级（共模2.5kV、差模2kV）的1MHz和100kHz脉冲群干扰试验。
3.5环境条件
a）环境温度：
-10℃～60℃；
b）相对湿度：
5%～90%（无凝结）
c）大气压力：
80kPa～110kPa。
3.6机械性能
3.6.1振动
装置能承受GB/T11287－2000中的严酷等级为I级的振动耐久能力试验和振动响应能力试验。
3.6.2冲击
装置能承受GB/T14537－1993中的严酷等级为I级的冲击耐久试验和冲击响应试验。
3.6.3碰撞
装置能承受GB/T14537-1993中规定的严酷等级为I级的碰撞试验。
4、装置硬件说明
本装置在总体设计及各模件设计上均充分考虑了可靠性的要求，在程序执行、通信等方面均给予了详尽的考虑。
4.1硬件框图
图（4-1）装置硬件框图
装置由CPU板、MMI板、电源板、交流板、开出板、开入板、背板等组成。
（1）CPU板是装置的核心处理单元，主要完成对象开入的识别，电压、频率、相角差的测量，捕捉同期点，完成相应开出信号并提供输出指示灯。
（2）MMI板完成人机接口的任务和相角闭锁，通过串行通讯接口和CPU板进行数据交换；接收键盘输入信息；相位表及液晶显示。
（3）交流板将输入的PT信号转换为DSP内置A/D可以接受的模拟量信号（0－3V）以及用于频率和相角差测量的方波信号。
（4）开出板将CPU板的控制输出转换为继电器的控制输出，主要有合闸（主辅两个）、升压、降压、增速、减速、失败、故障。
（5）开入板主要用于16个对象的选择。
（6）电源板提供装置各插件所需的24V、+/-15V及5V电源。
（7）背板为各插件间提供信号传递。
4.2机箱结构
装置采用全封闭4U、1/2的19英寸标准机箱，嵌入式安装于屏（柜）上。
插件为后插导轨式，插紧后上下有锁紧螺丝。
机箱外形尺寸和安装开孔尺寸图如下：
4.3装置安装及接线
4.3.1安装
SJ-12D的面板上有LCD液晶显示屏和相位表以及操作键盘，所以一般应将装置安装在方便观看和操作的地方。
4.3.2接线
装置背板有6个插座，其插头是可卸的，应严格按照表4-1的定义分别接线。
表4-1装置背板端子定义表
端子号
J1
J2
J3
J4
J5
J6
1
L/+
Us（+）
W+
START
DI1
2
N/-
Us（-）
Wcom
ENOV
DI2
3
E
Ug（+）
W-
DLON
DI3
4
Ug（-）
V+
DIcom
DI4
5
Vcom
DI5
6
V-
485A
DI6
7
ERR（+）
485B
DI7
8
ERR（-）
DI8
9
FLT（+）
DIcom
10
FLT（-）
DI9
11
NC
DI10
12
CLO（+）
DI11
13
CLO（-）
DI12
14
NC
DI13
15
CLO（+）
DI14
16
CLO（-）
DI15
17
△U（+）
DI16
18
△U（-）
DIcom
J1：
接入可靠的AC/DC220V，其中L/+（火线）和N/-（零线）不可接反,“E”端应与现场的接地网可靠相连。
J2：
对于机组型开关对象，
、
分别接入系统侧PT电压和机组侧PT电压；对于线路型开关对象，
、
分别接入线路侧PT电压和母线侧PT电压，应注意它们的同名端需一致。
通常2个PT接入的都是它们所对应的AB相线电压（AC100V），否则应在设置同期参数时对其设置相角或电压补偿值。
接线示意图见图4.3－1。
J3：
控制输出和录波输出，接线示意图见图4.3－3。
控制输出包括加速（W+）、减速（W-）、升压（V+）、降压（V-）、同期失败（ERR）、装置故障（FLT）和合闸开出（CLO）；J3-15、J3-16、J3-17、J3-18为合闸输出接点（CLO）和脉振电压（△U）用于同期过程录波。
其中J3-12、J3-13和J3-15、J3-16均为合闸开出接点，但建议J3-12、J3-13用于断路器合闸，J3-15、J3-16用于录波输出；J3-11、J3-14为空端子（NC）。
装置运行在手动状态时，合闸开出节点应与手动合闸开关串连。
J4：
控制输入，接线示意图见图4.3－2。
图4.3-1交流输入接线示意图图4.3-2控制输入接线示意图
控制输入包括启动（START）、无压使能（ENOV）、断路器辅助接点（DLON）和控制输入公共端（DIcom）。
其中启动信号为脉冲输入，脉冲宽度应≥1秒；无压使能信号为稳定信号，应保持至启动信号有效；断路器辅助接点信号用于合闸导前时间的测量，根据需要接入。
装置运行在手动状态，J4－1定义为手动启动信号，该信号为保持型，一般通过手动自动切换把手进行控制。
J6：
对象输入，接线示意图见图4.3－4。
该板用于同期对象的切换，每次只允许有一个同期对象进行同期操作，否则装置会报“对象重选”或“对象漏选”信息。
J6-9为对象1至对象8的公共端，J6-18为对象9至对象16的公共端，这两个公共端与J4-4可以短接在一起。
图4.3-3控制开出接线示意图图4.3-4对象1-16输入接线示意图
关于J3、J4、J6接线说明：
⑴SJ-12D最多可支持16个同期对象，按实际使用对象接线，不用的不需要接线。
⑵当同期对象中确有无压同期要求时，应接入“ENOV”无压使能开入信号。
若没有无压同期要求，则“无压使能”输入信号可以不接。
⑶在实际应用中若装置的同期对象多于1个时，用户应对背板上的J2（同期对象两侧的PT输入）、J3（控制输出）、J6（对象输入）这3个插头的出线需增加外部切换逻辑，使之切换到与同期对象相对应的输入/输出回路上。
⑷同期失败（ERR）是脉冲型开出，脉宽固定为1s，该信号表示同期失败，失败的原因可以从装置的事件记录或后台软件查询。
装置故障（FLT）为保持型开出，一旦检测到装置故障，将不能执行同期合闸操作。
合闸开出（CLO）的脉宽不小于300ms,不大于1000ms,在此范围内合闸脉宽为合闸导前时间的两倍。
5、装置使用说明
5.1面板显示和键盘操作
5.1.1装置面板布置图
为了便于使用，装置配备了功能强大的、操作灵活的人机接口系统。
装置的正面板布置如图5－1所示。
图（5－1）面板布置图
5.1.2信号灯及液晶说明
面板上设置了8个LED指示灯和相位表显示灯，其定义如下：
“运行”灯为绿色，装置正常运行时以每秒一次的速率闪烁；
“故障”灯为红色，装置自检出现异常或故障时点亮；
“加速”、“升压”、“合闸”灯为绿色；“减速”、“降压”、“失败”灯为红色。
装置配备了128×64点阵的蓝色液晶屏。
此液晶自带背光，当长时间无键盘操作时，背光自动熄灭，液晶关闭。
一旦有键盘操作，背光自动点亮。
5.1.3相位表说明
在装置输入交流量信号并启动同期后，相位表可以形象的显示相角差的变化规律。
当待并侧的频率fl大于系统侧的频率fg时，相位灯顺时针方向旋转；当待并侧的频率fl小于系统侧的频率fg时，相位灯逆时针方向旋转。
如果准同期装置内部经过了转角补偿，则此相位表也经过了转角。
“合闸”和“失败”信号灯置于其中，分别指示合闸成功和同期失败。
5.1.4按键说明
面板上有九个按键，控制键包括“确认”和“退出”；内容更改键包括“＋”和“－”；光标移动键包括“↑”、“↓”、“←”、“→”；还有一个专门用于复位装置的复位按键。
其功能分述如下：
“确认”键：
用于对某项操作的确认或进入下级菜单，也可对某项操作进行确认。
“退出”键：
用于对所作操作的撤消或返回上级菜单，也可对某项操作进行取消。
“＋”、“－”键：
具有修改功能，包括数值的增加和减少，或不同类型的选择。
“↑”、“↓”、“←”、“→”键：
完成光标的移动。
“复位”键：
复位程序。
5.1.5串行接口
装置面板上的串行口是一个DB9的孔式插座，其定义如下：
表5-1串行口插孔定义
插孔号
定义
2
RXD
3
TXD
5
GND
5.2菜单系统
5.2.1菜单结构
图（5－2）菜单结构
5.2.2测值显示
该画面完成同期测量相关数值的显示。
参见图5－3所示。
Ul=100.0V
Ug=100.2V
fl=49.98Hz
fg=49.98Hz
Δ=00
ΔU=0.2V
Δf=0.00Hz
图（5－3）测值显示画面
5.2.3信息查询
在该级菜单中可以查询参数、事件记录、装置信息以及合闸导前时间。
其中参数查询包括同期参数、通讯参数和标定参数。
【同期参数】用于显示同期对象的参数。
对象1的同期参数如图5－4所示，其意义见表5-2。
【通讯参数】用于显示RS485的通信参数配置。
其中站地址范围为1至255，波特率为2400、4800、9600、19200中的一种。
【标定参数】用于显示标定参数。
其中kul、kug分别为主CPU对系统侧和待并侧电压有效值的补偿,mfai为主CPU对相角差的补偿,sfai为辅CPU对相角差的补偿。
【自动手动】用于显示装置状态是自动还是手动。
【事件记录】用于显示事件记录信息，例如合闸成功、同期失败等。
【装置信息】主要显示主辅CPU的版本号，调试态或工作态以及装置的一些其他硬件信息。
【合闸时间记录】根据断路器辅助节点开入信号计算断路器实际合闸导前时间。
该合闸时间记录为合闸导前时间的设定提供参考。
每个对象可记录8次，没有测值时则默认为0ms，最大值为999ms。
最新产生的值放在第1点，其余已存在的值依次后移。
Tf=﹢7S
Kpf=﹢40
Kif=﹢0
Kdf=﹢0
Tv=﹢5S
Kpv=﹢20
Kiv=﹢0
Kdv=﹢0
Δuh=﹢5.0V
Δul=﹣5.0V
Δfh=﹢0.25Hz
Δfl=﹣0.25Hz
KUl1=﹢1.000
KUg1=﹢1.000
Δ=﹢00
图（5－4）对象同期参数画面
表5-2同期参数意义一览表
序号
符号
意义
可取值
范围
基本增量/
减量单位
缺省值
说明
1
Type
开关类型
Gen/Line
Gen
机组/线路两种类型
2
fs
系统频率
50Hz/60Hz
50Hz
50Hz或60Hz任选
3
NoV
无压合类型
type1
type2
off
type1
type1:
Us≤50V且（Ug≥80V|50Hz或Ug≥65V|60Hz）
Type2:
Us≤50V或Ug≤50V
Off:
禁止无压合
4
PreT
合闸导前时间
20-990ms
10ms
100ms
5
hbfai
允许环并合闸角
0～40°
0.1°
25°
开关类型为“Gen”时无效
6
bsfai
辅CPU闭锁角度
10°～50°
1°
40°
7
Δuh
允许压差高限
±15V
0.1V
5V
允许压差Ug-Us范围
ΔUl≤Ug-Us≤ΔUh
8
Δul
允许压差低限
±15V
0.1V
-5V
9
Δfh
允许频差高限
±0.5Hz
0.01
0.25Hz
允许频差fg-fs范围
Δfl≤fg-fs≤Δfh
10
Δfl
允许频差低限
±0.5Hz
0.01
-0.25Hz
11
KUl1
系统电压补偿因子
0.5~2.0
0.001
1.000
需要转角时系统电压补偿
12
KUg1
待并电压补偿因子
0.5~2.0
0.001
1.000
需要转角时待并电压补偿
13
Δ
相角差补偿
-60°～60°
0.1°
0°
需要转角时的角度。
系统侧电压超前待并侧电压为正,滞后为负
14
Tf
调速周期
1～15S
1
7
推荐值7S
15
Kpf
调速比例项因子
1～100
1
40
推荐值40～50
16
Kif
调速积分项因子
0～100
1
0
推荐值0
17
Kdf
调速微分项因子
0～100
1
0
推荐值0
18
TV
调压周期
1～15S
1
5
推荐值5S
19
Kpv
调压比例项因子
1～100
1
20
推荐值20～30
20
Kiv
调压积分项因子
0～100
1
0
推荐值0
21
Kdv
调压微分项因子
0～100
1
0
推荐值0
在准同期装置中每个同期对象都有一组独立的且意义一样的同期定值表。
在准同期装置投入实际运行前，必须对每个使用到的同期对象定值进行正确设置，没有使用到的同期对象其定值可以不用设置。
（1）开关类型（Type）
开关类型有两种取值：
Gen、Line，分别表示机组型开关和线路型开关。
用于发电机的出口断路器一般设为机组型，除发电机出口断路器以外的一般设为线路型。
（2）系统频率（fs）
fs只有两种取值：
50Hz或60Hz，此值根据电网频率确定。
（3）无压合类型（NoV）
无压合类型有三种取值：
type1、type2和off，分别表示无压合类型1、无压合类型2以及禁止无压合。
type1：
Us≤50V且（Ug≥80V|50Hz或Ug≥65V|60Hz）
type2：
Us≤50V或Ug≤50V
一般机组型开关无压合类型设为type1，线路型开关无压合类型设为type2。
对于机组型开关其无压合类型也可设为type2，此时为防止对机组倒送电，当Us≥50V且Ug≤50V禁止机组无压合。
（4）合闸导前时间（PreT）
在准同期装置中，合闸导前时间PreT除了考虑断路器的合闸时间外，还要考虑合闸操作回路的动作时间。
（5）允许合闸环并角（hbfai）
当开关类型为线路型时，若断路器两侧为同一系统，此时两端无频差，只有一固定相角差。
当固定相角差小于允许合闸环并角（缺省值为25°）时，直接合闸，否则同期超时。
此参数对于机组型开关无意义。
（6）辅CPU闭锁角度（bsfai）
在准同期装置中辅CPU除了人机接口显示外，还起到闭锁合闸的功能。
当测到的相角差小于闭锁角度时，开放合闸出口，反之闭锁合闸出口。
（7）允许压差高限（Δuh）和允许压差低限（Δul）
只有当Δul≤Ug-Us≤Δuh时,装置才认为满足了压差条件，否则进行调压。
（8）允许频差高限（Δfh）和允许频差低限（Δfl）
只有当Δfl≤fg-fs≤Δfh时,装置才认为满足了频差条件，否则进行调频。
（9）电压补偿因子（KUl1、KUg1）
接入准同期装置的电压一般为100V，也允许接入100V/
=57.74V。
如果输入的是100V，取电压补偿因子＝1；
如果输入的是57.74V，取电压补偿因子＝1.732。
由于装置是以100V的电压值进行同期过程，所以如果Us、Ug都是57.74V，则电压补偿因子都必须设置为1.732。
（10）相角差补偿（Δ）
本同期装置支持自动转角补偿功能。
实际应用中在断路器两侧之间有变压器，而变压器原副边接线方式可能不一致，这就存在相角补偿问题。
准同期装置的相角补偿值可以从-60°～60°，不需要转角时，取Δ＝0°。
当系统侧电压超前待并侧电压时相角差补偿取正,当系统侧电压滞后待并侧电压时相角差补偿取负。
（11）调速/调压定值
对于机组型断路器，当频差或压差超出设定的允许高限或低限时，准同期装置将根据频差、压差大小发出宽窄不同的调节脉冲，直到频差、压差满足要求，进而实现发电机的同期并列。
无论是调速还是调压，准同期装置均采用“定频调宽”的方式发出调节脉冲，也就是说，每经过一个设定的周期，装置根据调节模型计算一次调节输出脉宽，并发出这个输出脉冲。
本同期装置中的调速/调压采用PID调节控制模型：
式中,en为n时刻的偏差值。
电压、频率调节的参数模型是一致的。
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