第一章 课程设计概述.docx

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第一章课程设计概述

前言

准同期并列是电力系统中经常进行的一项重要操作。

发电机在系统正常运行时，随着负荷的增加，要求备用发电机组迅速投入系统，以满足用电量增长的需求；在系统发生故障时，会失去部分电源，要求备用机组快速投入电力系统制止系统崩溃。

这些情况均要进行同期操作，将发电机组安全可靠、准确快速的投入，确保系统的可靠、经济运行好发电机的安全。

不良同期装置与手动并网是发电机的隐形杀手，也是电力系统稳定运行的安全隐患。

我国目前还有为数可观的发电厂使用手动的并网方式。

究其原因，主要是我国广为流传的模拟式自动准同期装置不仅原理粗糙，而且还经常发生非同期并列。

而非同期合闸使发电机的绕组、轴承、联轴器受到严重的累积损伤，使机组寿命大大缩短，有时还会诱发更为惨重的后果——次同步谐振。

手动并网靠运行人员的感觉来操作，很容易延误并网时机。

这在系统稳定储备不够时将带来严重后果，在系统事故时有为有害，此外长时间并网过程还将造成大量的空转能损耗。

尽管大部分电厂都有自动准同期并列装置，但大多数还都在停用状态。

在微机型自动准同期研制领域中，各厂家技术参差不齐，造成微机型自动准同期装置良莠不齐，不能准确快速的实现发电机并网操作。

此外，对于要实行“无人值班”的水电厂和变电站更是要用能接受上位机控制的优良微机准同期并列装置取代无法与上位机通讯的准同期装置。

随着电力系统容量及发电机单机容量的不断增大，不符合同期条件的并列操作将会带来极为严重的后果，可能引起发电机的损伤甚至系统瓦解。

因此，对于同期操作进行研究，提高准同期装置并列的准确性、快速性和可靠性，对于系统的可靠运行具有很大的现实意义。

本设计主要是通过对发电机端的电压和频率进行测量，同时测量出电网的电压和频率，然后通过8096单片机对两个量进行比较，当满足合闸条件时进行合闸。

在单片机还会接LED显示屏显示当前发电机和系统数据，同时还接有发光二极管，显示当前是否满足合闸条件并且是否合闸。

第一章概述

运用所学单片机原理与接口技术、电路电子技术、自动控制原理知识，结合电机学、电力系统运行、电力系统自动装置等方面的专业知识，设计出一台以8096系列为核心的数字式准同期装置，发电机及电网电压信号经过互感器后，通过变送器实现数据采集，并完成数据的处理；同时完成控制信号输出，及显示电路等各部分的软、硬件设计。

本设计使学生熟悉单片机应用系统的软、硬件设计的工作方法、工作内容、工作步骤；并锻炼学生基本技能的训练，例如组成系统、编程、调试、绘图等，以达到培养学生理论联系实际、提高动手和分析、解决问题能力的目的。

数字式同期装置要求：

1）同期条件满足时，能迅速发出合闸信号，无冲击电流

2）能提供增减速、增减励磁信号

3）由LED显示发电机和电网的电压差与频率差

课程设计要完成的工作:

1）设计硬件部分包括前置信号处理单元如滤波器等、A/D转换、显示、信号输出功率放大电路、电源等；

2）软件部分包括A/D转换、数字信号处理、显示等；

3）画出系统的硬件电路结构图和软件程序流程框图；

4）系统软件程序的编写与调试；

第二章整体方案设计

2.1设计思路

一台发电机组在投入系统运行之前，须对待并列机组进行适当调整，使之符合并列条件才允许断路器合闸作并网运行，这一操作为并列操作。

通过对电机相关知识的学习和理解，我们知道，并列的理想条件是待并列发电机组的频率、电压幅值与系统频率、系统电压幅值相等，两者电压相量的相角差为零。

在尽量满足这些条件下，进行并列操作，才能是冲击电流尽可能小，发电机组并网后能迅速进入同步运行状态，否则，可能产生较大的冲击电流，发电机组并网后失去同步，引起一系列不良后果。

我们这此设计的数字式准同期并列装置，其目的就是能较好的完成发电机组并网这一操作，为了实现这一操作，数字式准同期自动并列装置要具备检测系统以及发电机组的电压差、频率差以及相角差（这里我们假定相序已经保持一致），在得到检测数据后，利用输入接口电路，将其送入单片机进行数据分析和处理，将单片机处理后得到的结果，用LED指示灯的亮灭进行显示，告诉操作人员该如何调整发电机组频率和电压，使之满足并列要求（单片机能自动辨识其后满足并列要求），与检测到的数据经单片机运算处理后，发现满足要求，则自动并列装置能自动发出合闸信号，使断路器闭合，实现并网操作。

由于电网与发电机电压大，而单片机处理的信号电压小，则检测的数据需要经过降压处理，数字式准同期并列装置采用数字式信息处理，而电网电压与发电机组电压是模拟量，这中间必须要有A/D转换。

合闸信号发出的是一较小的高平，要使断路器闭合，这环节应该需要一输出转换电路才能满足要求。

其中合闸信号的产生过程如下：

（图2.1合闸信号产生逻辑控制）

合闸信号检测单元是核心部分，采用恒定越前时间准同期并列，恒定越前时间取并列装置动作时间与断路器合闸时间之和。

2.2整体方框图

在设计思路的指导下，经过认真细致的分析，我们最终得到的数字式准同期自动并列装置的结构组成方框图如下：

（图2.2整体方框图）

2.3整体方框图各功能模块作用介绍

（1）频率差检测用来判别符合满足并列条件，通过降压滤波以及整形电路得到模拟输入量UX、UG能够被单片机读入的电压方波，方波在一个周期内高电平持续时间就为模拟输入量周期的1/2，利用方波的高电平作为单片机内部可编程定时/计数器的控制信号，其下降沿作为停止计数的中断申请信号，由CPU读取计数值N，并使计数器复位，通过N值大小便可以得到模拟输入量的频率大小。

降压滤波模块是将电压互感器二次侧送入的电压模拟量按比例降到单片机可以处理的大小等级，并滤去干扰等造成的一些谐波，整形电路将正弦波转换成方波。

（2）电压差检测也是用来判别是否符合并列条件中的依据之一，本次设计的自动并列装置采用直接读入UX和UG的值，做计算比较。

交流电压传感器把高交流电压值转换成低直流电压，再通过A/D转换，变成可直接通过接口电路输入至单片机内计算比较的数字量，单片机判断是否超过设定限值，获得相关信息。

（3）相角差的测量是确定越前时间信号形成的依据。

本次设计的装置采用的测量方案是通过降压滤波以及整形电路得到的方波接到异或门，当两个方波输入的电平不同时，异或门输出为高电平，用于控制可编程定时计数器的计数时间，计数值N即为两波形相角差相对应，CPU通过中断读取N值，确定相角差变化轨迹。

（4）电源模块输出各功能模块所需的工作电压，满足装置运行的最基本要求，复位电路用于装置系统复位，为下一次工作做好准备。

（5）单片机模块是装置自动运行核心，其自动控制的神经中枢。

由于8096单片机自带有CPU以及输入输出接口电路，故在结构框图中不另设接口电路（合闸信号输出接口电路除外），其内部定时器T1，T2运用于定时计数，存储器模块与单片机总线相连，用于存放输入数据、主程序以及固定的给定值的存储。

单片机对输入数据进行分析计算，确定输出信号，指导完成各个并列操作过程。

（6）显示模块由5个LED信号指示灯组成，用于增速、减速、增磁、减磁指示以及合闸信号是否发出，告诉操作人员如何调节转子转速以及励磁电流大小，使之符合并列条件。

（7）合闸信号输出接口电路实质是一放大驱动电路。

单片机发出的合闸脉冲检测信号经此接口电路输出转换后驱动继电器，使断路器合闸。

第3章硬件设计

3.1降压滤波电路的设计

降压电路是为了将电压互感器传过来的100V交流电压降至可供模拟电路处理的5V低压,其基本原理是一电子变压器，变压器一二次侧的线圈匝数不同，以实现电压的变换，滤波电路滤去由于外部或内部电路所产生的一些谐波，提高测量的准确性，其电路图如下

（图3.1降压滤波电路）

3.2整形电路的设计

整形电路采用555定时器组成的施密特触发器，它实质上是一电压比较器，是将降压滤波后的正弦波转化为方波，在一个周期内该方波的高电平持续时间即为正弦波周期的一半，整形电路的输出与异或门相接，异或门是实现当两个方波输入的电平不同时，异或门输出为高电平，用于控制可编程定时计数器的计数时间，计数值N即为两波形相角差相对应，以此来获取两正弦波的相角差CPU通过中断读取N值，确定相角差变化轨迹。

（图3.2整形电路）

3.3复位电路设计

这里采用上电机手动复位电路，上电后该电路中的电容被缓慢充电，可提供有效的复位信号，同时该电路具有手动复位功能，在电路中有一与电容并联的按钮，在任何情况下，可通过这一按键式单片机RESET引脚变低电平而使单片机开始进行复位操作。

在反复上电的情况下，能可靠复位，在掉电的情况下，电容上的电压可通过二极管放电通路而迅速下降为零，这样就为反复上电的情况下的复位提供了可靠地保证。

复位电路的设计如下

（图3.3复位电路）

3.4交流电压传感器设计

（图3.4交流电压传感器）

设计电路如上，将待测交流电压降压，并经过整流桥SR1和SR2后，在电阻上R1和R2得到与发电机或电网电压幅值成比例的直流电压值Ua和Ub，通过对这两个直流电压的比较可以得到发电机与电网电压的差值。

3.5单片机与存储器的连接设计

由于8096单片机内只有256个单元的随机存取寄存器，不能满足存放程序代码的需求。

我们需要外接存储器，用于对源程序，随机数据的存放。

其接线图如下：

（图3.5单片机与存储器连接图）

最终的得到的存储空间为0000H~7FFFH,可充分满足存放程序代码以及计算中间数据的需求。

3.6电源模块的设计

电源模块提供整个硬件电路工作所需的工作电压，包含12V和5V。

其设计理念是通过电子变压器把常规220V家庭工作电压降压后经整流器变换为我们所需的直流电压，为了保证电压的质量，我们在其后设计一电压跟随器，保持供电电压的恒定。

设计电路图如下：

（图3.6电源模块图）

3.7合闸信号输出接口设计

单片机在确定发电机可以并网的时刻发出一合闸脉冲信号去控制继电保护器动作，这之间必须设置传递信号的接口电路，该电路起转换信号并放大驱动作用。

（图3.7合闸信号输出驱动电路）

3.8显示模块的电路设计

这一模块的设计比较简单，通过单片机输出引脚与LED信号灯相连，便可达到利用控制输出来控制信号灯的亮灭。

设计图如下：

（图3.8信号灯显示模块）

通过对各硬件电路模块的设计，我们初步有了整体硬件电路的雏形。

模块化的设计理念是思路比较清晰，易于团队合作的一种理念，是我们应该学习的。

第四章软件设计

4.1软件程序设计思路

本次设计的数字式准同期并列装置借助于单片机高速处理数据并完成控制的能力，利用编制的程序在硬件配合下实现发电机的并列操作，因此软件程序设计在本次装置设计中占有十分重要的地位，程序流程细节的编制因人而异，无标准可行。

我们这次程序软件设计的思路是，装置启动后，对主要部件进行自检，一旦出错，便报警提示操作运行人员，提示方式为合闸信号灯闪烁。

如果正常，则开始工作，进入并列操作程序。

首先是开中断，启动A/D转换，利用直流采样测量发电机以及电网对应的某一相相电压幅值，并储存，转而计算电压差，在电压差不满足设定值要求时，使相应的増磁或减磁信号灯亮灭指示操作人员如何操作。

在电压差满足并列条件的基础上，我们再进行频率差检测，频率差检测利用8098单片机内部的高速输入HSI配合内部定时计数器T1测量，其基本原理是将整形后方波信号的上跳变时刻以及下跳变时刻存储，同时记录T1上、下跳变时刻计数值以及溢出次数，从而计算得到方波周期，进而得到发电机或电网电压的频率，继而得到频率差，在频率差不满足并网要求时，使相应增速或减速信号灯亮灭来告诉操作人员如何操作，在频率差满足并网要求时，进行相角差检测。

相角差测量的程序设计原理和频率测量一致，可调用编制好的相同的子程序测量，由于相角差是时刻变化的，所以相角差的测量要持续进行，当检测到相角差变小的情况下，推算在恒定越前时间合闸下的理想合闸相角差，然后等待，捕捉最佳合闸时机，最后发出合闸信号，使控制断路器闭合的继电器动作，同时发出信号使合闸指示灯常亮。

4.2程序流程图

4.3测量频率差、相角差以及电压差子程序的编制

4.3.1电压差测量的程序流程图如下

（图4.2电压差测量流程图）

4.3.2频率差检测流程图

（图4.3.2频率测量流程图）

4.3.3相角差测量

相角差的测量和频率测量原理一致，只需再加一步，将计算所得的周期转换为对应的相角差而已这里就不再重复，下面编写一小段汇编程序示例

ORG5000H

START:

LDSP,#00C0H；建立堆栈

LDBINT-MASK,#01H；允许定时器溢出中断

LDDX,#3000H；送中断服务程序的入口地址

STDX,2000H[0]

DH:

JBCPORTO,4,DH；检测是否为上跳沿

LDAX,TIMER1；送上跳沿时刻

LDBIOC1.#04H；允许T1溢出中断

CLRBINT-PENGDING；清中断悬挂寄存器

CLRCX；清中断次数计数器

EI；开中断

DL:

JBSPROTO,4,DL；检测脉冲下跳沿

LDBX,TIMER1；送下跳沿时刻

DI；关中断

SJMPCULPW；转计算脉宽程序

ORG5100H

INT-T1:

INCCX；对T1溢出次数计数

RET

ORG5020H

CULPW:

4.4程序存储空间的分配

单片机外接的存储芯片有6264276427128，它们对应的存储地址范围是

6264芯片0000H~1FFFH

2764芯片2000H~3FFFH

27128芯片4000H~7FFFH

这样便有充足的存储空间存放程序代码以及随机数据，也便于以后的扩展。

现将地址空间分配如下：

6264芯片用于存放随机数据，地址2080H~4FFFH存放主程序代码，5000H~6000H存放频率测量程序代码，6000H~7000H存放相角差测量程序代码，7000H~7FFFH存放电压差测量程序代码。

使用及注意事项说明

1、本次设计的准同期并列装置为半自动装置，操作人员需要根据信号指示灯的指示调节励磁电流以及转子转速。

2、合闸信号的发出是自动控制的，一旦满足并网条件，该装置会自动发出合闸信号，无需操作人员控制，合闸信号发出后，合闸信号指示灯常亮。

3、操作人员每调整一次电压或是频率，需按一下复位按钮。

4、装置采用是电源是220V交流电源。

5、装置设定的并网允许电压差为0~20V,并网允许频率差为0~0.5HZ,该设定值不可更改。

6、使用时注意绝缘防水。

7、如果该装置运行报错，请关闭电源，重启该装置。

心得体会

这次课程设计为期两周。

7月3号，我们老师给我们进行了课程设计任务的下达以及相关的理论知识讲解，这之后的两个星期里，我查阅资料，认真分析，自行解决问题，最终顺利的完成了本次课程设计。

在这次的课程设计中，我不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

我做这次课程设计是分几个步骤有条不紊的进行的。

首先是学习相关理论知识，譬如对CAD这一软件关于画图基础知识的重新巩固，对自动准同期并列原理性东西的复习总结，开始着手整体方案的设计以及后面的硬件设计；其次是尝试编写小型的汇编程序解决一些问题，检验下自己对单片机编程语法的理解，便于及早发现问题，为接下来的程序设计打下基础；然后是确定本次课程设计的程序流程图，尝试编写源程序，其中，每一个中断子程序都要独立出来，便于分析检错；再次是总结发现问题及时改正；最后的任务就是写好课程设计报告书。

课程设计是将理论知识和实践结合的比较理想的一种方式，通过课程设计我们可以加深对课本知识的理解，并锻炼自己的实际动手能力。

在这次课程设计中，我也遇到了很多挑战，只能自己一步步分析解决问题。

当然也收获了很多，掌握了一定的画图技巧，对理论知识的理解进一步加深等。

总之，在这次课程设计中，我受益良多。

参考文献

1、王福瑞等.《单片微机测控系统设计大全》北京航空航天大学出版社，1999

2、孙涵芳《Intel16位单片机》北京航空航天大学出版社，1999

3、汪建等《MCS-96系列单片机原理及应用技术》华中科技大学出版社，2004

4、沈红卫《单片机应用系统设计实例与分析》北京航空航天大学出版社，2003

5、程军《Intel80C196单片机应用实践与C语言开发》北京航空航天大学出版社，2001

6、张晓英等..基于单片机和CPLD的同步发电机自动准同期装置设计.电力自动化设备,2007

致谢

在这次课程中通过同学间的相互努力，分工协作下终于完成这份课程设计以及报告的书写。

在此非常感谢老师在理论课程中对我们讲授的关于8098单片机和8096的各种系统的设计知识，除此之外，也感谢各科专业老师在之前教学过程中为我们讲解的课程为这次设计奠定的理论基础。

使我们才能在这次课程设计中能够将各科知识进行综合运用。

通过这次设计使我们对理论课程的理解和运用有了一个十分具体的体验。

将为我们将来的学习和工作打下更好的基础，提供一定的设计经验。

在此十分感谢各位老师提供的帮助！

附录

硬件整体接线图