微機(jī)的自動(dòng)裝置分析論文
1、引言
在電力系統(tǒng)中，有些被稱為同期點(diǎn)的斷路器在進(jìn)行合閘操作時(shí)，斷路器的兩端都有可能因由不同的電系統(tǒng)供電而帶電。此時(shí)，就必進(jìn)行一系列的操作，最終才能將斷路器合閘。這一系列的操作加上斷路器合閘操作統(tǒng)稱為并列操作。
同期點(diǎn)的并列操作時(shí)電力系統(tǒng)中一項(xiàng)主要的操作內(nèi)容。因?yàn)閿嗦菲鞯膬啥司须娫矗敉邳c(diǎn)斷路器的合閘時(shí)機(jī)不適當(dāng)，兩端的電參數(shù)相差較大，就將會(huì)引起斷路器爆炸甚至整個(gè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞而導(dǎo)致崩潰，發(fā)生大面積停電的重大惡性事故。
我廠以前采用的手動(dòng)準(zhǔn)同期裝置基本上也能將同期點(diǎn)斷路器的合閘時(shí)間控制在一定的范圍之內(nèi)。但在一下方面存在一定缺陷：
a、沒有自動(dòng)選擇時(shí)機(jī)的功能，合閘時(shí)機(jī)很難把握，所以對(duì)操作人員的要求較高，經(jīng)常出現(xiàn)操作人員多次合閘不成功的事件。
b、合閘時(shí)機(jī)隨意性大。只要操作人員合閘瞬間在同期裝置的允許范圍之內(nèi)，斷路器就能合閘。但斷路器由于有機(jī)械和電氣傳動(dòng)延時(shí)和斷路器的固有合閘時(shí)間，很可能斷路器的合閘時(shí)實(shí)際上已經(jīng)不在并列操作的允許范圍之內(nèi)，從而造成非同期合閘，對(duì)斷路器、發(fā)電機(jī)以及電系統(tǒng)造成沖擊。
c、不能自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)于發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)電參數(shù)，必須由操作人員進(jìn)行手工調(diào)節(jié)。特別是頻率（轉(zhuǎn)速），必須由主控室運(yùn)行人員與汽輪機(jī)操作室相互聯(lián)系協(xié)調(diào)好，才能進(jìn)行調(diào)節(jié)。這使得一個(gè)發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)操作往往需要半個(gè)多小時(shí)才能成功。
d、原有的手動(dòng)準(zhǔn)同期裝置至投運(yùn)至今已經(jīng)近30年，繼電器已嚴(yán)重老化，可靠性已大大降低。
基于以上的原因，我們采用一種能自動(dòng)調(diào)節(jié)各種電參數(shù)，在條件滿足的情況下，自動(dòng)發(fā)出合閘脈沖指令的微機(jī)智能型準(zhǔn)同期裝置已勢(shì)在必行。
2、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的原理
眾所周知，電力系統(tǒng)中任一點(diǎn)的電壓瞬時(shí)值可以表示為u=Umsin(t+φ)。可以看出，同期點(diǎn)斷路器并列的理想條件就是斷路器兩側(cè)電壓的三個(gè)狀態(tài)量全部相等，即待并系統(tǒng)電壓UG和大系統(tǒng)電壓UX兩個(gè)相量完全重合并且同步旋轉(zhuǎn)。用公式表示則為：
（1）ωG＝ωX或fG＝fX（即頻率相等）
（2）UG＝UX（即電壓幅值相等）
（3）δe＝0（即相角差為0）
此時(shí)，并列合閘的沖擊電流等于零，并且并列后兩個(gè)系統(tǒng)立即進(jìn)入同步運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生任何擾動(dòng)現(xiàn)象。
為了使并列操作滿足條件，盡量使合閘時(shí)達(dá)到理想條件。自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置必須設(shè)置三個(gè)控制單元。（如圖1）
（1）頻差控制單元。它的任務(wù)是檢測(cè)待并系統(tǒng)（發(fā)電機(jī)）電壓UG與大系統(tǒng)電壓UX之間的滑差角頻率ωS，且調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)電壓的頻率接近系統(tǒng)頻率。
（2）電壓差控制單元。它的功能是檢測(cè)UG和UX之間的電壓差，且調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓UG，使之與UX之間的的差值小于規(guī)定允許值，促使并列條件的形成。
（3）合閘信號(hào)控制單元。檢查并列條件，當(dāng)待并機(jī)組的頻率、電壓都滿足并聯(lián)條件時(shí)，合閘控制單元就選擇合適的時(shí)間發(fā)出合閘信號(hào)，使并列斷路器的主觸頭接通時(shí)，相角差δ接近0或控制在允許范圍之內(nèi)。
3、MAS-2微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的主要特點(diǎn)
經(jīng)考察，我們最后采用了南瑞系統(tǒng)控制公司的MAS-2型微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。該裝置以INTEL公司的80C196單片機(jī)為核心，配以高精度交流變流器，準(zhǔn)確快速的`交流采樣以及嚴(yán)格的計(jì)算技術(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算開關(guān)兩側(cè)的電壓、頻率和相角差；輸入/輸出光電隔離，采用進(jìn)口密封快速中間繼電器作為合閘輸出和電壓切換，裝置的抗干擾能力強(qiáng)，技術(shù)先進(jìn)。
（1）通過控制待并系統(tǒng)機(jī)組調(diào)速、調(diào)壓實(shí)現(xiàn)頻率和電壓的自動(dòng)跟蹤，使頻差、壓差盡快進(jìn)入準(zhǔn)同期允許的范圍，平均每半個(gè)工頻周期測(cè)量出相角差Δδn，在Δδn＝Δδdq＝Δω·Tdq+Δaω·Tdq·Tdq/2時(shí)，即T＝Tdq時(shí)發(fā)出合閘脈沖，實(shí)現(xiàn)快速并網(wǎng)。在同頻不同相時(shí)，也可以發(fā)出合適的調(diào)速脈沖以縮短并列過程。由于計(jì)及角速度（ω）和角加速度，確保了斷路器合閘時(shí)相角差Δδn接近零。
（2）該裝置檢同期合閘具有頻差閉鎖（Δf）、壓差閉鎖（ΔU）和加速度閉鎖（dΔf/dt）功能。
（3）除具有檢同期合閘功能外，還具備無壓（一側(cè)無壓或兩側(cè)均無壓）、電網(wǎng)環(huán)并（開關(guān)兩側(cè)為同一電源）等自動(dòng)快速合閘功能。
（4）對(duì)輸入的各側(cè)電壓和頻差都進(jìn)行雙回路測(cè)量，雙回路測(cè)量結(jié)果應(yīng)一致，保證測(cè)量和計(jì)算的正確性。
（5）裝置具有液晶顯示屏菜單顯示，便于監(jiān)視和參數(shù)的設(shè)定和修改。裝置掉電后，參數(shù)不會(huì)丟失。
（6）具有自試和自檢功能。
（7）裝置可以單獨(dú)使用，也可與監(jiān)控系統(tǒng)配合使用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方遙控同期裝置。多個(gè)同期點(diǎn)只需一臺(tái)準(zhǔn)同期裝置。采用各同期點(diǎn)輸入電壓、合閘出口和調(diào)節(jié)出口選點(diǎn)開關(guān)切換，切換選點(diǎn)切換和裝置上人工操作選點(diǎn)開關(guān)切換。
4、MAS-2微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的硬件組成
MAS-2型微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的硬件框圖如圖2，其核心是16為的單片機(jī)，裝置軟件存儲(chǔ)在EPROM內(nèi)，EEPROM中存放定值，RAM是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存放運(yùn)行數(shù)據(jù)、事故記錄等。現(xiàn)場(chǎng)PT送來的交流電壓信號(hào)經(jīng)過隔離變換后送采樣保持回路，再由單片機(jī)內(nèi)部的A/D變換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，CPU進(jìn)行采樣、有效值的計(jì)算。
另外，交流信號(hào)波形變?yōu)榉讲ê螅M(jìn)行頻率和相位角的測(cè)量，再由單片機(jī)計(jì)算出頻率的變化率。晶振分頻產(chǎn)生600Hz的信號(hào)，作為采樣保持信號(hào)和CPU的中斷源。并行I/O擴(kuò)展芯片8255的C口用于開關(guān)量輸入，A口、B口經(jīng)過出口邏輯電路同時(shí)控制輸出信號(hào)繼電器和合閘繼電器。同期信號(hào)插件與同期切換插件控制信號(hào)輸出、電壓切換和合閘電流的保持。調(diào)速調(diào)壓插件在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)經(jīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)有功同步馬達(dá)和勵(lì)磁電流，縮短同期并列的過程。
5、MAS-2微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的軟件結(jié)構(gòu)與功能
MAS-2微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的軟件流程如圖3所示：
該裝置的軟件結(jié)構(gòu)分為主循環(huán)程序和中斷處理程序兩大部分。定時(shí)中斷由晶振電路分頻產(chǎn)生，每隔1.666ms進(jìn)入一次中斷。中斷程序主要完成電壓瞬時(shí)值采樣；電壓有效值計(jì)算、頻率值計(jì)算、相位角計(jì)算與dΔf/dt的計(jì)算；啟動(dòng)判斷、檢同期判斷、檢無壓開入判斷等；合閘輸出及中央信號(hào)控制等。主循環(huán)程序主要完成面板顯示、定值修改、回路自檢、信號(hào)復(fù)歸以及仿真試驗(yàn)、打印輸出等功能。
MAS-2微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置還具有比較獨(dú)特的功能：
（1）裝置的異常閉鎖功能
a、裝置微機(jī)能對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器和一些芯片進(jìn)行自檢，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即閉鎖同期出口，并輸出裝置異常接點(diǎn)信號(hào)；
b、對(duì)每個(gè)電壓回路都有雙回路進(jìn)行測(cè)量，如發(fā)現(xiàn)兩個(gè)回路測(cè)得的同一個(gè)電壓和頻率相差很大，則立即閉鎖同期出口，并發(fā)出裝置異常接點(diǎn)信號(hào)；
c、對(duì)于變電站多線路、多同期點(diǎn)，為了避免誤合閘以及不同線路的PT二次側(cè)短路，一次只能允許執(zhí)行一個(gè)同期點(diǎn)的并列操作。如果檢測(cè)到選點(diǎn)命令（啟動(dòng)）多于兩點(diǎn)時(shí)，則立即自動(dòng)解除同期切換板電源，閉鎖同期出口，并發(fā)出異常接點(diǎn)信號(hào)。
（2）裝置的復(fù)歸功能：
復(fù)歸是指切除裝置所有TQH（同期切換模件）、TQX（同期信號(hào)模件）、TJC（調(diào)速調(diào)壓模件）中所有繼電器的24V控制電源。復(fù)歸的方式有三種：
a、通過按同期信號(hào)模件（TQX）上的復(fù)歸按鈕（FA）人為復(fù)歸；
b、合閘脈沖發(fā)出后延時(shí)2秒由軟件控制TQX模件中的繼電器復(fù)歸；
c、同期點(diǎn)啟動(dòng)后，超過選點(diǎn)啟動(dòng)自復(fù)歸時(shí)間定值Trs后仍未合閘，由軟件控制TQX模件中的繼電器自動(dòng)復(fù)歸。
（3）裝置與監(jiān)控系統(tǒng)分通訊功能
MAS-2微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的通訊接口為RS-232方式，能與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，后臺(tái)監(jiān)控機(jī)能在遠(yuǎn)方控制同期點(diǎn)的并列操作，并能取得準(zhǔn)同期裝置所有的定值和同期操作時(shí)的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)
6、應(yīng)用情況及其效果
MAS-2型微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置在我廠投用一年多，運(yùn)行情況一直良好。由于其具有一定的智能性，能夠根據(jù)采集到的電參數(shù)，通過計(jì)算，自動(dòng)發(fā)出指令，對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，一旦準(zhǔn)同期條件滿足，則能自動(dòng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間發(fā)出合閘脈沖，使同期點(diǎn)斷路器能在最佳時(shí)機(jī)合閘。
其應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）操作方便簡(jiǎn)單。操作人員在選擇了不檢、檢無壓和檢同期任一方式后，只需按一下同期切換插件上的按鈕，便無需其它任何操作。以后部分由微機(jī)裝置自動(dòng)完成采樣、計(jì)算、分析以及執(zhí)行。
（2）能自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)發(fā)出合閘脈沖。不象手動(dòng)準(zhǔn)同期裝置那樣，操作人員合操作把手的瞬間必須和同期檢定繼電器的角度配合得非常好才能合閘成功。以前半個(gè)小時(shí)的并列操作現(xiàn)在只需1分鐘不到就能更好的完成，大大降低了操作人員的技術(shù)要求和勞動(dòng)強(qiáng)度，也大大降低了能源的損耗和設(shè)備的損傷。
（3）能針對(duì)不同的同期點(diǎn)斷路器而不同對(duì)待，通過整定各個(gè)同期點(diǎn)斷路器的合閘導(dǎo)前時(shí)間Tdq（約等于斷路器的機(jī)械和電氣傳動(dòng)時(shí)間和斷路器固有合閘時(shí)間之和），使哥哥不同的斷路器均能在最佳時(shí)機(jī)合閘成功。
（4）由于計(jì)算機(jī)的快速性和可靠性，使得斷路器合閘時(shí)兩側(cè)的電參數(shù)基本接近一致，減小了因兩側(cè)電壓、頻率和相位存在較大差異而引起的合閘瞬間的沖擊，有力的保障了電力設(shè)備特別是發(fā)電機(jī)和斷路器的安全，大大加強(qiáng)了電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的可靠性。
實(shí)踐證明，微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置在我廠的應(yīng)用是成功的。
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