劉東文 王導(dǎo) 何平

摘 要：分析傳統(tǒng)的模擬式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種適用于電力系統(tǒng)自動(dòng)準(zhǔn)同期要求的全數(shù)字式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。該裝置以單片機(jī)為核心，主要包括交流電壓信號(hào)整形電路、單片機(jī)（MCU）、人機(jī)界面（LCD）、同期信號(hào)輸出等單元。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，所設(shè)計(jì)的微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置有很高的可靠性、通用性和精確性。該裝置已在200多個(gè)水電站中投入工程應(yīng)用，效果良好。

關(guān)鍵詞：數(shù)字式；自動(dòng)準(zhǔn)同期；單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）03-0028-03

Design and Application of Microcomputer Automatic Synchronizing Device Based on STM32 Microcontroller

LIU Dongwen，WANG Dao，HE Ping

（Guangdong Nanfeng Electric Automation Co.，Ltd.，Meizhou 514500，China）

Abstract：Based on the analysis of the advantages and disadvantages of the traditional analog automatic synchronization device，a full digital automatic synchronization device is designed on the basis of the automatic synchronization requirements of the power system. The device is based on a single chip microcomputer，mainly including AC voltage signal shaping circuit，MCU，LCD，and synchronization signal output units. The experimental results show that the designed microcomputer automatic synchronizing device has high reliability，versatility and accuracy. The device has been put into engineering in more than 200 hydropower stations，and the effect is good.

Keywords：digital；automatic quasi synchronization；single chip microcomputer

0 引 言

在運(yùn)行電力系統(tǒng)時(shí)，變壓器、聯(lián)絡(luò)線、發(fā)電機(jī)組和電力系統(tǒng)常常需要進(jìn)行并列操作，這種通過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)備將小型系統(tǒng)并入大型系統(tǒng)的操作，被稱為同期并列操作。這種操作對(duì)發(fā)電廠而言非常重要，而且應(yīng)用頻繁。一旦操作失誤，則會(huì)造成重大損失，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)造成電力系統(tǒng)解列。為了減少人為操作失誤，自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，多采用模擬式電路，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。但傳統(tǒng)同期裝置采用的是分立元件，存在元件參數(shù)分散，易出現(xiàn)溫漂現(xiàn)象，可靠性較差。特別是出現(xiàn)故障時(shí)，診斷起來(lái)非常困難，調(diào)試極度不便。為了解決傳統(tǒng)同期裝置存在的問(wèn)題，提高它的便捷性與可靠性，專(zhuān)家學(xué)者們一直在尋找替代性方案。數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，給我們提供了解決這種問(wèn)題的另一種思路，即采用數(shù)字技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬技術(shù)，通過(guò)將MCU技術(shù)應(yīng)用到自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置中，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化設(shè)計(jì)。

本文以STM32F4X系列單片機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字技術(shù)的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。該裝置具有系統(tǒng)沖擊較小，同期準(zhǔn)確快速的優(yōu)點(diǎn)。

1 工作原理

所謂準(zhǔn)同期并列操作，其要點(diǎn)在于調(diào)整系統(tǒng)側(cè)的頻率、電壓和待并側(cè)的頻率、電壓，當(dāng)滿足以下四項(xiàng)條件時(shí)，啟動(dòng)同期裝置。

條件1，系統(tǒng)側(cè)、待并側(cè)兩側(cè)電壓相序一致；

條件2，系統(tǒng)側(cè)、待并側(cè)兩側(cè)電壓數(shù)值一致；

條件3，系統(tǒng)側(cè)、待并側(cè)兩側(cè)頻率基本一致；

條件4，合閘時(shí)系統(tǒng)側(cè)、待并側(cè)兩側(cè)電壓相位一致。

在條件不合適時(shí)，向調(diào)速器和勵(lì)磁發(fā)出調(diào)整命令，以使各項(xiàng)參數(shù)符合條件，從而減少合閘時(shí)間。同時(shí)，自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置會(huì)不斷尋找最合適的合閘時(shí)間點(diǎn)，找到后自動(dòng)發(fā)送合閘指令。

在邏輯電路與時(shí)間程序的基礎(chǔ)上，利用相位比較、壓差檢查、頻差檢查的方法及恒定導(dǎo)前時(shí)間的相關(guān)原理，使用控制策略，對(duì)它們進(jìn)行綜合，形成了自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。該裝置會(huì)對(duì)相位差、頻率差、電壓差進(jìn)行不間斷的自動(dòng)監(jiān)視，找出理想的同期時(shí)刻，并提前一個(gè)導(dǎo)前時(shí)間發(fā)出合閘命令，使得相角差為零度時(shí)斷路器完成合閘，圓滿完成準(zhǔn)同期并列[1]，如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)整形電路將系統(tǒng)側(cè)和待并側(cè)的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，引入MCU的IO端口。利用MCU的計(jì)時(shí)器和AD端口，實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè)、頻率計(jì)算、幅值比較、PWM調(diào)節(jié)、同期輸出及LCD人機(jī)界面等功能。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

2.2 功能設(shè)計(jì)

（1）裝置的使用對(duì)象包括線路并網(wǎng)或者發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，并且裝置對(duì)并網(wǎng)對(duì)象具備自動(dòng)識(shí)別功能。（2）具有多個(gè)同期參數(shù)可以整定，方便根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求進(jìn)行整定。（3）嚴(yán)密精確的數(shù)學(xué)模型讓裝置能夠捕捉最早出現(xiàn)的零相角差，并網(wǎng)無(wú)任何沖擊。（4）使用模糊控制理論算法，控制并機(jī)組電壓和頻率，確保平穩(wěn)快速的讓電壓差和頻率差進(jìn)入整定區(qū)間，加快并網(wǎng)速度。（5）該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)同頻或差頻并網(wǎng)的自動(dòng)識(shí)別。在線路上實(shí)施同頻并網(wǎng)時(shí)，一旦并列點(diǎn)兩側(cè)的壓差和功角低于整定值，就會(huì)立刻實(shí)施并網(wǎng)[2]。（6）如果電機(jī)在差頻并網(wǎng)時(shí)，出現(xiàn)了同頻狀態(tài)，不會(huì)影響并網(wǎng)，不用消除同頻，能夠繼續(xù)合閘。（7）在特定時(shí)間，該裝置可以確保無(wú)功進(jìn)相、逆功率并網(wǎng)不會(huì)出現(xiàn)。（8）該裝置可以適應(yīng)包括線電壓400V、線電壓100V和相電壓57.7V的系統(tǒng)。（9）該裝置能夠在110V～220V交流直流電源供電下使用。（10）具備欠壓保護(hù)功能（欠壓值可根據(jù)用戶要求進(jìn)行整定）。（11）該裝置對(duì)工作環(huán)境的要求低，它采用了光電、電磁隔離措施，實(shí)施了全封閉。

2.3 硬件電路

自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置電路圖見(jiàn)圖3。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 電壓差計(jì)算

從外部TV電壓互感器二次側(cè)提取的交流電壓信號(hào)，在濾波作用下會(huì)變成直流電壓的信號(hào)，并且直流電壓與交流電壓的信號(hào)大小成正比。MCU通過(guò)AD轉(zhuǎn)換接口讀取相應(yīng)的電壓量Ug、Us。設(shè)并列時(shí)，允許電壓偏差設(shè)定的門(mén)坎值為Udelta。

當(dāng)|Us-Ug|>Udelta時(shí)，不輸出合閘信號(hào)；

當(dāng)|Us-Ug|≤Udelta時(shí)，輸出合閘信號(hào)；

當(dāng)Us>Ug，發(fā)出增加電壓信號(hào)；

當(dāng)Us3.2 頻率測(cè)量計(jì)算

把交流電壓正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，利用方波的下降沿啟動(dòng)MCU計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，在下次下降沿觸發(fā)時(shí)，由MCU讀取計(jì)數(shù)值N，并使計(jì)數(shù)器復(fù)位，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，作為下一次的計(jì)數(shù)值。據(jù)此計(jì)算出fs、fg值，設(shè)并列時(shí)，允許電壓偏差設(shè)定的門(mén)坎值為fdelta。

當(dāng)|fs-fg|>fdelta時(shí)，不輸出合閘信號(hào)；

當(dāng)|fs-fg|≤fdelta時(shí)，輸出合閘信號(hào)；

當(dāng)fs>fUg，發(fā)出增加頻率信號(hào)；

當(dāng)fs