基于8051單片機實現(xiàn)數(shù)字式自動準同期裝置的硬件規(guī)劃(修訂稿2)

1、基于8051單片機實現(xiàn)數(shù)字式自動準同期裝置的硬件規(guī)劃朱連寶1、趙耀1、于菲2（1大唐淮南洛河發(fā)電廠 安徽 淮南 232008；2大唐南京發(fā)電廠 江蘇 南京 210000）摘要：數(shù)字式自動準同期裝置是電力系統(tǒng)中一個非常重要的裝置，本文基于同期并列過程中使用安全可靠、操作快捷方便的同期裝置的需要，規(guī)劃了基于8051單片機的數(shù)字式自動準同期控制裝置，并闡述了該裝置的硬件組成結構及其原理。關鍵詞：數(shù)字式；自動準同期裝置；單片機；硬件組成結構 the 8051 microprocessor-based automatic quasi-synchronizing device in the hardwar

2、e designzhu lian-bao1，zhao yao1，yu fei2（1 datang huainan luohe power plant,anhui huainan 232008;2 datang nanjing power plant，jiangsu nanjing 210000 ）abstract: digital automatic synchronization devices as a power system is very important automation devices，based on the synchronization process using s

3、afe, reliable, fast and convenient operation of the device the same period, development of the 8051 microcontroller-based digital automatic synchronization control device,and specialized the hardware architecture and its principles.key words: digital; automatic synchronization devices; microprocesso

4、r; the hardware architecture and its principles40 引言準同期并列是電力系統(tǒng)中一項重要操作。數(shù)字式自動準同期裝置作為電力系統(tǒng)中一個非常重要的自動化裝置，對提高系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行及線路負荷的合理、經濟分配起著十分重要的作用，本文探討了基于8051單片機所實現(xiàn)的數(shù)字式自動準同期裝置的硬件規(guī)劃，具有并網準確、可靠性強、抗干擾能力強、技術上比較先進、市場前景良好等優(yōu)勢。1 準同期并列的條件及分析1.1 準同期并列的理想條件同期并列前的斷路器兩側的電壓為：發(fā)電機組側電壓電網系統(tǒng)側電壓 式中，待并發(fā)電機側電壓幅值；待并系統(tǒng)側電壓幅值；待并發(fā)電機側電壓向量；

5、待并系統(tǒng)側電壓向量；待并發(fā)電機角頻率；待并系統(tǒng)的角頻率；待并發(fā)電機的初相角；待并系統(tǒng)的初相角。并列的理想條件為：1）電壓幅值相等， =。2）電壓角頻率相等，=；或電壓頻率相等，即=。3）合閘瞬間的相角差為零，即=0。1.2 準同期并列條件的現(xiàn)實意義頻率差、電壓差、相角差都是影響同期并列的重要因素，且直接影響到發(fā)電機組的運行、壽命以及系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，以上三個條件也就成為數(shù)字式自動準同期裝置必須控制的量。運行實踐表明，絕大多數(shù)造成發(fā)電機損壞的非同期并列是由于相角差失控所導致的，而在發(fā)電機空載運行時，即使存在較大的電壓差和較大的頻率差，其在并網時所產生的無功功率和有功功率的沖擊，由于幅值所限，不會對

6、發(fā)電機造成致命損壞。因為發(fā)電機在正常運行在本來就伴隨較大的負荷波動，比如說線路的故障跳閘或線路的重合閘都是較大的負荷波動。但是，如果相角差很大的情況下并網的后果就完全不同了。相角差是指發(fā)電機的轉子的d軸和定子三相電流合成的同步旋轉磁場磁軸之間的角差。在斷路器合閘的那一瞬間，系統(tǒng)電壓加在發(fā)電機定子上，其角速度為必旋轉的旋轉磁場將產生一個電磁轉矩，強迫發(fā)電機轉子軸系的磁軸與其取向一致，這一拉入同步的過程是在極短的時間內完成的，數(shù)百噸質量的轉子軸系在定子電磁轉矩作用下旋轉一個角度的過程。很明顯相角差較大時對轉子軸系繞組及機械體系的傷害是巨大的。而且在相角差不為零的情況下進行發(fā)電機組并網有時還會引起更

7、慘重的后果，例如一次同步諧振扭振。短路或是不良并網，將引起不斷增長的電氣系統(tǒng)與發(fā)電機組轉子軸系機械系統(tǒng)的次同步諧振。此時導致定子的電磁轉矩和轉子軸系的扭矩不斷增長，它們相互間的這種能量交換最終引起轉子軸系的嚴重損毀。因此，準同期并列操作時，嚴格控制相角差是同期條件中最重要的一環(huán)。2 數(shù)字式準同期裝置的硬件原理2.1 自動準同期裝置的控制單元自動準同期裝置一般由三個控制單元構成。1）頻差控制單元：檢測滑差頻率，調節(jié)待并發(fā)電機轉速，使發(fā)電機頻率接近于待并系統(tǒng)頻率。2）電壓差控制單元：檢測待并發(fā)電機電壓幅值與系統(tǒng)電壓幅值之間的向量差，調節(jié)發(fā)電機電壓使它與系統(tǒng)電壓之間的電壓差值小于規(guī)定值，促使并列條件

8、的實現(xiàn)。3）合閘信號控制單元：檢查并列條件，當發(fā)電機頻率和電壓都滿足并列條件時，控制單元就選擇合適的時間發(fā)出合閘信號，使并列斷路器的主觸頭接通時，相角差接近于零。2.2 數(shù)字式自動準同期裝置的原理構成1）兩側電壓的相角差可以表現(xiàn)為一定的脈沖寬度。寬度隨時間變化的脈沖序列表征兩側電壓相位差隨時間的變化?？梢圆捎弥苯訙y量脈寬的方式計算兩側電壓的相角差。采用基于單片機的測控系統(tǒng)能夠方便地測量脈沖寬度，并進行處理。2）同理，采用了單片機以后，可以分別測量兩側電壓、頻率，將兩側頻率相減得到頻率差。對于電壓差，也可以通過分別測量兩側電壓幅值，將測得的電壓幅值進行比較獲得電壓幅值差。3）采用單片機的數(shù)字式準

9、同期裝置脈絡清晰，實現(xiàn)起來比模擬式裝置簡單明了。單片機具有高速運算和邏輯判斷功能，它的指令周期是微秒級的，對于每一個周期近于20ms的矩形波來說，可以有充裕的時間進行運算。3 數(shù)字式準同期裝置的硬件實施3.1 自動準同期裝置的主要信號1）主要輸入信號： 待并系統(tǒng)側電壓向量； 待并發(fā)電機側電壓向量。2）主要輸出信號：加速；減速；升壓；降壓；合閘。3.2 硬件結構框圖硬件結構分為五個模塊，分別為：單片機系統(tǒng)模塊、輸入模塊、輸出模塊、存儲模塊和輔助模塊，總的硬件框圖如圖1所示。圖1 硬件結構框圖fig. 1 the hardware block diagram1）單片機系統(tǒng)模塊：裝置采用8051單片

10、機，最高晶振是12mhz。起復位電路采用專門的微處理器x25045，該芯片具有上電復位和看門狗功能，可以提供可靠的復位脈沖。2）輸入模塊：實時測量待并系統(tǒng)和發(fā)電機的電壓、頻率及相角，并提供與單片機的輸入電路接口。該模塊包括整流電路、整形電路、鑒相電路以及單元測量電路。單片機利用采集到的電壓、頻率和相位差數(shù)據進行準同期條件的判斷，預測合閘脈沖的發(fā)出時機，實現(xiàn)準確合閘。3）輸出模塊：完成整個系統(tǒng)的輸出控制功能，包括信號輸出、合閘輸出及調節(jié)輸出，實現(xiàn)報警、調壓、調速、合閘及閉鎖等功能。4）存儲模塊：用于設置、記錄和存儲裝置運行所必需的參數(shù)，比如開關導前時間等。被設置和修改參數(shù)存儲在串行eeprom2

11、864a，2864a通過總線與單片機接口。單片機模擬總線的時序，實現(xiàn)對2864a的讀寫操作。5）輔助模塊：用于提供電源、顯示、通信、打印等輔助功能。3.3 硬件抗干擾功能的實現(xiàn)1）電源部分：對模擬電源和數(shù)字電源采用分開獨立的電源供電。以15v、12v開關電源作為數(shù)字電源，使用與開關電源隔離的+24v電源作為模擬電源，可防止供電回路中的竄擾，又可抑制環(huán)流。2）去耦電路：由于數(shù)字信號電平在轉換過程中會產生很大的沖擊電流，并在傳輸線和供應電源內阻上產生很大的壓降，形成嚴重干擾，為抑制這種干擾，在電源電路、數(shù)字電路和信號處理電路中，配置了一定的去耦電容。3）輸入輸出通道部分：輸入、輸出信號通過光電耦合器、中間繼電器和隔離變壓器實現(xiàn)有效隔離，避免強電流對電路的沖擊。同時采用濾波電容，減少高頻信號對通道的干擾。4）看門狗電路：為防止單片機死鎖或程序失控，裝置采用專門看門狗電路對系統(tǒng)進行監(jiān)控，如果由于異常造成看門狗電路無法復位，在1.6秒后看門狗會自動發(fā)出復位脈沖將裝置整機復位。4 結語基于8051單片機的數(shù)字式自動準同期裝置在現(xiàn)場實際中得到了廣泛的應用，正在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。參考文獻：1楊冠成電力系統(tǒng)自動裝置原理m北京：中國電力出版社，20072陳建平淺析新型微機自動準同期裝置j中國