水電站微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的原理與設(shè)計(jì)

張春

摘 要:以其安全可靠、穩(wěn)定、快速、精度高等諸多特點(diǎn),微機(jī)式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置在水電站發(fā)電機(jī)組應(yīng)用中逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。本文主要介紹微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的設(shè)計(jì)原則,并對(duì)該裝置的軟硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程做了詳細(xì)的描述。

關(guān)鍵詞:水電站微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置設(shè)計(jì)原則

中圖分類號(hào):TP393.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)07(a)-0119-01

電力系統(tǒng)由發(fā)電、用電和輸電等主要部分組成,其中發(fā)電機(jī)組向系統(tǒng)提供基本電源是發(fā)電。需要進(jìn)行一系列的操作才能把發(fā)電機(jī)投入到電力系統(tǒng)中并列運(yùn)行,稱為同期操作或并列操作,使這一操作得以實(shí)現(xiàn)的裝置被稱為同期裝置。它是一個(gè)非常重要的操作,機(jī)組沒(méi)有它就不能穩(wěn)妥地并入系統(tǒng),同時(shí)必須滿足一定的條件機(jī)組才能并網(wǎng),否則就會(huì)造成很?chē)?yán)重的后果。隨著對(duì)水電站綜合自動(dòng)化程度要求的提高,設(shè)計(jì)、改造更多水電站按“無(wú)人值班,少人值守”進(jìn)行,這樣對(duì)水電站綜合自動(dòng)化的要求也就更高,其中水電站中同步發(fā)電機(jī)快速并網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)采用的主要控制手段為微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置,是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、機(jī)組故障時(shí)快速投入備用機(jī)組、節(jié)約機(jī)組并網(wǎng)前空載能耗的重要保障。

1手動(dòng)準(zhǔn)同期與自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置對(duì)比

同期點(diǎn)斷路器的合閘時(shí)間能被手動(dòng)準(zhǔn)同期裝置控制在一定的范圍之內(nèi),但在以下三個(gè)方面還存在一定缺陷。

一是選擇時(shí)機(jī)時(shí)不能自動(dòng)完成,因操作人員很難把握合閘時(shí)機(jī),所以對(duì)工作技能有較高要求,但是在操作人員在合閘時(shí)仍會(huì)有多次不成功的現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)。

二是具有隨意性大的合閘時(shí)機(jī),斷路器不超過(guò)同期裝置的允許范圍。但由于斷路器的固有合閘時(shí)間無(wú)法與電氣和機(jī)械傳動(dòng)的延時(shí)配合,實(shí)際上斷路器的合閘時(shí)間很可能已經(jīng)超過(guò)了并列操作的允許范圍,從而造成非同期合閘,對(duì)電系統(tǒng)、斷路器以及發(fā)電機(jī)造成沖擊。

三是自動(dòng)調(diào)節(jié)不能實(shí)現(xiàn)。操作人員必須手動(dòng)調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù),尤其是頻率(轉(zhuǎn)速)只有在機(jī)電人員聯(lián)系協(xié)調(diào)好主控室人員的情況下才能調(diào)節(jié)。這使得發(fā)電機(jī)往往需要較長(zhǎng)時(shí)間才可以完成并網(wǎng)操作。

綜上所述,為自動(dòng)調(diào)節(jié)各種電參數(shù),合閘脈沖指令在條件滿足的情況下可自動(dòng)發(fā)出,通常在與系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)操作時(shí)采用微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。

2自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的基本條件和設(shè)計(jì)原則

在電力系統(tǒng)的二次回路中應(yīng)用自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置,可實(shí)現(xiàn)待并發(fā)電機(jī)組投入到電網(wǎng)后成功運(yùn)行。同步發(fā)電機(jī)組并列時(shí)需遵循兩個(gè)原則:沖擊電流在并列斷路器合閘時(shí)應(yīng)盡可能小,其瞬時(shí)最大值不超過(guò)額定電流的1～2倍;并入電網(wǎng)后發(fā)電機(jī)組暫態(tài)過(guò)程要短,應(yīng)能迅速進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài),以減小對(duì)電力系統(tǒng)的擾動(dòng)。因此在合閘前準(zhǔn)同期并列要求以下四個(gè)條件應(yīng)同時(shí)滿足:(1)確保待并發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)有相同的相序;(2)電壓幅值差一般應(yīng)在10%額定電壓以內(nèi),并小于允許值;(3)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的頻率差小于允許值,最大一般不超過(guò)±0.2Hz;(4)相角差在并列斷路器合閘時(shí)趨于零,通常不宜超過(guò)10°。若上述四個(gè)要求待并發(fā)電機(jī)都可以滿足,則可以實(shí)現(xiàn)沖擊電流在合閘時(shí)會(huì)很小,能迅速進(jìn)入同步狀態(tài)。在每個(gè)脈動(dòng)電壓周期之內(nèi),裝置發(fā)一個(gè)恒定越前時(shí)間信號(hào),當(dāng)壓差和頻差有一個(gè)不滿足條件時(shí),出口合閘回路就會(huì)閉鎖。此時(shí),自動(dòng)調(diào)節(jié)部分仍將繼續(xù)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電壓調(diào)節(jié),當(dāng)通過(guò)這些調(diào)節(jié)頻差和壓差滿足要求時(shí),就閉鎖壓差和撤銷(xiāo)頻差,越前時(shí)間信號(hào)被允許通過(guò),起動(dòng)出口合閘繼電器并使之接通,以實(shí)現(xiàn)兩者的并列。

3詳細(xì)的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置設(shè)計(jì)

3.1 裝置的硬件設(shè)計(jì)

Intel公司16位高性能單片機(jī)被用來(lái)構(gòu)成本自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置,兩個(gè)CPU的運(yùn)行完全獨(dú)立,但是兩者的作用相互補(bǔ)充相互備用,這兩個(gè)CPU存儲(chǔ)同期參數(shù)時(shí)采用串行E2PROM,并且寫(xiě)入功能被某些參數(shù)禁止,以確保同期參數(shù)的可靠性及安全性。各種抗干擾和隔離措施均存在于CPU的外部信號(hào)輸入及輸出回路。該裝置采用薄膜鍵盤(pán)與大屏幕點(diǎn)陣式液晶顯示器(128×128點(diǎn)),所有人機(jī)界面與菜單操作時(shí)均采用漢字顯示,運(yùn)行人員設(shè)置及更改同期參數(shù)時(shí)可根據(jù)需要。本在裝置里多對(duì)象可進(jìn)行相互獨(dú)立控制,最多可進(jìn)行多達(dá)16個(gè)在一臺(tái)裝置的不同對(duì)象的同期。

3.2 裝置的軟件設(shè)計(jì)

CPU在裝置接入后(或者在帶電狀態(tài)時(shí)裝置接到復(fù)位命令后)工作,首先是裝置的主要部件自檢的進(jìn)行,如出錯(cuò),將出錯(cuò)部位信息顯示在液晶顯示屏上,報(bào)警繼電器啟動(dòng)并報(bào)警。各部件若均正常,則應(yīng)該對(duì)工作/設(shè)置開(kāi)關(guān)W/T的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),如工作狀態(tài)檢測(cè)為W,則對(duì)并列點(diǎn)選擇信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),可用上位機(jī)控制的繼電器傳遞這信號(hào),或者也可使用外部并列點(diǎn)的同步開(kāi)關(guān);如選擇信號(hào)多于一個(gè)或無(wú)并列點(diǎn)選擇信號(hào)則錯(cuò)誤信息顯示出來(lái)并報(bào)警,此時(shí)系統(tǒng)側(cè)頻率值和并列點(diǎn)出錯(cuò)信息會(huì)交替顯示出來(lái)。若將一個(gè)特定的并列點(diǎn)信號(hào)檢測(cè)出來(lái),則定時(shí)中斷程序打開(kāi),裝置進(jìn)入同步狀態(tài)。最多可達(dá)16個(gè)并列點(diǎn),所以共16×4=64個(gè)整定的參數(shù)。使用4個(gè)多圈精密電位器整定允許壓差,一組允許壓差定值可被16個(gè)并列點(diǎn)共用。

進(jìn)入“工作”方式之后主程序立刻打開(kāi)定時(shí)的中斷子程序。通過(guò)記錄外部輸入的變化的TV信號(hào)提取相角差、壓差及頻差的信息作為程序的起始部分,然后把△δ、△u及△f計(jì)算出來(lái),若整定的低壓閉鎖值高于系統(tǒng)側(cè)或發(fā)電機(jī)側(cè)的TV二次電壓,那么可能TV一次電壓本身就很低這都不適于發(fā)電機(jī)并網(wǎng),或是熔絲熔斷或TV二次斷線,這樣裝置會(huì)報(bào)警并且并網(wǎng)程序停止執(zhí)行。若整定的低壓閉鎖值低于并列點(diǎn)兩側(cè)的TV二次電壓,那么程序會(huì)進(jìn)入檢查△u和△f有沒(méi)有越限程序段,并且在裝置面板上有按滑差角頻率旋轉(zhuǎn)的軟件驅(qū)動(dòng)的相位表。依據(jù)原整定的均壓控制系數(shù)裝置將按PID算法進(jìn)行調(diào)頻和調(diào)壓,這是在任一項(xiàng)或兩項(xiàng)都越限,并且需要同步裝置的整定時(shí)具備自動(dòng)調(diào)頻和自動(dòng)調(diào)壓功能的情況下。裝置在沒(méi)有選擇自動(dòng)調(diào)頻和調(diào)壓的時(shí)候不進(jìn)行調(diào)頻和調(diào)壓,只顯示頻差和壓差的越限提示符。程序下一步在△u和△f均在允許范圍內(nèi)檢查斷路器的兩側(cè)同頻(△f≤0.05Hz)與否,若同頻,裝置將自動(dòng)發(fā)出使待并的發(fā)電機(jī)加速得加速命令,破壞處于僵持狀態(tài)的同頻,促成出現(xiàn)同步的條件,選擇自動(dòng)調(diào)頻與加速控制如由同頻引起則無(wú)關(guān)。程序在△u和△f都滿足相應(yīng)要求后準(zhǔn)備進(jìn)入并網(wǎng)階段,先把當(dāng)前的相角差δ測(cè)量出來(lái),若δ在0°～180°之間,是沒(méi)有并網(wǎng)機(jī)會(huì)的,此時(shí)開(kāi)始檢查d△f/dt是否越限,若δ=δdq,即△δ=δ－δdq=0時(shí)合閘命令發(fā)出,確保斷路器主觸頭在δ=0°時(shí)閉合。合閘時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)在△δ不等于0時(shí)進(jìn)行,并網(wǎng)命令在預(yù)測(cè)的時(shí)刻來(lái)到時(shí)即實(shí)行是為了確?？梢园咽状纬霈F(xiàn)的合閘機(jī)會(huì)捕捉到,讓并網(wǎng)的速度達(dá)到極值。裝置在發(fā)出合閘脈沖后會(huì)計(jì)算并顯示回路動(dòng)作時(shí)間。

4結(jié)語(yǔ)

微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置各項(xiàng)的技術(shù)性能指標(biāo)都優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),是根據(jù)以上的基本原理開(kāi)發(fā)并研制的,合閘的瞬間相角與理論值偏差小于2°,有望推廣于未來(lái)工程應(yīng)用中。