基于STM32單片機的微機自動準同期裝置設(shè)計與應(yīng)用

劉東文 王導(dǎo) 何平

摘 要：分析傳統(tǒng)的模擬式自動準同期裝置的優(yōu)缺點，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種適用于電力系統(tǒng)自動準同期要求的全數(shù)字式自動準同期裝置。該裝置以單片機為核心，主要包括交流電壓信號整形電路、單片機（MCU）、人機界面（LCD）、同期信號輸出等單元。實驗結(jié)果分析表明，所設(shè)計的微機自動準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；自動準同期；單片機

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：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

在運行電力系統(tǒng)時，變壓器、聯(lián)絡(luò)線、發(fā)電機組和電力系統(tǒng)常常需要進行并列操作，這種通過開關(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，則會造成重大損失，嚴重時更會造成電力系統(tǒng)解列。為了減少人為操作失誤，自動準同期裝置在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的自動準同期裝置，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，診斷起來非常困難，調(diào)試極度不便。為了解決傳統(tǒng)同期裝置存在的問題，提高它的便捷性與可靠性，專家學(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)，通過將MCU技術(shù)應(yīng)用到自動準同期裝置中，實現(xiàn)全數(shù)字化設(shè)計。

本文以STM32F4X系列單片機為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種基于數(shù)字技術(shù)的自動準同期裝置。該裝置具有系統(tǒng)沖擊較小，同期準確快速的優(yōu)點。

1 工作原理

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

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，向調(diào)速器和勵磁發(fā)出調(diào)整命令，以使各項參數(shù)符合條件，從而減少合閘時間。同時，自動準同期裝置會不斷尋找最合適的合閘時間點，找到后自動發(fā)送合閘指令。

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

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過整形電路將系統(tǒng)側(cè)和待并側(cè)的交流信號轉(zhuǎn)換為方波信號，引入MCU的IO端口。利用MCU的計時器和AD端口，實現(xiàn)相位檢測、頻率計算、幅值比較、PWM調(diào)節(jié)、同期輸出及LCD人機界面等功能。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

2.2 功能設(shè)計

（1）裝置的使用對象包括線路并網(wǎng)或者發(fā)電機并網(wǎng)，并且裝置對并網(wǎng)對象具備自動識別功能。（2）具有多個同期參數(shù)可以整定，方便根據(jù)現(xiàn)場要求進行整定。（3）嚴密精確的數(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)無任何沖擊。（4）使用模糊控制理論算法，控制并機組電壓和頻率，確保平穩(wěn)快速的讓電壓差和頻率差進入整定區(qū)間，加快并網(wǎng)速度。（5）該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對同頻或差頻并網(wǎng)的自動識別。在線路上實施同頻并網(wǎng)時，一旦并列點兩側(cè)的壓差和功角低于整定值，就會立刻實施并網(wǎng)[2]。（6）如果電機在差頻并網(wǎng)時，出現(xiàn)了同頻狀態(tài)，不會影響并網(wǎng)，不用消除同頻，能夠繼續(xù)合閘。（7）在特定時間，該裝置可以確保無功進相、逆功率并網(wǎng)不會出現(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）具備欠壓保護功能（欠壓值可根據(jù)用戶要求進行整定）。（11）該裝置對工作環(huán)境的要求低，它采用了光電、電磁隔離措施，實施了全封閉。

2.3 硬件電路

自動準同期裝置電路圖見圖3。

3 軟件設(shè)計

3.1 電壓差計算

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

當(dāng)|Us-Ug|>Udelta時，不輸出合閘信號；

當(dāng)|Us-Ug|≤Udelta時，輸出合閘信號；

當(dāng)Us>Ug，發(fā)出增加電壓信號；

當(dāng)Us3.2 頻率測量計算

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

當(dāng)|fs-fg|>fdelta時，不輸出合閘信號；

當(dāng)|fs-fg|≤fdelta時，輸出合閘信號；

當(dāng)fs>fUg，發(fā)出增加頻率信號；

當(dāng)fs