基于STM32自動(dòng)準(zhǔn)同期并列裝置的設(shè)計(jì)*

張 鵬，楊 勇，崔力心，陳仕彬

(1.國(guó)網(wǎng)天水供電公司，甘肅 天水 741000; 2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司 電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

隨著疫情過(guò)后消費(fèi)業(yè)與工業(yè)的迅速恢復(fù)，以及今冬明春各地區(qū)供暖問(wèn)題，我國(guó)湖南、浙江等省份出現(xiàn)電力緊張、供電缺口等問(wèn)題，備用發(fā)電機(jī)組的投運(yùn)操作頻繁，所以快速、準(zhǔn)確的調(diào)整電壓、頻率、相位，使備用機(jī)組穩(wěn)定的投入到電網(wǎng)中，自動(dòng)準(zhǔn)同期并列操作將是電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件之一。

從20世紀(jì)60年代，我國(guó)準(zhǔn)同期并列主要“旋轉(zhuǎn)光束發(fā)”手動(dòng)調(diào)節(jié)，到80年代數(shù)字式準(zhǔn)同期并列裝置的出現(xiàn)，但因調(diào)試不方便，速度低，可靠性不穩(wěn)定，慢慢被淘汰，隨著科技的發(fā)展，微機(jī)式自動(dòng)準(zhǔn)同期并列裝置逐漸出現(xiàn)電力系統(tǒng)中，但基于51系列單片機(jī)的微機(jī)裝置傳輸速率過(guò)慢，寄存器少，功耗較大。而STM32單片機(jī)屬于arm內(nèi)核的一個(gè)版本，比傳統(tǒng)的51單片機(jī)更加高級(jí)，具備很多51單片機(jī)不能使用的資源，并且STM32單片機(jī)程序模塊化，接口相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度更快。

筆者將采用STM32單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)自動(dòng)準(zhǔn)同期并列裝置。主要的硬件設(shè)計(jì)可控電源電路、交流電壓調(diào)理電路、頻率調(diào)理電路、相位差調(diào)理電路，通過(guò)軟件的設(shè)計(jì)完成自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)準(zhǔn)同期并列。

1 自動(dòng)準(zhǔn)同期并列原理

1.1 并列操作的原則

電力系統(tǒng)在電網(wǎng)中運(yùn)行的時(shí)候，隨意的一條母線的電壓瞬時(shí)值可以用以下公式表示：

u=Umsin(ωt+φ)

公式：Um為電壓幅值；ω為電壓的角速度；φ為初相角。

這3個(gè)量表示的是該母線電壓的幅值、頻率、相角。這3個(gè)參數(shù)表示為該運(yùn)行母線的電壓瞬時(shí)量。

當(dāng)1臺(tái)發(fā)電機(jī)組在沒(méi)有并入電網(wǎng)之前，他的電壓 和待并側(cè)電壓 的值常常不一定相等。所以需要對(duì)待并側(cè)的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使它符合并列的規(guī)定才發(fā)出合閘命令讓斷路器QF合閘。這就是我們所說(shuō)的并網(wǎng)，也可以稱為并列操作。

同步發(fā)電機(jī)并列時(shí)要符合以下幾點(diǎn)要求。

(1) 當(dāng)并列斷路器合閘的時(shí)侯，電網(wǎng)中的沖擊電流要盡可能的小，它的最大瞬時(shí)值一般不能大于1～2倍的額定電流。

(2) 沒(méi)有并入發(fā)電機(jī)組在準(zhǔn)備投入時(shí)，要做到快速性，使投入并列的速度快，這樣暫態(tài)過(guò)程時(shí)間越短，給電網(wǎng)的沖擊和干擾也就越小。

1.2 準(zhǔn)同期并列原理

當(dāng)發(fā)電機(jī)組在沒(méi)有故障的狀態(tài)下運(yùn)行的時(shí)候，現(xiàn)實(shí)生活中常依據(jù)的是準(zhǔn)同期并列方式，將待并側(cè)的發(fā)電機(jī)組并列到到電網(wǎng)之中去運(yùn)行。自同期并列的方式目前已經(jīng)基本不再采用了，僅僅當(dāng)電力系統(tǒng)在發(fā)生故障的時(shí)候，為了方便快速的投入水輪機(jī)組，過(guò)去曾采用的就是自同期并列的方法。

2 自動(dòng)準(zhǔn)同期硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32單片機(jī)

STM32單片機(jī)開發(fā)板的資源有很多，其中CPU是STM32F103ZE，單片機(jī)的FLASH是256K容量的，SRAM是48K容量的；并且有1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG/SWD 調(diào)試下載口，有1 個(gè) IIC 接口的 EEPROM 芯片，它的型號(hào)是24C02，并且其容量為 256 字節(jié)；有1 個(gè) SPI FLASH 芯片，它的容量為 8M 字節(jié)，也就是64M bit；還帶有1 個(gè) DS18B20，它的作用是溫度傳感器的一個(gè)接口，還有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 2.4寸 LCD 屏的接口，可以插觸摸屏；一個(gè)USB的接口，可以用來(lái)供電和上傳下載程序；一個(gè)SD卡的接口，支持內(nèi)存卡存儲(chǔ)；還有一個(gè)3.3V，5V的排線口，可以支持內(nèi)部供電和給外設(shè)供電。

2.2 可控電源回路

2.2.1 整流濾波部分

單片機(jī)的開關(guān)電源部分，首先把外部的交流電源變?yōu)樗枰牡闹绷麟娫矗⑶抑绷麟娫吹碾妷盒∮诘扔?.3 V。文中設(shè)計(jì)采用的外部交流電源先經(jīng)過(guò)一個(gè)變壓器將220 V的相電壓降低，這是因?yàn)槿珮蛘麟娐返哪蛪褐递^低，接著通過(guò)一個(gè)整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路，就得到所需要的一個(gè)可控電源開關(guān)電路，圖1為可控電源電路。

對(duì)于此設(shè)計(jì)采用的為全橋整流方式，其輸出電壓公式有：

圖1 可控電源電路

圖2 全橋整流

2.2.2 可控穩(wěn)壓部分

在之前的實(shí)驗(yàn)中單片機(jī)供電，都是通過(guò)穩(wěn)壓模塊是7805模塊穩(wěn)壓，隨著設(shè)備的要求以及科技發(fā)展，7805輸出的精確度已經(jīng)不能達(dá)到精密電源的要求。所以這里的穩(wěn)壓部分采用串聯(lián)穩(wěn)壓電路，如圖3所示設(shè)計(jì)的串聯(lián)穩(wěn)壓電路，其不但可以穩(wěn)定電壓，還可以控制電壓的大小。

圖3 串聯(lián)穩(wěn)壓電路

當(dāng)輸出電壓因?yàn)殡娫吹碾妷夯蛘哓?fù)載的變化而下降的時(shí)候，當(dāng)UO降低時(shí)，將導(dǎo)致UE的值降低，在UB恒定的情況下，UBE的值會(huì)增大，導(dǎo)致IB增大，使得IC電流增大，同時(shí)IBRL也將增大，最終導(dǎo)致UO增大。

反之，當(dāng)UO增大的時(shí)候，經(jīng)過(guò)電路的調(diào)節(jié)作用，UO將自動(dòng)減小，這樣輸出的電壓降穩(wěn)定。

電路輸入的為14 V的直流電源，經(jīng)過(guò)R1限流電阻和D5穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)穩(wěn)壓二極管的電壓為1.1 V，并在穩(wěn)壓管兩邊并列一個(gè)滑動(dòng)變阻器，它的可調(diào)的范圍就是0～1.1 V，滑動(dòng)變阻器接在運(yùn)放的正極端，所以正極端的電壓變化范圍為0～1.1 V，運(yùn)放的負(fù)極端接在R2和R3電阻的中間，根據(jù)運(yùn)放的虛短虛斷原理,R3電阻可以調(diào)節(jié)的電壓范圍為0～1.1 V，又因?yàn)镽2電阻為4kΩ，為R3電阻的2倍，所以R2電阻調(diào)節(jié)的電壓范圍為0 V～2.2 V，通過(guò)滑動(dòng)滑動(dòng)變阻器，R1兩端的電壓的調(diào)節(jié)范圍將為0～3.3 V。

2.2.3 交流電壓調(diào)理圖

設(shè)計(jì)交流電壓調(diào)理電路主要采用了電壓互感器，反相比例運(yùn)放，低通濾波器和電壓跟隨器四個(gè)部分組成。如圖4所示，因?yàn)閱纹瑱C(jī)只能接受3.3 V及以下的電壓，為了保證實(shí)驗(yàn)的安全性，設(shè)計(jì)留有一定的裕度，防止電壓失穩(wěn)而燒壞單片機(jī)設(shè)備。設(shè)計(jì)輸入端采用380 V的電壓，根據(jù)各個(gè)參數(shù)的計(jì)算調(diào)整，最終輸出2 V的電壓供單片機(jī)使用。

圖4 交流電壓調(diào)理電路

采用2 mA/2 mA型的HPT系列的電壓互感器，取二次側(cè)的電阻 為400 Ω，測(cè)得二次測(cè)的電壓值為817 mV，理論值為800 mV。欲使交流調(diào)理電路輸出2V的電壓，采用反相比例運(yùn)放，根據(jù)公式得：

脈沖經(jīng)過(guò)反相比例放大器之后，再連接低通濾波器，消去高頻的信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電壓跟隨器，使得輸出脈沖和這個(gè)電路前面的不互相影響，同時(shí)也不和這個(gè)電路后面的有任何的影響，它發(fā)揮了特別好的電氣隔離的作用，同時(shí)也提高了帶負(fù)載的能力。

如圖5所示，采用multisim仿真，得到電壓互感器采集的800 mV的電壓信號(hào)和最終輸出的2V的電壓信號(hào)。

圖5 交流電壓仿真示波器圖

2.3 頻率調(diào)理電路

當(dāng)頻率變化時(shí)，發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的的速度，輸出的有功功率都會(huì)發(fā)生一定的變化，對(duì)發(fā)電機(jī)造成了一定的損傷。當(dāng)頻率偏大或偏小時(shí)，它會(huì)影響設(shè)備的準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)性，以及對(duì)電網(wǎng)的負(fù)面影響。發(fā)電機(jī)的速度應(yīng)用于裝置的軸，確定扭矩的平衡。由于不存在發(fā)電機(jī)上的扭矩的絕對(duì)平衡，即不可能嚴(yán)格保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速或頻率不變，但頻率偏離額定值相對(duì)小范圍的限制是可以達(dá)到的。

關(guān)于對(duì)頻率信號(hào)的有效采集，設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6電路模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率信號(hào)的采集。初級(jí)電壓信號(hào)由電壓互感器轉(zhuǎn)換生成，使用比較單元將正弦波轉(zhuǎn)換成方波，然后將得到的方波信號(hào)再通過(guò)一個(gè)過(guò)零比較器，檢測(cè)過(guò)零時(shí)間去測(cè)量輸出頻率信號(hào)。

一次側(cè)接交流電源，取線電壓的有效值為380 V，通過(guò)設(shè)置電阻R1為150 kΩ，變壓器取1:1，測(cè)得一次側(cè)和二次側(cè)的電流之比為3.55 mA/3.55 mA，設(shè)計(jì)采用3 V的直流電壓作為過(guò)零比較之后的時(shí)間間隔檢測(cè)，并且采用等值的分壓，所以仿真輸出為1.5 V的矩形波。根據(jù)對(duì)輸出的設(shè)計(jì)，R2電阻的取430 kΩ，使得經(jīng)過(guò)變壓器二次側(cè)的電壓也為1.5 V，方便和矩形波比較，且整齊美觀。

圖6 頻率調(diào)理電路圖

過(guò)零比較器是用來(lái)檢測(cè)輸入量是否為零的電路。原理是采用比較放大器對(duì)兩個(gè)輸入量進(jìn)行比較采集。如圖6圖所示，電壓 一個(gè)是參考電壓，通過(guò)一個(gè)電阻接地，所以參考電壓為零，所以輸入電壓 在每一次過(guò)零的時(shí)候輸出才發(fā)生一次變化，過(guò)零比較器后面連接直流源，可以得到所需要的頻率所對(duì)應(yīng)的矩形波寬度，交流信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)過(guò)零兩次，剛好矩形波采取的兩次之間的寬度所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是頻率的大小。

2.4 相位差調(diào)理電路

相位差調(diào)理電路是在頻率調(diào)理電路后面添加了電氣隔離電路和異或門進(jìn)行相位差測(cè)量。電壓調(diào)理電路通過(guò)低通濾波器和過(guò)零比較器，獲得兩個(gè)輸入量的頻率，兩個(gè)方波信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合TLP521-1，起到電氣隔離作用，在異或門輸出兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差。

圖7 相位差調(diào)理電路圖

2.5 整體硬件電路

如圖8所示，此硬件圖設(shè)計(jì)一個(gè)整體的準(zhǔn)同期并列的硬件圖。一次側(cè)交流電壓經(jīng)過(guò)熔斷器，送至變壓器，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路之后再?gòu)腜IO口，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)過(guò)IO口輸出至繼電器完成工作，同理，調(diào)理電流從電流互感器二次側(cè)獲取電流，經(jīng)過(guò)PIO口送把調(diào)理過(guò)的電電流信號(hào)送至單片機(jī)，單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)是從IO口送至繼電器完成工作。

圖8 整體硬件電路圖

3 自動(dòng)準(zhǔn)同期并列軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程圖

主程序的功能有系統(tǒng)的初始化，通道的選擇和切換，可以進(jìn)行電壓的測(cè)量，頻率差的測(cè)量，相位差的測(cè)量以及pwm控制和逆磁電流控制，以及合閘接口的設(shè)定。其流程圖如圖9所示。

圖9 程序流程圖

3.2 PWM調(diào)節(jié)

關(guān)于PWM輸出信號(hào)的頻率和占空比此處以PWM模式1為例來(lái)介紹，首先，PWM輸出的頻率大小，是通過(guò)寄存器來(lái)確定出來(lái)的,這個(gè)f對(duì)應(yīng)的占空比，也是通過(guò)寄存器來(lái)確定出來(lái)的。當(dāng)定時(shí)器開始計(jì)數(shù)的時(shí)候,如果這時(shí)候計(jì)數(shù)器的值小于通道x的值，就應(yīng)該將x通道輸出的信號(hào)對(duì)應(yīng)的保持的高電平;如果這時(shí)候計(jì)數(shù)器的值不斷的增大，大于等于x通道值的時(shí)候，就應(yīng)該將輸出變換為相反的低電平；當(dāng)計(jì)數(shù)器的值不斷的增大，達(dá)到了重載值的時(shí)候，輸出的信號(hào)就應(yīng)該繼續(xù)保持為高電平，當(dāng)計(jì)數(shù)值重新裝載在此計(jì)數(shù),接著在一次完成上面的步驟。假設(shè)輸出信號(hào)的比較值設(shè)為Vout,重裝載值設(shè)為Vp,這個(gè)時(shí)候的PWM信號(hào)的周期就為Vp/TIM計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率，而PWM信號(hào)它的占空比就是Vout/Vp。

PWM是脈寬調(diào)制，設(shè)定周期為0.02 s，然后通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬，這樣占空比為0.5，高電平和低電平脈沖占都是T的1/2，使0.01 s內(nèi)輸出的信號(hào)為0 V,0.01 s輸出的信號(hào)為3.3 V，計(jì)算平均電壓即有效電壓為1.15 V，如果通過(guò)PWM調(diào)節(jié)，改變前面輸入信號(hào)的占空比，設(shè)計(jì)就可以得到0～3.3 V之間的電壓。通過(guò)前面外圍調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)已有可調(diào)節(jié)的線性電源。如果改變輸入信號(hào)的占空比，不但可以變化信號(hào)的大小，還可以變化頻率大小，如圖10所示，當(dāng)脈沖的占空比調(diào)高之后，電壓的頻率也會(huì)隨著調(diào)高。

圖10 占空比增大

4 結(jié)束語(yǔ)

此次設(shè)計(jì)通過(guò)STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)準(zhǔn)同期并列，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的，快速的自動(dòng)準(zhǔn)同期的各個(gè)功能，預(yù)計(jì)達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)。

由于裝置是通過(guò)單片機(jī)在較穩(wěn)定的電壓下完成裝置，在實(shí)際生活中的發(fā)電廠中，實(shí)際的環(huán)境問(wèn)題以及突發(fā)性故障問(wèn)題很多，所以裝置要考慮的需要增加的功能改進(jìn)的方面也有很多，通過(guò)此次設(shè)計(jì)，對(duì)于自動(dòng)裝同期裝置有一個(gè)初步的學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)，對(duì)實(shí)際電氣裝置設(shè)計(jì)有一個(gè)深入的認(rèn)識(shí)，積累了一些經(jīng)驗(yàn)。