水电站自动化讲解

1. 7 数字式并列装置

1.7.1概述用大规模集成电路微处理器（CPU）等器件构成的数字式并列装置，由于硬件简单，编程方便灵活，运行可靠，且技术上已日趋成熟，成为当前自动并列装置发展的主流。模拟式并列装置为简化电路，在一个滑差周期T s时间内，把S 假设为恒定。数字式并列装

置可以克服这一假设的局限性，采用较为精确的公式，按照 e 当时的变化规律，选择最佳的越前时间发出合闸信号，可以缩短并列操作的过程，提高了自动并列装置的技术性能和运行可靠性。数字式并列装置由硬件和软件组成，以下分别进行介绍。

图1.17 数字式并列装置控制逻辑图

1.主机。

微处理器（CPU）是装置的核心。

2.输入、输出接口通道。在计算机控制系统中，输入、输出过程通道的信息不能直接与主机总线相连，它必须由接口电路来完成信息传递的任务。

3.输入、输出过程通道。

为了实现发电机自动并列操作，需要将电网和带并发电机的电压和频率等状态按照要求送到接口电路进入主机。

（1）输入通道。按发电机并列条件，分别从发电机和母线电压互感器二次侧交流电压信号中提取电压幅值、频率和相角差等三种信息，作为并列操作的依据。

1）交流电压幅值测量。采用变送器，把交流电压转换成直流电压，然后由A ／D 接

口电路进入主机。对交流电压信号直接采样，通过计算求得它的有效值。如图 1.18 所示。

2）频率测量。测量交流信号波形的周期T。把交流电压正弦信号转化为方波，经二

分频后，它的半波时间即为交流电压的周期T。

3）相角差e测量。如图1.19 所示，把电压互感器电压信号转换成同频、同相的方波信号。

（2）输出通道。自动并列装置的输出控制信号有：

1）发电机转速调节的增速、减速信号。

图1.18 电压波形引入

2）调节发电机电压的升压、降压信号。

3）并列断路器合闸脉冲控制信号。这些控制信号可由并行接口电路输出，经放大后驱动继电器用触点控制相应的电路。

4.人一机联系。

主要用于程序调试，设置或修改参数。常用的设备有：

（1）键盘——用于输入程序和数据。

（2）按钮——供运行人员操作。

（3）CRT 显示器——生产厂调试程序时需要。（4）数码和发光二极管显示指示——为操作人员提供直观的显示方式，以利于过程的监控。

图1.19 电压信号转化为方波信号

1.7.2数字式并列装置的软件

1.电压检测交流电压变送器输出的直流电压与输入的交流电压值成正比。设机组并列时，电压偏差设定的阀值为U SY ，装置内对应的设定值为D u 。

当D sys D g U时，不允许合闸信号输出；当D sys D g U 时，允许合闸信号输出。如D sys D g 时，并行口输出升压信号，输出调节信号的宽度与其差值成比例；反

之，则发降压信号。

2.频率检测

发电机电压和电网电压分别由可编程定时计数器计数，主机读取计数脉冲值N sys 和

N GO 。与上述电压检测所采用算式类同，把频率差的绝对值与设定的允许频率偏差阀值比较，作出是否允许并列的判断。按发电机频率f G高于或低于电网频率f X来输出减速或增速信号。选择 e 在0 到π期间，调节量按f 差值比例进行调节。

3.越前时间检测

设系统频率为额定值50Hz，待并发电机的频率低于50Hz。从电压互感器二次侧来的电压波形如图1. 20（a）所示，经削波限幅后得到如图1. 20（b）所示的方波，两方波异或后得到如图1. 20（c）中的一系列宽度不等的矩形波。显然，这一系列矩形波宽度i与相角差i 相对应。

图1.20 电压互感器二次侧的电压波形转换

系统电压方波的宽度x为已知，它等于二分之一周期π（或180°），因此i 可按下式求得。

i i i i 1

x （1.5）

i2 i 2 i i i 1 xx

式中x 和i 的值，CPU 可以从定时计数器读入求得。

12

理想的导前合闸相角yj si t dc st t d2c ，式中si是计算点的滑差角速度。其

2t

值可按照下式求得。si i i i 1，式中i 和i 1 分别是计算点和上一个计算点

si t 2 x

的角度值，2 x 是两计算点的时间，t dc是微处理器发出合闸信号到主触头闭合时需要经历的时间。按照上式求出最佳合闸越前相角yj 的值。该值与本计算点的相角i 按照下式进行比较（式中为计算允许误差）。

如果2 i yj 式成立，则立刻发出合闸信号；如果2 i yj ，且2 i yj ，则继续进行下一点计算，直到i 逐渐逼近yj 符合发出合闸信号条件为止。

1.7.3计算机同步装置实例近年来，我国自己研制了一些计算机同步装置，如深圳智能设备

开发有限公司研制的

SID —2V型SID—2T型灯多功能微机同步控制器，电力自动化研究所研制的SJ—11和SJ —12微机同步装置等。SID —2V 型多功能微机准同期控制器简述如下。

1. 主要功能及技术指标

（1）主要功能。

1）控制器可使用交流220V 或直流220V 、110V 或用户指定的其它电压等级的电源供电。在进行准同期过程中，能有效地进行均频控制和均压控制，尽快促成准同期条件的到来。

2）每次并网时，都自动测量和显示“断路器操作回路实际合闸时间” ，作为是否需要修改原来设置的“断路器合闸导前时间”整定值的依据，以使下次合闸更加精确无误。此外，这一功能也提供了鉴别断路器是否有故障的依据。

3）机组的各种控制参数均可独立设置，这些参数包括：断路器合闸导前时间、合闸允许频差、均频控制系数、均压控制系数。由于采用了EEPROM 电可擦写存储器，以上参数均可就地在带电重新设置或修改。

4）具备过压保护功能，一旦机组电压出现115％额定电压的过压（过压值可根据用户要求进行整定），立刻输出一降压控制信号，并闭锁加速控制回路，直至机组电压恢复正常为止。

5）当不执行同期操作，且给控制器提供电源时，控制器将进行频率监视，显示器显示系统频率，相当于一个五位数字工频频率表。

6）除控制器面板上具有一个复位键可在面板上进行复位操作外，还具有远方复位信号接口，可用于中央控制台在必要时进行远方复位操作，或由上位机对控制器实现复位操

作。

7）完善的自检功能，能定时地检查控制器内部各部件的工作情况，一旦发现错误，立即显示相应出错信息，指示出错部位，并同时以接点形式输出报警信号。当失电时，也以接点形式输出失电信号。

8）控制器内可自行产生两路试验电压信号，可分别模拟系统及发电机电压，且发电机模拟电压可任意改变频率。因此，无需外接可调工频信号源即可调试。在使用机内模拟电压信号进行试验时，装置将自动切断合闸回路，以免在试验状态下引起误合闸。

9）控制器还设置了一个键盘接口，当键盘接口与选配的专用开发试验装置连接时，将具有对装置更深层的开发调试功能。

10）控制器可捕捉到第一次出现的并网时机，为联络线解列后快速再并列提供了可能，

因控制器可在电网解列后的第一个频差周期后进行同期重合闸。

（2）技术指标。

1）输入信号。

a.待并机组电压互感器A 相电压：100V 或100V/ √3。

b.系统电压互感器A 相电压：100V 或100V/ √3 。

c.并列机组断路器辅助常开接点一对。

d.待并机组并列点选择信号（常开空接点）。

e.远方复位信号（常开按钮空接点）。

2）输出信号。

a.所有输出信号均为继电器输出：AC 220V/5A 或DC 220V/ 0.5A 。

b.输出的控制信号有：加速、减速、升压、降压、合闸等控制信号；

c.输出的报警信号有：自检出错、失电等信号。

3）工作电源：AC 220V 、50 HZ 或DC 220V 或DC 110V

4）绝缘强度。

a.弱电回路对地：工频500V 、1 分钟；

b.强电回路对地：工频1750V 、1 分钟；

c.强弱电回路之间：工频1000V、1 分钟。

5）工作环境。

a.环境温度：10℃～+50℃；

b.相对湿度：不大于80％。

c.海拔2500 米以下地区。

2. 基本原理及组成

SID-2V 型控制器工作原理如图1. 21所示。CPU 配8K EPROM 、2K EEPROM 、8K RAM 和若干定时计数器及并行接口等芯片，组成一个专用微机控制系统，下面就各主要功能的原理进行介绍。

（1）自动准同期并列。当待并列发电机的电压、频率与系统相应值相近（即压差、频差在允许范围内）时，待并机组断路器的主触头应在相角差δ =0° 时闭合。这时冲击电流在相应频差、压差允许条件下最小，从而大大减少了机组的冲击受损。允许差值越小，其冲击电流越小，但这将影响并列的快速性。因此，允许值可根据实际要求选择。

图1.21 SID-2V 型控制器工作原理框图

为精确满足上述并列条件，一个理想的准同期并列过程应该是在操作人员发出并网操作命令后，便能有效地对机组的电压和频率进行控制，使其尽快地平稳地接近系统值，并在达到允许值时有能力使其不再偏离允许值，且在此前提下，准确捕捉第一次出现δ =0°的时机。确切地说，即在δ =0°到来前相当于断路器合闸时间的时刻发出并网命令，将机组并入电网。这种理想的准同期并列过程，要求自动准同期装置具有优良的均压及均频控制功能，并能不失时机地捕捉第一次出现的同期时机。一般机组所配备的励磁调节器都具有较好的调压性能，因此自动准同期装置无需在调压功能上考虑过多。但不同机组的调速器具有很大的特性差异，因此，为了取得快速、平稳的准同期效果，要求自动准同期装置不仅应具有优良的均频控制品质而且还应对不同调速器具备良好的自适应能力。为此，SID-2V 型控制器采用了模糊控制原理来实施均频控制。

模糊控制的基本思想是模拟人脑的功能。人脑的思维不能用一个确切的数学函数来表达，而是基于靠实践经验所建立的一些模糊概念之上的，模糊控制理论是依据模糊数学的知识来作出模糊决策。一般模糊控制器是根据被控量的偏差Ｅ及偏差的变化率Ｃ按模糊推理规则确定控制量Ｕ。

通常把E 分八挡。即分别为负大、负中、负小、负零、零、正小、正中、正大。把C 和U 分成七挡。即分别为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。这样就可以按照人们的实践经验确定控制量U 与偏差E、变化率C 的关系,并列出一张模糊推理规则表（见表

1.1）。

在准同期过程中将根据待并机组与系统的频差Δf 及Δf ' 对调速器进行控制，控制量的大小表现为每次控制脉冲的持续时间，即脉冲宽度τ。所以在模糊控制器中Δ f 即为E，Δf ' 即为C，于是可写出：

U= g （Δf，Δf ' ）（1. 6）式中g 为模糊控制算法。

我们将每组Δf 及Δf ′按设定的调频系数Ｋ所产生的控制量Ｕ值列出一张模糊控制表，将其存在内存中。SID-2V 型控制器即按此表进行均频控制。根据机组调速器的特性，

表1.1 模糊推理规则表

整定不同调频系数K 值，在机组运行时试设不同的K 值，最终找到一个控制过程既快且稳的K 值，从而实现对不同调速器都有良好的自适应性能。

众所周知，机组在并网过程中的转速是变化的。特别是作为运行备用的水轮机组、燃气轮机组、柴油发电机组等是由静止状态启动加速至额定转速的。因此，不能忽视频差变化率在准同期过程中所带来的影响，频差Δf 和其变化率Δf ′分别是表征机组较之系统转速的快慢及其发展趋势。特别对于断路器合闸时间较长的情况，如果不计及Δf ′的影响，则势必产生较大的合闸误差角，甚至在发出合闸脉冲后出现频差符号改变的情况，即同步表反转。因此，引起的后果有时会很严重。为此SID-2V 型控制器的理想合闸导前角由以下数学模型确定。

2

K t 12 d /d t t 2（1. 7）

式中k ── 理想合闸导前角；

── 系统与机组角频率之差；

t ── 并列点开关合闸时间；

d /d t ── 频差变化率。

SID-2V 型控制器每半个工频周期测量一次实时的相角差δ 值，并在每两个工频周期计算一次理想合闸导前角k，当k时控制器即发出合闸脉冲。考虑到的测量以及

k 的计算均是离散的，为了不漏掉合闸机会，控制器采用了一种合闸角的预测算法，从而确保在频差及压差已满足允许值时，能不失时机地捕捉到第一次出现的并网机会。综上所述，控制器的均频控制，采用模糊控制技术，计及频差变化率的理想合闸导前角的数学模型及其预测技术,保证了SID-2V 型控制器的快速性、精确性。

（2）断路器合闸时间的测量。断路器合闸时间是指发出合闸命令至断路器主触头闭合这段时间。用SID-2V 型控制器的计时功能可以在发出并网命令时开始计时，直至因开关主触头闭合停止计时，从而获得开关合闸回路的总体合闸时间。停止计时信号取自于断路器辅助接点，断路器分闸状态时，该辅助接点断开。

控制器在每次并网后测得并列点断路器的实际合闸时间，并在八位数码显示器上显示实测值，如实测值与原整定值偏差较大，可考虑重新就地整定导前时间参数。应该指出，为了能

读出测量的合闸时间，装置在并网结束后要保证不能立即断开供电电源。

（3）均压控制。考虑到发电机一般都具有灵敏稳定的励磁调节器，因此在机组并网过程中维持正常的机端电压是不难的。在SID-2V 型控制器中采用了纯硬件的电压比较电路实现均压控制。通过两个电压比较器可分别设定允许电压差的上下限值V H及V D。当

并网时的电压差超过允许值范围，控制器将发出降压或升压命令，控制信号是一组可由软件整定宽度的脉冲序列。控制量的大小取决于均压控制系数，这个系数也是在机组运行时进行试设，取一个控制品质最好的值。

（4）发电机过电压保护。SID-2V 型控制器设置了并网过程中机组的过压保护，当发电机电压达到了115％额定电压时，控制器将切断加速回路并将持续发出降压命令，直至发电机电压降至115％额定电压以下为止。这一功能是由电压比较器以硬件方式实现的。整定值可由用户设定。

（5）自检。为保证控制器随时都处在正常工作状态，并及时发现硬件故障，SID-2V 型控制器设计了一套先进的自检软件，在控制器工作过程中对全部硬件，包括微处理器、随

机存储器、只读存储器、接口电路、继电器等进行自检，任何部位的故障都将及时显示出来并以继电器空接点输出报警，此时控制器将闭锁合闸回路，不产生任何对外控制，以杜绝错误操作。

（6）电源。为减少电源功耗，控制机箱温升，保证控制器的工作稳定性，SID-2V 型控制器采用了高效率低纹波开关稳压电源，并配备了冷却排风扇。电源设计成不仅可由交流220V 电源供电，也可由发电厂的直流220V 或110V 电源供电，从而提供了交直流电源

通用的便利。如需要使用其它等级的电源电压例如DC48V 等，可根据实际需要提供。

为提高抗干扰能力，交直流220V 电源经噪音滤波器除去干扰再进入开关稳压电源。考虑到不同电路在电气上隔离以抑制干扰的需要，机内设计了互不共地的若干个独立电源。

另外，控制器的所有输入、输出信号分别采用继电器、变压器、光电隔离器等器件进行隔离，同时在结构上还采用了完整的电磁屏蔽措施，大大加强了控制器的抗干扰能力，提高了控制器的可靠性。

以上对SID-2V 型控制器各基本功能的原理和组成作了介绍。其工作过程可简述如下：待并机选择信号由中央控制室同期开关经光电隔离后送入控制器，控制器自动选择该机组有关同期参数，并将待并发电机组和系统的电压经变压器和光电隔离器后送入控制器。系统和待并发电机的电压、频率、相位等参数，在控制器中进行处理和比较。若同期条件不满足，即发出相应控制待并机组的信号：加速、减速、升压、降压等，并在硬件、软件上同时闭锁合闸回路。

另外，对合闸信号还引入了最大相角闭锁、最小相角闭锁、频率变化率闭锁等措施。控制器的合闸回路由8 个继电器的接点串联起来，从而完全避免了误合闸的可能性。如同期条件满足，则控制器发出合闸脉冲完成机组并网操作。

综上所述，本控制器实际上是一种按准同期方式，以自同期速度实现发电机并网，且具有多种功能的快速控制器。

项目 2 自动准同期装置设计

常规的并列操作装置由集成电路或由单片机构成。集成电路构成的并列装置，在实际应用中，通常采用半自动方式，即先由人工将待并同步机的电压、频率调至与电力系统的电压、频

率接近或相同，然后再投入并列装置进行并列操作，这种方式的并列时间较长；单片机构成的并列装置，虽然并列时间短,操作方便，可以实现全自动并列操作，但对于现场工作人员来说，装置使用起来较为抽象，出现问题较难解决。

由PLC 构成的并列装置，可以兼备上述2 种装置的优点。另外，由于编写PLC 程序所使用的梯形图与现场的控制图较为接近，编写的程序易被现场的工作人员理解和接受，并可以根据现场的实际情况进行修改。

2.1 自动准同期并列工作原理

2.1.1同期并列的条件要求同步发电机进行准同期并列时，应满足以下三个基本条件：

1）发电机频率f G与系统频率f X 应近似相等,误差不超过0.2%～0.5%；

2）发电机电压U G与母线电压U X 幅值应近似相等,误差不超过5%～10%；

3）发电机电压与系统电压相角差接近0, 即G X 0 。

2.1.2准同期并列装置的操作

一台发电机在投入系统运行之前，它的电压U G与并列点电压U X 两者之间的状态往

往不相等，须对发电机组进行适当的操作，使之符合并列条件后才允许并列。在满足并列操作的情况下，采用准同期并列方式将发电机投入电网运行可以使冲击电流最小，对电网及发电机本身的扰动也最小。

为使待并发电机满足并列条件, 准同期并列装置要进行如下操作:

（1）测量发电机频率f G与系统频率f X的差值并调节f G,使它与f X 的差值小于规定值。

（2）测量发电机电压U G与母线电压U X幅值的差值并调节U G,使它与U X的差值小于规定值。

（3）检测发电机电压与系统电压的相角差，在合适的时间发出合闸信号，使断路器主触点接触的瞬间，相角差接近于0。

2. 2 自动准同期并列装置硬件设计

为实现准同期并列装置的上述功能，设计硬件电路如图 2. 1 所示。该硬件电路由频率变送单元、电压变送单元、电压采样单元、调速单元、调压单元组成。各单元的功能如下：（1）频率变送单元、电压变送单元用来检测发电机与电力系统的频差、压差。

（2）电压采样单元用来检测相角差。

（3）调速单元、调压单元可根据频差、压差的值来调节发电机的转速和电压。

在运行过程中,还需要有必要的信息显示（电压值、频率值、断路器位置等）、报警及保护操作等。

图2. 1 控制系统原理

2.3 自动准同期并列装置软件设计程序设计采用功能模块结构。将调压程序、调频程序、合闸程序做成功能子模块，并设置好每个模块的出口和入口，采用调用子程序的功能连接在一起，使整个程序层次分明、结构清楚。其主程序流程如图2. 2所示。

发电机的同期并列操作首先要调节发电机的转速与系统频率值接近，再调节发电机电

压与系统电压相同，对于发电机电压U G与系统电压U X 来说，其差值越小，并列时对发

电机的冲击就越小，所以电压预调时应使U G尽可能接近U X 。但发电机频率f G与系统频

率f X 的差值不能太大也不能太小，这是因为频差很小时脉动周期很长，甚至呆滞不动，要捕捉相角重合时刻很困难，不利于发电机快速并网运行。所以，当脉动周期大于一定值时，需要发出扰动信号使频率增加，这就是呆滞扰动。因此，频率预调时，应避免频差过大或呆滞不动。

2.3.2同期合闸判定要满足发电机同期并列

的第三个条件，即发电机电压与系统电压相角

差为0 ，不能用直接比较的方法。这是因为

合闸断路器有一定的动作时间，要使断路器

主触头接通的瞬间合闸相角差

i为0，合闸信号应提前发出。采用恒定导

前时间同期原理，在断路器两侧电压的相角

差为0 之前的一定时间发出合闸信号，当断

路器的主触头闭合时，断路器两侧电压的相角

差为0。从同期装置发出合闸信号到断路器主

触头闭合所经历的时间为断路器的合闸导前时

间，主要包括出口继电器动作时间和断路器合

闸时间。每个同期开关合闸导前时间均可以

由定值设定。装置根据合闸导前时间和合闸

点两侧电压的滑差变化率计算出合闸导前相

角，即需要一个

提前的导前合闸相角yi，当2 i yi时，

断路器发出合闸信号，断路器主触头接通

的瞬间，发电机电压与电网电压相角差为0，

满足准同期合闸的第三个条件。

因此相位差检测及同期点的捕捉是该装置的重点

工作，当电压、频率满足条件后，重点对相角差进行检测。相角差检测是电压比较器输出的方波经异或逻辑电路后产生一系列脉宽与相角差角对应的脉冲波，再经积分电路后形成一个周期性的三角波，三角波的周期即为发电机与系统的滑差周期，波形如图2.3 所示。

分析图2.3 中的波形, 可以知道各点对应的相角差:A 点0° ,B 点90°,C 点180° ,D 点270° ,E

图2.2 主程序流程

开始结束

点 360°（即 0° ） 。理论上 E 点为断路器主触点理想的闭合瞬间点 , 由于断路器主触点闭合 有一个时间过程 ,所以合闸命令应在图 2.3 中 F 点发出 ,为此提前找出 F 点成为关键 .当滑 差趋于稳定时 , 三角波基本成上下对称波形 , 在图 2.3 中△ CMD 和△ END 基本相等 , 则

|OG|=|FP|. 装置定时对三角波的幅值进行采样计算处理 , 首先判断出三角波正向最大点 即 M 点,再经延时 t DC （装置发出合闸信号到断路器主触头闭合所需的时间 ）后,采样计算此 时三角波的幅值并保存。 当三角波到负半周后 , 不

断跟踪其幅值变化 , 当其幅值的绝对值大 于 P 点

幅值时， 即发出合闸命令脉冲， 也 即 2 i yi 。

装置在此导前相角发出合闸信号， 同 期合闸导

前相角可由下式得出 :

设 X i 为 i 的 采 样 值 , 即

X i

i i 180 。其中 X n 为与 180 ° i X n n

对应的采样值。

由此可求得滑差角速度：

i i 1

i 和 i 1 ——分别为本采样 点和上一采

样点的角度值； t ——采样 时间。 si si si n / t

n

t

式中 si 和 si n ——分别为本采样 点和前 n 个

采样点 s

值。 yi si t DC 2 t si t D 2C 如 果 2 i yi ，立刻发出合闸信号。 PLC

具有高速的运算和逻辑判断能力， 可以用 软件实现同

期合闸判定。 其主要流程如图 2.4 所示。同期装置在进行本点 i 计算时，同时 si 式中 图 2.4 同期合闸判定流程

开始 结束

对下一点的i 1 进行预报，预测最佳合闸导前角是否介于两者之间，在到达最佳合闸角度时发

出合闸信号，进行快速准确同期，确保断路器合闸瞬间，两侧电压相角差接近于0，此时对电网冲击最小。

该装置所使用的方法物理概念明确清晰，而PLC语言的灵活可靠性，可以使同期操作

更加安全，并具有更广泛的适应性。由于系统工作正常与否与发电厂的大小和装机容量无关，因此该装置适应于各种类型的发电厂。随着PLC在发电厂内各系统中应用的普及，采

用PLC 的自动准同期装置可以与各系统间平稳衔接，保证了全厂控制系统的整体性, 更有利于管理。该同期系统不仅能快速、准确、可靠地实现合闸操作, 而且具有接线简洁、功能完备、操作简单、维护方便的优点。