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

1、基于8051單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)字式自動準(zhǔn)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(zhǔn)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(jī)的數(shù)字式自動準(zhǔn)同期控制裝置，并闡述了該裝置的硬件組成結(jié)構(gòu)及其原理。關(guān)鍵詞：數(shù)字式；自動準(zhǔn)同期裝置；單片機(jī)；硬件組成結(jié)構(gòu) 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(zhǔn)同期并列是電力系統(tǒng)中一項重要操作。數(shù)字式自動準(zhǔn)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(fù)荷的合理、經(jīng)濟(jì)分配起著十分重要的作用，本文探討了基于8051單片機(jī)所實現(xiàn)的數(shù)字式自動準(zhǔn)同期裝置的硬件規(guī)劃，具有并網(wǎng)準(zhǔn)確、可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、技術(shù)上比較先進(jìn)、市場前景良好等優(yōu)勢。1 準(zhǔn)同期并列的條件及分析1.1 準(zhǔn)同期并列的理想條件同期并列前的斷路器兩側(cè)的電壓為：發(fā)電機(jī)組側(cè)電壓電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)電壓 式中，待并發(fā)電機(jī)側(cè)電壓幅值；待并系統(tǒng)側(cè)電壓幅值；待并發(fā)電機(jī)側(cè)電壓向量；

5、待并系統(tǒng)側(cè)電壓向量；待并發(fā)電機(jī)角頻率；待并系統(tǒng)的角頻率；待并發(fā)電機(jī)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(zhǔn)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(jī)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(zhǔn)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(jī)損壞的非同期并列是由于相角差失控所導(dǎo)致的，而在發(fā)電機(jī)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(wǎng)時所產(chǎn)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(jī)造成致命損壞。因為發(fā)電機(jī)在正常運行在本來就伴隨較大的負(fù)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(fù)荷波動。但是，如果相角差很大的情況下并網(wǎng)的后果就完全不同了。相角差是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的d軸和定子三相電流合成的同步旋轉(zhuǎn)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(jī)定子上，其角速度為必旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場將產(chǎn)生一個電磁轉(zhuǎn)矩，強(qiáng)迫發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(nèi)完成的，數(shù)百噸質(zhì)量的轉(zhuǎn)子軸系在定子電磁轉(zhuǎn)矩作用下旋轉(zhuǎn)一個角度的過程。很明顯相角差較大時對轉(zhuǎn)子軸系繞組及機(jī)械體系的傷害是巨大的。而且在相角差不為零的情況下進(jìn)行發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)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(wǎng)，將引起不斷增長的電氣系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系機(jī)械系統(tǒng)的次同步諧振。此時導(dǎo)致定子的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸系的嚴(yán)重?fù)p毀。因此，準(zhǔn)同期并列操作時，嚴(yán)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(zhǔn)同期裝置的硬件原理2.1 自動準(zhǔn)同期裝置的控制單元自動準(zhǔn)同期裝置一般由三個控制單元構(gòu)成。1）頻差控制單元：檢測滑差頻率，調(diào)節(jié)待并發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)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(jī)電壓幅值與系統(tǒng)電壓幅值之間的向量差，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)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(dāng)發(fā)電機(jī)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(zhǔn)同期裝置的原理構(gòu)成1）兩側(cè)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(cè)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(cè)電壓的相角差。采用基于單片機(jī)的測控系統(tǒng)能夠方便地測量脈沖寬度，并進(jìn)行處理。2）同理，采用了單片機(jī)以后，可以分別測量兩側(cè)電壓、頻率，將兩側(cè)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(cè)電壓幅值，將測得的電壓幅值進(jìn)行比較獲得電壓幅值差。3）采用單片機(jī)的數(shù)字式準(zhǔn)

9、同期裝置脈絡(luò)清晰，實現(xiàn)起來比模擬式裝置簡單明了。單片機(jī)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(jìn)行運算。3 數(shù)字式準(zhǔn)同期裝置的硬件實施3.1 自動準(zhǔn)同期裝置的主要信號1）主要輸入信號： 待并系統(tǒng)側(cè)電壓向量； 待并發(fā)電機(jī)側(cè)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(jié)構(gòu)框圖硬件結(jié)構(gòu)分為五個模塊，分別為：單片機(jī)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(jié)構(gòu)框圖fig. 1 the hardware block diagram1）單片機(jī)系統(tǒng)模塊：裝置采用8051單片

10、機(jī)，最高晶振是12mhz。起復(fù)位電路采用專門的微處理器x25045，該芯片具有上電復(fù)位和看門狗功能，可以提供可靠的復(fù)位脈沖。2）輸入模塊：實時測量待并系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的電壓、頻率及相角，并提供與單片機(jī)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(jī)利用采集到的電壓、頻率和相位差數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)同期條件的判斷，預(yù)測合閘脈沖的發(fā)出時機(jī)，實現(xiàn)準(zhǔn)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(diào)節(jié)輸出，實現(xiàn)報警、調(diào)壓、調(diào)速、合閘及閉鎖等功能。4）存儲模塊：用于設(shè)置、記錄和存儲裝置運行所必需的參數(shù)，比如開關(guān)導(dǎo)前時間等。被設(shè)置和修改參數(shù)存儲在串行eeprom2

11、864a，2864a通過總線與單片機(jī)接口。單片機(jī)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(guān)電源作為數(shù)字電源，使用與開關(guān)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(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流，并在傳輸線和供應(yīng)電源內(nèi)阻上產(chǎn)生很大的壓降，形成嚴(yán)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(qiáng)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(jī)死鎖或程序失控，裝置采用專門看門狗電路對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，如果由于異常造成看門狗電路無法復(fù)位，在1.6秒后看門狗會自動發(fā)出復(fù)位脈沖將裝置整機(jī)復(fù)位。4 結(jié)語基于8051單片機(jī)的數(shù)字式自動準(zhǔn)同期裝置在現(xiàn)場實際中得到了廣泛的應(yīng)用，正在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。參考文獻(xiàn)：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(jī)自動準(zhǔn)同期裝置j中國