（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的自动准同期装置的研制.pdf

国电自动化研究院硕士学位论文 a b s t r a c t s y n c h r o n i z i n gp a r a l l e li sa ni m p o r t a n to p e r a t i o ni nt h ep o w e rs y s t e m s y n c h r o n i z i n g d e v i c et a k e so nt h er e s p o n s i b i l i t y ，i tc a nc o n t r o la g e n e r a t o rt of u l f i l l q u a s i - s y n c h r o n i z i n gc o n d i t i o nr a p i d l y ，t h e nr e a l i z ea c c u r a t ea n ds a f ep a r a l l e l c o n n e c t i o ni np o w e rp l a n t a l s oi tc a nr e a l i z ep a r e l l e lo p e r a t i o no ft h et r a n s m i s s i o n l i n ei ns u b s t a t i o nt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo f t h ep o w e rs y s t e m q u a s i s y n c h r o n i z i n gc o n d i t i o nw h i c hm u s tb ef u l f i l l e db yag e n e r a t o rf o rs a f e p a r a l l e lc o n n e c t i o ni sd i s c u s s e d t h ep r o c e s so fp a r a l l e lc o n n e c t i o ni ss i m u l a t e db y m e a n so fm a t l a b e s p e c i a l l y , t h ee f f e c to ff r e q u e n c e 、v o l t a g ea n dp h a s ei n s y n c h r o n i z i n go p e r a t i o ni sr e s e a r c h e d t h i ss u p p o r t st h e s i sb a s ef o rt h ed e s i g no ft h e q u a s i s y n c h r o n i z i n gd e v i c e d s p + m c u ，d o u b l ec p uh a r d w a r es t r u c t u r ei se m p l o y e di nt h ei n s t r u m e n t w h i c hc a l lu t i l i z et h ep o w e r f u lc a l c u l a t i o no fd s pa n dt h ed o m i n a t i o na b i l i t yo fm c u a p p l i c a t i o no fl a r g e s c a l ep r o g r a m m a b l el o g i c a ld e v i c e ( c p l d ) p r e d i g e s t st h e h a r d w a r ed e s i g n q u a s i - s y n c h r o n i z i n gd e v i c ec a na u t o m a t i c a l l ym e a s u r et h ev o l t a g e a n df r e q u e n c eo fag e n e r a t o rt h a tw i l lb ec o n n e c t e db yp a r a l l e lt ot h ep o w e rn e t w o r k ， a n dc a na l s oc o n t r o lag e n e r a t o rs ot h a ti tc a nr a p i d l yf u l f i l lt h eq u a s i - s y n c h r o n i z i n g c o n d i t i o n i ns u b s t a t i o ni tc a na u t o m a t i c a l l yr e c o g n i z et h em o d eo ft h ep a r a l l d w h e n t h ec o n d i t i o nh a sb e e nf u l f i l l e d ，i tc a nr a p i d l ya n da c c u r a t e l yr e a l i z et h ep a r a l l e l c o n n e c t i o no f t h eg e n e r a t i o na n dl i n eb r e a k e r p a r a m e t e rc a l c u l a t i o no fp i dc o n t r o l l e rb a s e do nf u z z yt h e o r yi sd i s c u s s e d s i m u l a t i o ns h o w st h a tf u z z yp i dc o n t r o l l e rh a sb e t t e rs t a b i l i t ya n ds e l g a d a p t i v e p r o p e r t yt h a nt r a d i t i o n a lp i d c o n t r o l l e r s e v e r a la n t i - j a m m i n gm e a s u r e sa r et a k e ni nd e s i g n i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ， s u c ha sf i l t e r , p h o t o e l e c t r i c i t yi s o l a t i o na n dm u l t i c l o s e d o w n ，w h i c hc a nm a k et h e e q u i p m e n th i g h l yr e l i a b l e k e y w o r d ：q u a s i s y n c h r o n i z a t i o nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) l e a d i n gt i m e f u z z y p i dc o n t r o l l e r i i 国电自动化研究院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 准同期装置的发展概况 发电机并入电网，两个不同系统并列，或一个系统分解为两部分通过输电线 路再连接等，所实施的操作称为同期操作该操作应遵循的规则是在断路器两侧 电源的压差、频差小于允许值且相角差接近零度时完成并网操作。准同期是一种 冲击很小的并网方式 最早的时候，发电机并网合闸依靠操作人员手动来进行，为了寻找合闸瞬间， 常采用同期指示装置。最简单的同期指示装置是灯光装置。发电机电压和系统电 压通过电压互感器( p t ) 降压，p t 二次侧接上灯泡装置通过合适的接线，可以采 用灯光熄灭法或者灯光旋转法来判断合闸的时机但是由于灯泡一般在约1 6 的 额定电压时就不亮了，所以更为准确的方法是采用示零电压表来指示并网时机。 手动操作要求操作人员要比较熟练，而且并网准确度不高，风险较大目前，大 多数电厂都是依靠同期装置来进行自动并网的，手动方式只是作为紧急时候的备 用手段。 第一代自动准同期装置是模拟式自动准同期装置，以许继的z z q 3 和z z q 5 为代 表，它采用分立晶体管元件搭建硬件电路，对同期条件进行检测和处理。z z q 3 和z z q 5 自动准同期装置的出现，极大地提高了并网速度和可靠性，但由于模拟式 同期装置用模拟电子元件拟合，必然带来诸如导前时间不稳定，装置元器件参数 漂移不定，同步操作速度慢等问题。模拟式自动准同期装置合闸准确度比较低， 它无法指示装置的运行状态，不能进行故障自检等，现在已经基本被淘汰。 第二代自动准同期装置是微机式自动准同期装置，微处理器的诞生对自动准 同期装置技术指标的提升产生了质的飞跃，我国是世界上微机准同期装置最早研 制的国家之一，1 9 8 2 年在安徽陈村水电站成功投入了第一台微机同期装置，8 0 年代中期又陆续推出了一些类似装置，其精度、速度及功能都是老式同步装置所 不可比拟的“1 目前国内有许多科研、制造单位都在进行微机自动准同期装置的 研制。深圳市智能设备有限公司研制的s i d - 2 系列多功能微机准同期装置、许继 继电器公司研制的胃z q - 2 3 微机准同期装置以及南瑞自控公司研制的s j 一1 2 c 双 微机自动准同期装置等都具有高精度、高可靠性、人机界面友好、操作方便、接 线简单等特点，在提高并网速度和可靠性的同时，大大提高了合闸准确度。 国电自动化研究院硕士学位论文 1 2 准同期装置研制的意义 同期并列是电力系统中经常进行的一项重要操作。发电厂在系统正常运行 时，随着负荷的增加，要求备用发电机组迅速投入系统，以满足用电量增长的需 求；在系统发生事故时，会失去部分电源，要求备用机组快速投入电力系统制止 系统崩溃。这些情况均要进行同期操作，将发电机组安全可靠、准确快速地投入， 确保系统的可靠、经济运行和发电机的安全。 在变电所，同期操作可以使系统中分开运行的线路断路器正确投入，实现系 统并列运行，以提高系统的稳定、可靠运行及线路负荷的合理、经济分配。 不良同期装置与手动并网是发电机的隐形杀手，也是电力系统稳定运行的安 全隐患。我国目前还有为数可观的发电厂使用手动并网方式。究其原因，主要是 我国广为流传的模拟式自动准同期装置不仅原理租糙，而且经常发生非同期并 列。而非同期合闸使发电机的绕组、轴承、联轴器受到严重的累积损伤，使机组 寿命大大缩短，有时还会诱发更为惨重的后果一一次同步谐振。手动并网靠运行 人员的感觉来操作，很容易延误并网时机。这在系统稳定储备不够时将带来严重 后果，在系统事故时尤为有害，此外长时间并网过程还将造成大量的空转能耗。 尽管大部分电厂都有自动准同期装置，但大多数都在停用状态。在微机型自 动准同期研制领域中，各厂家技术参差不齐，造成微机型自动准同期装置良莠不 齐，不能准确快速地实现发电机的并网操作。此外，对于要实行“无人值班”的 水电厂和变电站更是要用能接受上位机控制的优良微机准同期装置取代无法与 上位机通讯的准同期装置。 随着电力系统容量及发电机单机容量的不断增大，不符合同期条件的并列操 作将会带来极其严重的后果，可能引起发电机的损伤甚至系统瓦解。因此，对同 期操作进行研究，提高准同期装置并列操作的准确性，快速性和可靠性，对于系 统的可靠运行具有很大的现实意义。 1 3 本课题的来源 南瑞自控公司生产的s j - 1 2 c 双微机自动准同期装置自1 9 9 9 年研制成功并投 入市场以来，受到客户的好评。但随着电网谐波越来越严重，同期装置测频不准 确导致合闸不成功。在水电厂和变电站，准同期装置不能与上位机通讯，使得。无 人值班”不能很好的实行。 国电自动化研究院硕士学位论文 目前的微机自动准同期装置均采用埔c s 9 6 单片机作为微处理器，不能快速的 完成复杂算法，是包括1 6 位单片机在内的所有普通单片机的瓶颈。近几年随着 电子技术的发展，高集成度、高性能、高可靠性的c p u 不断推出和成熟，使得准 同期装置的硬件水平不断升级。为了保证开发出的新同期装置在市场上具有强大 的生命力，在硬件上必须顺应当前发展的潮流，采用高速度和功能强大的c p u 芯片。 针对这些问题，本课题使用数字信号处理器( d s p ) 以及复杂的可编程逻辑 器件( c p l d ) 。对s j - 1 2 c 双微机自动准同期装置进行改进设计。在新装置中，以 m o t o r o l a 公司d s p 5 6 f s 0 0 系列数字信号处理器为核心，配合大规模复杂的可编 程逻辑器件构成主要的硬件电路，并对s j _ 1 2 c 在设计中存在的缺陷进行了改进 和完善。 d s p 和c p l d 的使用使得硬件开发变得非常灵活，缩短了设计周期，降低了 硬件成本。在软件上，采用结构化的设计思想，使得程序结构清晰，可移植性强， 易于维护。优化了人机界面，使得用户界面非常友好。特殊的抗干扰措施使得装 置运行更加可靠。 1 4 本论文所做的工作 本论文讨论了一种新型的微机准同期装置的研制开发过程，所做的主要工作 包括如下几个方面： ( 1 ) 学习和研究了发电机并网的理论，借助工程软件m a t l a b 对并网的准同期条 件进行仿真和分析，为微机型自动准同期装置的研制提供了理论依据。 ( 2 ) 采用m o t o r o l a 公司生产的1 6 位d s p 芯片一一d s p 5 6 f 8 0 7 和大规模可编程逻辑 器件设计实现了双微机自动准同期装置的硬件电路。包括原理图设计、器件选型、 p c b 设计和硬件调试等。 ( 3 ) 采用结构化的编程思想，在c o d e f f a r r i o r 集成开发环境下设计了微机准同期 装置的软件。 国电自动化研究院硕士学位论文 第二章准同期并列的理论研究 2 1 同期并列的条件 发电机组在未投入系统运行之前，它的电压u 。与系统电压虬的状态量往往 不等，须对待并发电机组进行适当的操作，使之符合并列条件后才允许断路器合 闸作并网运行 发电机并网的同期条件保证了发电机投入到电网运行时，冲击电流比较小， 减小系统对发电机组的冲击；迅速进入同步运行状态，减小对电力系统的扰动。 发电机组同期并列的理想条件是： ( 1 ) 并列断路器两侧电源电压的电压幅值相等； ( 2 ) 并列断路器两侧电源电压的频率相等； ( 3 ) 在并网合闸的瞬间，并列断路器两侧电源电压的相角差为零。 此时，并列合闸的冲击电流为零，而且并列后发电机组与电网立即进入同步 运行，不会发生任何扰动现象。但实际并列操作时三个条件很难同时满足，而且 这样势必延长并网时间，造成大量的空转能耗。其实在实际操作中也没有这样苛 刻的必要。因为并列合闸时只要冲击电流较小，不危及电气设备，合闸后发电机 组能迅速拉入同步运行，对待并发电机和电网运行的影响较小，不致引起任何不 良后果啪。 因此，在实际并列操作中，并列的实际条件允许有一定的偏差。我们称之为 准同期条件。发电机实际并网时的准同期条件是： ( 1 ) 并列断路器两侧电源电压的电压差必须在允许的范围内； ( 2 ) 并列断路器两侧电源电压的频率差必须在允许的范围内； ( 3 ) 在并网合闸的瞬间，并列断路器两侧电源电压的相角差在允许的范围内。 以上三条分别是准同期并列的电压条件、频率条件和相位条件。下面将从理 论上详细论述三个条件对并网合闸的影响。 2 2 准同期条件的理论分析 设： 发电机a 相瞬时电压为：u g = u g * s i n ( ( o o t + 0 。) ( 2 1 ) 系统侧a 相瞬时电压为：比s = u j * s i n ( o ) s t + o 。) ( 2 2 ) 4 国电自动化研究院硕士学位论文 则发电机与系统的瞬时电压差为； a u = “o - - u 5 = u 6 彤n ( 政b + 0 0 ) 一u s 。s i n ( c o s t + 0 s ) ( 2 3 ) 上述瞬时电压差我们称之为脉动电压。并网时冲击电流的大小就决定于此脉 动电压。下面将借助于h a t l a b 强大的数值计算分析及绘图功能讨论电压条件、频 率条件和相位条件对脉动电压的影响。 2 2 1 相位差与脉动电压 假定发电机和系统的电压幅值相同，即u 。= u 。= ，则2 - - 3 式为： a u = “g - - u s = u * s i , , ( c o o t + o o ) 一u * s i n ( c o s t + o s ) 咄u 毕一i - 华洲毕- 4 - 0 0 z - 0 qc 2 由2 4 式可知：脉动电压由一个高频余弦波分量和一个低频正弦波分量调 制而成，它的包络线反映了低频正弦波分量的特点。低频正弦波的相位 p 。= ( ( 0 0 - 2 c o s ) t t o - - p $ = 孚是发电机电压与系统电压相角差统的丢，因 而相角差的变化趋势与脉动电压包络线的变化趋势是一致的。当相角差为零，p 。 = o 时，s i n ( o 。净o ， 血= o ，即在相角差为零的地方，脉动电压包络线通过零 点；当相角差为1 8 0 0 时，0 。= 9 0 0 ，脉动电压包络线出现最大值。当相角差为 3 6 0 0 时，0 = 1 8 0 0 ，s i n ( 0 l 声o ，“= 0 ，脉动电压又从最大值回到零。显然， 如果发电机的合闸开关在脉动电压包络线的过零点闭合，是不会有任何冲击的， 即发电机并网的理想位置是在脉动电压包络线的过零点。将2 - - 4 式带入具体的 数值，利用m a t l a b 绘制其波形，结果如图2 一l 所示。 图2 1 是当发电机电压与系统电压幅值相同、频差为l i - i z 时脉动电压“的 仿真波形。从图中可以看出，脉动电压波形是一个调制波，它的包络线决定于低 频正弦波分量，在i = 0 , 1 ，2 ，的时刻，脉动电压包络线过零点。发电机并网的 准同期条件要求待并发电机合闸开关的主触头在相位差为零的瞬间闭合，也就是 在脉动电压包络线的过零点闭合。在此情况下，发电机可以平滑地并入电网，而 不会有任何冲击。 茸电自动化研究院硕士学位论文 f s = 5 0 h z ；f g - - 4 9 h z ； u s = 1 0 0 * s i n ( 2 * p i 。f s + t ) ； u g = 1 0 0 s i n ( 2 * p i + f 夸坳； a u = u g - u s ； 图2 一l ：电压幅值相同、频差为1 h z 时脉动电压波形 幺2 2 频率差对脉动电压的影响 如果滑差角频率= 纨一纸2 0 ，根据2 - - 4 式， 则l = u o - u 。= u * s i n ( 4 f o o t + o o ) 一u + s i n ( ( 1 ) s t + 良) 功c ，o 嘎产+ 华跏c t g m 0 5 ，c 2 上式说明，当频差为零时，“。和“。的相角差为一个定值p 。= _ g - - - 0 5 如果初相以= 口。，则“恒等于零。这正是同期条件所要求的理想情况，在此 条件下，任意时刻将发电机并网都不会有任何冲击但是如果“。和“s 的初相不 相同，a p e 。o ，则脉动电压只有高频余弦波分量，其包络线是两条平行线， 不存在任何过零点。 从2 - - 4 式和图2 - - 1 中可以看到，如果存在一定的频差，脉动电压包络线将 会周期性的变化，并且周期性的通过零点。对于2 - - 4 式，如果电压幅值相同， 代入不同的频率值，利用m a t l a b 重新绘制脉动电压波形如图2 - - 2 和2 - - 3 所示。 国电自动化研究院硕士学位论文 通过两图的比较可以看出，频差对于脉动周期的影响很大在图2 2 中， 当频差为0 5 h z 时，脉动周期为2 秒；而在图2 - - 3 中，当频差为0 3 h z 时，脉 动周期则变为3 3 秒。周期越长，则脉动电压包络线越平坦，因此在其过零点附 近合闸，安全区的范围也越大。 f s = 5 0 h z ；f g - - - 4 9 5 h z ；u = 1 0 0 v ； 图2 2 ：电压相同、频差为o 5 h z 时脉动电压波形图 f s = 5 0 h z ；f g - - - 4 9 7 h z ；u - - 1 0 0 v ； 图2 3 ：电压相同、频差为0 3 h z 时脉动电压波形图 2 2 3 电压差对脉动电压的影响 上述讨论均是在发电机电压与系统电压幅值相同的情况下进行的。下面我们 将讨论发电机与系统存在电压差时对脉动电压的影响。对于2 - - 3 式，在不同的 电压差下，利用m a a b 绘制脉动电压波形如图2 - - 4 和2 5 所示。 霄电自动化研究院硕士学位论文 通过比较图2 2 、图2 4 和图2 - - 5 ，发现只有当发电机和系统电压幅值相 同时，脉动电压包络线才有过零点，而电压幅值不一致时，脉动电压包络线在相 角差为零时只是达到最小值。如果电压幅值差越大，则该最小值也越大。因此， 当存在电压差时，即使在相角差为零的瞬间合闸，也会有冲击，且电压差越大， 冲击越大 f s = 5 0 h z ；f g - - 4 9 5 h z ； u s = 1 0 0 * s i n ( 2 * p i * f s o ： 。 u g = 9 0 s i n ( 2 * p i f g + t ) ； 图2 4 ：电压差u s - u g - 1 0 v ，频差为0 5 h z 时的脉动电压波形 f s = 5 0 h z ；f g - - 4 9 5 f l z ； u s = 1 0 0 * s i n ( 2 + p i f s + t ) ； u g - - - 8 0 + s i n ( 2 * p i 4 f g + t ) ； 图2 5 ：电压差u s - u g - 2 0 v 、频差为0 5 h z 时的脉动电压波形 雷电自动化研究院硕士学位论文 2 3 结论 通过以上对准同期条件的讨论，我们可以得出如下结论： ( 1 ) 在一定的频差下，发电机和系统的相角差呈现周期性的变化，变化的 快慢受频差的影响，频差越大，变化越快；反之，变化越慢。 ( 2 ) 控制发电机合闸开关在相角差过零的瞬间闭合，可以保证发电机能够 平滑的并入电网。 ( 3 ) 在相角差过零点并网时冲击的大小取决于发电机和系统的电压幅值差， 电压幅值差越大，冲击越大，电压差为零，则没有冲击。 国电自动化研究院硕士学位论文 第三章微机型准同期装置的原理及参数的测量 3 1 微机型自动准同期装置的原理 3 1 1 微机型自动准同期装置的构成原理 微机型自动准同期装置克服了模拟式准同期装置的局限性，其硬件简单、编 程方便，运行可靠，技术上日趋成熟，成为当前发展的方向。微机型自动准同期 装置具有高速运算和逻辑判断能力，可以对压差、频差、相角差进行精确的运算， 并能考虑到相角差可能具有加速运动问题，按照相角差当时的变化规律，捕捉最 佳的合闸时机，实现快速无冲击并网。微机型自动准同期装置形式较多，但其功 能及装置原理是相似的。 微机型自动准同期装置的微机系统由微处理器、存储器及相应的输入输出 接口电路组成。输入输出接i e 电路为可编程并行接口，用以采集并列点选择信 号、远方复位信号、断路器辅助节点信号等开关量，并控制输出继电器实现调压、 调速、合闸、报警等功能。 1 频差、相角差鉴别电路 频差、相角差鉴别电路用以从外界输入装置的两侧电压互感器二次电压中提 取与频率和相角差有关的量，进而实现对准同期三要素中频差及相角差的检查， 以确定是否符合同期条件。来自并列点断路器两侧7 k 及丁的二次电压经过隔 离电路后通过相敏电路将正弦波转化为相同频率的矩形波，通过对矩形波电压的 过零检测，e p - j 得出待并发电机侧及运行系统侧的频率厶、厶的信息，进而就 不难获得频差，d 、角频率差吐，d 。这些值可以在每一个工频信号周期获得，在随 机存储器中始终保留一个时段的这些值。完全可以通过计算已知时段出、始末 矗b 的差值翻i d 得到n ，d 的一阶导数令争，即等同样也可以计算己知时段 址、始末誓的差值，得到的二阶导数竺d 这样就为计算理想导前合闸 口f 一 角九创造了条件。 = + 争警噍+ 吉争嚏( 3 - - 1 )妒由2 + i 1 尹噶+ i 尹喝 国电自动化研究院硕士学位论文 式中。一一导前时间，即断路器合闸回路动作时间。 2 压差鉴别电路 压差鉴别电路用以从外部输入装置的n 名及z y g 两电压互感器二次侧电压 中提取电压有效值，进而实现对准同期三要素中压差的检查，以确定是否符合同 期条件。如不符合同期条件，则根据压差的大小和极性进行均压控制。 3 输入电路 自动准同期装置的输入信号除并列点两侧的t v - 次电压外还要输入如下开 关量信号： 并列点选择信号。自动准同期装置不论是单机型还是多机型，其参数存 储器中都要预先存放好各台发电机的同期参数整定值，例如导前时间、允许频差、 允许压差、均频控制系数、均压控制系数等。在确定即将执行并网的并列点后， 首先要通过控制台上每个并列点的同期开关( 或由上位机控制的相应继电器) 从 同期装置的并列点选择输入端送入一个开关量信号，这样同期装置接入后( 或复 位后) 即会调出相应的整定值，进行并网条件检测。装置可供多台发电机并网共 用，但每次只能为一台发电机服务。如同时给同期装置的并列点选择输入端送上 一个以上的开关量信号时，装置将会给出并列点大于或等于2 的出错信息。 断路器辅助节点信号。并列点断路器辅助节点是用来实时测量断路器合 闸时间( 含中问继电器动作时间) 的。同期装置的导前时问整定值越是接近断路器 的实际合闸时间，并网时的相角差就越小。这也是为什么要实测断路器合闸时间 的理由。在同期装置发出合闸命令的同时，即启动内部的一个毫秒计时器，直到 装置回收到断路器辅助节点的变位信号后停止计时，这个计时值即为断路器合闸 时间。应该指出断路器主触头的动作不一定和辅助节点同步，因此这种测量合闸 时间的方法是存在误差的。弥补的方法是由录波器在并网时通过记录脉振电压及 同期装置合闸继电器节点动作的波形图，得到断路器精确合闸时间，与由辅助节 点测出的合闸时间的差值在软件上进行修正。也可通过同期瞬间并列点两侧电压 的突变这一信息精确计算出断路器合闸时间。 远方复位信号。“复位”是使微机从头再执行程序的一项操作，同期装 置在自检或工作过程中如果出现硬件、软件问题或受干扰都可能导致出错或死 机。此时可通过按一下装置面板上的复位按钮或设在控制台上的远方复位按钮使 国电自动化研究院硕士学位论文 装置复位，复位后装置可能又正常工作了，也可能仍旧显示出错或死机前者说 明是装置受短暂的干扰，而本身无故障，后者则是装置有故障应检查。 面板的按键。同期装置面板上装有若干按键，这些按键也是开关量形式 的输入量，与前述输入开关量不同的不是由装置对外的插座输入，而是由装置面 板直接输入到并行输入接口电路。 4 输出电路 微机型自动准同期装置的输出电路分为四类，第一类是控制类，实现同期装 置对发电机组的均压、均频和合闸控制。第二类是信号类，装置异常或电源消失 报警。第三类是录波类，对外提供反应同期过程的电量进行录波第四类是显示 类，供使用人员监视装置工况，实时参数，整定值及异常情况等提示信息。控制 命令由加速、减速、升压、降压，合闸、同期闭锁等继电器执行装置异常及失 电信号也是由继电器发出，同期装置的任何软件和硬件故障都将启动报警继电器 动作，触发中央音响信号，具体故障类别同时在同期装置的显示器上显示“1 。 3 1 2 微机墅自动准同期装置应具备的基本功能 1 能适应t v 的不同相别和电压值； 2 应有良好的均频与均压控制品质； 3 应确保在相角差为零度时并网； 4 应不失时机的捕获第一次出现的同期时机； 5 应具备低压和高压闭锁功能； 6 应能及时消除同步过程中的同频状态； 7 应具备接入发电厂分布式控制系统( d c s ) 和变电所微机监控系统( s n c s ) 的通信功能； 8 应能自动在线测量并列点断路器合闸回路动作时间； 9 应赋予更多便于设计和使用的功能，例如： 1 ) 自动转角功能； 2 ) 复合同期表功能； 3 ) 调试校验功能； 4 ) 提供录波的相关电量。 雷电自动化研究院硕士学位论文 3 2 同期参数的测量 3 2 1 交流电压有效值的测量 交流电压有效值的测量有两种方法：一种最简化的办法是采用变送器把交流 电压转化为直流电压( 其有效值) 。然后由a ，d 接口电路进入主机；另一种是对 交流电压信号直接采样，然后通过计算求得其有效值。 直流采样 直流采样采用电量变送器把交流电压转化为直流电压( 其有效值) ，然后经 a i d 接口电路进入主机，主机读出的数值直接反映了所测变量之值。这种方法容 易实现，也可保证足够精度，但无法实现实时数据信号的采集 交流采样 对于一个周期信号，( f ) = ，o + r ) ，在满足一定条件下可以展开为富氏级数， 其各次谐波为 ，= 要+ ( c o s w o f + ks i n n w o t ) ( 3 2 ) - n = l 式中行为自然数，a n 和阮分别为疗次谐波的余弦和正弦的振幅，根据富式级 数可得 = 手垂m 瞄肛础 坟= 吾垂m 咖厅w o 础( 3 - - 3 ) 嘞= 季咖出 一眇c o s 悄 。训 1 h = 手垂，c 。咖w o 胁 u 制 基波有效值为，= 浮 对于离散数字信号3 4 式积分改为求和，如果每周波采样次，则第置次 采样时的电压基频分量的富式余弦和正弦系数分别为 国电自动化研究院硕士学位论文 实部为蜘吾薹u i x - - t m 一争 虚部为卟一吾薹。s i n 争 ( 3 _ 5 ) 虚部为 ，= 一言纠。h 兰 ( 3 5 ) 上t 冉- o 上t 则基波电压有效值为 ，= 、，坚学 交流采样实时性好，相位失真小，硬件实现容易。随着数字信号处理的发展， 交流采样在电力系统中的应用越来越广泛【3 】。 3 2 2 频率的测量 频率是电力系统的重要参数。电力系统的频率一方面是自动准同期装置以频 率或频差作为合闸判据，另一方面在对交流电压信号进行同步采样时，需要实时 跟踪电力系统的频率。目前，频率测量的方法主要有两种：以硬件电路为主的硬 件测量法和基于交流采样值处理的软件测量法。 频率的硬件测量方法 首先采用前置低通滤波器滤除电压信号中的谐波分量，以避免测量结果受谐 波的影响。电压比较器将正弦波信号变换成同频率的方波信号，在方波信号的两 个相邻下降沿，c p u 通过内部的计数器来求取电压信号周期，以此得到系统的频 率值。硬件测量法的实现电路简单，响应快，计算机计算量小然而，它存在一 些缺陷：谐波分量会给测量造成影响；需占用微处理器外部定时器计数 器，而大多数微处理器( 如单片机) 的外部定时器计数器是很少的。尽管如此， 在电力系统的应用中，大多专门设置了测频电路，并采用硬件测频方法测量频率。 频率的软件测量方法 软件测频方法不需要专用的硬件测频电路，通过对交流采样值的分析和计 算，采用一定的算法来求取系统频率。软件测频方法有很多，归纳起来有以下几 种： 周期法 原始的周期法( 或称零交法) 通过测量信号波形相继过零点的时间宽度来计 算频率，其原理与硬件测频法相同。该方法物理概念清晰、易于实现，但精度低， 受谐波、噪声和非周期分量的影响，实时性不好，因此，实用时很少单一的应用 雷电自动化研究院硕士学位论文 原始周期法对它的改进主要是为了提高测量的精度和实时性，典型的改进算法 有水平交( 1 e v e lc r o s s i n g ) 算法、高次修正函数法和最小二乘多项式曲线拟合 法，它们以增加计算量和复杂度来提高算法的精度和响应速度( 原始的周期算法 的时延决定于信号特征而非计算量) ，这在一定程度上丧失了原有算法的简明性。 解析法 对信号观测模型进行数学变换，将待测量频率，或频差表示为采样值的 函数来估计。解析法算法简明，计算量不大，较传统的周期法有所改进。用解析 法测频时，为简化分析与计算，一般采用较简单的信号数学模型，难以考虑谐波、 非周期分量等的影响，因此往往要有前置滤波环节。如上述算法，当电网中谐波 分量较高时，必须采用适当的数字滤波对采样数据进行预处理。 d f t 类算法 该类算法利用前后数据窗的d f r 计算结果求取频率偏移来估计频率值。它可 通过自适应调整采样时间间隔或自适应调整采样数据窗长度的方法来提高测量 范围、精度和算法稳定性。此外，还有最小二乘算法等多种算法。 下面以解析法推导软件测频的方法： 设电压信号为：u ( t ) = , - 2 u s i n ( m * f + 劝( 3 - - 6 ) 采样后的电压信号为： ( 帕= f f 2 u s i n ( c o * n t s + 妒) ( 3 - - 7 ) 其中：瓦为采样周期，“) 为电压信号第n 个点的采样值。 另设：l = j 2 ( 万一1 ) 一h m ) “伽一2 ) ( 3 - 8 ) 将3 - - 7 式代入3 - 8 可得l = 2 u 2sin2(wts)(3-9) 对3 - - 9 式取两种不同的采样周期瓦。，五：，即采样频率不同，则有 = 2 u 2 s i n2(rotsi)(3-10) = 2 u 2s i n 2 ( 翻呸2 ) ( 3 - - 1 1 ) 设m = 壤( 1 + m ) ，五- = 丙，z 8 2 - - - 丙，式中m 为系统频率对额定基频5 0 h z 的偏移量，l 、：分别是一个工频周期内对应于采样周期毛、瓦：的采样点数。 国电自动化研究院硕士学位论文 y j _ l i ；s i n - ：2 2 t c ( 1 + m ) 一n 1 ( 3 1 2 ) l 2s i n 2 【幼( 1 + 卅) ，n 2 】 皂= 嬖坐幽柏s 2 防( 1 + m ) l n l s i n g ( 1 + m ) l n l 瓦2 2 f l q 3 - - 1 3 式得卿( 1 训，i 】2 警 ( 3 - 1 4 ) 则咖2 防( 1 + m ) ，i 】。咖2 印+ m 磊咖印( 3 - - 1 5 ) 将3 - - 1 5 式代入3 - - 1 4 式得m ：竺磐( 3 - - 1 6 ) 将式代入式得m = 三l _ ；e 一 叱：薪虹n 蓠 m ：4 3 ( 3 y , 2 - l ) ；堑2 = 圣! 。o 5 5 1 3 2 8 8 9 ( 3 一1 7 ) 电力系统的频率变化率誓一笪a t = 0 乎 ( 3 - 1 9 ) 也0 z 国电自动化研究院硕士学位论文 3 2 3 相角差的测量 把电压互感器二次侧的交流电压信号转换为同频、同相的方波，两路方波信 号接到异或门，当两路方波输入电平不同时，异或门输出为高电平，用于控制可 编程定时计数器的计数时间，其计数值与两波形间的相角差正相对应。图3 1 是系统电压与发电机电压相角差的硬件测量电路示意图。相角差硬件测量的原理 和特点与频率的硬件测量很相似。 图3 一l 相角差硬件测量电路囹 3 3 小结 本章是课题工作的重点之一，较详细地介绍了微机型自动准同期装置的构成 原理以及微机型自动准同期装置应具备的基本功能，然后介绍了同期参数中电 压、频率和相角差的测量方法。这既是后续工作的理论依据，又为软硬件的设计 提供了清晰的思路。 国电自动化研究院硕士学位论文 第四章基于d s p 的自动准同期装置的硬件设计 4 1d s p 系统设计 4 1 1d s p 芯片简介 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算 的微处理器。d s p 芯片根据用途来分，可分为通用型d s p 芯片和专用型d s p 芯片。 通用型d s p 芯片适合普通的d s p 应用；专用d s p 芯片是为特定的d s p 运算而设计 的，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和f f t 。根据数据格式来分，可以分 为定点型和浮点型。数据以定点格式工作的d s p 芯片称为定点d s p 芯片与普通 的m c u 相比，d s p 在硬件设计上做了一些独特的设计，以求最快的运算速度完成 数据的运算。 根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下主要特点： d s p 能在一个时钟周期内完成乘法和加法运算，并能并行地同时将下面运 算要用到的两个参数传入相应的运算用寄存器； 乘法器采用硬件逻辑，乘法可以在一个指令周期内完成； d s p 有重复席次或循环行次等指令，使d s p 能迅速完成n 次循环； 在结构方面，d s p 往往采用哈佛结构，而传统的) i c u 多为冯诺依曼结构。 冯诺依曼结构是将程序与数据统一编址，而哈佛结构是将程序空间与数据空间 分开编址，这样读程序和读，写数据可以同时进行，大大提高了运行速度； 在内核设计方面，d s p 采用多重流水线结构。 但与通用微处理器相比，d s p 芯片的其它通用功能相对较弱些。 4 1 2d s p 系统的设计方法 d s p 系统的设计目前还没有非常好的正规设计方法。图4 - - 1 是d s p 系统设 计的一般过程。 第一步根据应用系统的目标确定系统的性能指标和要求 第二步根据系统的要求进行高级语言的模拟，确定最佳的处理方法。 第三步设计d s p 系统。d s p 系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。 硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制以及 体积、功耗要求选择合适的d s p 芯片。然后设计d s p 芯片的外围电路及其他电路。 软件设计和编程主要根据系统要求和所选的d s p 芯片编写相应的d s p 程序。 国电自动化研究院硕士学位论文 d s p 系统硬件和软件设计完成后，必须对其进行调试。软件的调试一般借助 于d s p 开发工具，如d s p 开发系统或仿真器等。硬件调试一般采用硬件仿真器进 行调试。系统的硬件和软件调试完成后，就可以将软件直接在实际系统上运行。 d s p 系统的开发，特别是软件开发是一个需要反复进行的过程，虽然通过算法模 拟基本上就可以知道实际系统的性能，但实际上模拟环境不可能做到与实际系统 环境完全一致，而且将模拟算法移植到实际系统时必须考虑算法是否能够实际运 行的问题。如果算法运算量太大不能在硬件上实时运行，则必须重新修改或简化 算法。 图4 1d s p 系统的设计流程 4 1 3d s p 芯片的选择 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了d s p 芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，d s p 芯片的选 择应根据实际应用系统的需要而确定。实际应用系统由于应用场合、应用目的等 不尽相同，对d s p 芯片的选择也不相同。一般来说，选择d s p 芯片时应考虑如下 因素： d s p 芯片的运算速度。运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标，也 是选择d s p 芯片时所要考虑的一个主要因素。 d s p 芯片的价格。d s p 芯片的价格也是选择d s p 芯片所要考虑的一个重要 国电自动化研究院硕士学位论文 因素。如果采用价格昂贵的d s p 芯片，即使性能再高，其应用范围也会受到限制。 d s p 芯片的硬件资源。不同的d s p 芯片所提供的硬件资源是不相同的，如 片内r a m 、r o m 的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，i o 接口等。 d s p 芯片的运算精度一般的定点d s p 芯片的字长为1 6 位，但有的定点 芯片为2 4 位，如m o t o r o l a 公司的m c 5 6 0 0 l 。浮点芯片的字长一般为3 2 位 d s p 芯片的开发工具。在d s p 系统的开发过程中，开发工具是必不可少的。 如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的d s p 系统几乎是不可能的放在 选择d s p 芯片的同时必须注意开发工具的支持情况 d s p 芯片的功耗。便携式的d s p 设备、手持设备的d s p 设备等都对功耗有 特殊要求。 除了上述因素外，选择d s p 芯片还要考虑封装的形式、供货情况、生命 周期等。 在上述诸多因素中，一般而言，定点d s p 芯片的价格较便宜，功耗较低， 但运算精度稍低。而浮点d s p 芯片的优点是运算精度高，且c 语言编程调试方便， 但价格稍贵，功耗也较大嘲 m o t o r o l a 公司的1 6 位定点5 6 8 0 0 系列芯片为3 3 v 供电；它在8 0 m h z 的时钟频率 下可达4 0 m i p s 的指令执行速度，单指令周期可以完成1 6 位1 6 位的并行乘加运 算；片内存储器中有程序f l a s h 、程序r a m 、数据f l a s h 、数据r 埘和b o o tf l a s h ； 还集成了多个1 6 位的定时器单元；2 个异步串行通信接口和控制器局域网模块 c a n 2 o a b 、4 4 路1 2 位a d 转换模块 由于低功耗、片内资源丰富等特点，且芯片上集成了d s p 的数据处理能力 和微控制器的控制能力，使得d s p 5 6 8 0 0 系列特别适合于那些要求有较强的数据 处理能力、同时又要有较多控制功能的应用中因此，在本同期装置中，我们选 择了m o t o r o l a 公司的1 6 位定点d s p 5 6 f 8 0 7 芯片。 4 1 4d s p 5 6 f 8 0 7 介绍 d s p 5 6 f s 0 7 是h o t o r o l a 公司d s p 5 6 8 0 0 系列d s p 中的一种，5 6 8 0 0 系列1 啦d s p 产品采用5 6 8 0 0h a