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发电机自动并列装置合闸控制单元设计
张恒
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华北电力大学科技学院毕业设计(论文)任务书所在系别 电力系 专业班号 电气工程07k7 学生姓名 张恒 指导教师签名 审批人签字 毕业设计(论文)题目 发电机自动并列装置合闸控制单元设计 2011年 2月 21 日一、毕业设计(论文)主要内容二、基本要求三、设计(论文)进度序号设计项目名称完成时间备注123456设计(论文)预计完成时间： 年 月 日四、参考资料及文献五、附录华北电力大学科技学院毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告学生姓名：张恒 班级： 07K7 所在院系： 电力工程系 所在专业： 电气工程及其自动化设计（论文）题目： 发电机自动并列装置合闸控制单元设计指导教师： 田建设 2011年 4 月 9 日毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告一、结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写不低于2000字的文献综述。（另附）二、本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：对“文三、指导教师意见：1 对“文献综述”的评语： 2对学生前期工作情况的评价（包括确定的研究方法、手段是否合理等方面）：指导教师： 年 月 日文献综述发电机自动并列装置合闸控制单元设计1 电力系统并列概述在电力系统中，由于电网运行的需要，同步发电机、同步补偿机、同步电动机经常投入或退出电网。将同步机投入电力系统并列运行的操作称为并列操作，并列操作是一项基本的操作，极为频繁。随着电力系统容量的不断增大，同步发电机的单机容量也越来越大，不恰当的并列操作将导致严重后果7。1.1对并列的基本要求冲击电流不超过允许值，且应尽可能小；并列后能迅速进入同步运行1。1.2同期并列的类型和应用场合发电机并网方式分为准同期并列和自同期并列。准同期并列是指发电机在并列合闸前已投入励磁，当发电机电压的频率、相位、大小分别和并列点处的系统侧电压的频率、相位、大小接近相同时，将发电机断路器合闸。自同期是先将未励磁、接近同步转速的发电机投入系统，然后给发电机加上励磁，利用原动机转矩、同步转矩把发电机拖入同步2。自同期并列过程短，操作简单，但是由于自同期并列时，发电机未经励磁，需要从系统中吸收很大的无功电流而导致系统电压降低，同时合闸时的冲击电流较大，所以自同期方式仅在系统中的小容量发电机上采用。对大中容量的发电机的同期均采用准同期并列。准同期又分为手动准同期、自动准同期，手动准同期指发电机的频率调整、电压调整、并列合闸操作由运行人员手动进行，只是在控制回路中装设了非同期合闸的闭锁装置（同期闭锁继电器），用以防止由于运行人员误发合闸脉冲造成的非同期合闸。自动准同期指由同期装置自动进行发电机的频率调整、电压调整、并列合闸6。1.3大机组同步并列操作的重要性当并列条件不满足时, 将发电机合闸并网会带来严重后果。压差主要会引起无功功率冲击；相角差主要引起有功功率冲击, 使机组的主轴受到扭矩,对汽轮机组的安全与寿命影响最大,机组越大,要求越严。频差条件只要不超过最大允许值即可。这三个条件, 必须同时满足，将发电机并入系统才是安全的8。同步时存在较大相角差，对转子轴系绕组及机械体系的伤害是巨大的。在极短时间内，发电机转子受到很大的轴扭矩，必然造成转子轴系及机械体系的巨大损伤,如绕组线棒变形松脱、联轴器螺栓扭曲、主轴出现裂纹等。实际上, 在相角差不为零的情况下进行发电机并网, 还可能诱发更惨重的后果，即次同步谐振。因此, 准同步操作时, 严格控制相角差是同步条件中最重要的一环9。2 同期并列装置2.1手动同期并列装置。手动并列时操作人员必须熟悉一二次系统，严格遵守规章制度，正确使用同期设施与采取防止非同期并列的闭锁措施等3。由于技术的提高，并列装置的自动化水平也逐渐提高，由手动并列到半自动并列到现在的自动并列，自动化水平的提高，使并列的要求更容易达到2.2模拟式自动准同期装置要做到将同步发电机精确、快速并网，采用性能良好的自动准同期装置是关键。模拟式自动准同期装置在最初得到了广泛使用，但在检测同期条件和获得恒定越前时间上存在着缺陷，主要表现在不能很准确地保证越前时间的恒定性，不能满足快速调节和使机组稳定的要求。由于以上缺陷的存在，使得模拟式自动准同期装置难以担当大型发电机组同期并列的重任，于是产生了新的微机同期装置10。2.3微机同期装置微处理器的应用使自动准同期装置技术指标得以有很大的提升。导前时间问题、均频均压问题、捕捉第一次并网时机问题以及相关要求都可以通过对描述同步过程的数学模型进行求解来解决，即通过软件的办法来实现4。其具有下述特点：1) 在软件是行采用快速求解计量滑查及其一阶、二阶导数的微分方程，实现精确的零相角差并网；2) 建立在机组运动方程基础上的理想导前相角的预测方法，能万无一失地捕捉到第一次出现的同步时机；3) 按模糊控制等算法实施自动均频、均压控制，具有促成同步条件快速实现的良好品质12。上述特点再加之微机同期装置在软件及硬件上对合闸控制采用了多重冗余闭锁，结构上采用了全封闭式和严密的磁屏蔽措施，对输入信号进行光隔离及数字滤波，并可接受上位及以开关量得投入和切除命令等，使其特别适合在大型发电机上采用。3 合闸控制单元简介3.1线性整步电压现在电力系统中运行的模拟式自动准同期装置大都使用线性整步电压，整步电压与时间成线性关系。线性整步电压用相敏电路生成，其值只与发电机电压和系统电压的相角差有关，而与他们的幅值无关5。线性整步电压Uzb有如下特点：1) 线性整步电压不能表征发电机电压和系统电压的幅值之差2) 线性整步电压表征发电机电压和系统电压的相角差3) 线性整步电压的周期表征发电机电压和系统电压频率差的大小3.2恒定越前时间在发电机电压与系统电压的相角差为零之前一个恒定时间向发电机断路器发出闭合信号，将发电机并入电力系统，这个越前时间等于发电机断路器的标称合闸时间。对于一个确定的断路器，他的标称合闸时间是恒定不变的，所以称之为恒定越前时间。3.3频差检测机组并网钱频差太大，就有可能出现在=180是，s还没降至零，机组会运行到180的区域，从系统汲取有功功率二加速，于是机组就失去了稳定。因此在合闸单元中设计频差检测电路。3.4电压差检测电压差检测的任务是检测发电机电压和系统电压的幅值之差是否超过允许值。当超过允许值时发出闭锁合闸的信号。3.5合闸逻辑控制合闸控制逻辑在满足合闸条件的情况下，发出合闸信号，完成发电机的并网。4 总结随着电网自动化技术的发展，同期装置的设计理念也随之更新。新型的基于DSP技术的自动准同期装置具有以下特点：1) 能自动检测待并发电机和电网的电压、频率，并在满足条件时提前发出合闸脉冲，使发电机在与电网相位差为零时准确并网。2) 能对发电机实现均频、均压控制，快速促使准同期条件成立。3) 参数可在线修改并断电保存，采用大屏幕点阵液晶显示和键盘，有良好的人机界面，调试方便11。4) 采用CAN总线技术与上位机通信。因此，在现有微机自动准同期装置的基础上，其将成为自动准同期发展的趋势。参考文献1 李先彬.电力系统自动化M.北京：水利电力出版社，19952 商国才.电力系统自动化M.天津：天津大学出版社,19993 李仲明.手动准同期并列程序和应注意的事项Z.宁夏：宁夏电力局中调所，19874 孙亚明.电力系统自动控制与装置.北京：水利水电出版社，19905 杨冠成.电力系统自动装置原理.北京：中国电力出版社，20056 刘佩芬.大型同步发电机的自动准同期.西安：西北电力职工培训中心，20047 韩高飞.电网同期并列的原理潜析.呼和浩特：内蒙古工业大学电力学院，20098 刘佩芬，李依凡.电网同期的理论与实践. 西安：西北电力职工培训中心，20109 王庆玉，李秀卫.发电机组同期并列问题研究.济南：山东电力研究院，200910 张彦军，祁进林，杨博.浅谈发电机的同期并列.青海：青海碱业有限公司热电车间，200911 郭权利,郑俊哲,许鉴.新型自动准同期装置设计.沈阳:沈阳工程学院电气工程系，200612 蒋炜华, 张志成.自动准同期并网实验装置的设计.河南新乡:河南机电高等专科学校,201013 K.K.Li，C.W.SoEvolutionary Algorithm for Protection Relay Setting CoordinationHong Kong Polytechnic University,200014 罗钰玲电力系统微机继电保护人民邮电出版社，200515 孙建波，廖永红，权宪军，王玲继电保护的现状与思考电力系统保护与控制，2010毕 业 设 计(论文) 题目：发电机自动并列装置合闸控制单元的设计系 别电力工程系专业班级电气工程及其自动化专业07k7班学生姓名张恒指导教师田建设二一一年六月华北电力大学科技学院毕业设计（论文）发电机自动并列装置合闸控制单元的设计摘要发电机同期并列是将发电机与系统连接的断路器闭合使发电机投入电力系统运行的操作。控制发电机并列的装置为同期并列装置。本文基于模拟式同期并列装置的工作原理，主要对于其中的合闸控制单元进行设计。首先，对同期并列及同期并列装置进行简要介绍，对同期并列的重要性及并列的基本要求和方式等予以说明。然后探讨了准同期并列的基本原理及并列误差对并列的影响。本文的主要部分为合闸控制单元的设计，合闸控制单元由线性整步电压发生器、恒定越前时间电路、恒定越前相角电路、合闸逻辑电路、上电闭锁电路及合闸出口电路组成。根据各个电路所实现的功能及其基本原理，分别对其进行电路机构的设计及其电路参数的计算，然后再将设计完成的电路进行仿真调试，对电路的波形及数据进行观察与分析。 最后，对于设计完成的电路，探讨其具有的优势，同时分析其存在的问题。在此基础上，简要介绍现代微机型同期并列装置的特点以及与模拟式同期装置相比其具有的优势。关键词：准同期并列；自动准同期装置；合闸控制单元；线性整步电压华北电力大学科技学院毕业设计（论文）A SPACECRAFT DOCKING SYSTEMBASEDON COMPUTER VISION(Times New Roman)Abstract(Times New Roman)Rendezvous and docking are two of the key techniques to develop an in-orbit spaceinfrastructure. In this thesis, an automatic spacecraft docking system based on computer vision isstudied in detail.（Times New Roman）First, a umber of conventional methods for attitude representation are discussed and theircomplexity in dealing with the problem of attitude representation areKeywords(Times New Roman): Rendezvous and docking; Computer vision;Nonlinear least squares; Nonlinear observer; Nonlinear controller（Times New Roman ）华北电力大学科技学院毕业设计（论文）目录摘要. - 1 -Abstract . - 1 -1 绪论. - 1 -1.1 课题背景 . - 1 -1.2 同期并列的重要性 . - 1 -1.3 并列的基本要求 . - 1 -1.4 同期并列的两种方式. - 1 -1.5 自动并列装置的发展过程 . - 2 -1.5.1 手动同期并列装置 . - 2 -1.5.2 模拟式自动准同期装置 . - 2 -1.5.3 微机同期装置 . - 2 -1.6 本课题主要研究内容 . - 2 -2 准同期并列. - 3 -2.1 准同期并列的理想条件 . - 3 -2.2 准同期并列误差对并列的影响 . - 3 -2.2.1 合闸电压幅值差对并列的影响 . - 3 -2.2.2 合闸相角差对并列的影响 . - 4 -2.2.3 合闸频率差对并列的影响 . - 4 -2.3 恒定越前时间自动准同期并列 . - 5 -3 合闸控制单元的设计调试. - 6 -3.1 总体方案设计 . - 6 -3.2 线性整步电压（三角波）发生器 . - 6 -3.2.1 线性整步电压的作用及特点 . - 6 -3.2.2 线性整步电压发生器设计及仿真 . - 7 -3.2.2.1 整形电路 . - 7 -3.2.2.2 相敏电路 . - 10 -3.2.2.3 滤波电路 . - 11 -3.3 恒定越前时间电路 . - 14 -3.3.1 恒定越前时间电路设计 . - 14 -3.3.2 恒定越前时间电路的仿真调试 . - 17 -3.4 恒定越前相角电路 . - 20 -3.4.1 频差检测原理 . - 20 -3.4.2 恒定越前相角电路设计 . - 21 -3.4.3 恒定越前相角电路仿真调试 . - 22 -3.5 合闸逻辑电路 . - 24 -3.5.1 合闸逻辑电路原理 . - 24 -3.5.2 合闸逻辑电路设计与仿真 . - 25 -3.6 合闸出口电路 . - 27 -结论. - 30 -参考文献. - 31 -致谢. - 32 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题背景在电力系统的实际运行过程中，由于电网运行的需要及单台发电机容量有限等一系列原因，发电机都是通过电网并列运行的，即便是企业的自备电厂，容量较大的发电机也都是并网的。1.2 同期并列的重要性将同步机投入电力系统并列运行的操作称为并列操作，并列操作是一项基本的操作，极为频繁。随着电力系统容量的不断增大，同步发电机的单机容量也越来越大，不恰当的并列操作将导致严重后果。当机组容量与系统容量相比足够大时，会对系统产生扰动，造成系统振荡1。因此，为了保证电力系统的安全运行，如何更好地控制电网的同期并列就显得十分重要，并列操作是电力系统中最重要的操作之一。1.3 并列的基本要求发电机并列是将发电机与系统连接的断路器闭合使发电机投入电力系统运行的操作。系统并列是将连接两个系统联络线上的断路器闭合使两个分开的系统并联运行的操作。对并列的基本要求是：a 并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能的小，其瞬时最大值不应超过 1 2 倍的额定电流；b 发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动。所谓冲击电流是指并列断路器合闸时通过断路器主触头的电流。一般情况下冲击电流的幅值较高而持续时间较短。发电机并列时冲击电流会在定子绕组中产生电动力，其值与冲击电流的平方成正比。冲击电流太大时，过大的电动力可能造成定子绕组损坏，如造成定子绕组端部开断等，过大的冲击电流还可能造成电力系统中其它设备的损坏或电力系统振荡。这里所谓“进入同步运行”是指刚并入电力系统的发电机组与系统内的发电机组以相同的电气角速度旋转，或两个刚并列的系统内的发电机组以相同的电气角速度旋转2。1.4 同期并列的两种方式发电机并网方式分为准同期并列和自同期并列。准同期又分为手动准同期、自动准同期，手动准同期指发电机的频率调整、电压调整、并列合闸操作由运行人员手动进行，只是在控制回路中装设了非同期合闸的闭锁装置（同期闭锁继电器），用以防止由于运行人员误发合闸脉冲造成的非同期合闸。自动准同期指由同期装置自动进行发电机的频率调整、电压调整、并列合闸。准同期并列用于发电机并入电力系统，也用于将两个封开的电力系统并联在一起运行。而自同期是先将未励磁、接近同步转速的发电机投入系统，然后给发电机加上励磁，利-1-华北电力大学科技学院毕业设计（论文）用原动机转矩、同步转矩把发电机拖入同步。自同期并列过程短，操作简单，易于实现自动化，但是由于自同期并列时，发电机未经励磁，需要从系统中吸收很大的无功电流而导致系统电压降低，同时合闸时的冲击电流较大，对电力系统扰动大。所以自同期方式仅在电力系统事故、频率降低时在系统中的小容量发电机上采用。对大中容量的发电机的同期均采用准同期并列3。1.5 自动并列装置的发展过程1.5.1 手动同期并列装置手动并列时操作人员必须熟悉一二次系统，严格遵守规章制度，正确使用同期设施与采取防止非同期并列的闭锁措施等。由于技术的提高，并列装置的自动化水平也逐渐提高，由手动并列到半自动并列到现在的自动并列，自动化水平的提高，使并列的要求更容易达到4。1.5.2 模拟式自动准同期装置要做到将同步发电机精确、快速并网，采用性能良好的自动准同期装置是关键。模拟式自动准同期装置在最初得到了广泛使用，但在检测同期条件和获得恒定越前时间上存在着缺陷，主要表现在不能很准确地保证越前时间的恒定性，不能满足快速调节和使机组稳定的要求。由于以上缺陷的存在，使得模拟式自动准同期装置难以担当大型发电机组同期并列的重任，于是产生了新的微机同期装置。1.5.3 微机同期装置随着微型计算机技术的发展，微处理器的应用使自动准同期装置技术指标得以有很大的提升。导前时间问题、均频均压问题、捕捉第一次并网时机问题以及相关要求都可以通过对描述同步过程的数学模型进行求解来解决，即通过软件的办法来实现，既方便又灵活，并且具有较高可靠性和性价比。目前，微机自动同期装置正在以很快的速度普及，其主要研究集中在减少并列冲击和提高并列速度两个方面5。1.5 本课题主要研究内容本课题主要研究自动准同期并列装置中合闸控制单元部分，根据自动准同期并列的基本原理和 ZZQ-5 自动准同期装置的设计原理，分别对自动准同期装置合闸控制单元中线性整步电压发生器、恒定越前时间电路、恒定越前相角电路、合闸逻辑电路、上电闭锁电路和合闸出口电路进行设计，将其分立元件构成的基本电路改由集成电路实现，并结合集成电路的特点对部分电路作了改进，使其元件数量大为减少，结构更加清晰。并且对其中的电路参数进行计算，根据计算结果，通过在 Multisim 上的仿真调试检验其合理性，使其具有一定的实际应用价值。-2-华北电力大学科技学院毕业设计（论文）2 准同期并列2.1 准同期并列的理想条件准同期并列时先将待并列双方的电压加到并列断路器主触头两侧，然后调整两侧电压，使电压幅值、频率和相角分别相等时闭合断路器主触头，使并列双方并联在一起运行。图 2-1 是发电机同期并列示意图。设并列前发电机电压的瞬时值为uG=UGsin(Gt+0G)式中 UG 发电机电压的幅值；G 发电机电压的角频率；0G 发电机电压的初相角。系统电压瞬时值uX=UXsin(Xt+0X)式中 UX 系统电压的幅值；X 系统电压的角频率；图 2-1 发电机同期并列示意图0X 系统电压的初相角。（a）电路图；（b）向量图；（c）等值电路图 2-1 中 UG、UX 和 US 分别为发电机电压、系统电压和断路器 DL 主触头两侧电压差的向量。可以想象，如果调节断路器两侧电压的幅值相等、频率相同、相角一致，断路器两端的电压差 US 就会等于零。显然，在这种情况下闭合断路器主触头时冲击电流为零，且并列之后双方会立即同步运行。这无疑是同期并列的理想条件。将准同期并列的理想条件用数学式表达，即fG=fX，G=X，fS=fG-fX=0UG=UX，U=UG-UX=0G=X，=G-X=0（2-1）式中 G、X发电机电压和系统电压的相角6。2.2 准同期并列误差对并列的影响实际上，准同期并列合闸是很难使如前所述的三个条件同时成立，而会存在一定误差。下面分析电压幅值差、频率差和相角差对并列产生的影响。分析时，为了突出只要矛盾和便于分析，假设三个条件中两个条件同时满足，只有一个条件不满足。2.2.1 合闸电压幅值差对并列的影响分析条件是：fG=fX，G=X，UGUX。此时的向量关系如图 2-2(a)所示在这种情况下产生的冲击电流有效值-3-华北电力大学科技学院毕业设计（论文）（2-2）式中 Xq 发电机胶州次暂态电抗；XX 电力系统等值电抗。图 2-2 准同期并列条件分析向量图（a）fS=0， =0，UGUX；（b） U=0，fS=0， 0在忽略待并发电机定子电阻和系统等值电阻的情况下，如图 2-2(a)所示，冲击电流 Ich滞后电压差 U90。所以，在只存在电压差的情况下并列机组会产生无功冲击电流。为保证电网安全，在并列时要求电压差不超过 510的额定电压。2.2.2 合闸相角差对并列的影响分析条件是：fG=fX，UG=UX，0。此时的向量关系如图 2-2(b)所示。在这种情况下发电机产生的冲击电流有效值(2-3)(2-4)由于并列是 一般都很小，Ich 与 UG 基本上同相位，所以在只有相角差情况下并列是的冲击电流主要是有功分量。这就意味着在发电机并列后与系统之间有能量交换。为了并列时不产生过大的电流，应在 角接近于 0 时合闸，通常并列操作时允许的合闸相角差不超过 10。2.2.3 合闸频率差对并列的影响待并电网并列时，频率不同，即 fGfX，待并电网电压 UG 和系统电压 UX 各自以角速度 G 和 X 旋转，以当 GX 时，UG 绕 UX 逆时针旋转；当 GX，UG 绕 UX 顺时针旋-4-华北电力大学科技学院毕业设计（论文）转。在 UG 旋转过程中，两电压之间的相角差 由 0180360变化，电压差值 U 的大小也相应由小大小的变化，产生的冲击电流大小也在从小大小变化，由于 fGfX，并列会使电网振荡。根据运行经验，并列时频率差值不宜超过 0.20.5的额定频率7。2.3 恒定越前时间自动准同期并列准同期并列时，调节发电机电压与系统电压的频率基本相等，在发电机电压与系统电压的相角差 为零之前一个恒定时间向发电机断路器发出闭合信号，将发电机并入电力系统。这个越前时间等于发电机断路器的标称合闸时间。对于一个确定的断路器，它的标称合闸时间是恒定不变的。所以称这种同期并列方式为恒定越前时间准同期并列。图 2-3 自动准同期并列的基本构成图 2-3 是恒定越前时间自动准同期并列的基本构成图。系统电压 UX 和发电机电压 UG分别经过电压互感器降压后送入自动准同期装置。自动准同期装置由均频控制单元、均压控制单元和合闸控制单元三部分组成。均频控制单元自动检测发电机电压与系统电压频率差的方向，发出增速或减速信号送到机组调速器的“频率给定”环节，自动调节发电机电压的频率，使频差减小。均压控制单元自动检测发电机电压与系统电压的幅值差的方向，发出升压或降压信号送到发电机励磁调节器的“电压给定”环节，自动地调节发电机电压的幅值。在频率差和幅值差均小于整定值时，在相角差 =0 前一个发电机断路器的合闸时间发出合闸信号送到发电机断路器的控制回路，使断路器合闸8。-5-华北电力大学科技学院毕业设计（论文）3 合闸控制单元的设计调试3.1 总体方案设计采用模拟式自动准同期装置原理设计，参考 ZZQ-5 自动准同期装置的设计原理，将其中的分立元件改为集成电路实现，以减少其装置元件数，使其结构更加清晰，使用更加方便。本课题主要完成自动准同期装置中合闸控制单元的设计。合闸控制单元的功能是：检测待并系统和运行系统之间的电压差和频率差；当两者都合格时按照恒定越前时间发出合闸命令，当两者中有一个不合格时就闭锁合闸出口。合闸控制单元由测量变压器、线性整步电压（三角波）发生器、恒定越前时间电路、恒定越前相角电路、合闸逻辑电路、合闸出口电路构成，其结构如图 3-1 所示。UGUSY测量变压器绕三角波发生器恒定越前时间电路合闸逻辑判别与出口合闸命令组 1恒定越前电路相角电路压差闭锁信号图 3-1 合闸控制单元结构框图其中，测量变压器采用两个相同的单相变压器。每个变压器有四个绕组，其中原边电压 100V，三个负边绕组电压分别为 9V、12V 和 6V。9V 绕组用来产生三角波，为合闸控制单元使用。UG 和 USY 分别为发电机端电压和系统电压，要求发电机侧电压能在 100V20V范围内调节，频率应能在 50Hz1Hz 范围内调节9。3.2 线性整步电压（三角波）发生器3.2.1 线性整步电压的作用及特点现在电力系统中运行的模拟式自动准同期装置大都使用线性整步电压。线性整步电压如图 3-2 所示。图 3-2 线性整步电压与相角差的关系-6-华北电力大学科技学院毕业设计（论文）由图 3-2 可以看出，整步电压 UsL 和时间 t 成线性关系。整步电压由相敏电路生成，其值只与发电机电压和系统电压的相角差有关，而与它们的幅值无关10。线性整步电压 UsL 有如下特点：UsL 不能表征发电机电压和系统电压之间的幅值之差 U。UsL 表征发电机电压和系统电压的相角差 。UsL 的上升段为UsL 的下降段为(t0，0)(t0，0)（3-1）（3-2）式中 t时间，其零点在 UsL 的最大点；AUsL 的最大值。UsL 的周期 TS 表征发电机电压和系统电压频率差 fS 的大小。TS 与 fS 的关系为（3-3）式中 fS滑差频率。3.2.2 线性整步电压发生器设计及仿真三角波发生器由整形电路、相敏电路和低通滤波器组成，其具体设计过程如下：3.2.2.1 整形电路整形电路是两路由运放搭成的过零比较器。它将UG和USY的正弦波换成与主频率和相位相同的一系列方波，方波的幅值UG与USY的幅值无关。其设计电路如图3-3所示。VIVOVREF图 3-3整形电路电路图-7-华北电力大学科技学院毕业设计（论文）本电路是依据基本单门限电压比较器原理的改进电路。比较器是一种用来比较输入信号VI和参考电压VREF的电路。参考电压加于运放反向端，它可以是正值，也可以是负值，本电路中根据实际需要其为正值。输入信号则加于运放的同相端。由于VI从同相端输入且只有一个门限电压，因此是同相输入单门限电压比较器。这时，运放处于开环工作状态，具有很高的开环电压增益。当输入电压VI小于参考电压VREF时，即差模输入电压小于零时，运放处于负饱和状态，VO=VOL；当输入信号电压VI升高到略大于参考电压VREF时，即差模输入电压大于零，运放立即转入正饱和状态，VO=VOH11。根据上述基本原理，考虑到后续电路中不应存在负向电压，因此对基本单门限电路进行改进，通过引入外加直流电源的方式，将其工作波形提升至正半周，如图3-4（a）所示。通过桥式电路，将参考电压设为外加直流电源的一半。当输入电压VI0时，则A点电压小于参考电压VREF；当输入电压VI0时，则A点电压大于参考电压VREF。通过这样的设计，就将原本的过零比较器改进为与一个正电压比较的只存在正向电压的比较器。AVREFVI图 3-4 电压比较改进原理图及波形因为输入电压不存在负值，因此，可以选择单电源运算放大器。根据实际需要，选择运算放大器型号为LM358，其电源电压范围宽（在单电源时可在330V工作），直流电压增益高(约100dB)， 单位增益频带宽(约1MHz)。其具体工作数据可参考LM358数据手册。参照LM358的工作条件，可知要求输入电流在0.53mA之间。在本电路中，因为选择直流电源电压为15V，为了满足要求可估计选择电阻为10K，则可得：（3-4）-8-华北电力大学科技学院毕业设计（论文）由于1.5mA3mA，所以满足要求。因此可得R1=R2=R3=R4=10K。单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差12。为了提高其抗干扰能力，在其基础上加入正反馈网络。由于正反馈的作用，这种比较器的门限电压时随输出电压VO的变化而改变的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大挺高了。考虑正反馈对电路的影响，选择R5=10M，这样其对输出电压的影响为千分之一。通过上述论述，得出了整形电路的基本参数。根据得到的参数，在Multisim中进行仿真，设输入电压为9V，频率为50Hz，得到波形如图3-5所示。-9-华北电力大学科技学院毕业设计（论文）图 3-5 整形电路输入与输出波形根据仿真的波形和数据可以看出，输入的正弦波形经过如前所述的桥式电路，将原本在正负都有信号的正弦信号变换到只存在正向电压的正弦信号，以保证后续电路的使用需要。这个正弦信号同电压比较器的阈值电压相比较，由于是同相输入电压比较器，因此当正弦信号的电压大于阈值时，输出为正。通过电压比较器的输出，就得到了一组与输入正弦波相位和频率相同的方波信号。从仿真的结果来看，其满足了最初的设计要求。3.2.2.2相敏电路相敏电路是一个异或非门，它把两路方波信号变换成一列脉冲宽度与方波相角差成线性关系的变宽脉冲波。考虑到整形电路的输出电压，因此选择CC4077集成电路。CC4077包括四个独立的异或非门电路，具有异或非功能，电源电压范围为315V。其具体工作参数可参考标准数字电路4000 CMOS全系列数据手册。根据选定的异或非门，因为整形电路的输出电压约为15V，设定发电机电压和系统电压的频率差fS=0.25Hz，即滑差周期TS=4s，在Multisim中进行仿真，其电路结构及仿真波形如图3-6所示。从波形可以看出，两路正弦信号经过整形电路变换为两路与正弦信号频率和相位相同的方波信号。因为两路方波信号间存在一相角差，因此随着时间的变化，两路方波信号间的相对相位也在持续发生变化。将两路方波信号输入异或非门，根据异或非门的工作原理，当两个输入信号相同时，输出为 1；当两个输入信号不同时，输出为 0。因此，如图 3-6 所示，当在某一时刻两路方波信号的状态相同时，则异或非门就输出一正向脉冲。这样，就- 10 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）将两路方波信号转换成了一列脉冲宽度与方波相角差成线性关系的变宽脉冲波。图 3-6 相敏电路波形及结构3.2.2.3 滤波电路滤波电路采用两个运放搭成的四阶巴特沃斯有源低通滤波器构成，滤除变宽脉冲中的高频成分，得到电压大小与相角差成线性关系、幅值恒定的线性整步电压。滤波器的性能主要由其幅频特性衡量。巴特沃斯滤波电路的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，但从通带到阻带衰减较慢。并且，巴特沃斯有源低通滤波器的阶数越高，则其幅频响应越优越。然而，阶数的增加也意味着电路结构将更为复杂，其造价也就相应地提升13。因此，要根据需要合理地选择最低阶数。当给定了容许的最大通带衰减 1 和最小阻带衰减 2，截止频率 fC 以及容许的最大过渡带 TW，令则 TW=1C，可计算出所需的最低阶数。假定巴特沃斯低通滤波器的 1=3dB，则可由 3-5 式计算最低阶数 n。（3-5）通过计算可得 n=4。四阶巴特沃斯有源低通滤波器是由两个二阶巴特沃斯有源低通滤波器级联而成。二阶巴特沃斯有源低通滤波器基本电路结构如图 3-7 所示。由图可知，二阶有源低通滤波电路由两节 RC 滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。为了减少运放对滤波电路的负载效益，同时便于调整，选用 LM324。LM324 为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。该运放可工作在 332V 的电源下，输入偏置电流- 11 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）低。其工作参数详见 LM324 数据手册。图 3-7 二阶巴特沃斯有源低通滤波电路因为系统电压频率为 50Hz，所以选定滤波器的截止频率为系统频率的十分之一，即fC=5Hz。根据电路要求，选定滤波电路的增益 K=1。则根据有源滤波器精确设计手册中的设计步骤，具体设计过程如下14：a 找出归一化系数 B 和 C。通过查表，得到四阶巴特沃斯低通滤波的归一化系数，一级电路中 B=0.765367，C=1；二级电路中 B=1.847759，C=1。b 选定 C2 标称值，其值近似为（10/fc）F，则可得 C2=10/5=2F。满足下式选定 C1的标称化数值（3-6）将数值代入式 3-6，可得一级电路中 C10.29F，选择与其最接近的标准电容为 0.27 F，二级电路中 C11.7F，选择与其最接近的标准电容为 1.6F。由于 K=1，则 R3 开路，R4 短路。R1 和 R2 依下式计算（3-7）（3-8）将数据代入式 3-7 和 3-8，并且选择与计算值最接近的标准电阻，可得一级电路中- 12 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）R1=32.4K，R2=59K；二级电路中 R1=8K，R2=39.2K。根据所计算得的参数，所得电路如图 3-8 所示。VIVO图 3-8 四阶巴特沃斯低通滤波器将该滤波电路输入端接相敏电路输出，设定滑查周期为 4s，在 Multisim 上进行仿真，得到波形如图 3-9 所示。UsL0图 3-9 滤波电路波形图- 13 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）从上图可以看出，在波形开始初期有一段波形并非三角波，因为在输入信号通过滤波电路的初期，电路自身有一个调整时间，在经过一个短暂的调整时间后波形恢复正常。该滤波器将相敏电路输出的一列脉冲信号滤波为幅值恒定，电压大小与相角差成正比的三角波信号，三角波的周期与滑查周期相同为 4s，并且波形较为平滑。然而也可以看出，经滤波器滤波产生的三角波其线性度并不是十分良好，这个误差的存在可能对后续电路造成一定影响。然而，就使用而言，其已经能够较好地完成其功能，其线性度略差引起的误差在允许的范围之内，因此满足设计要求。3.3 恒定越前时间电路3.3.1 恒定越前时间电路设计恒定越前时间电路由比例-微分电路和电压比较电路组成。其中，比例微分电路由电位器及电阻和电容组成。其电路如图 3-10 所示。UsL图 3-10 比例-微分电路示意图根据叠加原理，上述比例-微分电路可分解为如下电路CC1UR2USLR1UR2R2+kUSLR1R2C（a）（b）图 3-11 比例微分电路叠加原理示意图 1- 14 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）而图 3-11（a）电路又可分解为如下电路图 3-12 比例微分电路叠加原理示意图 2由图 3-11 和 3-12 可知，比例微分电路输出电压 UR2 为分解电路中 UR2、UR2和 UR2叠加之和，于是可分别计算各个分电路，简化电路计算。在图 3-12（b）中，由于电容器 C 的容量很小，形成的容抗很大，所以其作用可以忽略不计，则（3-9）在图 3-12（c）中，若,则（3-10）在图 3-11（b）中，由于电容器 C 的容量很小，形成的容抗很大，所以其作用可以忽略不计，则（3-11）在区间内，若电平检测器翻转电平为，翻转时间为 tYJ 则动作的临界条件为：，即- 15 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）（3-12）式 3-12 表明，时间 t 为只与阻容参数有关而与滑查 S 无关的恒定值，称为恒定越前时间。其大小由倍乘开关和电位器结合起来分档连续调节15。电压比较器由运放搭成，其原理与整形电路相同，在此不再赘述。其中电压比较器的阈值由电位器 RW1 调整。当比例微分电压等于比较器的阈值时，比较器的输出 Ut 翻转。其电路如图 3-13 所示。图 3-13电压比较器电路由于要求恒定越前时间的整定范围为 0.10.4s，如下表所示。表 3-1 恒定越前时间定制表倍乘开关十圈电位器 Rwt 圈数0 圈5 圈10 圈120.1s0.2s0.15s0.3s0.2s0.4s- 16 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）通过上表可知电位器在 10 圈时恒定越前时间是 0 圈时的两倍，所以可得（3-13）由于 C 和 C1 相比其值很小，故可忽略不计，则可得 k=0.5。所以，k 应在 0.51 范围内可调。因为比例微分电路的输入电压 USL 约为 15V，所以可选择 Rwt=R=7.5k。当倍乘开关为1 档，十圈电位器为 0 圈时恒定越前时间为 0.1s，则通过前面推导出的恒定越前时间与阻容系数的关系，可选择 R1=91k，R2=12k，C=220nF，C11=C12=2.2F。于是可以得到比例微分电路的输出电压幅值为：（3-14）为了使电压比较器的阈值能够在 1.5V 上下调整，则可选定 R4=13 k，RW1=1 k，R5=1k，考虑到正反馈的影响，可选择 R6=1M 。通过上述论述初步得到了电路参数，因为其中部分参数为通过关系式得到的估计值，因此有可能存在一些不合理的问题。所以，接下来要在 Multisim 中进行仿真调试，通过实际测量对电路参数进行修正。3.3.2 恒定越前时间电路的仿真调试根据上节得到的电路参数，在 Multisim 中运行仿真。利用信号发生器产生三角波作为输入信号，三角波幅值为 15V，设定滑查周期 TS=4s，即三角波周期为 4s，首先观察比例微分电路的输出波形，得到波形如图 3-14 所示。三角波信号经过比例微分电路后，其幅值下降至约为 1.8V，与计算值略有偏差，是由于实际的输入信号幅值以及实际电路并不能如计算值一样准确，存在一定的误差。- 17 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）图 3-14 比例微分电路波形当确定比例微分电路输出波形正确后，继续观察恒定越前时间电路仿真结果，如图 3-15所示。- 18 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）图 3-15 恒定越前时间电路波形当比例微分电路的电压大于电压比较器的阈值电压时，则电压比较器输出一低脉冲，其脉冲宽度即为恒定越前时间。测量其越前时间时，在 Multisim 中通过示波器测量其脉冲宽度，根据前述的调整方法，对电路参数进行调整。要求在给定位置，其值能如表 3-1 所给出的数值。在调整过程中发现，在原电路参数条件下，无论如何调节 RW1 都无法满足误差要求，于是考虑改变 R4、R5和 RW1 的阻值。在反复调试测量后，最终得到当 R4=11.5k，RW1=500，R5=1.4 k 时，可以满足上述误差要求。于是在此电路基础上测得一组数据如下表所示。表 3-2恒定越前时间 tf 测试数据TS1（S）4TS2（S）8tf 平均值tmax折合角度误差0 圈0.1080.1080.1080.1100.1100.1100.109s0.01s0.451210 圈0 圈10 圈0.2070.2020.3960.2070.2020.3960.2070.2020.3960.2070.1980.3960.2070.1980.3960.2070.1980.3960.207s0.2s0.396s0.007s0.002s0.004s0.630.180.36从表 3-2 可以看出，按照标称值整定的越前时间，其误差在 TS1 TS2 范围内折合成的角度误差均不超过 3.6，并且其误差十分微小。这是由于在仿真时采用信号发生器直接产生三角波信号，避免了通过滤波产生的三角波信号其非线性造成的误差。因此其数值是在理想状况下得到的。在实际电路中，还应考虑由于三角波发生器所生成三角波信号并不理想所产生的误差。通过调试，可得最终恒定越前时间电路参数及电路如图 3-16 所示。- 19 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）图 3-163.4 恒定越前相角电路3.4.1 频差检测原理频差检测原理可以用图 3-17 说明。恒定越前时间电路UXUG图 3-17 频差检测示意图首先选定一个角度 ，令（3-15）式中 sy允许滑差角频率；th断路器合闸时间，对于选定的断路器及其合闸回路，th 是已知的；tyq自动准同期装置恒定越前时间，tyq=th。对于确定的发电机及其断路器， 是一个确定的已知值。然后，检测发电机电压 UG 一滑查角频率 S 相对系统电压 UX 转动时走过角度 所咏的时间。走过 多用的时间长，则 S 小；时间段，则 S 大。将此用数学式表达，有- 20 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）（3-16）式中 S实际滑差角频率；t以速度 S 走过角度 所用的时间。根据式 3-16 有（3-17）式 3-17 说明：如果 t= tyq，则 S=sy；如果 ttyq，则 Ssy；t tyq，则 Ssy。这样，就将检测发电机电压和系统电压之间滑差角频率 S 大于、小于或等于 sy 的问题，变成了比较走过给定角度 所用时间 t 小于、大于或等于恒定越前时间 tyq 的问题了16。3.4.2 恒定越前相角电路设计根据上述频差检测原理，在实现频差检测是首先要做一个角度发生器，产生角度 。因为这个角度越前 =0，所以也称产生角度 的电路为恒定越前相角电路。恒定越前相角电路由运放搭成的电压比较器构成。当输入的三角波与该电压比较器阈值相等的时刻，比较器输出的电压 U 翻转。比较器的阈值由电位器 RW 整定，即恒定越前相角 A 由 RW 整定，要求整定范围约为 045。其电路如图 3-18 所示。图 3-18恒定越前相角电路- 21 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）由于要求整定范围为 045，即要求电压比较器的阈值能在 0.8751 倍的输入电压 USL之间调整。USL 约为 15V，考虑到其波动性，加入电位器 RW2，通过调整 RW2 的阻值，使输入电压和电压比较器电压的幅值相同。为了使运放输入电流不超过允许值，则可以得到RW2+RW+R1=15。由分压原理，考虑到输入电压的波动范围，可选择 RW2=1k。RW 应能有 0.125USL 的调节范围，则 RW=0.12515=1.875 k，选择与计算值最接近的标准电阻为 1.9 k。选定 RW2 和 RW 后，可得 R1=12.1 k。考虑到正反馈对电路的影响，R2=1M。通过上述论述，初步得到了恒定越前相角电路的基本参数。3.4.3 恒定越前相角电路仿真调试依照上节得到的电路参数，对初步设计的恒定越前相角电路在 Multisim 中进行仿真调试。通过信号发生器产生的三角波作为输入信号，输入电压为 15V，周期为 4s，即模拟滑查周期 TS=4s。如前所述，恒定越前相角在三角波与越前相角电压比较器的阈值想交点处产生。本电路恒定越前相角整定范围为 045，要求给定某一点时，定值误差不超过3.6。为保证次整定范围和精度，要进行调整。具体方法步骤如下：a 将整定恒定越前相角的电位器 RW 调整到 5 圈位置。滑差周期调整为 4s。b 测试此时的越前相角值 A1。调节电位器 RW2，直到把 A1 调到约 22.5。c 将 RW 分别调到 10 圈和 1 圈位置，测试相应的越前相角值 A2 和 A3。如果 A2 为453.6，A3 为 4.53.6。则调整结束；否则应当更换固定电阻 R1。A 偏大时需要增大R1 阻值，偏小时减小阻值。更换后重复上述步骤17。恒定越前相角电路波形如图 3-19 所示。- 22 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）图 3-19 恒定越前相角电路波形由图 3-19 中可以看出，恒定越前相角电路的相角由输出脉冲的宽度反应。在 Multisim中，通过测量输出波形的脉冲宽度，可以得到以以速度 S 走过角度 所用的时间 t，然后通过下式将时间换算为角度（3-18）这样就能得到恒定越前相角。然后按照前述调整步骤，对电路进行调试，最终得到得到的电路如图 3-20 所示。图 3-20 恒定越前相角电路- 23 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）使用图 3-20 所示电路，将滑差周期分别调为 4s 与 8s，在 Multisim 中进行测量，得到数据如表 3-3 所示。表 3-3 恒定越前相角测试数据RWTS1=4sTS2=8sA 平均值最大误差2 圈5 圈10 圈8.5522.3244.198.5522.3244.198.5522.3244.198.9122.2744.18.9122.2744.18.9122.2744.18.7322.29544.1450.450.230.9由上表的数据可以看出，在滑差周期 48s 范围内，恒定越前相角在给定值下的最大误差均小于 3.6，并且其值十分微小，几乎可以忽略。这是由于在仿真时，输入信号并非是由线性整步电压发生器所产生的，而是直接由信号发生器产生的，因此减少了因三角波信号不稳定造成的误差。3.5 合闸逻辑电路3.5.1 合闸逻辑电路原理合闸逻辑电路逻辑框图如图 3-21 所示。图 3-21 合闸控制逻辑框图根据逻辑框图可以看出，当并列条件检测元件测得的信号均符合允许并列时，即频率差、电压差都在允许范围内，当越前时间信号TYJ测得的瞬间，就发出合闸控制信号；当不符合并列条件时，即频率差或电压差两个条件中任一条件不符（超出允许值），它就发出闭锁信号，阻值 TYJ 信号输出，不让发出合闸信号，即不允许并列18。逻辑判别电路的关键是双稳电路，其由两个或非门组成，其逻辑图及真值表分别如图3-21 及表 3-4 所示。- 24 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）S0R0表 3-4 双稳电路真值表Q 锁存器状态不变 不变 保持RG11Q01010G2110110001不确定S1Q图 3-21 双稳电路逻辑图3.5.2 合闸逻辑电路设计与仿真根据合闸逻辑电路的原理，可得电路图如下。FUtABEGUUU图 3-22 合闸逻辑电路图根据滑差检测原理可知，当滑差 S 不合格时，Ut 先于 U 变低；当 S 合格是，Ut 后于 U 变低。Ut 和 U 动作次序上的先后，由双稳电路记忆识别19。表 3-5 给出了 S 不合格与合格两种情况下电路逻辑状态的真值表。表 3-5 合闸逻辑滑差检测部分真值表时刻UtAUBEFS 不合格S 合格Ut（先）U（后）U（先）Ut（后）001011011000001111000001- 25 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）由表 3-5 可以看出：只有在 S 合格的情况下，Ut 下降后，F 点才为“1”。如果此时电压差也是合格的，及压差闭锁信号 UU=0，则合闸逻辑电路输出 G=1，发出合闸允许信号。对上述电路在 Multisim 中进行仿真，可以得到如图 3-23 所示波形。图 3-23 合闸逻辑电路波形图阻容元件 R1、C1 的功能是“上电闭锁”，家 在装置刚接通电源时，利用电容电压不能突变的特点，短时闭锁合闸出口，防止在上电初期的过渡过程中误发合闸命令。根据电路- 26 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）结构要求其能在上电初期的 0.20.5s 内闭锁合闸出口，则可以使 R1=200k,C1=2F。3.6 合闸出口电路合闸出口电路如图 3-24 所示。图 3-24 合闸出口单元电路合闸信号通过三极管后输出。因为发光二极管的最小工作电流为 5mA，所以由可知三极管集电极电流 ICQ 应大于 5mA。为了使发光二极管满足最小工作电流的要求，可知限流电阻 R2 的阻值应该大于 15V/5mA=3k。在本电路中选择的三极管型号为 2N5551，它的放大系数 最小为 30，最大为 250，VBE=0.7V。假定选择 =60,因为输入电压 VBB15V，则根据三极管的工作原理，可知：（3-19）（3-20）这样就得到了合闸出口单元的基本电路参数。根据得到的电路参数在 Multisim 中进行调试。输入信号使用信号发生器产生，通过信号发生器产生一列电压幅值为 15v，周期为4s 的方波信号。则可得波形如图 3-26 所示。- 27 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）图 3-25 合闸出口电路仿真波形通过图 3-25 可以看出，输出波形中有一定的干扰，为了消除干扰的影响，于是在电路中加入两个电容值较小的滤波电容 C1 和 C2，使波形更为平滑。并且通过仿真调整，最后得到 R1=187k，R2=2.4k，C1 =100nF，C2=5nF。调整后合闸出口电路波形如图 3-26 所示。图 3-26 合闸出口电路波形- 28 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）通过图 3-26 可以看出，最终调整后的波形干扰较小，基本满足要求，并且观察到出口继电器和发光二极管也能可靠动作。因此满足设计要求。- 29 -华北电力大学科技学院毕业设计（论文）结论通过对本课题的研究，最终得到的模拟式自动准同期装置合闸控制单元电路，基本符合设计要求。本电路采用集成元件，原理电路图简洁清晰，可观性强，具有一定的实际应用价值。并且通过在 Multisim 上的仿真，观察其电
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