机组自动发电控制系统设计

a

辽宁工业大学

电力系统自动化课程设计（论文）

题目:机组自动发电控制系统设计（3）

院（系）：电气工程学院

专业班级：电气m

学号：

学生姓名：

指导教师：

起止时间：

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课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院教研室：电气工程及其自动化

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a

电气

学号110303011学生姓名左钮专业班级

111

课程设计

机组自动发电控制系统设计（3）

题目

基本参数：

1.发电厂有三机组，一号机组功率为250MW,二号机组功率为200MW,三号

课机组功率为150MW,功率因数均为0.8。

程2.有功功率调差系数为0.08。

设3.负荷频率调节效应系数（有功功率）为2。

计4.各发电机均以85%负荷运行。

(设计要求

论

1.阐述发电机有功频率调节的基本原理。

文

)2.系统负荷一定和变化时，分析机组有功功率调差系数和负荷频率调节效应系数

任对功率分配的影响，推导有功功率分配的公式。

务3.确定合适的方案，使负荷变化时，机组的有功功率按各自的额定功率合理分配°

4.采用单片机，设计某台机组的自动发电控制系统，实现机组功率的合理分配。

5.对设计进行分析总结。

1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统设计要求。（1天）

2、阐述发电机有功频率调节和自动发电的基本原理和实现方法。（1天）

进3、推导有功功率分配的公式，确定机组有功功率分配方案（2天）

度

4、自动发电控制系统总体方案设计。（1天）

计

5、系统硬件电路设计。。天）

划

6、系统软件设计（2天）

7、撰写、打印设计说明书（1天）

指

导

教

绩

师

评平时：______论文质量：______答辩：______

语

及总成绩：__________指导教师签字：___________

成

年月日

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a

注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

自动发电控制系统的任务是根据电网的实时信息及时合理地进行发电调整,

将系统频率、联络线功率保持在计划值（或额定值）允许的偏差范围内，保证时差、

联络线交换电能偏差为零或在规定的范围内控制全网以最经济的方式运行，并对

电网负荷的波动作出最快的响应.自动发电控制系统是提高电网运行质量、满足现

代电网调度管理要求的必备技术手段。

本次设计采用的是AT89C51单片机以及AGC控制系统，并以SCADA为

平台完成设计。设计中分析了AGC的控制原理以及AGC和相关软件的配合原理,

叙述了AT89c51的弓|脚功能和AT89c51的控制原理，通过对AT89c51最小

系统的设计，时钟电路及复位电路的设计，实现了自动控制系统的设计。

关键词：自动发电控制、功率调节、发电机组；

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目录

第1章绪论...........................................................1

1.1自动发电控制概述..............................................1

1.2本文主要内容..................................................3

第2章机组并联运行有功功率分配计算..................................4

2.1机组有功功率频率控制及自动发电的基本原理.....................4

2.1.1机组有功功率频率控制........................................4

2.1.2自动发电的基本原理...........................................5

2.2负荷变化时的功率分配计算......................................6

第3章自动发电控制硬件设计...........................................8

3.1开关量输入输出通道............................................8

3.1.1开关量输入通道..............................................8

3.1.2开关量输出通道..............................................9

3.2直流稳压电源设计.............................................10

3.3复位甩路设计..................................................10

3.4时钟电路设计..................................................11

3.589c51单片机最小系统设计....................................12

3.6自动发电总体设计方案.........................................13

第4章AT89c51软件设计...........................................15

4.1软件功能.....................................................15

4.2软件流程图...................................................15

4.3软件流程图设计...................................................16

第5章课程设计总结...................................................17

参考文献..............................................................18

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第1章绪论

1.1自动发电控制概述

自动发电控制着重解决电力系统在运行中的频率调节和负荷分配问题，以及

与相邻电力系统间按计划进行功率交换。电力系统的供电频率是系统正常运行的

主要参数之一。系统电源的总输出功率与包括电力负荷在内的功率消耗相平衡时，

供电频率保持恒定；若总输出功率与总功率消耗之间失去平衡时，频率就发生波动,

严重时会出现频率崩溃。电力系统的负荷是不断变化的，这种变化有时会引起系

统功率不平衡，导致频率波动。要保证电能的质量，就必须对电力系统频率进行

监视和调整。当频率偏离额定值后，调节发电机的出力以使电力系统的有功功率

达到新的平衡，从而使频率能维持在允许范围之内。所以，自动发电控制是通过

对供电频率的监测、调整实现的。

一、AGC的任务

在联合电力系统中，AGC是以区域系统为单位，各自对本区内的发电机的出

力进行控制。它的任务可以归纳为如下三项：

(1)维持系统频率为额定值，在正常稳态运行工况下，其允许频率偏差在

正负(0.05——0.2)Hz之间，视系统容量大小而定。

(2)控制本地区与其他区间联络线上的交换功率为协议规定的数值，

(3)在满足系统安全性约束条件下，对发电量实行经济调度控制EDC。

二、AGC的基本功能

在正常系统运行状态下，AGC的功能如下：

1、使发电自动跟踪电力系统负荷变化。

2、影响负荷和发电的随机变化，维持电力系统为额定值(30Hz)

3、在各区域间分配系统发电功率，维持区域间净交换功率为计划值。

4、对周期性负荷变化按发电计划调整发电功率。

5、监事和调整备用容量，满足电力系统要求。

三、AGC的一般过程

通过电力系统调度中心的通信系统，AGC获取各发电机发出的功率、各联络

线传输功率以及系统频率信息，并向各个发电厂甚至是发电机发布响应的控制信

号。当系统中出现频率或频率的偏差时，可以通过测量和计算确定区域控制偏差，

a

a

获得进行系统时所需要增减的功率总值。再将这些需要增加难度功率总值分配给

区域或子系统中各调节电厂和调节机组。在进行机组功率分

a

a

配的时候，如果采用等耗量微增率法则来分配各各机组承担的功率增减，这

就是所谓经济调度计算。当系统中用户的负荷增加时，初始的负荷增量由释放汽

轮发电机组的动能来提供。即整个系统频率开始下降。于是系统中所有的调速器

开始响应，并使频率在几秒内实现大幅提高，即一次调频。二次调频由AGC实

现。

发电基点功率与负荷预测，机组经济组合。水电计划及交换功率计划有关，

担负主要调峰任务，这就是所谓的二次调整°

四、AGC与其他应用软件的关系

AGC在例如发点计划、负荷预测、机组组合、水电计划、交换机化、状态估

计、安全约束调度和优潮流等应用软件下工作。此外，AGC的实现与系统调度员

和发电厂调度员有着密切的关系。如图1.1所示，系统负荷预测、机组组合、水

电计划和交换计划均与发电计划协调，并经过发电计划与AGC相联系。这种联

系一种是按负荷曲线以周期性的形式实现，一种是计划外的负荷变动的消化。

AGC所需要的负荷预测不仅是短期的，还需要预测超短期的,尤其在生负荷阶段口

图1.1AGC在其他软件卜.支持工作

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1.2本文主要内容

本文阐述发电机有功频率调节的基本原理，分析了系统负荷变化时机组有功

功率调差系数和负荷频率调节效应系数对功率分配的影响，并推出相关有功功率

的分配公式。本次设计采用的是AT89c51单片机以及AGC控制系统。设计中

分析了AGC的任务功能和控制原理以及AGC和相关软件的配合原理，叙述了

AT89C51的弓|脚功能和AT89c51的原理作用，通过对时钟电路及复位电路的

设计以及对AT89c51最小系统的设计,完成发电机组自动发电控制系统的设计。

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第2章机组并联运行有功功率分配计算

2.1机组有功功率频率控制及自动发电的基本原理

2.1.1机组有功功率频率控制

当电力系统负荷发生变化引起系统频率变化时，系统内并联运行机组的凋速

器会根据电力系统频率变化自动调节进入它所控制的原动机的功力元素，改变输

入原动机的功率，使系统频率维持在某一值运行，这就是电力系统频率的一次调

整，也称为一次调频。一次调频是电力系统内并联运行机组的调速器在没有手动

和自动调频装置参与调节的情况F,自动调节原动机的输入功率与系统负衙功率

变化相平衡来维持电力系统频率的一种自动调节。

电力系统负荷是不断变化的，而原动机输入功率的改变则比较缓慢，因此系

统中频率的波动是难免的。系统负荷不同分量及对应的频率调整方法如下：

(1)随机分量一变化周期小于10s-利用发电机组上装设的调速器来控制和

调整原动机的输入功率，以维持系统的频率水平，成为一次调频。

(2)脉动分量一变化周期在10s-3min之间一此负荷引起的频率偏移较大，

仅仅靠调速器的控制作用往往不能将频率偏移限制在允许范围之内，这是必须加

调频器参与控制和调整，这种调整称为二次调频。

(3)持续分量一变化十分缓慢一可进行负荷预测

频率是电能质量的重要指标之一，负荷变动将会导致有功功率的不平衡，其

变化过程为：负荷变化一发电机转速变化一频率变化一负荷的调节效应一新频率

达到平衡。电力系统的二次调节：由于发电机组一次调节实行的是频率有差调节，

因此，『期的频率二次调节，是通过控制调速系统的同步电机，改变发电机组的

调差特性曲线的位置，实现频率的无差调整。但未实现对火力发电机组的燃烧系

统的控制，为使原动机的功率与负荷功率保持平衡，需要依靠人工调整原动机功

率的基准值，达到改变原动机功率的目的。随着科学技术的进步，火力发电机组

普遍采用了协调的控制系统，由自动控制来代替人工进行此类操作。在现代化电

力系统中，各控制区则采用集中的计算机控制。这就是电力系统频率的二次调节，

即自动发电控制(AGC)。

(1)作用：第一，响应时间较慢，能有效地调整分钟级及更长周期的负荷

波动；第二，实现频率的无差调整。

(2)特点：第一，采用的调整方式对系统频率是无差的；第二，响应比较

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慢，一般需要1-2分钟；第三，对机组管理往往是比例分配，是发电机组偏离经

济运行点。

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综上所述保证输电系统的频率对于单个用户和发电厂都有重要的意义。电力

系统的稳定和安全需要频率的一次调整和二次调整。一次调整靠调速器完成。二

次调整由系统中的调频机组实现，通过调频器控制。既可为有差调节，也可以做

到无差调节。选择的调频厂有主调频厂和辅助调频厂之分并且满足：第一，具有

足够的容量。第二，具有较快的调整速度。第三，调整范围内的经济性好

2.1.2自动发电的基本原理

ACE称为区域内控制误差，用来根据系统频率偏差以及输电线路功率偏差来

确定控制信号；负荷分配器根据输入的控制信号大小并且根据等微增率准则或其

他原则来控制各台发电机输出功率的大小。

自动发电控制系统包括两大部分：

(1)负荷分配器。根据电力系统频率和其他有关测量信号，按照一定的调节

控制准则确定各发电机组的最佳设定输出功率。

(2)发电机组控制器。根据负荷分配器所确定的各发电机组最佳输出功率，

控制调速器的调节特性，使发电机组在电力系统额定频率下所发出的实际功率与

设定的输出功率相一致。

自动发电控制系统中的负荷分配配齐使根据所测量的发电机实际输出功率和

频率偏差等信号按照一定的准则分配各台发电机蛆输出功率。决定各台发电机组

设定的功率匕的负荷分配器，目前广泛采用以“基点经济功率以”和“分配系数

见”来表示每台发电机组的输出功率的方法，即每台发电机组的设定调整功率按

以下公式分配：

匕=以•+%(£&+以)(2-1)

i=ii=i

式中匕一各台发电机组的设定调整功率分—每台发电机的实际输出功率

以一各台发电机的基点经济功率；/--分配系数

也就是说，系统各台发电机组的设定功率，取决于系统发电机组总的实际输出之和

每日台发电机组的基点经济功率也，以及系统频率偏差和功率偏差(AEC)。偏差

越大，各大电机组的设定调整功率的变动就越大。当频率偏差和功率偏差趋于零

时，AGC系统发电机组总的设定调整功率就与发电机总的实际输出功率相等。分

配到每台发电机组的设定功率值则有分配系数七来决定。这种方法把自动调频与

经济功率分配联系起来了。其中以和火的值可以在每次经济分配计算时加以修

正。

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2.2负荷变化时的功率分配计算

(1)发电厂有三机组，一号机组功率为250MW,二号机组功率为200MW,

三号机组功率为150MW,功率因数均为0.8。

(2)有功功率调差系数为0.08。

(3)负荷频率调节效应系数(有功功率)为2o

(4)各发电机均以85%负荷运行

系统负荷增加时，经过频率的一次调整，频率由人降为力，由发电机组的静态调

节公式：瓦△七.+=0,(2-2)

可得出：襄噜

(2-3)

表明并列运行的发电机组之间的功率分配与调差系数成发比关系(标幺值)，与单

位调节功率成正比。实际运行的发电机组的调速器均为有差调节，由其共同承担

负荷的波动。

设系统由n台机组运行，则连理调解方程式：

(1)有铭值

(2-4)

1=1r=l5

按照调差系数的定义，可定义等效发电机组的调差系数为;

(2-5)

大!)

1=12

等效发电机组的单位调节功率为：

七十££)=£七(2-6)

%/=1°G

这样系统的三台发电机组同样可以当做单独一台发电机对待，满足调节公式。

同时，考虑负荷调节效应后，全系统负荷的变化量为：

=△£—bPL=-KGN=一(七+KLW(2-7)

物理意义：表示全系统的频率没变化1Hz时，其调节的负荷有功功率大小。

(2)标幺值：

由于标幺值的基准是不一致的，故采用标幺值要涉及基准值的转换。

发电机组：以自身的额定容量为七。

负荷：以额定负荷容量为基准匕.

a

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全系统：以负荷额定容量为基准以

a

a

等效发电机组的单位调节功率：

3-鲁工(右窄)(2-8)

J/*i=lGe

这样可以算出发电出力以及负荷调节效应后的实际功率。

根据任务书给的参数可进行以下计算：P=P1+P2+P3=250+200+150=500W

将标幺值化为有名值，等效发电机的单位调节功率为：

勺=%*/)=500/(0.05*50)=200(MW/"z)

假设系统的额定负荷为500MW荷的调方效应系数为：

K,=P^K,Jfe=500*2/50=20(AW//fc)

当负荷增加2OOMW时，频率变化量为：

\f=—AP/(KG+K/)=-200/(200+20)=-0.9(Hz)

系统频率为：/=£+△f=5。-69=49.l(Hz)

等效发电机组发出的功率增加量为：

\PG=-V*KG=0.9*200=180MW

系统的实际负荷为：

PL=《，+△%=500+180=680MW

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第3章自动发电控制硬件设计

3.1开关量输入输出通道

为了实现计算机对生产过程或装置的控制，需要将对象的各种测量参数按要

求的方式送入计算机，经计算机运算处理后的数字信号也要变换成适合于对生产

过程或装置进行控制的形式。因此，在计算机和生产过程之间必须设置信息传递

和变换的装置，这种装龙就称为开关量输入输出通道。如图3.1为开关量输入输

出通道结构图。

数

据

缓

冲

、

微

地

型设

址

计备

译

算

码

机

、

控

制

逻

辑

图3.1开关量输入输出结构图

3.1.1开关量输入通道

开关量输入电路如图3.2:

图3.2开关量输入电路

a

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最常用的是利用光耦合器作为开关量输入计算机的隔离器件,其简单接线原

理图如图3.2,当有输出信号时，开关S闭合，二极管导通，发出光束，使光敏

三极管饱和导通，于是输出端U表示出低电位。在光电耦合器件中，信息的传递

介质为光，但输入输出都是电信号，由于信息的传递和转换的过程都是在密闭环

境下进行，没有电的直接联系，它不受电磁信号的干扰，所以隔离信号比较好。

+18V

光耦合器

图3.2光电耦合器接线原理图

3.1.2开关量输出通道

为了提高干扰能力，开关量输出通道最好也经过一级光电隔离，如图3.2所示。

只要通过软件使并行口的PBO输出“0”,PB1输出“1”，便可使与非门DAN1输

出低电平，光敏三极管导通，继电器K被吸合。

在初始化和需要继电器K返回时，应该使PB0输出“1”，PB1输出“0”。

没置反相器DN1及与非门DAN1而不将发光二极管直接与并行口连接，一方面是

并行口带负荷能力有限，不足以驱动发光二极管；另一方面是因为采用与非门后

要满足两个条件才能使继电器K动作，增加饿了抗干扰能力。

a

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图3.2装置开关输出回路接线图

3.2直流稳压电源i

电源电路设计的要求是将220V交流电转化为5V的直流电，如图3,3所示

变压器将220V交流电变换成12V交流电，经过整流桥又变换为12V的直流电,

三断集成稳压器W7805的作用是将12V的直流电转化成5V的直流电，图中的

4个电容是滤波电容。

集成串联型稳压电路有三个脚，分别为输入端、输出端和公共端，因此称为

三端稳压器。按功能分为固定式和可调节式稳压电路；前者输出地电压不能进行

调节，为固定值；后者可通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围。本设计

中使用的W7805三端稳压器为固定式稳压器，型号最后两位数为输出电压值，

所以W7805的输出电压为+5V。

图3.3白:流稳压电源

三端稳压电器具有体积小、重量轻、性能好、成本低、可靠性好和使用方便

等特点。+5V

当输出电压U。因某种原因（如电网电压的波动和负载的变化）而增大时，内

部比较放大电路的反相器输入端电位随之升高，使得放大电路输出端电位下降，

使得U。随之减小：当输出电压减小时，各部分的变化与上述过程相反：因而能够

得到稳定的输出电压。

3.3复位电路设计

复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，

并从这上状态开始工作，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出现

错误或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位电路以重新

a

a

启动。

a

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复位电路包括上电复位，按键电平复位，按键脉冲复位。本设计中采用按键

电平复位。按键电平复位是通过是复位端经过电阻与VCC电源接通而实现的，

如图3.4

SW-PB

200

RES2

:22()uF

R13S2

图3.4按键电平复位电路

复位信号及其产生：RST引脚是复位信号的输入端，复位信号时高电平有效,

其有效时间持续24个振荡脉冲周期（即2个机器周期）以上，若使用频率为

12MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过2us才能完成复位操作。整个复位

电路包括片内外两部分，外部电路产生的复位电路送施密特触发器，再由片内复

位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样。然后才得

到内部复位操作所需要的信号。

3.4时钟电路设计

时钟电路由一个晶体振荡器12MHz和两个30pF的瓷片电容组成。时钟电

路产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间

的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式

的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格工作。

单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1,输

出端为引脚XTAL2,在芯片外部通过两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成

反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器，如图3.5

a

a

VCC

O

JI~~f~CXTAL>

30pf|

•——h2M

C3T

-||~~~<"XTAL>

图3.5时钟电路

3.589C51单片机最小系统设计

(1)XTALl:接外部晶体和微调电容的一端。在89c51片内，它是振荡

电路反向放大器的输入端及内部时钟发生器的输入端，振荡电路的频率就是晶体

的固有频率。当采用外部振荡器是次引脚输入外部时钟脉冲。

(2)XTAL2：解外部晶体和微调电容的另一端。在89c51片内，它是振

荡电路反向放大器的输出端。在采用外部振荡器时此引脚应悬浮。通过示波器查

看XTAL2端是否有脉冲信号输出，可以确认89C51的振荡电路是否正常工作。

(3)RST：复位信号输入端，高电平有效。当振荡器工作时，在此引脚上

出现两个机器周期一上的高电平，就可以使单片机复位。

(4)ALE/PROG:地址锁存允许信号cALE锁存P0口传送的低8位地

址信号，实现低8位地址与数据的分离。

(5)PESN:外部程序存储器的读选通信号。当89c51由外部程序存储器

取指令(或常数)时，每个机器周期内砺灯两次有效输出。

(6)EA/VPP:ft,外ROM选择端。当直端接高电平时，CPU访问并

执行内部ROM的指令；但当PC值超过4KB时，将自动转去执行外部ROM中

的程序。砺端接低电平时，CPU只访问外部ROM中的指令。

(7)P0口：双向8位三态I/O口，在访问外部存储器时，可分时用做低8

位地址线和8位数据线。无上拉电阻，能驱动8个LSTTL门电路。

P1口：8位双向I/O口，用做普通I/O口。有上拉电阻，能驱动4

个LSTTL门电路。

P2口：8位双向I/O口，做高8位地址线。有上拉电阻，能驱动4个

LSTTL门电路。

P3口：8位双向I/O口，具有第二功能。有上拉电阻，能驱动4个

LSTTL门电路。

a

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89C51单片机的最小系统接线图如图3.6

SI

A?

1>1.0VCC40

2、1.0PO.O3Q

3>1.2PO.13X

4>1.3PO.237

5>1.4PO.33G

C、1.5PO.435

7>1.6PO.534

8、1.7PO.633

94ESETPO.732

1()>3.0EA/VPP31

11>3.1ALEQG30

12,3.2PSEN29

13,3.3P2.728

14>3.4P2.627

15>3.5P、Q26

16P2.425

>3.7P2.324

18XTAU2P2.223

19XTALIP2.122

20P2.O21

图3.6单片机最小系统

3.6自动发电总体设计方案

自动发电控制系统是利用调度监控计算机、通道、远方终端、执行（分配）

装置、发电机组自动化装置等组成的闭环控制系统，监测、调整电力系统的频率，

以控制发电机出力。它是电力系统调度自动化的主要内容之一。

自动发电控制系统是并网发电厂提供的有偿辅助服务之一，发电机组在规定

的出力调整范围内，跟踪电力调度交易机构下发的指令，按照一定调节速率实时

调整发电出力，以满足电力系统频率和联络功率控制要求的服务。或者说，自动

发电控制（AGC）对电网部分机组出力进行二次调整，以满足控制目标要求;其基本

功能为：负荷频率控制（LFC）,经济调度控制（EDC）,备用容量监视（RM）,

AGC性能监视（AGCPM）,联络线偏差控制（TBC）等；以达到其基本的目标：

保证发电出力与负荷平衡，保证系统频率为额定值，使净区域联络线潮流与计划

相等，最小区域化运行成本。

自动发电控制着重解决电力系统在运行中的频率调节和负荷分配问题，以及

与相邻电力系统间按计划进行功率交换。电力系统的供电频率是系统正常运行的

主要参数之一。系统电源的总输出功率与包括电力负荷在内的功率消耗相平衡时，

供电频率保持恒定；若总输出功率与总功率消耗之间失去平衡时，频率就发生波动,

严重时会出现频率崩溃。电力系统的负荷是不断变化的，这种变化有时会引起系

统功率不平衡，导致频率波动。要保证电能的质量，就必须对电力系统频率进行

a

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监视和调整。当频率偏离额定值后，调节发电机的出力以使电力系统的有功功率

达到新的平衡，从而使频率能维持在允许范围之内。所以，自动发电控制是通过

对供电频率的监测、调整实现的。

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本次设计采用AGC自动发电控制系统和SCADA平台实现自动发电控制，

如图4.7通过时钟电路和复位电路给AT89C51发出负荷功率的变化信息，

AT89C51根据软件事先预设的控制要求并结合发电机组反馈来的信息发出控制

信号，经过D/A转换转换为模拟量给AGC控制系统，最终实现对发电机的自动

发电控制。

当SCADA传来负荷改变的实时信息时，经过A/D转换器，将信号传给单

片机AT89c51c然后单片机AT89c51经过程序，将信号经过D/A转换器传给

AGC,最后通过AGC区域控制模块，将区域控制设定功率与区域当前的发电功

率相比较，按照AGC程序设定的控制参数，重新分配各电厂控制器的目标功率。

图3.7自动发电系统控制框图

a

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第4章AT89c51软件设计

4.1软件功能

当发电机组1的负荷改变时，SCADA经过A/D向单片机AT89c51