性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

發(fā)電機(jī)組并列準(zhǔn)同期裝置的特點(diǎn)和逆功率調(diào)整

 

摘要∶我國(guó)是世界上微機(jī)準(zhǔn)同期裝置最早研制的國(guó)家之一，同期裝置能自動(dòng)地調(diào)整頻率，至于電壓調(diào)整，有些裝置能自動(dòng)地進(jìn)行，也有一些裝置沒(méi)有電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，需要靠發(fā)電機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置或由運(yùn)行人員手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)同期條件滿足后，同期裝置能選擇合適的時(shí)機(jī)自動(dòng)地發(fā)出合閘脈沖?？得魉构驹诒疚暮?jiǎn)要介紹同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)準(zhǔn)同期并列基本原理，并說(shuō)明了同期并列的基本基本條件，以及微機(jī)型自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的功能和發(fā)展歷程等內(nèi)容。

 

一、準(zhǔn)同期裝置的發(fā)展

 

      電力系統(tǒng)中的同期并列方式主要有自同期并列和準(zhǔn)同期并列兩種，其中自同期并列主要用于發(fā)電機(jī)組，作為處理系統(tǒng)事故的重要措施之一。但是由于自同期的使用不可避免地會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊電流并伴隨母線電的下降，因此所使用的場(chǎng)合不多，相反應(yīng)用最廣泛的是準(zhǔn)同期并列。

（1）第一代準(zhǔn)同期裝置

      在二十世紀(jì)六十年代以前，我國(guó)大多采用“旋轉(zhuǎn)燈光法”進(jìn)行準(zhǔn)同期并列操作。這是最原始的準(zhǔn)同期方法。后來(lái)改用指針式電磁繞組的整步表構(gòu)成的手動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。這種方法仍然應(yīng)用在常規(guī)的設(shè)計(jì)中。

（2）第二代準(zhǔn)同期裝置

      以zz03和ZZQS為代表的模擬式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。它用分立晶體管元件搭建硬件電路，對(duì)同期條件進(jìn)行檢測(cè)和處理。ZZQ 3和ZZQS自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的出現(xiàn)，極大的提高了并網(wǎng)速度和可靠性，但由于模擬式同期裝置用模擬電子元件擬合，必然帶來(lái)諸如導(dǎo)前時(shí)間不穩(wěn)定、阻容電路作為微分電路的條件約束、構(gòu)成裝置元器件參數(shù)漂移不穩(wěn)定等問(wèn)題。模擬式的同期裝置合閘準(zhǔn)確度比較低，它無(wú)法指示裝置的運(yùn)行狀態(tài)，不能進(jìn)行故障自檢等，現(xiàn)在已經(jīng)基本被淘汰。

（3）第三代準(zhǔn)同期裝置

      采用微機(jī)式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，微處理器的誕生對(duì)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置技術(shù)指標(biāo)的提升產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，深圳市智能設(shè)備開(kāi)發(fā)有限公司研制的SID·2系列多功能微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置比較具有代表性。它是我國(guó)最早從事微機(jī)準(zhǔn)同期控制器研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的企業(yè)之一，相繼推出了QSA型、SID.1型、SID.2型、SID-2V系列發(fā)電機(jī)用微機(jī)準(zhǔn)同期控制器及SID.2T系列線路用微機(jī)準(zhǔn)同期控制器，具有高精度、高可靠性、人機(jī)界面友好、操作方便、接線簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。在提高并網(wǎng)速度和可靠性的同時(shí)，大大提高了合閘準(zhǔn)確度。

 

二、微機(jī)準(zhǔn)同期裝置的特點(diǎn)

 

1、頻差、相角差鑒別電路

      頻差、相角差鑒別電路用以從外界輸入裝置的兩側(cè)電壓互感器二次電壓中提取與頻率和相角差有關(guān)的量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)同期三要素中頻差及相角差的檢查，以確定是否符合同期條件。來(lái)自并列點(diǎn)斷路器兩側(cè)TVs及TVG的二次電壓經(jīng)過(guò)隔離電路后通過(guò)相敏電路將正弦波轉(zhuǎn)化為相同頻率的矩形波，通過(guò)對(duì)矩形波電壓的過(guò)零檢測(cè)，即可得出待并發(fā)電機(jī)側(cè)及運(yùn)行系統(tǒng)側(cè)的頻率fs、 fc的信息，進(jìn)而就不難獲得頻差fD、角頻率差WD。

2、壓差鑒別電路

      壓差鑒別電路用以從外部輸入裝置的TVs及TVG兩電壓互感器二次側(cè)電壓中提取電壓有效值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)同期三要素中壓差的檢查，以確定是否符合同期條件。如不符合同期條件，則根據(jù)壓差的大小和極性進(jìn)行均壓控制。

3、輸入電路

      自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的輸入信號(hào)除并列點(diǎn)兩側(cè)的TV二次電壓外還要輸入如下開(kāi)關(guān)量信號(hào)∶

① 并列點(diǎn)選擇信號(hào)。

      自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置不論是單機(jī)型還是多機(jī)型，其參數(shù)存儲(chǔ)器中都要預(yù)先存放好各臺(tái)發(fā)電機(jī)的同期參數(shù)整定值，例如導(dǎo)前時(shí)間、允許頻差、允許壓差、均頻控制系數(shù)、均壓控制系數(shù)等。在確定即將執(zhí)行并網(wǎng)的并列點(diǎn)后，首先要通過(guò)控制臺(tái)上每個(gè)并列點(diǎn)的同期開(kāi)關(guān)（或由上位機(jī)控制的相應(yīng)繼電器）從同期裝置的并列點(diǎn)選擇輸入端送入一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，這樣同期裝置接入后（或復(fù)位后）即會(huì)調(diào)出相應(yīng)的整定值，進(jìn)行并網(wǎng)條件檢測(cè)。裝置可供多臺(tái)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)共用，但每次只能為一臺(tái)發(fā)電機(jī)服務(wù)。如同時(shí)給同期裝置的并列點(diǎn)選擇輸入端送上一個(gè)以上的開(kāi)關(guān)量信號(hào)時(shí)，裝置將會(huì)給出并列點(diǎn)大于或等于2的出錯(cuò)信息。

② 斷路器輔助節(jié)點(diǎn)信號(hào)。

      并列點(diǎn)斷路器輔助節(jié)點(diǎn)是用米實(shí)時(shí)測(cè)量斷路器合閘時(shí)間（含中間繼電器動(dòng)作時(shí)間）的。同期裝置的導(dǎo)前時(shí)間整定值越是接近斷路器的實(shí)際合閘時(shí)間，并網(wǎng)時(shí)的相角差就越小。這也是為什么要實(shí)測(cè)斷路器合閘時(shí)間的理由。在同期裝置發(fā)出合閘命令的同時(shí)，即啟動(dòng)內(nèi)部的一個(gè)毫秒計(jì)時(shí)器，直到裝置回收到斷路器輔助節(jié)點(diǎn)的變位信號(hào)后停止計(jì)時(shí)，這個(gè)計(jì)時(shí)值即為斷路器合閘時(shí)間。應(yīng)該指出斷路器主觸頭的動(dòng)作不一定和輔助節(jié)點(diǎn)同步，因此這種測(cè)量合閘時(shí)間的方法是存在誤差的。彌補(bǔ)的方法是由錄波器在并網(wǎng)時(shí)通過(guò)記錄脈振電壓及同期裝置合閘繼電器節(jié)點(diǎn)動(dòng)作的波形圖，得到斷路器精確合閘時(shí)間，與由輔助節(jié)點(diǎn)測(cè)出的合閘時(shí)間的差值在軟件上進(jìn)行修正。也可通過(guò)同期瞬間并列點(diǎn)兩側(cè)電壓的突變這一信息精確計(jì)算出斷路器合閘時(shí)間。

③ 遠(yuǎn)方復(fù)位信號(hào)。

      “復(fù)位”是使微機(jī)從頭再執(zhí)行程序的一項(xiàng)操作，同期裝置在自檢或工作過(guò)程中如果出現(xiàn)硬件、軟件問(wèn)題或受干擾都可能導(dǎo)致出錯(cuò)或死機(jī)。此時(shí)可通過(guò)按一下裝置面板上的復(fù)位按鈕或設(shè)在控制臺(tái)上的遠(yuǎn)方復(fù)位按鈕使裝置復(fù)位，復(fù)位后裝置可能又正常工作了，也可能仍舊顯示出錯(cuò)或死機(jī)。前者說(shuō)明是裝置受短暫的千擾，而本身無(wú)故障，后者則是裝置有故障應(yīng)檢查。④面板的按鍵。同期裝置面板上裝有若千按鍵，這些按鍵也是開(kāi)關(guān)量形式的輸入量，與前述輸入開(kāi)關(guān)量不同的不是由裝置對(duì)外的插座輸入，而是由裝置面板直接輸入到并行輸入接口電路。

4、輸出電路

     微機(jī)型自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置輸出電路分為四類，第一類是控制類，實(shí)現(xiàn)同期裝置對(duì)發(fā)電機(jī)組的均壓、均頻和合閘控制。第二類是信號(hào)類，裝置異?；螂娫聪?/span>報(bào)替。第三類是錄波類，對(duì)外提供反應(yīng)同期過(guò)程的電量進(jìn)行錄波。第四類是顯示類，供使用人員監(jiān)視裝置工況，實(shí)時(shí)參數(shù)，整定值及異常情況等提示信息?？刂泼钣杉铀佟p速、升壓、降壓、合閘、同期閉鎖等繼電器執(zhí)行。裝置異常及失電信號(hào)也是由繼電器發(fā)出，同期裝置的任何軟件和硬件故障都將啟動(dòng)報(bào)警繼電器動(dòng)作，觸發(fā)中央音響信號(hào)，具體故障類別同時(shí)在同期裝置的顯示器上顯示。

5、基本功能

       微機(jī)型自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置如圖1所示，工作流程如圖2所示。

（1）能適應(yīng)TV的不同相別和電壓值；

（2）應(yīng)有良好的均頻與均壓控制品質(zhì)；

（3）應(yīng)確保在相角差為零度時(shí)并網(wǎng)；

（4）應(yīng)不失時(shí)機(jī)的捕獲第一次出現(xiàn)的同期時(shí)機(jī)；

（5）應(yīng)具備低壓和高壓閉鎖功能

（6）應(yīng)能及時(shí)消除同步過(guò)程中的同頻狀態(tài)；

（7）應(yīng)具備接入發(fā)電廠分布式控制系統(tǒng)（DCS）和變電所微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（SN CS）的通信功能；

（8）應(yīng)能自動(dòng)在線測(cè)量并列點(diǎn)斷路器合閘回路動(dòng)作時(shí)間；

（9）應(yīng)賦予更多便于設(shè)計(jì)和使用的功能例如∶

① 自動(dòng)轉(zhuǎn)角功能；

② 復(fù)合同期表功能∶

③ 調(diào)試校驗(yàn)功能∶

④ 提供錄波的相關(guān)電量。

 

圖1  發(fā)電機(jī)組雙微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期控制柜

圖2  微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置工作流程圖

 

 

三、同期參數(shù)的測(cè)量

 

1、交流電壓有效值的測(cè)量

      交流電壓有效值的測(cè)量有兩種方法∶一種最簡(jiǎn)化的辦法是采用變送器把交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓（其有效值），然后由A/D接口電路進(jìn)入主機(jī)；另一種是對(duì)交流電壓接采樣，然后通過(guò)計(jì)算求得其有效值。準(zhǔn)同期裝置數(shù)據(jù)采集電路如圖3所示。

（1）直流采樣

      直流采樣采用電量變送器把交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓（其有效值），然后經(jīng)A/D接口電路進(jìn)入主機(jī)，主機(jī)讀出的數(shù)值直接反映了所測(cè)變量之值。這種方法容易實(shí)現(xiàn)，也可保證足夠精度，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)的采集。

（2）交流采樣

      對(duì)于一個(gè)周期信號(hào)f（t）=f（t+T），在滿足一定條件下可以展開(kāi)為富氏級(jí)數(shù)。

2、頻率的測(cè)量

      頻率是電力系統(tǒng)的重要參數(shù)。電力系統(tǒng)的頻率一方面是自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置以頻率或頻差作為合閘判據(jù)，另一方面在對(duì)交流電壓信號(hào)進(jìn)行同步采樣時(shí)，需要實(shí)時(shí)跟蹤電力系統(tǒng)的頻率。目前，頻率測(cè)量的方法主要有兩種∶以硬件電路為主的硬件測(cè)量法和基于交流采樣值處理的軟件測(cè)量法。

（1）頻率的硬件側(cè)量方法

      首先用前置低通濾波器濾除電壓信號(hào)中的諧波分量，以避免測(cè)量結(jié)果受諧波的影響。電壓比較器將正弦波信號(hào)變換成同頻率的方波信號(hào)，在方波信號(hào)的兩個(gè)相鄰下降沿，CPU通過(guò)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器來(lái)求取電壓信號(hào)周期，以此得到系統(tǒng)的頻率值。硬件測(cè)量法的實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，計(jì)算機(jī)計(jì)算量小。然而，它存在一些缺陷∶

① 諧波分量會(huì)給測(cè)量造成影響；

② 需占用微處理器外部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，而大多數(shù)微處理器（如單片機(jī)）的外部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器是很少的。

      盡管如此，在電力系統(tǒng)的應(yīng)用中，大多專門設(shè)置了測(cè)頻電路，并采用硬件測(cè)頻方法測(cè)量頻率。

（2）頻率的軟件測(cè)量方法

      軟件測(cè)頻方法不需要專用的硬件測(cè)頻電路，通過(guò)對(duì)交流采樣值的分析和計(jì)算，采用一定的算法來(lái)求取系統(tǒng)頻率。軟件測(cè)頻方法有很多，歸納起來(lái)有以下幾種∶

① 周期法

      原始的周期法（或稱零交法）通過(guò)測(cè)量信號(hào)波形相繼過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間寬度來(lái)計(jì)算頻率，其原理與硬件測(cè)頻法相同。該方法物理概念清晰、易于實(shí)現(xiàn)，但精度低，受諧波、噪聲和非周期分量的影響，實(shí)時(shí)性不好。對(duì)它的改進(jìn)主要是為了提高測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性，典型的改進(jìn)算法有水平交（levelc rossing）算法、高次修正函數(shù)法和最小二乘多項(xiàng)式曲線擬合法，它們以增加計(jì)算量和復(fù)雜度來(lái)提高算法的精度和響應(yīng)速度（原始的周期算法的時(shí)延決定于信號(hào)特征而非計(jì)算量），這在一定程度上喪失了原有算法的簡(jiǎn)明性。

② 解析法

      對(duì)信號(hào)觀測(cè)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，將待測(cè)量頻率.f或頻差叮表示為采樣值的函數(shù)來(lái)估計(jì)。解析法算法簡(jiǎn)明，計(jì)算量不大，較傳統(tǒng)的周期法有所改進(jìn)。用解析法測(cè)頻時(shí)，為簡(jiǎn)化分析與計(jì)算，一般采用較簡(jiǎn)單的信號(hào)數(shù)學(xué)模型，難以考慮諧波、非周期分量等的影響，因此往往要有前置濾波環(huán)節(jié)。如上述算法，當(dāng)電網(wǎng)中諧波分量較高時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

③ DFT類算法

      該類算法利用前后數(shù)據(jù)窗的DFT計(jì)算結(jié)果求取頻率偏移來(lái)估計(jì)頻率值。它可通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整采樣時(shí)間間隔或自適應(yīng)調(diào)整采樣數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度的方法來(lái)提高測(cè)量范圍、精度和算法穩(wěn)定性。此外，還有最小二乘算法等多種算法。

3、相角差的測(cè)量

      把電壓互感器二次側(cè)的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻、同相的方波，兩路方波信號(hào)接到異或門，當(dāng)兩路方波輸入電平不同時(shí)，異或門輸出為高電平，用于控制可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間，其計(jì)數(shù)值與兩波形間的相角差氏相對(duì)應(yīng)圖，如圖4所示，是系統(tǒng)電壓與發(fā)電機(jī)電壓相角差的硬件測(cè)量電路示意圖。相角差硬件測(cè)量的原理和特點(diǎn)與頻率的硬件測(cè)量很相似。

 

圖3  發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)同期裝置數(shù)據(jù)采集電路圖

圖4  發(fā)電機(jī)組自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)圖

 

五、調(diào)整逆功現(xiàn)象的調(diào)整

 

      當(dāng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組空載并列后，會(huì)在兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組之間，產(chǎn)生一個(gè)頻率差與電壓差的問(wèn)題。并且在兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的監(jiān)視儀表上（電流表、功率表、功率因數(shù)表），反應(yīng)出實(shí)際的逆功情況，一種是轉(zhuǎn)速（頻率）不一致造成的逆功，另一種是電壓不等造成的逆功，其調(diào)整如下：

1、頻率造成逆功現(xiàn)象的調(diào)整：

      如果兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的頻率不等，相差較大時(shí)，在儀表上（電流表、功率表）顯示出，轉(zhuǎn)速高的發(fā)電機(jī)組電流顯示正值，功率表指示為正功 率，反之，電流指示負(fù)值，功率指示負(fù)值。這時(shí)調(diào)整其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速（頻率），視功率表的指示進(jìn)行調(diào)整，把功率表的指示調(diào)整為零即可。使兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的功率指 示均為零，這樣兩臺(tái)機(jī)的轉(zhuǎn)速（頻率）基本上一致。但是，這時(shí)電流表仍有指示時(shí)，這就是電壓差造成的逆功現(xiàn)象了。

2、電壓差造成逆功現(xiàn)象的調(diào)整：

      當(dāng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的功率表指示均為零時(shí)，而電流表仍然有電流指示（即一反一正指示）時(shí)，可調(diào)整其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)組的電壓調(diào)整旋 鈕，調(diào)整時(shí)，視電流表與功率因數(shù)的指示進(jìn)行。將電流表的指示消除（即調(diào)整為零），電流表無(wú)指示后，這時(shí)視功率因數(shù)表的指示，把功率因數(shù)調(diào)至滯后0.5以上 即可.一般可調(diào)整至0.8左右，為最佳狀態(tài)。

總結(jié)：

      將同步發(fā)電機(jī)投入電力系統(tǒng)并列運(yùn)行的操作稱為并列操作，并列操作是電力系統(tǒng)運(yùn)行中的一項(xiàng)重要操作，是發(fā)電機(jī)機(jī)組開(kāi)機(jī)運(yùn)行中的關(guān)鍵工序。發(fā)電機(jī)同期裝置是發(fā)電廠二次系統(tǒng)的重要組成部分，它實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)系統(tǒng)的并列運(yùn)行，并網(wǎng)的條件是發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的相序、頻率、電壓都要相同時(shí)即所謂同期時(shí)才能并網(wǎng)，將發(fā)電機(jī)機(jī)組安全、可靠、準(zhǔn)確快速的投入，從而保證系統(tǒng)的可靠，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和發(fā)電機(jī)組的安全。

      本文以微機(jī)同期裝置的調(diào)試及并網(wǎng)情況。該裝置不僅可以用于發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的差頻并網(wǎng)，同時(shí)也可用于線路的差頻和同頻并網(wǎng)，具有自動(dòng)識(shí)別并列點(diǎn)并網(wǎng)性質(zhì)的功能。當(dāng)裝置自動(dòng)識(shí)別出當(dāng)前并網(wǎng)性質(zhì)時(shí)，精確的控制數(shù)學(xué)模型能快速的捕捉到第一個(gè)快速并網(wǎng)的時(shí)機(jī)，當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的角差為零時(shí)可靠的完成無(wú)沖擊并網(wǎng)。在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程中，按照模糊控制理論算法，對(duì)發(fā)電機(jī)的頻率和電壓進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，確保頻差和壓差又快又平穩(wěn)的達(dá)到整定范圍，從而實(shí)現(xiàn)快速并網(wǎng)。

 

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