同步发电机自动准同期并列综述.doc

1、同步发电机自动准同期并列综述摘 要：本文介绍的是同步发电机的自动准同期并列基本原理，其中包含了同期并列的基本基本条件，模拟式自动准同期装置的原理，微机型自动准同期装置的原理等内容。关键字：同期并列 整步电压 恒定越前时间 周期法 解析法 DFT类算法Parallel synchronous generator automatic synchronizing SummaryRen Zhiping(Electrical Engineering College,Xinjiang University,Urumqi,Xinjiang 830008)Abstract：This article descr

2、ibes a synchronous generator automatic synchronizing the basic principles of a tie, which contains the basic fundamental conditions for the same period in parallel, analog principle of automatic synchronizing devices, computer-based automatic synchronizing device principle and so on.Key word: Juxtap

3、osition；Lockout Voltage；Echizen time constant； Cycle approach；Resolve approach；DFT-like algorithm0、 引言随着工业社会的不断发展电力行业显得越来越重要，而同期并列是电力系统中经常进行的一项十分重要的操作。不恰当的并列会对发电机和系统产生巨大的冲击损坏电气设备影响电力系统的稳定性造成成本升高甚至造成人员伤亡。本文即针对发电机同期并列的原理及过程进行了阐述。1、 准同期装置的发展电力系统中的同期并列方式主要有自同期并列和准同期并列两种，其中自同期并列主要用于水轮发电机组，作为处理系统事故的重要措施之一

4、。但是由于自同期的使用不可避免地会出现较大的冲击电流并伴随母线电的下降，因此所使用的场合不多，相反应用最广泛的是准同期并列，我国是世界上微机准同期装置最早研制的国家之一，1982年在安徽陈村水电站成功投入了第一台微机同期装置。八十年代中期又陆续推出了一些类似装置。目前国内有许多科研、制造单位都在进行微机自动准同步装置的研制。准同期装置的发展经历了如下三代产品：第一代，在二十世纪六十年代以前，我国大多采用“旋转灯光法”进行准同期并列操作14。这是最原始的准同期方法。后来改用指针式电磁绕组的整步表构成的手动准同期装置。这种方法仍然应用在常规的设计中。第二代准同期装置是以许继的zz03和ZZQS为代

5、表的模拟式自动准同期装置。它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。ZZQ3和ZZQS自动准同期装置的出现，极大的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、阻容电路作为微分电路的条件约束、构成装置元器件参数漂移不稳定等问题。模拟式的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。第三代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，深圳市智能设备开发有限公司研制的SID2系列多功能微机自动准同期装置比较具有代表性。它是我国最早从事微机准同期

6、控制器研究、开发、生产的企业之一，相继推出了QSA型、SIDI型、SID2型、SID-2V系列发电机用微机准同期控制器及SID2T系列线路用微机准同期控制器，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。2、 准同期并列的条件发电机准同期并列时的电压向量图如图 1.1所示。发电机组在未投入系统运行之前，它的电压U。与系统电压U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

7、状态，减小对电力系统的扰动。图1.1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。因此，在实际并列操作中，并列

8、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。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。3、 发电机自动准同期并列装置3.1 同期并列基本原理自动准同期装置一般由电源部分 合闸部分均频部分和均压部

9、分组成,如图2.1 所示图 3.1自动准同期的基本构成系统电压和发电机电压分别经过电压互感器降压后送入自动准同期装置自动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率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使幅值差减小合闸控制单元自动检测发电机电压与系统电压之间的频率差和幅值差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(恒定越前时

10、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。3.2 模拟式自动准同期装置的原理在微处理器问世之前自动准同期装置多由分立元件或少量集成块构成的模拟电路来实现现在电力系统中运行的模拟式自动准同期装置大都利用线性整步电压通过线性整步电压来获得恒定越前时间而且线性整步电压使频率差的检测也不受电压幅值的影响可以提高并列装置的控制性能线性整步电压形成电路一般由降压变压器整形电路相敏电路和滤波电路组成整步电压zb U 和时间t 成线性关系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若并列时系统电压瞬时值为 (3.1)发电机侧瞬时值为 (3.2)图 3.2 是发电机电压和系统电压矢量

11、图在滑差存在的情况下系统电压与发电机电压之间的相角差d 不为常数而是时间t 的函数即 (3.3)图 3.2 电压矢量图Wg 、W s -发电机和系统角频率 s -系统电压初相角随着t的变化从0 到2 做周期性变化。线性整步电压是指其幅值在一周期内与角差 分段按比例变化的电压。在模拟式自动准同期装置中采用的线性整步电压，一般呈三角形波形，如图3.3。 图3.3(a)表示相角差由0 2变化时，线性整步电压的波形，其特点如下：当在0 区间时，线性整步电压u与相角差 成正比 ，即u= k ，其中k 为比例常数，线性整步电压的大小随 的增加而增大；当=0 时，线性整步电压有最小值，其值为零；当= 时，线

12、性整步电压有最大值，其值为k，是常数。当在 2 区间时，线性整步电压仍与相角差成正比，即u=k（2-），此时线性整步电压的大小随的增加而成比例地减少，到= 2时，又达到最小值u= 0。 因此，线性整步电压幅值的大小与相角差之之间是线性关系，而与同期电压U s，U g 的幅值无关。图 3.3(b)将线性整步电压的角度横坐标改为时间横坐标t， 由于t=/s 故滑差ws 不同时，线性整步电压虽然最大值一样，但是它们的滑差周期的长短却不同，因此线性整步电压同样也可以用于检查同期条件。图 3.3(c)是本章讨论的自动准同期装置的线性整步电压特性相当于取0=、其特点是当在-0区间时，u与（+）成正比，即u

13、=C+A （A=C） (3.4)所以线性整步电压随的增加而加大。当=0 时，线性整步电压有最大值A；当 在0 区间时，u值与（-）成正比，即u= A C (3.5)此时线性整步电压的大小随的增加而成比例地减小，到=2时达到最小值,即u=0，由此可见，图3.3(c)的线性整步电压幅值与角差 之间也是分段的线性关系，而与同期电压的幅值无关。图 3.3 线性整步电压波形图模拟式准同期大都利用以上所述的线性整步电压来检查准同期条件是否满足，其中包括频差检查、压差检查和恒定越前时间的形成等，下面分别讨论。3.2.1线性整步电压的形成不同的自动准同期装置中形成线性整步电压的电路不尽相同，但其工作原理却大同

14、小异，其形成电路示意图如图3.4(a)所示。发电机电压和系统和系统电压经过整形电路变成方波U1 、U2 ，方波信号经过相敏电路，由于发电机电压和系统电压的频率不同，因此形成了一组宽度由小到大，又逐渐减小的方波U3，最后， U3经过滤波电路就形成了如图3.3 (a)的整步电压波形。波形形成过程如图3.4(b)所示。3.2.2恒定越前时间的形成图 3.5 电路是某同期装置恒定越前时间形成电路，线性整步电压经过由R1、C1组成的比例-微分电路之后，送入由三极管BG1、BG2组成的电平检测器与电平检测器的翻转电平(BG2 的基极电平)进行比较，由BG3 集电极输出恒定越前时间信号1 。图3.6 是恒定

15、越前时间形成波形图。图中u1、 u2分别为电流IR 和IC在R2 上形成的电压。从图中可以看出，对应于不同滑差的两个线性整步电压产生的越前时间t1=t2。3.4 (a)整步电压波形形成电路示意图3.4 (b) 整步电压形成电路波形图图 3.5 恒定越前时间形成电路图 3.6 利用线性整步电压获得导前时间波形图3.2.3频差检测原理作为准同期条件之一的频率差检测的原理可以用图3.7 说明。首先选定一个角度， 令 (3.4)式中d sh-允许滑差角频率，是自动准同期装置的整定值；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；t1-自动准同期装置恒定超前时间，t1=th对于确定的

16、发电机及其断路器，式（3.6）中的是一个确定的已知值。然后，检测发电机电压以滑差角频率w s相对系统电压转动时走过角度 所用的时间，走过所用的时间长。则ws小；时间短，则w s 大，特此用数学式表述，有 (3.5)式中w s -实际滑差角频率：t-以速度走过角度所用的时间。根据上式有： (3.6)此式说明 如果t=t1，则ws=w sh ；如果tt1，则wswsh ，twsh这样，就将检测发电机电压和系统电压之间滑差角频率w s 大于、小于或等于整定值wsh 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t1的问题了2, 3。图 3.7 频差检测原理图3.3微机型自动准

17、同期装置的原理3.3.1徽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/输出接口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

18、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TVs及TVG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，即可得出待并发电机侧及运行系统侧的频率fs、 fc的信息，进而就不难获得频差fD、角频率差WD。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t、始末D的差值D得到D的

19、一阶导数，即 。这样就为计算理想导前合闸角创造了条件。 (3.7)式中-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TVs及TVG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TV二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

20、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(含中间继电器动作时间)的。同期装置的导前时间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

21、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

22、钮或设在控制台上的远方复位按钮使装置复位，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千扰，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千按键，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替。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

23、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4。微机型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(DCS)和变电所微机监

24、控系统(SNCS)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 。3.2同期参数的测量3.3.2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/

25、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(t)=f (t+T)，在满足一定条件下可以展开为富氏级数，其各次谐波为 (3.8)式中n为自然数，an和bn分别为n次谐波的余弦和正弦的振幅，根据富式级数可得 (3.9)因此，基频分量(n=1)的富式余弦和正弦系数分别为: (3.10)于是f(t)中的基波分量为基波有效值为对于离散数字信号3.10式积分改为求和，如果每周波采样N次，则第K次采样时的电压基频分量的富式余弦和正弦系数分别为实部为虚部 (3.11)则基波电压有效值为交流采样实时性好，

26、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53.3.3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 硬件侧量方法首先 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，CPU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

27、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

28、周期分量的影响，实时性不好，因此，实用时很少单一的应用国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(level crossing)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.f或频差叮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

29、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。 DFT类算法该类算法利用前后数据窗的DFT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: (3.12)采样后的电压信号为: (3.13)其中:Ts为采样周期，u(n)为电压信号第n个点的采样值。另设: (3.14)将3.13式代入3.14可得 (33.15)对3.15式取两种不同的采样周期TS1、TS2，即采样频

30、率不同，则有 (3.16) (3.17)设，式中m为系统频率对额定基频50Hz的偏移量，N1、N2、从分别是一个工频周期内对应于采样周期几Ts1、Ts2的采样点数。由3.16和3.17式可得 (3.18)取N2=2N1，则 (3.19)由3.19式得 (3.20)将按泰勒级数展开，且略去高阶无穷小量， (3.20)将3.20式代入3.19式得 (3.21)每个工频周期采样12个点，在一周内取相差两个样点间隔的6个采样点就可以组成另一组采样数据，即N1=6，N2=12.将N1 、N2代入3.21式得: (3.22)电力系统的实际频率 (3.23)、 (3.24)使用该软件测频方法时，首先将电压采

31、样值代入3.14式中分别计算出一个工频周期采样6个点和采样12个点的Yn1 、Yn1值：然后利用3.23式计算出m;最后由3.24式可得实际系统的频率值。以上分析只对纯正弦情况而言，当有高次谐波时可以对采集的数字量进行数字滤波，然后再测量频率3.3.4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氏相对应.图3.8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 3.8相 角差 硬 件 测

32、 量 电 路 图4、 结语随着负荷的波动，电力系统中运行的发电机组台数经常要变动。因此，同步发电机的并列操作是电厂的一项重要操作。另外，在系统发生某些事故时，也经常要求将备用发电机组迅速投入电网运行。可见，并列操作在电力系统中是很频繁的。电力系统的容量在不断增大，同步发电机的单机容量也越来越大，大型机组不恰当的并列操作将导致严重后果。因此，对同步发电机的并列操作进行研究，提高并列操作的准确度和可靠性，对于系统的可靠运行具有很大的现实意义。参考文献：1 商国才.电力系统自动化.天津:天津大学出版社,1998:1-128 2 Stringer.N.T. Voltage Considerations During Generator Synchronizing Industry Applications, IEEE Transactions on ,1999 ,35(3) 526 - 5293 姚俊,马松辉. Simulink 建模与仿真J.西安西安电子科技大学出版社,2002 148-1754 卓乐友,叶念国等.微机型自动准同步装置的设计和应用.中国电力出版社.2002年5 杨冠城.电力系统自动装置原理.中国电力出版社. 1986年收稿日期：2010-6-2作者简介：任治坪（1989-2），男，四川，本科在读