电力系统由发电、用电和输电等主要部分组成, 其中发电机组向系统提供基本电源是发电。需要进行一系列的操作才能把发电机投入到电力系统中并列运行, 称为同期操作或并列操作, 使这一操作得以实现的装置被称为同期装置。它是一个非常重要的操作, 机组没有它就不能稳妥地并入系统, 同时必须满足一定的条件机组才能并网, 否则就会造成很严重的后果。随着对水电站综合自动化程度要求的提高, 设计、改造更多水电站按“无人值班, 少人值守”进行, 这样对水电站综合自动化的要求也就更高, 其中水电站中同步发电机快速并网的实现采用的主要控制手段为微机自动准同期装置, 是保证系统安全稳定运行、机组故障时快速投入备用机组、节约机组并网前空载能耗的重要保障。
同期点断路器的合闸时间能被手动准同期装置控制在一定的范围之内, 但在以下三个方面还存在一定缺陷。
一是选择时机时不能自动完成, 因操作人员很难把握合闸时机, 所以对工作技能有较高要求, 但是在操作人员在合闸时仍会有多次不成功的现象经常出现。
二是具有随意性大的合闸时机, 断路器不超过同期装置的允许范围。但由于断路器的固有合闸时间无法与电气和机械传动的延时配合, 实际上断路器的合闸时间很可能已经超过了并列操作的允许范围, 从而造成非同期合闸, 对电系统、断路器以及发电机造成冲击。
三是自动调节不能实现。操作人员必须手动调节各项参数, 尤其是频率 (转速) 只有在机电人员联系协调好主控室人员的情况下才能调节。这使得发电机往往需要较长时间才可以完成并网操作。
综上所述, 为自动调节各种电参数, 合闸脉冲指令在条件满足的情况下可自动发出, 通常在与系统进行并网操作时采用微机自动准同期装置。
在电力系统的二次回路中应用自动准同期装置, 可实现待并发电机组投入到电网后成功运行。同步发电机组并列时需遵循两个原则:冲击电流在并列断路器合闸时应尽可能小, 其瞬时最大值不超过额定电流的1～2倍;并入电网后发电机组暂态过程要短, 应能迅速进入同步运行状态, 以减小对电力系统的扰动。因此在合闸前准同期并列要求以下四个条件应同时满足: (1) 确保待并发电机和系统有相同的相序; (2) 电压幅值差一般应在10%额定电压以内, 并小于允许值; (3) 系统和发电机的频率差小于允许值, 最大一般不超过±0.2Hz; (4) 相角差在并列断路器合闸时趋于零, 通常不宜超过10°。若上述四个要求待并发电机都可以满足, 则可以实现冲击电流在合闸时会很小, 能迅速进入同步状态。在每个脉动电压周期之内, 装置发一个恒定越前时间信号, 当压差和频差有一个不满足条件时, 出口合闸回路就会闭锁。此时, 自动调节部分仍将继续对发电机转速和电压调节, 当通过这些调节频差和压差满足要求时, 就闭锁压差和撤销频差, 越前时间信号被允许通过, 起动出口合闸继电器并使之接通, 以实现两者的并列。
Intel公司16位高性能单片机被用来构成本自动准同期装置, 两个CPU的运行完全独立, 但是两者的作用相互补充相互备用, 这两个CPU存储同期参数时采用串行E2PR OM, 并且写入功能被某些参数禁止, 以确保同期参数的可靠性及安全性。各种抗干扰和隔离措施均存在于CPU的外部信号输入及输出回路。该装置采用薄膜键盘与大屏幕点阵式液晶显示器 (128×128点) , 所有人机界面与菜单操作时均采用汉字显示, 运行人员设置及更改同期参数时可根据需要。本在装置里多对象可进行相互独立控制, 最多可进行多达16个在一台装置的不同对象的同期。
CPU在装置接入后 (或者在带电状态时装置接到复位命令后) 工作, 首先是装置的主要部件自检的进行, 如出错, 将出错部位信息显示在液晶显示屏上, 报警继电器启动并报警。各部件若均正常, 则应该对工作/设置开关W/T的状态进行检测, 如工作状态检测为W, 则对并列点选择信号进行检测, 可用上位机控制的继电器传递这信号, 或者也可使用外部并列点的同步开关;如选择信号多于一个或无并列点选择信号则错误信息显示出来并报警, 此时系统侧频率值和并列点出错信息会交替显示出来。若将一个特定的并列点信号检测出来, 则定时中断程序打开, 装置进入同步状态。最多可达16个并列点, 所以共16×4=64个整定的参数。使用4个多圈精密电位器整定允许压差, 一组允许压差定值可被16个并列点共用。
进入“工作”方式之后主程序立刻打开定时的中断子程序。通过记录外部输入的变化的TV信号提取相角差、压差及频差的信息作为程序的起始部分, 然后把△δ、△u及△f计算出来, 若整定的低压闭锁值高于系统侧或发电机侧的TV二次电压, 那么可能TV一次电压本身就很低这都不适于发电机并网, 或是熔丝熔断或TV二次断线, 这样装置会报警并且并网程序停止执行。若整定的低压闭锁值低于并列点两侧的TV二次电压, 那么程序会进入检查△u和△f有没有越限程序段, 并且在装置面板上有按滑差角频率旋转的软件驱动的相位表。依据原整定的均压控制系数装置将按PID算法进行调频和调压, 这是在任一项或两项都越限, 并且需要同步装置的整定时具备自动调频和自动调压功能的情况下。装置在没有选择自动调频和调压的时候不进行调频和调压, 只显示频差和压差的越限提示符。程序下一步在△u和△f均在允许范围内检查断路器的两侧同频 (△f≤0.05Hz) 与否, 若同频, 装置将自动发出使待并的发电机加速得加速命令, 破坏处于僵持状态的同频, 促成出现同步的条件, 选择自动调频与加速控制如由同频引起则无关。程序在△u和△f都满足相应要求后准备进入并网阶段, 先把当前的相角差δ测量出来, 若δ在0°～180°之间, 是没有并网机会的, 此时开始检查d△f/dt是否越限, 若δ=δdq, 即△δ=δ-δdq=0时合闸命令发出, 确保断路器主触头在δ=0°时闭合。合闸时机预测在△δ不等于0时进行, 并网命令在预测的时刻来到时即实行是为了确保可以把首次出现的合闸机会捕捉到, 让并网的速度达到极值。装置在发出合闸脉冲后会计算并显示回路动作时间。
微机自动准同期装置各项的技术性能指标都优于国家标准, 是根据以上的基本原理开发并研制的, 合闸的瞬间相角与理论值偏差小于2°, 有望推广于未来工程应用中。
摘要：以其安全可靠、稳定、快速、精度高等诸多特点, 微机式自动准同期装置在水电站发电机组应用中逐渐占据主导地位。本文主要介绍微机自动准同期装置的设计原则, 并对该装置的软硬件实现过程做了详细的描述。
关键词：水电站,微机自动准同期装置,设计原则
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