水電站微機自動準同期裝置的原理與設計

張春

摘 要:以其安全可靠、穩(wěn)定、快速、精度高等諸多特點,微機式自動準同期裝置在水電站發(fā)電機組應用中逐漸占據主導地位。本文主要介紹微機自動準同期裝置的設計原則,并對該裝置的軟硬件實現過程做了詳細的描述。

關鍵詞:水電站微機自動準同期裝置設計原則

中圖分類號:TP393.11 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0119-01

電力系統(tǒng)由發(fā)電、用電和輸電等主要部分組成,其中發(fā)電機組向系統(tǒng)提供基本電源是發(fā)電。需要進行一系列的操作才能把發(fā)電機投入到電力系統(tǒng)中并列運行,稱為同期操作或并列操作,使這一操作得以實現的裝置被稱為同期裝置。它是一個非常重要的操作,機組沒有它就不能穩(wěn)妥地并入系統(tǒng),同時必須滿足一定的條件機組才能并網,否則就會造成很嚴重的后果。隨著對水電站綜合自動化程度要求的提高,設計、改造更多水電站按“無人值班,少人值守”進行,這樣對水電站綜合自動化的要求也就更高,其中水電站中同步發(fā)電機快速并網的實現采用的主要控制手段為微機自動準同期裝置,是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行、機組故障時快速投入備用機組、節(jié)約機組并網前空載能耗的重要保障。

1手動準同期與自動準同期裝置對比

同期點斷路器的合閘時間能被手動準同期裝置控制在一定的范圍之內,但在以下三個方面還存在一定缺陷。

一是選擇時機時不能自動完成,因操作人員很難把握合閘時機,所以對工作技能有較高要求,但是在操作人員在合閘時仍會有多次不成功的現象經常出現。

二是具有隨意性大的合閘時機,斷路器不超過同期裝置的允許范圍。但由于斷路器的固有合閘時間無法與電氣和機械傳動的延時配合,實際上斷路器的合閘時間很可能已經超過了并列操作的允許范圍,從而造成非同期合閘,對電系統(tǒng)、斷路器以及發(fā)電機造成沖擊。

三是自動調節(jié)不能實現。操作人員必須手動調節(jié)各項參數,尤其是頻率(轉速)只有在機電人員聯(lián)系協(xié)調好主控室人員的情況下才能調節(jié)。這使得發(fā)電機往往需要較長時間才可以完成并網操作。

綜上所述,為自動調節(jié)各種電參數,合閘脈沖指令在條件滿足的情況下可自動發(fā)出,通常在與系統(tǒng)進行并網操作時采用微機自動準同期裝置。

2自動準同期裝置的基本條件和設計原則

在電力系統(tǒng)的二次回路中應用自動準同期裝置,可實現待并發(fā)電機組投入到電網后成功運行。同步發(fā)電機組并列時需遵循兩個原則:沖擊電流在并列斷路器合閘時應盡可能小,其瞬時最大值不超過額定電流的1～2倍;并入電網后發(fā)電機組暫態(tài)過程要短,應能迅速進入同步運行狀態(tài),以減小對電力系統(tǒng)的擾動。因此在合閘前準同期并列要求以下四個條件應同時滿足:(1)確保待并發(fā)電機和系統(tǒng)有相同的相序;(2)電壓幅值差一般應在10%額定電壓以內,并小于允許值;(3)系統(tǒng)和發(fā)電機的頻率差小于允許值,最大一般不超過±0.2Hz;(4)相角差在并列斷路器合閘時趨于零,通常不宜超過10°。若上述四個要求待并發(fā)電機都可以滿足,則可以實現沖擊電流在合閘時會很小,能迅速進入同步狀態(tài)。在每個脈動電壓周期之內,裝置發(fā)一個恒定越前時間信號,當壓差和頻差有一個不滿足條件時,出口合閘回路就會閉鎖。此時,自動調節(jié)部分仍將繼續(xù)對發(fā)電機轉速和電壓調節(jié),當通過這些調節(jié)頻差和壓差滿足要求時,就閉鎖壓差和撤銷頻差,越前時間信號被允許通過,起動出口合閘繼電器并使之接通,以實現兩者的并列。

3詳細的自動準同期裝置設計

3.1 裝置的硬件設計

Intel公司16位高性能單片機被用來構成本自動準同期裝置,兩個CPU的運行完全獨立,但是兩者的作用相互補充相互備用,這兩個CPU存儲同期參數時采用串行E2PROM,并且寫入功能被某些參數禁止,以確保同期參數的可靠性及安全性。各種抗干擾和隔離措施均存在于CPU的外部信號輸入及輸出回路。該裝置采用薄膜鍵盤與大屏幕點陣式液晶顯示器(128×128點),所有人機界面與菜單操作時均采用漢字顯示,運行人員設置及更改同期參數時可根據需要。本在裝置里多對象可進行相互獨立控制,最多可進行多達16個在一臺裝置的不同對象的同期。

3.2 裝置的軟件設計

CPU在裝置接入后(或者在帶電狀態(tài)時裝置接到復位命令后)工作,首先是裝置的主要部件自檢的進行,如出錯,將出錯部位信息顯示在液晶顯示屏上,報警繼電器啟動并報警。各部件若均正常,則應該對工作/設置開關W/T的狀態(tài)進行檢測,如工作狀態(tài)檢測為W,則對并列點選擇信號進行檢測,可用上位機控制的繼電器傳遞這信號,或者也可使用外部并列點的同步開關;如選擇信號多于一個或無并列點選擇信號則錯誤信息顯示出來并報警,此時系統(tǒng)側頻率值和并列點出錯信息會交替顯示出來。若將一個特定的并列點信號檢測出來,則定時中斷程序打開,裝置進入同步狀態(tài)。最多可達16個并列點,所以共16×4=64個整定的參數。使用4個多圈精密電位器整定允許壓差,一組允許壓差定值可被16個并列點共用。

進入“工作”方式之后主程序立刻打開定時的中斷子程序。通過記錄外部輸入的變化的TV信號提取相角差、壓差及頻差的信息作為程序的起始部分,然后把△δ、△u及△f計算出來,若整定的低壓閉鎖值高于系統(tǒng)側或發(fā)電機側的TV二次電壓,那么可能TV一次電壓本身就很低這都不適于發(fā)電機并網,或是熔絲熔斷或TV二次斷線,這樣裝置會報警并且并網程序停止執(zhí)行。若整定的低壓閉鎖值低于并列點兩側的TV二次電壓,那么程序會進入檢查△u和△f有沒有越限程序段,并且在裝置面板上有按滑差角頻率旋轉的軟件驅動的相位表。依據原整定的均壓控制系數裝置將按PID算法進行調頻和調壓,這是在任一項或兩項都越限,并且需要同步裝置的整定時具備自動調頻和自動調壓功能的情況下。裝置在沒有選擇自動調頻和調壓的時候不進行調頻和調壓,只顯示頻差和壓差的越限提示符。程序下一步在△u和△f均在允許范圍內檢查斷路器的兩側同頻(△f≤0.05Hz)與否,若同頻,裝置將自動發(fā)出使待并的發(fā)電機加速得加速命令,破壞處于僵持狀態(tài)的同頻,促成出現同步的條件,選擇自動調頻與加速控制如由同頻引起則無關。程序在△u和△f都滿足相應要求后準備進入并網階段,先把當前的相角差δ測量出來,若δ在0°～180°之間,是沒有并網機會的,此時開始檢查d△f/dt是否越限,若δ=δdq,即△δ=δ－δdq=0時合閘命令發(fā)出,確保斷路器主觸頭在δ=0°時閉合。合閘時機預測在△δ不等于0時進行,并網命令在預測的時刻來到時即實行是為了確保可以把首次出現的合閘機會捕捉到,讓并網的速度達到極值。裝置在發(fā)出合閘脈沖后會計算并顯示回路動作時間。

4結語

微機自動準同期裝置各項的技術性能指標都優(yōu)于國家標準,是根據以上的基本原理開發(fā)并研制的,合閘的瞬間相角與理論值偏差小于2°,有望推廣于未來工程應用中。