基于STM32自動準同期并列裝置的設計*

張 鵬，楊 勇，崔力心，陳仕彬

(1.國網天水供電公司，甘肅 天水 741000; 2.國網甘肅省電力公司 電力科學研究院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

隨著疫情過后消費業與工業的迅速恢復，以及今冬明春各地區供暖問題，我國湖南、浙江等省份出現電力緊張、供電缺口等問題，備用發電機組的投運操作頻繁，所以快速、準確的調整電壓、頻率、相位，使備用機組穩定的投入到電網中，自動準同期并列操作將是電網穩定運行的必要條件之一。

從20世紀60年代，我國準同期并列主要“旋轉光束發”手動調節，到80年代數字式準同期并列裝置的出現，但因調試不方便，速度低，可靠性不穩定，慢慢被淘汰，隨著科技的發展，微機式自動準同期并列裝置逐漸出現電力系統中，但基于51系列單片機的微機裝置傳輸速率過慢，寄存器少，功耗較大。而STM32單片機屬于arm內核的一個版本，比傳統的51單片機更加高級，具備很多51單片機不能使用的資源，并且STM32單片機程序模塊化，接口相對簡單，運行速度更快。

筆者將采用STM32單片機來設計自動準同期并列裝置。主要的硬件設計可控電源電路、交流電壓調理電路、頻率調理電路、相位差調理電路，通過軟件的設計完成自動調節，實現自動準同期并列。

1 自動準同期并列原理

1.1 并列操作的原則

電力系統在電網中運行的時候，隨意的一條母線的電壓瞬時值可以用以下公式表示：

u=Umsin(ωt+φ)

公式：Um為電壓幅值；ω為電壓的角速度；φ為初相角。

這3個量表示的是該母線電壓的幅值、頻率、相角。這3個參數表示為該運行母線的電壓瞬時量。

當1臺發電機組在沒有并入電網之前，他的電壓 和待并側電壓 的值常常不一定相等。所以需要對待并側的電壓進行調節，使它符合并列的規定才發出合閘命令讓斷路器QF合閘。這就是我們所說的并網，也可以稱為并列操作。

同步發電機并列時要符合以下幾點要求。

(1) 當并列斷路器合閘的時侯，電網中的沖擊電流要盡可能的小，它的最大瞬時值一般不能大于1～2倍的額定電流。

(2) 沒有并入發電機組在準備投入時，要做到快速性，使投入并列的速度快，這樣暫態過程時間越短，給電網的沖擊和干擾也就越小。

1.2 準同期并列原理

當發電機組在沒有故障的狀態下運行的時候，現實生活中常依據的是準同期并列方式，將待并側的發電機組并列到到電網之中去運行。自同期并列的方式目前已經基本不再采用了，僅僅當電力系統在發生故障的時候，為了方便快速的投入水輪機組，過去曾采用的就是自同期并列的方法。

2 自動準同期硬件設計

2.1 STM32單片機

STM32單片機開發板的資源有很多，其中CPU是STM32F103ZE，單片機的FLASH是256K容量的，SRAM是48K容量的；并且有1 個標準的 JTAG/SWD 調試下載口，有1 個 IIC 接口的 EEPROM 芯片，它的型號是24C02，并且其容量為 256 字節；有1 個 SPI FLASH 芯片，它的容量為 8M 字節，也就是64M bit；還帶有1 個 DS18B20，它的作用是溫度傳感器的一個接口，還有一個標準的 2.4寸 LCD 屏的接口，可以插觸摸屏；一個USB的接口，可以用來供電和上傳下載程序；一個SD卡的接口，支持內存卡存儲；還有一個3.3V，5V的排線口，可以支持內部供電和給外設供電。

2.2 可控電源回路

2.2.1 整流濾波部分

單片機的開關電源部分，首先把外部的交流電源變為所需要的的直流電源，并且直流電源的電壓小于等于3.3 V。文中設計采用的外部交流電源先經過一個變壓器將220 V的相電壓降低，這是因為全橋整流電路的耐壓值較低，接著通過一個整流電路，濾波電路，穩壓電路，就得到所需要的一個可控電源開關電路，圖1為可控電源電路。

對于此設計采用的為全橋整流方式，其輸出電壓公式有：

圖1 可控電源電路

圖2 全橋整流

2.2.2 可控穩壓部分

在之前的實驗中單片機供電，都是通過穩壓模塊是7805模塊穩壓，隨著設備的要求以及科技發展，7805輸出的精確度已經不能達到精密電源的要求。所以這里的穩壓部分采用串聯穩壓電路，如圖3所示設計的串聯穩壓電路，其不但可以穩定電壓，還可以控制電壓的大小。

圖3 串聯穩壓電路

當輸出電壓因為電源的電壓或者負載的變化而下降的時候，當UO降低時，將導致UE的值降低，在UB恒定的情況下，UBE的值會增大，導致IB增大，使得IC電流增大，同時IBRL也將增大，最終導致UO增大。

反之，當UO增大的時候，經過電路的調節作用，UO將自動減小，這樣輸出的電壓降穩定。

電路輸入的為14 V的直流電源，經過R1限流電阻和D5穩壓二極管進行穩壓調節，設計穩壓二極管的電壓為1.1 V，并在穩壓管兩邊并列一個滑動變阻器，它的可調的范圍就是0～1.1 V，滑動變阻器接在運放的正極端，所以正極端的電壓變化范圍為0～1.1 V，運放的負極端接在R2和R3電阻的中間，根據運放的虛短虛斷原理,R3電阻可以調節的電壓范圍為0～1.1 V，又因為R2電阻為4kΩ，為R3電阻的2倍，所以R2電阻調節的電壓范圍為0 V～2.2 V，通過滑動滑動變阻器，R1兩端的電壓的調節范圍將為0～3.3 V。

2.2.3 交流電壓調理圖

設計交流電壓調理電路主要采用了電壓互感器，反相比例運放，低通濾波器和電壓跟隨器四個部分組成。如圖4所示，因為單片機只能接受3.3 V及以下的電壓，為了保證實驗的安全性，設計留有一定的裕度，防止電壓失穩而燒壞單片機設備。設計輸入端采用380 V的電壓，根據各個參數的計算調整，最終輸出2 V的電壓供單片機使用。

圖4 交流電壓調理電路

采用2 mA/2 mA型的HPT系列的電壓互感器，取二次側的電阻 為400 Ω，測得二次測的電壓值為817 mV，理論值為800 mV。欲使交流調理電路輸出2V的電壓，采用反相比例運放，根據公式得：

脈沖經過反相比例放大器之后，再連接低通濾波器，消去高頻的信號，然后經過電壓跟隨器，使得輸出脈沖和這個電路前面的不互相影響，同時也不和這個電路后面的有任何的影響，它發揮了特別好的電氣隔離的作用，同時也提高了帶負載的能力。

如圖5所示，采用multisim仿真，得到電壓互感器采集的800 mV的電壓信號和最終輸出的2V的電壓信號。

圖5 交流電壓仿真示波器圖

2.3 頻率調理電路

當頻率變化時，發電機旋轉的的速度，輸出的有功功率都會發生一定的變化，對發電機造成了一定的損傷。當頻率偏大或偏小時，它會影響設備的準確性和精準性，以及對電網的負面影響。發電機的速度應用于裝置的軸，確定扭矩的平衡。由于不存在發電機上的扭矩的絕對平衡，即不可能嚴格保持發電機轉速或頻率不變，但頻率偏離額定值相對小范圍的限制是可以達到的。

關于對頻率信號的有效采集，設計見圖6電路模塊實現對頻率信號的采集。初級電壓信號由電壓互感器轉換生成，使用比較單元將正弦波轉換成方波，然后將得到的方波信號再通過一個過零比較器，檢測過零時間去測量輸出頻率信號。

一次側接交流電源，取線電壓的有效值為380 V，通過設置電阻R1為150 kΩ，變壓器取1:1，測得一次側和二次側的電流之比為3.55 mA/3.55 mA，設計采用3 V的直流電壓作為過零比較之后的時間間隔檢測，并且采用等值的分壓，所以仿真輸出為1.5 V的矩形波。根據對輸出的設計，R2電阻的取430 kΩ，使得經過變壓器二次側的電壓也為1.5 V，方便和矩形波比較，且整齊美觀。

圖6 頻率調理電路圖

過零比較器是用來檢測輸入量是否為零的電路。原理是采用比較放大器對兩個輸入量進行比較采集。如圖6圖所示，電壓 一個是參考電壓，通過一個電阻接地，所以參考電壓為零，所以輸入電壓 在每一次過零的時候輸出才發生一次變化，過零比較器后面連接直流源，可以得到所需要的頻率所對應的矩形波寬度，交流信號一個周期內過零兩次，剛好矩形波采取的兩次之間的寬度所對應的時間就是頻率的大小。

2.4 相位差調理電路

相位差調理電路是在頻率調理電路后面添加了電氣隔離電路和異或門進行相位差測量。電壓調理電路通過低通濾波器和過零比較器，獲得兩個輸入量的頻率，兩個方波信號經過光電耦合TLP521-1，起到電氣隔離作用，在異或門輸出兩個輸入信號的相位差。

圖7 相位差調理電路圖

2.5 整體硬件電路

如圖8所示，此硬件圖設計一個整體的準同期并列的硬件圖。一次側交流電壓經過熔斷器，送至變壓器，經過調理電路之后再從PIO口，單片機驅動電路經過IO口輸出至繼電器完成工作，同理，調理電流從電流互感器二次側獲取電流，經過PIO口送把調理過的電電流信號送至單片機，單片機的驅動是從IO口送至繼電器完成工作。

圖8 整體硬件電路圖

3 自動準同期并列軟件設計

3.1 軟件流程圖

主程序的功能有系統的初始化，通道的選擇和切換，可以進行電壓的測量，頻率差的測量，相位差的測量以及pwm控制和逆磁電流控制，以及合閘接口的設定。其流程圖如圖9所示。

圖9 程序流程圖

3.2 PWM調節

關于PWM輸出信號的頻率和占空比此處以PWM模式1為例來介紹，首先，PWM輸出的頻率大小，是通過寄存器來確定出來的,這個f對應的占空比，也是通過寄存器來確定出來的。當定時器開始計數的時候,如果這時候計數器的值小于通道x的值，就應該將x通道輸出的信號對應的保持的高電平;如果這時候計數器的值不斷的增大，大于等于x通道值的時候，就應該將輸出變換為相反的低電平；當計數器的值不斷的增大，達到了重載值的時候，輸出的信號就應該繼續保持為高電平，當計數值重新裝載在此計數,接著在一次完成上面的步驟。假設輸出信號的比較值設為Vout,重裝載值設為Vp,這個時候的PWM信號的周期就為Vp/TIM計數時鐘頻率，而PWM信號它的占空比就是Vout/Vp。

PWM是脈寬調制，設定周期為0.02 s，然后通過調節脈寬，這樣占空比為0.5，高電平和低電平脈沖占都是T的1/2，使0.01 s內輸出的信號為0 V,0.01 s輸出的信號為3.3 V，計算平均電壓即有效電壓為1.15 V，如果通過PWM調節，改變前面輸入信號的占空比，設計就可以得到0～3.3 V之間的電壓。通過前面外圍調理電路的設計，本設計已有可調節的線性電源。如果改變輸入信號的占空比，不但可以變化信號的大小，還可以變化頻率大小，如圖10所示，當脈沖的占空比調高之后，電壓的頻率也會隨著調高。

圖10 占空比增大

4 結束語

此次設計通過STM32單片機實現自動準同期并列，實現了穩定的，快速的自動準同期的各個功能，預計達到規定的目標。

由于裝置是通過單片機在較穩定的電壓下完成裝置，在實際生活中的發電廠中，實際的環境問題以及突發性故障問題很多，所以裝置要考慮的需要增加的功能改進的方面也有很多，通過此次設計，對于自動裝同期裝置有一個初步的學習認識，對實際電氣裝置設計有一個深入的認識，積累了一些經驗。