智能双微机自动准同期装置的设计

摘　要　SJ—12C型双微机自动准同期装置是在SJ—12A（B）基础上结合实际运行需要而开发的新一代更新换代产品。它含有两块独立的CPU板，一块完成同期点预报及发电机电压、频率的调节功能，另一块完成闭锁功能。该装置保留了原同期装置的优点，增加了许多新的功能，如汉字液晶显示，无需改变硬件配置即可满足多达16个不同类型的同期点的自动准同期，友好的人机界面，相位补偿及线性调节等，从而大大提高了装置的总体性能。文中主要介绍了SJ—12C型双微机自动准同期装置的设计原理、结构配置及特点。
关键词　自动准同期　最小二乘法　PID调节
分类号　TM 762

THE DESIGN OF INTELLIGENT DUAL-MICROCOMPUTER
AUTOMATIC SYNCHRONIZATION DEVICE

Qian Sheng, Wang Fuming, Huang Lijun
(Nanjing Automation Research Institute, 210003,Nanjing, China)

Abstract　SJ-12C intelligent dual-microcomputer automatic synchronization device is a new product which is based on the old type SJ-12A(B) and can meet the requirements of any kinds of power system synchronization practice. Besides the advantages of old type SJ-12A(B), SJ-12C has many new functions. It's made up of two independent CPUs. One CPU accomplishes the forecast of synchronization and the regulation of generator's voltage and frequency, and the other performs the locking function. Meanwhile, a set of friendly designed MMI, the function of phase compensation and linear adjustment etc., make SJ-12C easier to use and maintain. In this paper, the design principle, structure and the characteristics of SJ-12C are introduced.
Keywords　automatic synchronization；least square method；PID regulation

0　引言
　　在电力系统中，传统的同期装置是实现发电机组与电网之间(或两个不同电源系统之间)并列的专用控制设备，它可以精确、可靠地捕捉满足电压、频率、相位3个要素的同期点，计及断路器的合闸时间，对断路器发出合闸脉冲。有时为了加快同期点的出现，同期装置还能发出调速和调压信号，以便能尽快实现同期并列。应该说，传统的同期装置是针对发电机组与电网之间的同期并列而设计的，因此可以称为机组型同期装置。
　　随着电力系统自动化技术的不断发展，尤其是发电厂、变电站无人化工作的开展，对同期装置提出了一些新的要求，诸如电网的环并、线路的无压合闸等功能也欲一并归入同期装置的范畴。这对于传统意义上的同期装置而言，其功能发生了外延。这就需要一种线路型的同期装置来完成这些功能。同期闭锁继电器可以认为是一种功能极为简单的线路型同期装置，但这与日益发展的电力系统的要求已越来越不相适应。SJ—12A(B)型双微机自动准同期装置就是最早推出的既具有机组型，又具有线路型同期功能的自动准同期装置，但其硬件配置将根据对象性质及数量的不同而改变，对运行维护人员要求较高。SJ—12C型同期装置在原理上继承并发展了原SJ—12A(B)型同期装置的同期理论，在功能上又增加了许多特点，如友善的人机界面，不需要改变硬件配置即可满足多达16个不同类型的同期点的自动准同期等，从而使同期装置的性能又大幅度提高。
1　SJ—12C型双微机自动准同期装置的原理
1.1　同期点预报原理
　　SJ—12C型同期装置的同期点预报原理是基于最小二乘法拟合曲线的方法。假设相位差{δ_i}序列为非平稳随机序列，在等时距采样时刻t₁,t₂,…,t_n有n组观测数据，对其作出共系数分段拟合，在给定最小二乘准则下，对δ单序列的一步预报模式为：
　　　　　　　　　δ_n+1=a_n-1δ_n+a_n-2δ_n-1+…+a₁δ₂+Δ₁
其中　a_n-1,a_n-2,…,a₁,Δ₁为辨识值。
　　该模型的特点是相位差序列{δ_i}的误差随机分布，可以为非白色噪声序列，从而克服了一般模型要求{δ_i}的分布须为白色噪声分布的缺点。又由于采用递推残差辨识，使预测误差自动减少，保证了预测值的精确度。
1.2　机组电压、频率的调节方法
　　在SJ—12C中，机组电压、频率的调节采用PID算法，其一般模型为：

其中　e_n为n时刻电压(或频率)的偏差值；K_p为比例调节系数；K_i为积分调节系数；K_d为微分调节系数。
　　在SJ—12C中，K_p,K_i,K_d均可通过装置面板上的键盘输入。在实践中，对于不同的机组，K_p,K_i,K_d可通过试验确定。
1.3　运用双微机技术实现同期操作闭锁
　　在SJ—12C中有主、辅两块CPU板，同时采集开关两侧的电压幅值、频率和相位，运用最小二乘法预报同期点。其中，主板还根据电压、频率的偏差调节机组的电压和频率；辅板判别电压差、频率差和相位差，当其中某个条件不满足同期要求时，给出闭锁合闸的信号。主、辅CPU板的输出信号相“与”后才驱动合闸执行继电器，从而避免了非同期合闸。
2　SJ—12C双微机自动准同期装置的硬件结构与配置
2.1　硬件结构
　　SJ—12C型双微机自动准同期装置的硬件结构如图1所示。

图1　SJ-12C型双微机自动准同期装置硬件结构
Fig.1　Structure of SJ-12C dual-microcomputer
automatic synchronization device

2.2　硬件配置
　　SJ—12C型自动准同期装置采用Intel公司16位高性能单片机构成，主辅CPU板完全独立运行。采用串行E²PROM存储同期参数，并有参数禁止写入功能，确保同期参数的可靠性。CPU板的外部信号输入及输出回路均有各种隔离和抗干扰措施。SJ—12C采用大屏幕点阵式液晶显示器(128×128点)与薄膜键盘，所有人机界面均采用汉字显示与菜单操作。每台SJ—12C最多可进行多达16个不同对象的同期。
3　SJ—12C型双微机自动准同期装置的特点
3.1　高可靠性
　　众所周知，同期操作在电力系统中是一项十分重要的操作，同期装置的可靠性将直接影响到机组乃至整个电网的安全运行。在SJ—12C的设计中，采用了双微机互锁原理，很好地解决了同期可靠性问题。
　　另外，在SJ—12C的硬件和软件设计中，也都考虑了同期可靠性。例如同期参数的存储方面，采用了串行E²PROM，并且加上了硬件写入使能(enable)，从而确保了同期参数的正确性。又如SJ—12C有各种自诊断功能，能准确定位SJ—12C装置的故障位置，在液晶显示器上用汉字方式显示出来。在同期点捕捉过程中，也加了许多安全防范措施，如同期过程中TV突然断线，SJ—12C将立即停止同期过程，发出故障报警。
3.2　广泛的适应性
　　SJ—12C既可以用作机组同期，也可以用作线路开关的同期；既可以进行同期操作，也可以实现线路开关的无压合闸和环并操作；既可以适用于单一类型的同期对象(例如水电厂机组开关)，也可适用于多种类型同期对象共存的情况。
　　通常同期装置只能进行50 Hz或60 Hz电网的同期操作，而SJ—12C则具有系统频率的广泛适应性，可用于频率为40 Hz～65 Hz的任何电网中。
　　另外，SJ—12C还具备同期合闸、无压合闸和环并合闸自动识别功能，只需给同期装置一个启动命令，SJ—12C即可自动判别控制类型并进行控制操作。这样，当应用于带有遥控功能的变电站时，能够方便地与调度端接口，实现同期遥控。
3.3　人机界面的友好性
　　SJ—12C采用大屏幕汉字液晶显示技术。同期过程中的电压幅值、频率和相位差等详细情况可在面板上实时地观察。同期结果也用汉字形式显示出来。通过SJ—12C的面板和键盘，可以设置多达16个对象的同期参数，简单易行，省去了以往参数设置用的一大堆拨码开关和电位器。所有对象的同期参数及历史同期结果等均可方便地查阅，大大方便了运行、维护人员。
3.4　快速性
　　当SJ—12C接到同期命令后，能够快速捕捉同期点，并能通过电压、频率的快速调节尽快促成同期点的到来，从而使机组并网能够在第1次同期点出现时准确地完成。这样不仅节约了发电机组并网前的空转能耗，更关键的是当电力系统出现事故时可以快速投入备用机组，确保系统安全稳定运行。
3.5　二次回路设计的方便性
　　在发电厂或变电站同期部分的二次回路设计中，常常遇到两个待并电压由于接线方式而造成固有幅值差和相位差的现象。以往设计人员通常采用安装转角变压器等措施来改变待并电压的相位和幅值，这样既不经济又不方便。在SJ—12C的设计中考虑了二次回路设计中的这一难题，可以通过设定待并电压的幅值补偿系数和相位补偿值，方便地实现两个具有固定相位差和幅值差的电压信号的同期。

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