CN201294388Y

CN201294388Y - 多路自动准同期装置

Info

Publication number: CN201294388Y
Application number: CNU2008201588241U
Authority: CN
Inventors: 严文交; 周跃军; 周婷
Original assignee: Hunan Unisplendour Measuring & Control Co Ltd
Current assignee: Hunan Unisplendour Measuring & Control Co Ltd
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2018-10-20

Abstract

一种多路自动准同期装置，它包括主控制单元、总线控制单元、通讯控制单元、开关量输入单元、开关量输出单元、交流电压模拟量输入单元以及频率采集单元，主控制单元通过开关量输入单元采集开关量信号，其分别通过交流电压模拟量输入单元和频率采集单元采集同期点系统侧及对象侧的同期电压信号和同期频率，通过PID算法后得到调整对象侧电压的幅值和频率值，发出脉冲调节命令至开关量输出单元；将计算结果及相应信息转换成数字信号送至总线控制单元和通讯控制单元；当同期电压幅值差及同期频率差满足条件后，主控制单元停止发出脉冲调节命令，发出合闸命令。本实用新型具有结构简单紧凑、自动化程度高、适用范围广、控制精度高等优点。

Description

多路自动准同期装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统的控制设备领域，特指一种多路自动准同期装置。

背景技术

目前，电厂以及带同期点的变电站使用的自动准同期装置均由同期点决定自动准同期装置的数量，且目前的自动准同期装置均是采用单片机控制调节速度及同期速度慢，同期质量不高；对于同期失败后的原因分析只能靠人为的判断，无法提供同期过程的相关数据记录。在工矿企业的同期点由于工艺的要求，不可避免地产生一定的谐波干扰也对同期装置的同期质量产生影响，进而使得同期点断路器使用寿命减短。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种结构简单紧凑、自动化程度高、适用范围广、控制精度高的多路自动准同期装置。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的解决方案为，一种多路自动准同期装置，其特征在于：它包括主控制单元、总线控制单元、通讯控制单元、开关量输入单元、开关量输出单元、交流电压模拟量输入单元以及频率采集单元，主控制单元通过开关量输入单元采集开关量信号，主控制单元分别通过交流电压模拟量输入单元和频率采集单元采集同期点系统侧及对象侧的同期电压信号和同期频率，通过PID算法后得到调整对象侧电压的幅值和频率值，发出脉冲调节命令至开关量输出单元，同时将计算结果及相应信息转换成数字信号送至总线控制单元和通讯控制单元；当同期电压幅值差及同期频率差满足条件后，主控制单元停止发出脉冲调节命令，通过开关量输出单元发出合闸命令。

所述主控制单元通过通讯控制单元与外部通讯设备相连，所述外部通讯设备包括显示通讯单元和RS485通讯单元。

所述主控制单元通过总线控制单元与外部存储器和以太网通讯单元相连。

与现有技术相比，本实用新型的优点就在于：(1)采用32位DSP平台的CPU。(2)具有多达8路的同期点控制功能，各路的输入、输出及同期控制均保持独立。(3)具有超强的抗电压波形畸变能力。(4)采用硬件和软件双重相差判据，以避免任何形式的非同期合闸。(5)具有同期录波功能。装置能自动记录同期启动后系统电压和对象电压每个周波的有效值、频率、压差、频差和相差。(6)装置每路均具有同期表功能。当某路需要通过人工方式同期时，可以方便的将此路设置为同期表而无需另行配置同期表。(7)可进行在线监测、故障监测，报警及显示，系统安全监视和保护。

附图说明

图1是本实用新型具体应用实例的系统结构示意图；

图2是本实用新型的框架结构示意图；

图3是本实用新型中开关量输入单元的电路原理示意图；

图4是本实用新型中开关量输出单元的输出电路原理示意图；

图5是本实用新型中开关量输出单元的允许输出电路原理示意图；

图6是本实用新型中RS485通讯单元的电路原理示意图；

图7是本实用新型中显示通讯单元的电路原理示意图；

图8是本实用新型中交流电压模拟量采样电路的电路原理示意图；

图9是本实用新型中频率采集单元的电路原理示意图；

图10是本实用新型中主控制单元与外部设备的连接示意图。

图例说明

2、外部同期点及操作控制系统

3、主机兼操作员工作站 4、以太网交换机

5、高速以太网 101、主控制单元

102、总线控制单元 103、通讯控制单元

104、开关量输入单元 105、开关量输出单元

106、交流电压模拟量输入单元 107、频率采集单元

108、外部存储器 109、以太网通讯单元

110、显示通讯单元 111、RS485通讯单元

1061、电流电压转换回路 1062、一级RC回路

1063、运放跟随回路 1064、二级级RC回路

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

参见图2所示，本实用新型的一种多路自动准同期装置，安装于电站中控室，它包括主控制单元101、总线控制单元102、通讯控制单元103、开关量输入单元104、开关量输出单元105、交流电压模拟量输入单元106以及频率采集单元107，主控制单元101用来处理输入的数据及计算同期位置发出控制命令等，主控制单元101的输入端分别与开关量输入单元104、交流电压模拟量输入单元106和频率采集单元107相连，主控制单元101的输出端与开关量输出单元105相连，主控制单元101通过通讯控制单元103与外部通讯设备相连，主控制单元101通过总线控制单元102与外部存储器108和以太网通讯单元109相连。而通过通讯控制单元103与主控制单元101相连的外部通讯设备包括显示通讯单元110和RS485通讯单元111。本装置在使用时，首先主控制单元101通过开关量输入单元104采集开关量信号，主控制单元101通过交流电压模拟量输入单元106采集8个同期点系统侧及对象侧的同期电压信号，主控制单元101通过频率采集单元107采集8个同期点系统侧及对象侧的同期频率；利用上述得到的各参数值，判断同期点的同期电压幅值差及同期频率差，通过PID算法计算出调整对象侧电压的幅值大小及频率大小，将计算结果向输出端发出脉冲调节命令至开关量输出单元105，同时将计算结果及相应信息转换成数字信号送至总线控制单元102、显示通讯单元110和RS485通讯单元111。当同期电压幅值差及同期频率差满足条件后，停止发出脉冲调节命令，通过捕捉同期角方式，最后向开关量输出单元105发出合闸命令。参见图1所示，本实用新型的多路自动准同期装置通过高速以太网5、以太网交换机4与主机兼操作员工作站3相连。外部同期点及操作系统2由外部的同期断路器、发电机、断路器操作系统及发电机的调压调频系统、系统侧及发电机电压采集回路构成。本实用新型通过系统侧及发电机电压采集回路对发电机及系统侧电压的采集并比较，然后由本实用新型对发电机的调压调频系统进行控制，使发电机端的电压幅值频率达到同期要求后再由本实用新型控制外部的同期断路器，在满足发电机电压与系统侧电压相角差要求的情况下由本实用新型向断路器的操作系统发出合闸命令，完成同期操作。

如图3所示，为本实施例中开关量输入单元104的电路原理示意图。本实用新型包含有24个相同开关量输入电路，其电路主要由光电隔离芯片TLP521-1、反向二极管、电阻、电容相互连接而成。图中SI代表外部信号，高电平为24V低电平为0V。信号经过电阻限流后到光电隔离芯片内。其中，并联接入输入回路的电容及二极管做为输入的抗干扰及防止反向电压击穿光隔的保护回路。输出信号经过电阻的上拉限后由I/O口送到主控制单元101中。输入高电平时，I/O口电平为0V；输入低电平时，I/O口电平为3.3V。I/O信号输入到主控制单元101之I/O口中，主控制单元101通过I/O口电平的高低转换来进行数字信号的的采集。

如图4和图5所示，为本实施例中开关量输出单元105的电路原理示意图，开关量输出单元105由开关量输出电路及开关量输出允许电路构成。其中，本实用新型包含有40个相同的开关量输出电路及1个开关量输出允许电路。开关量输出电路如图4所示，由正向高压驱动器UA、光电隔离芯片TLP181、达林顿晶体管芯片ULN2003和继电器组成。主控制单元101的I/O口输出3.3V低电平信号经过缓冲经过正向高压驱动器UA后变成5V低电平信号再经过光电隔离芯片进行光电隔离。经过隔离的信号变为24V高电平信号通过电阻降压为12V高电平信号再送至达林顿晶体管芯片，进行高逻辑信号到低逻辑信号的转换。达林顿晶体管芯片的输出端电源由开关量输出允许电路的输出端提供。由开关量输出允许电路的输出端提供的24V电压与经过转换的信号控制继电器。T1.1、T1.2是送至装置的外部信号。当主控制单元101的I/O口输出为高电平时，继电器不动作。反之，当主控制单元101之I/O口输出为低电平时，继电器动作。开关量输出允许电路如图5所示，由与非门74LVC00、光电隔离芯片TLP181、达林顿晶体管芯片ULN2003和开关三极管BD676组成。主控制单元101的两个I/O口QD1及QD2信号，当QD1信号为低电平输出，QD2为高电平输出时，信号经过与非门输出一个3.3V低电平再经过光电隔离芯片进行光电隔离。经过隔离的信号变为24V高电平信号通过电阻降压为12V高电平信号再送至达林顿晶体管芯片，进行高逻辑信号到低逻辑信号的转换。达林顿晶体管芯片的输出端电源由24V电源提供。经过转换的低电平信号控制开关三极管导通，使得24V电源送至QD24V输出端。

通讯控制单元103是由1个显示通讯电路及1个RS485隔离通讯电路组成。如图6所示，RS485通信单元111主要由3个异或门74LVC86、3个高速通讯光隔HCPL-0600、1个RS485协议转换芯片MAX485E组成。通讯信号由主控制单元101通讯串口TX口发出，由RX口收回，由DIR口控制通讯信号的传输方向，信号经异或门送至高速通讯光隔，经高速通讯光隔隔离后经过限流电阻送至RS485协议转换芯片，信号通过RS485协议转换芯片转换后变成485协议数据信号经过自适应限流电阻与外部后台通讯相连。

如图8所示，为本实施例中显示通讯电单元110的电路原理示意图。显示通讯电单元110的电路由两个正向高压驱动器74LVC1G07及电阻组成。主控制单元101显示通讯数据信号经TXDIS端口发出经过正向高压驱动器，信号由原来的3.3V提升至5.0V后经过限流电阻送至显示单元。显示单元的数据信号经过限流电阻送至正向高压驱动器，信号由5.0V下拉至3.3V后送至主控制单元101的RXDIS端口。

交流电压模拟量输入单元106由16个交流电压模拟量电路组成。如图8所示，交流电压模拟量电路由抗干扰滤波电容、降压电阻、互感器、钳位电路1065、电流电压转换回路1061、二级RC滤波回路1062、运放跟随回路1063、一级RC滤波回路1064等组成。来自外部的0-100V交流信号经抗干扰滤波电容及降压电阻送至交流互感器转换为0-2.5mA低电流信号，经过钳位电路1065送至电流电压转换回路1061，0-2.5mA低电流信号经过电流电压转换回路1061后变位0-3V的电压信号，电压信号再经过二级RC滤波回路1062、运放跟随回路1063及一级RC滤波回路1064后送至主控制单元101的内部12位AD做为交流采样信号。

如图9所示，为本实施例中频率采集单元107的电路原理示意图。本实用新型包含有16个频率采集电路，其电路主要由施密特反相器74LVC14、电压比较器LM393、电阻、电容连接而成。图中来自外部的0-100V交流电压信号经限流电阻送至电压比较器LM393与地电位比较后输出一个脉冲信号形成脉冲方波脉冲方波信号经过施密特反相器74LVC14整形后送至CPU的FRE端子。

如图10所示，本实用新型的多路自动准同期装置可采集16路交流电压量及频率，输入24路开关信号，输出40路开关信号。将数据及报警信号控制结果送至显示及后台。其各信号所代表的内容详见表1。

表1

SI1	1路同期启动信号	SI13	5路同期启动信号
SI1	1路同期启动信号	SI13	5路同期启动信号	SI2	1路同期TV断线报警信号	SI14	5路同期TV断线报警信号
SI3	1路断路器位置信号	SI15	5路断路器位置信号	SI2	1路同期TV断线报警信号	SI14	5路同期TV断线报警信号
SI3	1路断路器位置信号	SI15	5路断路器位置信号	SI4	2路同期启动信号	SI16	6路同期启动信号
SI5	2路同期TV断线报警信号	SI17	6路同期TV断线报警信号	SI4	2路同期启动信号	SI16	6路同期启动信号
SI5	2路同期TV断线报警信号	SI17	6路同期TV断线报警信号	SI6	2路断路器位置信号	SI18	6路断路器位置信号
SI7	3路同期启动信号	SI19	7路同期启动信号	SI6	2路断路器位置信号	SI18	6路断路器位置信号
SI7	3路同期启动信号	SI19	7路同期启动信号	SI8	3路同期TV断线报警信号	SI20	7路同期TV断线报警信号
SI9	3路断路器位置信号	SI21	7路断路器位置信号	SI8	3路同期TV断线报警信号	SI20	7路同期TV断线报警信号
SI9	3路断路器位置信号	SI21	7路断路器位置信号	SI10	4路同期启动信号	SI22	8路同期启动信号
SI11	4路同期TV断线报警信号	SI23	8路同期TV断线报警信号	SI10	4路同期启动信号	SI22	8路同期启动信号
SI11	4路同期TV断线报警信号	SI23	8路同期TV断线报警信号	SI12	4路断路器位置信号	SI24	8路断路器位置信号
K1	1路下调电压出口	K21	5路下调电压出口	SI12	4路断路器位置信号	SI24	8路断路器位置信号
K1	1路下调电压出口	K21	5路下调电压出口	K2	1路上调电压出口	K22	5路上调电压出口
K3	1路下调频率出口	K23	5路下调频率出口	K2	1路上调电压出口	K22	5路上调电压出口
K3	1路下调频率出口	K23	5路下调频率出口	K4	1路上调频率出口	K24	5路上调频率出口
K5	1路同期合闸出口	K25	5路同期合闸出口	K4	1路上调频率出口	K24	5路上调频率出口
K5	1路同期合闸出口	K25	5路同期合闸出口	K6	2路下调电压出口	K26	6路下调电压出口
K7	2路上调电压出口	K27	6路上调电压出口	K6	2路下调电压出口	K26	6路下调电压出口
K7	2路上调电压出口	K27	6路上调电压出口	K8	2路下调频率出口	K28	6路下调频率出口
K9	2路上调频率出口	K29	6路上调频率出口	K8	2路下调频率出口	K28	6路下调频率出口
K9	2路上调频率出口	K29	6路上调频率出口	K10	2路同期合闸出口	K30	6路同期合闸出口
K11	3路下调电压出口	K31	7路下调电压出口	K10	2路同期合闸出口	K30	6路同期合闸出口
K11	3路下调电压出口	K31	7路下调电压出口	K12	3路上调电压出口	K32	7路上调电压出口
K13	3路下调频率出口	K33	7路下调频率出口	K12	3路上调电压出口	K32	7路上调电压出口
K13	3路下调频率出口	K33	7路下调频率出口	K14	3路上调频率出口	K34	7路上调频率出口
K15	3路同期合闸出口	K35	7路同期合闸出口	K14	3路上调频率出口	K34	7路上调频率出口
K15	3路同期合闸出口	K35	7路同期合闸出口	K16	4路下调电压出口	K36	8路下调电压出口
K17	4路上调电压出口	K37	8路上调电压出口	K16	4路下调电压出口	K36	8路下调电压出口
K17	4路上调电压出口	K37	8路上调电压出口	K18	4路下调频率出口	K38	8路下调频率出口
K19	4路上调频率出口	K39	8路上调频率出口	K18	4路下调频率出口	K38	8路下调频率出口
K19	4路上调频率出口	K39	8路上调频率出口	K20	4路同期合闸出口	K40	8路同期合闸出口
M1	1路同期系统侧电压及频率	M9	5路同期系统侧电压及频率	K20	4路同期合闸出口	K40	8路同期合闸出口
M1	1路同期系统侧电压及频率	M9	5路同期系统侧电压及频率	M2	1路同期对象侧电压及频率	M10	5路同期对象侧电压及频率
M3	2路同期系统侧电压及频率	M11	6路同期系统侧电压及频率	M2	1路同期对象侧电压及频率	M10	5路同期对象侧电压及频率
M3	2路同期系统侧电压及频率	M11	6路同期系统侧电压及频率	M4	2路同期对象侧电压及频率	M12	6路同期对象侧电压及频率
M5	3路同期系统侧电压及频率	M13	7路同期系统侧电压及频率	M4	2路同期对象侧电压及频率	M12	6路同期对象侧电压及频率
M5	3路同期系统侧电压及频率	M13	7路同期系统侧电压及频率	M6	3路同期对象侧电压及频率	M14	7路同期对象侧电压及频率
M7	4路同期系统侧电压及频率	M15	8路同期系统侧电压及频率	M6	3路同期对象侧电压及频率	M14	7路同期对象侧电压及频率

M8	4路同期对象侧电压及频率	M16	8路同期对象侧电压及频率
M8	4路同期对象侧电压及频率	M16	8路同期对象侧电压及频率	485R	485通讯收	485X	485通讯发

装置可实现下列功能：

1、SI1-SI24总共24路信号采集。24路信号都是高电平为24V、低电平为0V的开关信号。现以主装置SI3为例来说明以上24路信号的采集。通常情况下第1路断路器没有合上时，1路断路器的位置接点打开，输入到装置的电压是0V；当第1路断路器合上时，1路断路器的位置接点闭合，输入到装置的电压是24V。这个信号采集由图2所示的开关量输入电路来完成。当输入电压为0V时，装置认为1路断路器未投入；当输入电压为24V时，装置认为1路断路器投入。

2、K1-K40总共40路控制命令信号的输出。装置要求这些信号空接点输出打开和闭合。如图1、图3、图4所示，图2之中央控制器之GPIO引脚输出到图3的OUT口及图4的QD1、QD2口，最后启动继电器闭合。反之若中央控制器无输出则继电器打开。

3、M1-M16总共16路交流模拟量信号输入。以1路同期系统侧电压信号M1为例介绍这16路模拟量信号的采集。1路同期系统侧电压信号输入到装置为0-100V的电压。由图9的交流电压模拟量采样电路进行采样，输出的0-3V电压送至主控制单元101的12位AD口。主控制单元101通过这个值来确定采集电压的大小。

4、主控制单元101对这些信号进行有效处理并通过复杂计算得出各路的系统电压及对象电压及它们之间的压差、频差、相差。

5、实现电压幅值、频率的PID自动调节

本装置采用的控制算法为：比例-积分-微分(PID)控制。

PID控制器是一种线性控制器，它通过给定值r(t)与实际输出值y(t)的比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID控制器调节输出，是为了保证偏差值(e值)为零，使系统达到一个预期稳定状态。

数字增量式控制规律为：

ΔJ(kT)＝J_P(kT)+J_I(kT)+J_D(kT)

＝K_P*[e(kT)-e(kT-T)]+K_I*e(kT)+K_D*[e(kT)-2e(kT-T)+e(kT-2T)]

式中：

K_P------比例系数

K_I------采样后的积分系数，K_I＝K_P*t/tI，即为：比例系数×采样时间/积分时间常数。tI为积分时间常数，t为采样时间。

K_D------采样后的微分系数，K_D＝K_P*tD/t，即为：比例系数×微分时间常数/采样时间。tD为微分时间常数。

T------采样周期(等于调频或调压周期定值)

ΔJ(kT)------第k次采样时装置控制输出的增量

e(t)------偏差，等于测量值与给定值之差

e(kT)------第k次采样时刻，测量值与给定值之偏差

e(kT-T)------第k-1次采样时刻，测量值与给定值之偏差

e(kT-2T)------第k-2次采样时刻，测量值与给定值之偏差

调频原理：

调频脉宽：Wf (单位为s)

Wf＝ΔF(kT)＝F_P(kT)+F_I(kT)+F_D(kT)

＝K_P*[e(kT)-e(kT-T)]+K_I*e(kT)+K_D*[e(kT)-2e(kT-T)+e(kT-2T)]

■当Wf≥Tf*80％时，取Wf＝Tf*80％。Tf为调频周期。

■当ΔF_l≤ΔF≤ΔF_h时，不发调频脉冲。

■当ΔF≤ΔF_l时，发频率上调脉冲(频率上调继电器脉动)。

■当ΔF≥ΔF_h时，发频率下调脉冲(频率下调继电器脉动)。

调压原理：

调频脉宽：Wu (单位为s)

Wu＝ΔU(kT)＝U_P(kT)+U_I(kT)+U_D(kT)

＝K_P*[e(kT)-e(kT-T)]+K_I*e(kT)+K_D*[e(kT)-2e(kT-T)+e(kT-2T)]

■当Wu≥Tu*80％时，取Wu＝Tu*80％。Tu为调压周期。

■当ΔU_l≤ΔU ≤ΔU_h时，不发调压脉冲。

■当ΔU≤ΔU_l时，发电压上调脉冲(电压上调继电器脉动)。

当ΔU≥ΔU_h时，发电压下调脉冲(电压下调继电器脉动)。

6、实现同期录波功能

装置能自动记录同期启动后系统电压和对象电压每个周波的有效值、频率、压差、频差和相差，配以后台同期分析应用软件，可以十分方便直观的判断同期质量或者分析同期失败的原因，同时能检测励磁系统调节电压、调速系统调节转速的参数设置是否合理。

Claims

1、一种多路自动准同期装置，其特征在于：它包括主控制单元(101)、总线控制单元(102)、通讯控制单元(103)、开关量输入单元(104)、开关量输出单元(105)、交流电压模拟量输入单元(106)以及频率采集单元(107)，主控制单元(101)通过开关量输入单元(104)采集开关量信号，主控制单元(101)分别通过交流电压模拟量输入单元(106)和频率采集单元(107)采集同期点系统侧及对象侧的同期电压信号和同期频率，通过PID算法后得到调整对象侧电压的幅值和频率值，发出脉冲调节命令至开关量输出单元(105)，同时将计算结果及相应信息转换成数字信号送至总线控制单元(102)和通讯控制单元(103)；当同期电压幅值差及同期频率差满足条件后，主控制单元(101)停止发出脉冲调节命令，通过开关量输出单元(105)发出合闸命令。

2、根据权利要求1所述的多路自动准同期装置，其特征在于：所述主控制单元(101)通过通讯控制单元(103)与外部通讯设备相连，所述外部通讯设备包括显示通讯单元(110)和RS485通讯单元(111)。

3、根据权利要求1所述的多路自动准同期装置，其特征在于：所述主控制单元(101)通过总线控制单元(102)与外部存储器(108)和以太网通讯单元(109)相连。

4、根据权利要求1或2或3所述的多路自动准同期装置，其特征在于：所述开关量输出单元(105)包括40个相同的开关量输出电路和一个开关量输出允许电路，所述开关量输出电路由正向高压驱动器、光电隔离芯片、达林顿晶体管芯片和继电器组成，所述开关量输出允许电路由与非门、光电隔离芯片、达林顿晶体管芯片和开关三极管组成。

5、根据权利要求1或2或3所述的多路自动准同期装置，其特征在于：所述交流电压模拟量输入单元(106)包括16个交流电压模拟量电路，所述交流电压模拟量电路由抗干扰滤波电容、降压电阻、互感器、钳位电路(1065)、电流电压转换回路(1061)、二级RC滤波回路(1062)、运放跟随回路(1063)以及一级RC滤波回路(1064)组成。