（电气工程专业论文）微机型自动准同期系统的现场试验及其应用研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 论文首先对河北南网各电厂自动准同期系统的运行现状进行分析研究，对比了 微机和模拟两代自动准同期系统的优缺点。以河北南网各电厂应用的s i d 一2 c m 型微 机自动准同期装置为主，分析了微机型自动准同期装置的工作原理和实现方法。结 合河北省电力研究院现场测试工作的实际，研究了微机型自动准同期系统的现场试 验方法，完善了同期回路设计及装置参数整定工作。为今后各电厂自动准同期系统 的选型、改造和现场测试工作提供了技术参考和依据，具有重要的实用价值。 关键词：自动准同期，现场测试，方法，微机 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y s e st h eo p e r a t i o ns t a t u so ft h ea u t os y n c h r o n i z a t i o n s y s t e m i ns o u t h e r n p o w e rp l a n to fh e b e ip r o v i n c e a tf i r s t a n dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sb e t w e e nt h ea n a l o g a n dt h e d i g i t a l a u t o s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m sa r ec o m p a r e d b a s e do nt h es i d 一2 c mt y p ed i g i t a l a u t os y n c h r o n i z a t i o nd e v i c ea p p l i e di ns o u t h e r np o w e rp l a n to fh e b e i p r o v i n c ea n dc o m b i n e dw i t ht h eo n - s i t et e s ta n de x p e r i m e n tn e e do fh b e p r i ， t h i s p a p e ra n a l y s e sa n d s u m su pt h e t e s tm e t h o d ，c i r c u i td e s i g na n d p a r a m e t e rs e t t i n go ft h ed i g i t a la u t os y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m t h et e c h n i c a l r e f e r e n c e sa n dg i s tw h i c hh a v ei m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u ef o rr e f o r m ， t y p e - c h o s e na n dt e s tm e t h o d so fo t h e ra u t os y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m si n p o w e rp l a n t sa r eg i v e ni nt h ep a p e r 。 g a o z h i q i a n g ( e l e c t r i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x uy u q i n p r o f c h e nx i a o d o n g k e yw o r d s ：a u t os y n c h r o n i z a t i o n ，o ns i t et e s t ，m e t h o d ，d i g i t a l 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文微机型自动准同期系统的现场 试验及其应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之 处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北 电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：莲磋差氢日期：堕：! ：垒 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盗查墨塾 日期：型：兰：竺 导师签名： 日期： 趁 堑：! ：堑 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题的背景及其意义 第一章绪论 在电力系统运行操作中，发电机的并网操作是一项非常重要的工作【”。随着我 国电力工业的快速发展，发电机组单机容量的不断增大，机组控制系统自动化水平 的日益提高，对发电机同期系统的要求也越来越高。如果同期系统出现问题，将有 可能造成机组的非同期并网，这会对价值数千万元的发电机组造成严重的损伤。在 我省南部电网，3 0 0 m w 机组和6 0 0 m w 机组已成为电网的主力机组，而且机组非同期 并列的事故也曾经发生过数次。因此，调查、研究和分析发电机并网操作在我省南 网电厂的现状，采取有效措旌，提高其自动化水平、可靠性和精度，规范和细化现 场试验工作，对于电力系统的安全、经济运行具有重要意义和工程实用价值。 在发电机并网操作上，一些电厂在认识上还存在一些误区：( 1 ) 只要能把发电 机并上电网，不论是用手动还是自动同期装置，能用就行；( 2 ) 把待并发电机与系 统的电压差和频率差调节的越小，并网时的冲击就越小；( 3 ) 只要在合闸回路中串 入同期检查继电器的闭锁接点就保险了等等。事实上，不仅要求同期系统把发电机 并入电网，还要求并网时使发电机的绕组、轴瓦、联轴器等部件受到的累积损伤达 到最小。准同期并网的三个条件中，电压差主要会引起无功功率冲击，频差只要不 超过最大允许值即可，它们对发电机的伤害并不严重。而相角差则主要引起有功功 率冲击，使机组的主轴受到扭矩，它对发电机组的安全和寿命影响最大【2 】。 相角差是指发电机的转子直轴一d 轴和定子三相电流合成的同步旋转磁场磁轴 之间的角差。在断路器合闸的那一瞬间，系统电压施加在发电机定子上，由其产生 的三相电流合成的以角速度m 旋转的旋转磁场将产生一个电磁转矩强迫发电机转 子轴系( 发电机转子、汽轮机转子等的合成体) 的磁轴与其取向致，这一拉入同步 的过程是一个数百吨质量的转子轴系于极短时间内在定子电磁转矩作用下旋转一 个角度就范于定子的过程。在极短时间内，发电机转子受到很大轴扭矩，必然造成 转子轴系及机械体的巨大损伤，从大量的发电机检修记录可以发现极其相似的转子 轴系损伤致残症状，如绕组线棒变形松脱、联轴器螺栓扭曲、主轴出现裂纹等 3 】。 因此，纠正一些认识误区，加强对发电机同期装置的重视程度，从而提高机组并网 操作的精确度，对保证机组和电网的安全、稳定、经济运行都具有十分重大的意义。 目前，我省南部电网发电机组总装机容量已达到1 2 0 0 0 m w 以上，单机容量也以 3 0 0 m w 、6 0 0 m w 容量机组为主。但是一些发电机组，特别是2 0 0 0 年以前投产的发电 机组，其同期装置还在使用许昌继电器厂或阿城继电器厂二十世纪八、九十年代生 产的z z q 系列模拟电路型产品，一些5 0 m v r 以下的老机组甚至还依靠运行人员手动 华北电力大学工程硕士学位论文 进行并网操作。近年来，随着计算机技术、电力电子技术的迅猛发展，微机型自动 准同期系统不断涌现。与老式模拟电路型同期装置相比，新一代微机型同期装置具 有计算精度高，定值整定方便，运行维护简单，人机界面友好等优点，而且可以更 好地和发电机组励磁系统、调速系统配套使用。因此，为了进一步减小发电机组并 网时对系统的冲击电流，避免和杜绝不良并网，满足电网、发电机组安全可靠运行 的要求，采用功能更加完善的微机型自动准同期系统已势在必行。 随着微机型自动准同期系统的大量应用，迫切需要对微机型自动准同期系统的 现场试验工作进行规范和细化，以消除隐患，保证同期系统安全、可靠运行。 1 2 河北南网各电厂自动准同期系统发展历程 在2 0 世纪9 0 年代以前，我省南网各发电厂一直沿用前苏联5 0 年代发明的a c t 一1 型自动准同期装置所派生出的模拟式自动准同期装置【甜。比较有代表性的是阿 城继电器厂生产的z z q 一3 a 自动准同期装置，许昌继电器厂生产的z z q 一5 自动准同 期装置。如石家庄热电厂、微水电厂、邯郸热电厂、保定热电厂、马头电厂等一些 老电厂，其5 0 m w 以下的机组，都是使用此类模拟式自动准同期装置。在当时的技 术条件下，它们完全能够满足机组并网的要求。但由于模拟式同期装置采用晶体管、 电阻、电容等元器件，组成充放电回路、微分和积分电路来控制合闸角和合闸时间。 但精度较低，随着时间延长，装置元器件老化严重，特别是电容值和稳压管特性的 变化，留下了安全隐患。 对模拟式自动准同期装置的现场试验工作，一般只对其导前时间这项参数比较 关注。对调频、调压功能，只是检查相应出口继电器能够动作即可，并不利用此功 能对发电机进行调压、调速。在发电机并网前，完全由运行人员根据经验手动将发 电机的电压和转速调整到同期装置的电压差和频率差闭锁范围内，然后投入同期装 置，由同期装置根据设定的导前时间来提前发出合闸令，完成并网。这就造成机组 并网时间延长，并网快慢和运行人员的经验关系很大，装置不能实现在同期点第一 次出现时并网。 从2 0 世纪8 0 年代末期开始，随着计算机硬件及软件技术的飞速发展，大量适 合于发电厂分布式控制系统( d c s ) 的微机型自动准同期装置不断涌现。和模拟电 路型同期装置相比，微机型自动准同期装置在定值整定、调整试验方面更便捷；对 不同频差下导前相角的控制也更加精确：而且能够和自动化程度日益提高的微机型 汽轮机d e h 调速系统、微机型发电机励磁系统更好的配合使用，使发电机快速满足 同期条件，并入电网。我省南网各电厂应用微机型同期装置的步伐相对较慢，在2 0 世纪9 0 年代投产的2 0 0 m w 、3 0 0 m w 机组，仍在使用模拟式同期装置。如西柏坡电厂 3 0 0 m w # l 、# 2 、# 3 、# 4 机组，衡水电厂3 0 0 m w # 1 、# 2 机组，邯郸热电厂2 0 0 m w 华北电力大学工程硕士学位论文 # l l 、# 1 2 机组，马头电厂2 0 0 m w # 8 机组等。 最近三、四年以来，我省南网各发电厂对发电机同期系统日益重视，已经开始 逐步应用微机型自动准同期系统。比较有代表性的有深圳市智能设备开发有限公司 s i d 系列产品和江苏国瑞自动化工程有限公司w x 一9 8 系列产品，以及南瑞公司 8 3 1 2 c 系列产品。新建和在建机组都己经开始使用微机型产品，如定洲电厂6 0 0 m w # 1 、# 2 机组，衡水电厂3 0 0 m w # 3 、# 4 机组，邢台电厂3 0 0 m w # 1 0 、# 1 1 机组 等。而且，各厂对老式模拟电路同期系统升级改造也在加快进行，如邢台电厂己将 所有六台2 0 0 m w 枫组的同期装置改造为南瑞公司s j 一1 2 c 微机同期装置。 对微机型自动准同期装置的现场试验工作，要求比模拟式的更加全面、严格。 在现场进行测试工作，一般采用新购进的北京博电新力公司p w 4 6 6 a 型微机同期测 试仪器。它能够实现输出两组变化的电压源，从而模拟并列点两侧电压情况：电压 幅值、相位差、频率能够根据要求适时变化。同时，采用日本日置( h i o k o ) 公司 8 8 5 5 型高速录波仪，其采样频率高达每周波上千点，它能够精确记录电压、电流、 开关量的变化情况。用它对导前时间、调频、调压脉冲宽度进行精确测量。依靠先 进的仪器，实现对电压闭锁值、频率闭锁值、导前角及导前时间、调压脉宽、调频 脉宽的定量测试，从而检查同期装置是否满足各项技术性能指标要求，保证机组自 动、快速、安全并网。 在今后几年，河北南网将新增约8 0 0 0 m w 装机容量，所有新上机组都将使用微机 型自动准同期装置。所以，规范和细化微机型同期系统的现场试验工作，具有重大 的现实意义。 1 3 本文的主要工作 本文结合河北省电力研究院对河北南网各电厂自动准同期系统的现场调试工作 实际，分析研究了自动准同期系统的应用现状。对比了模拟式、微机式两代自动准 同期系统的优缺点。以河北南网各屯厂应用的s i d 一2 c m 型微机自动准同期装置为主 要研究内容，对微机型自动准同期系统在回路设计、试验方法、参数整定等方面的 问题进行研究。本文的主要工作如下： ( 1 ) 了解、调研河北南网各电厂自动准同期系统的运行现状，技术水平。对老 式模拟电路型自动准同期装置存在的问题进行分析归纳，提出技术改造方案。 ( 2 ) 以s i g 一2 c m 型微机自动准同期系统为例，对微机型同期系统进行应用研究， 搜集其技术资料，掌握其基本工作原理，软件、硬件的结构配置及主要功能、特点。 ( 3 ) 结合新建衡水电厂# 3 、# 4 机组，邢台电厂# 1 0 、# 1 1 机组的现场测试工 作，对s i d 一2 c m 型微机自动准同期系统在现场的具体试验方法、参数整定等工作进 行了详细分析、论证。 1 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 分析了现有同期回路存在的问题，针对s i d 一2 c m 型微机自动准同期装置的 应用，完善并提出了典型的同期回路。 ( 5 ) 对调研、调试、改进等各项工作迸行总结。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章微机同期装置在河北南网各电厂的应用现状分析 2 1 南网各电厂同期装置配置 近年来，我省南网各发电厂对发电机同期系统日益重视，已经开始逐步应用微 机型自动准同期系统。新建机组都已经开始使用微机型产品，2 0 0 0 年以前投产的发 电机组也加快了将老式同期系统升级改造为微机型产品的步伐。下表2 - 1 详细罗列 了我省南网各电厂2 5 m w 以上机组同期装置使用情况。 表2 _ 1 河北南网各电厂机组同期装置配置情况 电厂名称 机组代号 容量( m w )原同期装置 改造后同期装置 # 1 机组3 0 0许继z z q 一5 # 2 机组 3 0 0 许继z z q 一5 衡水电厂 # 3 机组 3 0 0 深圳智能s i d 一2 c m # 机组 3 0 0 深圳智能s i d 一2 c m # 1 机组3 0 0许继z z q - 5 # 2 机组3 0 0许继z z o 一5江苏国瑞w x 一9 8 西柏坡电厂 # 3 机组 3 0 0许继z z q 一5江苏国瑞w x 一9 8 # 4 机组 3 0 0 许继z z q 一5江苏国瑞w x 一9 8 # 1 2 机组 2 5 # 1 3 机组 2 5 许继z z q - 5深圳智能s i d 一2 c 石家庄 # 1 4 机组 2 5 # 1 5 机组 2 5 热电厂 # 1 6 机组 1 2 5 深封】i 智能s i d 一2 c m # 2 1 机组2 0 0深圳智f i s i d 一2 c mf # 2 2 机组2 0 0深圳智能s i d 一2 c m # l 机组3 5 0a s e a 公司q a v a l 0 1 # 2 机组 3 5 0a s e a 公司q a v h l 0 1 上安电厂 # 3 机组 3 0 0a b b 公司r e s o i of # 4 机组 3 0 0a b b 公司r e s 0 1 0| # 9 机组 2 5 阿继z z q - 3 a # 1 0 机组 2 5 邯郸热电厂 # l l 机组 2 0 0 许继z z q - 5 # 1 2 机组2 0 0许继z z q 一5| 华北电力大学工程硕士学位论文 # l 机组 2 5 手动同期 # 2 机组 2 5 手动同期i # 3 机组5 0手动同期f # 4 机组5 0 手动同期江苏国瑞w x 一9 8 保定热电厂 # 5 机组 5 0 手动同期f # 6 机组 2 5 手动同期f # 7 机组 5 0 手动同期 # 8 机组 1 2 5 江苏国瑞v x - 9 8| # 9 机组1 2 5 江苏国瑞w x 一9 87 # 1 机组 6 6 0s i e m e n s 公司7 v e 5 1 2 7 邯峰电厂 # 2 机组6 6 0s i e m e n s 公司7 v e 5 1 2i # l 机组 6 0 0 江苏国瑞畎一9 8 定洲电厂 # 2 机组6 0 0江苏国瑞w x 一9 8 # 1 机组 2 5 阿继z z q 一3 a # 2 机组 2 5 阿继z z q 一3 a深圳智f 1 s i d 2 v t # 3 机组5 0阿继z z q 一3 a # 4 机组 2 0 0 阿继z z q 一3 a 南瑞s j - 1 2 c # 5 机组2 0 0阿继z z o 一3 a南瑞s j 一1 2 c 邢台电厂# 6 机组 2 0 0 阿继z z q - 3 a 南瑞s 7 - 1 2 c # 7 机组 2 0 0 阿继z z q 一3 a 南瑞s j 一1 2 c # 8 机组2 0 0阿继z z q - 3 a 南瑞s j 一1 2 c # 9 机组2 0 0阿继z z q 一3 a 南瑞s j - 1 2 c # l o 机组3 0 0深圳智能s i d 一2 c m7 # 1 1 机组 3 0 0 深圳智能s i d 一2 c m # 1 机组 2 5 阿继z z q 一3 a 深圳智能s i d 一2 c m # 2 机组 2 5阿继z z q - 3 a # 3 机组1 0 0阿继z z q 一3 a深圳智能s i d 一2 c m # 4 机组1 0 0阿继z z q - 3 a 马头电厂 # 5 机组 2 0 0 阿继z z q 一3 a深圳智能s i d 一2 v # 6 机组 2 0 0 阿继z z q 一3 a深彭i l 智能s i d 一2 c m # 7 机组 2 0 0 阿继z z q 一3 a深圳智能s i d 一2 c m # 8 机组2 0 0阿继z z q 一3 a深圳智能s i d 一2 c m # 1 机组 6 0 0 深圳智能s i d 一2 c m f 沧东电厂 # 2 n 组 6 0 0 深圳智能s i d 一2 c m 6 华北电力大学工程硕士学位论文 # 4 g l 组 5 0 阿继z z q 一3 a江苏国瑞w x 一9 8 微水电厂 # 5 机组 5 0 阿继z z q - 3 a江苏国瑞w x 一9 8 # 3 机组 2 5 手动同期i 沧州热电厂 # 4 机组 2 5 手动同期 2 2 模拟式自动准同期装置应用现状 目前，我省南网各电厂1 0 0 m w 以上机组还使用模拟式自动准同期装置已不多， 只有衡水电厂# 1 、# 2 机组，邯郸热电厂# 1 1 、# 1 2 机组，西柏坡电厂# l 机组，马 头电厂# 4 机组还在使用。但这些电厂已把同期系统升级改造提上日程安排。 模拟式自动准同期装置在检测同期条件和获得恒定越前时间上存在着缺陷，主 要表现在【4 】： ( 1 ) 不能保证越前时间的恒定性 早期的同期装置均以脉动电压为其信号源，并对其整流滤波获得正弦整步电压， 对正弦整步电压“比例一微分一电平检测”，获得恒定越前时间。此方法不能从原 理上克服压差对越前时间恒定性的影响，因而在新的电子元器件出现以后，被线性 整步电压取而代之。线性整步电压不反映发电机电压u ，系统电压u 。的幅值，并且 其最小值一定是零，其理论根据无懈可击。然而在技术上，装置所使用的电路产生 不了线性的三角波电压。 由于这个三角波电压的实际波形严重的非线性，使得由此获得的恒定越前时间 t d q 不恒定。以此三角波电压信号为基础的滑差检查结果也无法成立，这正是使用 模拟式同期装置并列时产生较大冲击的原因。 ( 2 ) 滑差的计算问题 模拟式自动准同期装置中，滑差是否合格无法计算出具体数值，而是通过比较 恒定越前相角电平检测器与恒定越前时间电平检测器翻转的先后顺序，从逻辑上进 行判断，其原理如下： 设某恒定越前相角 丸= 国。x t 面= qx t o 式中：出。，为滑差允许角 t 。为恒定越前时间 。为并列时的时间滑差 f 。是以角速度峨走完丸对应的时间 当q k 国， 时，t 。 时，滑差是合格的，即恒定越前相角电平检测器先于恒 定越前时间电平检测器翻转时，滑差是合适的。然而，。是直接对线性整步电压进行 7 华北电力大学工程硕士学位论文 电平检测的。由于不能褥到真正的三角波电压，使得这一看似正确的结果在技术实 现上难以保证其正确性，由此得到的允许合闸信号有可能是错误的，从而导致同期 合闸时产生冲击。 ( 3 ) 关于均频、均压 模拟式自动准同期装置的均频控制只是简单的比例调节功能，即均频脉冲数与 滑差周期t s 成比例，控制脉冲的宽度是人工预先设定的一个固定值，远不能满足快 速调节和使机组稳定的要求。均压部分则更为简单，首先鉴别压差的极性，控制脉 冲的宽度和间隔也是预先整定好的固定值。 为促进同步过程的尽快完成，按严格的自动控制准则，使均频过程既快速又平 稳是非常必要的，而模拟式自动准同期装置是无法实现精确计算的。 ( 4 ) 无法实现断路器合闸时间的准确测量，误差较大。 f 5 1 构成装置元器件的参数漂移，不稳定。 由于以上缺陷的存在，使得模拟式自动准同期装置难以担当目前单机容量目益 增大的机组同期并列的重任，必须采用先进的微机型自动准同期系统。 2 3 微机型自动准同期装置应用现状 到目前为止，我省南网绝大多数机组已经使用新一代微机型自动准同期系统。 应用比较多的产品有深圳市智能设备开发有限公司的s i d 系列产品，江苏国瑞自动 化工程有限公司w x 系列产品以及南瑞公司s j 1 2 c 系列产品。 微机型自动准同期装置主要有以下特点【4 】： ( 1 ) 在软件上采用快速求解计算滑差及其一阶、二阶导数的微分方程，实现精确的 零相角并网。 ( 2 ) 建立在机组运动方程基础上的理想导前相角的预测方法，能万无失地捕捉到 第一次出现的同步时机。 ( 3 ) 按模糊控制等算法实施均频、均压控制，具有促成同步条件快速实现的良好品 质。 以上特点加上微机同期装置在软件及硬件上对合闸控制采用了多重冗余闭锁， 结构上采用了全封闭式和严密的屏蔽措施，对输入信号进行光隔离及数字滤波，并 可接收上位机以开关量的投入和切除命令等，使得微机型自动准同期装置的应用前 景一片光明。 下一章将以s i d 一2 c m 型微机自动准同期装置为主要研究对象，对微机自动准同 期装置各方面进行详细介绍。 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章s i d 一2 c m 微机型自动准同期系统 3 1 并网操作的基本概念 3 1 1 并网操作意义 电力系统运行中，任一母线电压可表示为 u = u 。s i n ( ( i ) t + 巾) 式中：u f 一电压幅值 。电源的角频率 中初相角 上式反映了电网运行中该母线电压的幅值、频率和相角。这三个重要参数常被 指定为运行母线的状态量。 一台发电机在未投入系统运行之前，它的电压u ，与并列点电压u 。二者的状态量 往往不同，须对待并发电机进行适当的调整使之符合并列条件后，才允许进行并列。 这一系列操作称为并网操作。 同步发电机并网时应遵循的原则： ( 1 ) 并列断路器合闸时，对待并发电机组的冲击应尽可能小。 ( 2 ) 发电机组并入系统后，应能迅速进入同步状态，进入同步运行的暂态过程 要短。 在电力系统运行中，根据发电机投入电力系统并列方法的不同，并网操作分两 种方式。一是准同期方式，二是自同期方式i i l 。 准同期方式是对已励磁的发电机电压和频率进进行调整，使发电机电压与系统 电压的幅值和频率基本相同。待相位与系统电压相位相同才将发电机投入电力系 统。在理想情况下。断路器合闸瞬间，发电机定子电流等于零，电磁力矩也等于零。 这是准同期方式的最大优点。它是目前广泛采用的发电机并网方式。 自同期方式是将原动机转速升高到接近同步转速时，将未加励磁的发电机投入 电力系统，随即加上励磁，依靠电磁力矩将发电机自行拉入同步。所以投入瞬间不 可避免的使系统和发电机受到冲击电流的影响。因为待并的发电机不加励磁，只要 对机组的转速进行调节即可，这就节省了励磁装置和仪表，简化了接线。此种方式 已很少采用，只有当系统发生事故时，为了迅速投入水轮发电机组，才采用自同期 并列方式【l ，引。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 3 1 2 准同期并列 设待并发电机组f 已经加上了励磁电流，其端电压为u c 如图3 1 ( a ) 所示。d l 为并列断路器，并列断路器另一侧的系统电压为t l x 。并列断路器合闸之前，d l 两 侧电压的状态量一般不等，须对发电机组f 进行适当的调整使之符合并列条件，然 后发出合闸信号使d l 合闸。 由于d l 两侧电压的状态量不等，d l 主触头之间具有电压差u ，其值可由图 3 1 ( b ) 的矢量求得。 ( a ) ( b ) x f e f 图3 1准同期并列 ( a ) 电路示意 ( b ) 矢量图( c ) 等值电路图 设发电机的角频率为mf ，系统电压u x 的角频率为6 0 x ，它们间的矢量差即为 u 。并列时计算冲击电流的等值电路如图3 - 1 ( c ) 所示。当系统参数定时，冲击电流 决定于合闸瞬间的u 值。并列时要求d l 合闸瞬间的值尽可能小，其最大值不应 超过允许值，最理想的情况是u 的值等于零，这时合闸冲击电流也等于零。并且 希望并列后能顺利地进入同步运行状态。 综上所述，并列的理想条件为两侧电源电压的三个状态量全部相等，即图中u f 和u x 两个矢量完全重合并且同步旋转。所以并列的理想条件可表达为： ( 1 ) m f = 。x 或i f = f x 。待并发电机频率与系统频率相等； f 2 ) u f = u x ，发电机电压与系统电压幅值相等； ( 3 ) 中= 0 ，相角差为零，u f 与u x 两电压矢量重合。 这时断路器d l 主触头间的u 值等于零，不但冲击电流等于零，而且并列后 发电机f 与系统立即进入同步运行，不会发生任何扰动现象，所以上面三个条件为 准同期并列的理想条件。 华北电力大学工程硕士学位论文 但是，在实际运行中待并发电机很难同时满足三个理想条件，而且也没有必要。 因为合闸时只有冲击电流足够小，不危及电气设各，合闸后发电机拉入同步的暂态 过程短，对待并发电机运行的影响较小，不致引起不良后果就可以了。 下面分析如果同步发电机组并列时偏离三个理想条件，会产生什么样的后果。 ( 1 ) u f u x ，并网时电压幅值不等。 此时会产生冲击电流，冲击电流主要为无功电流分量。冲击电流的电动力会对 发电机绕组产生影响，由于定子绕组端部的机械强度较弱，因此冲击电流要加以限 制。 ( 2 ) 中o 0 ，合闸瞬间存在较小相角差。 此时也会产生冲击电流，冲击电流主要为有功电流分量。合闸后发电机与系统 间有功功率立即进行交换，使机组联轴受到突然冲击，这对机组和系统运行是不利 的。为了保证机组安全运行，一般将有功冲击电流限制在较小数值。 ( 3 ) f 悻f x 或f s ，频率不相等。 此时断路器两侧电压u s 为脉动变化，其值可描述如下： u 。= u f s i n ( f t + 巾。) 一u ；s i n ( ；t + 巾2 ) 设初始相角巾= 巾：= o ，此时u ，= u 。，则 驴2 u ，s i n ( 堕等f ) c o s ( c o l + 。c o x f ) 二二 设u ；= 2 u 。s i n ( 掣f ) 为脉动电压的幅值，则 z u 。= u ，c o s ( 坐r ) 2 即u 。波形可以看成是幅值为u ，频率接近于工频的交流波形。 又滑差角频率为。= 6 3 ，一( i ) ；，则u ，与u 。两电压矢量的相角差中为 中= ( i ) 。t 于是u ；= 2 u ，s i n ( 竺f ) = 2 u ，s i n 兰= 2 u , s i n 兰 22 2 u 。为正弦脉动波，其最大幅值为2 u ，所以u 。又称为脉动电压。脉动电压u 。为频率 接近于工频、振幅作脉动变化的电压。如用矢量分析，可设想系统电压u ；固定，而 待并发电机的电压u ，以滑差角频率u ；对u ；转动，当相角差巾从0 到n 时，脉动电 压u 。的幅值相应的从零变到最大值，中从n 到2n ( 重合) 时，u 。的幅值又从最大值 回到零。转一圈的时间为脉动周期为t 。 滑差角频率为。与滑差频率f 。间具有下列关系： 华北电力大学工程硕士学位论文 ( i ) 。= 2 e 所以脉动周期t 。：_ 1 ：望 t s 姻 d l 两侧电压的相角差咖是时间的函数，所以并网时合闸相角差中。与发出合闸 信号的时间有关。如果发出合闸信号的时间不恰当，就有可能在相角差较大时合闸， 以致引起较大的冲击电流。还须指出，如果频率差较大，即使合闸时的相角差中。 满足要求，但由于待并发电机需要经历一个剧烈的暂态过程才能进入同步运行状 态，严重时甚至可能失步，因而也是不允许的。 当发电机与系统间进行有功功率交换时。如果发电机的电压l lr 超前系统电压u ， 发电机发出功率，则发电机将制动而减速。反之，当u ，落后u 。，发电机吸收功率时， 则发电机将加速。所以交换功率的方向与相角差中的正负有关。 发电机进入同步状态的暂态过程与合闸时滑差角频率。的大小有关，当6 0 。 较小时，到达最大相角时的巾值也较小，发电机可以很快进入同步运行。当。较 大时，到达最大相角时的巾值也相应增大，则需要经历较长时间振荡才能进入同步 运行。如果u 。很大，则将导致失步。所以合闸时。，的极限值应根据发电机能否进 入同步运行的稳定条件进行校验。通常，在一般情况下并网时的。值远小于上述极 限值，因此可以不必校验，。n 。 3 2s i d - 2 c m 工作原理 3 2 1 原理框图 控制信号输出 图3 - 2s i d 一2 c m 原理框图 s i d 一2 c m 型控制器工作原理如图3 2 所示( 引。c p u 配有e p r o m 、e e p r o m 、r a m 和 若干定时计数器及并行接口等芯片，组成一个专用微机控制系统。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 2 电力系统并网的两种情况 目前电力系统的并网方式按两并列系统之间的关系可分为两种情况【9 】9 。 ( 1 ) 差频并网 差频并网是指在发电厂中，将台发电机与电力系统进行同步并网，它们是两 个电气上没有联系的电力系统并网。其特征是在同步并列点处两侧电源的电压、频 率均可能不同，且由于频率不相同，使得两电源之间的功角( 电压相位差) 在不断变 化。进行差频并网是要在并列点两侧电压和频率相近时，捕获两侧电压相位差巾为 零的时机完成平滑并网。 ( 2 ) 同频并网 同频并网是指断路器两侧电源在电气上原已存在联系的两部分系统，通过并列 点再连通的操作，如线路断路器、母联断路器、单母分段断路器或3 2 接线的各中 间串断路器等。其主要特征是在实现并网前同步点两侧电压幅值可能不相等，但频 率相同，而且存在一个固定的电压相位差，这个相位差即为功角8 ，6 值大小与联 接并列点两侧系统的电抗值及传输的有功功率值有关。从本质上讲，同频并网只是 在有电气联系的两系统间再增加一条连线。这种情况的并网条件是当并列点断路器 两侧的电压差及功角在给定范围时，即可实施并网操作。并网瞬间并列点断路器两 侧的功角立即消失，系统潮流将重新分布。因此，同频并网允许的功角值，以系统 潮流重新分布后不致于引起继电保护误动，或导致并列点两侧系统失步为原则整 定。 同频并网操作是实现系统中分开运行的线路断路器的正确投入，完成系统的并 列运行，是变电所和发电厂中重要的操作。近年来微机型同期装置有了长足的发展， 用算法代替了晶体管或集成电路逻辑，使准确性和可靠性得到了更好的保证【l 】。在 同一系统的两个部分进行并列时也不再只是简单地使用同步检查继电器，同频并网 的问题得到了重视。 3 2 3 差频并网合闸角的数学模型 在差频并网时，特别是发电机对系统并网时，发电机组的转速在调速器的作用 下不断在变化，因此发电机对系统的频差不是常数，而是包含有一阶、二阶或更高 阶的导数。加之并列点断路器还有一个国有的合闸时间t k ，同期装置必须在零相差 出现前的t k 时发出合闸命令，才能确保在中= o 时实现并网。或者说同期装置应在 由= o 到来前提前一个角度中k 发出合闸命令，中k 与断路器合闸时间t k 、滑差角频 华北电力大学工程硕士学位论文 ：g o s 、滑差角频率的一阶导数掣及滑差角频率。一- - 。百d 2 0 s 等有关。其数学 表达式瓢o k = c o s t k + 三挚t “1 筝t 卜 同期装置在并网过程中需不断快速求解该微分方程，以获取当前理想的提前合 闸角审t 。并不断快速测量当前并列点断路器两侧的实际相差中，当巾= 巾。时装置发 出合闸命令，实现精确的零相差并网。 不难看出获得精确的断路器合闸时间t 。( 含中间继电器) 是非常重要的，因此 s i d 一2 c m 准同期控制器具有实测t 。的功能。同时也不难看出计算机对巾。的计算和对 由的测量都不是连续进行的，而是离散进行的。从而使得我们不一定能恰好捕获中 k - 中的时机。这就会导致并网的快速性受到极大的影响。本控制器用另一种合闸角 的预测算法，从而确保在频差及压差己满足允许值时，能不失时机地捕捉到第一次 出现的并网机会。 3 2 。4 均频与均压控制的方式 实现快速并网对满足系统负荷供需平衡及减少机组空转能耗有重要意义。捕捉 第一次出现的并网时机是实现快速并网的一项有效措施，而用良好控制品质的算法 实施均频与均压控制，促成频差与压差尽快达到给定值也是一项重要措施。 模糊控制的基本思想是模拟人脑的功能。人脑的思维不能用一个确切的数学函 数来表达，而是基于靠实践经验所建立的一些模糊概念之上的，模糊控制理论是依 据模糊数学的知识来做出模糊决策。一般模糊控制器是根据被控量的偏差e 及偏差 的变化率c 按模糊推理规则确定控制量u 。s i d 一2 c m 控制器使用了模糊控制算法， 其表达式为： u = g ( e ，c ) 式中u 一控制量， e 一被控量对给定值的偏差， c 一被控量偏差的变化率， g 一模糊控制算法。 模糊控制理论是依据模糊数学将获取的被控量偏差及其变化率作出模糊控制 决策。下面列出一张模糊控制推理规则表( 表3 - i ) 可描述其本质。表中将偏差e 的 模糊值分成正大到负大共八档，将偏差变化率c 的模糊值分成正大到负大共七档， 与它们对应的控制器发出的控制量u 的模糊值就有5 6 个，从正大到负大共七类值。 以调频控制为例，如控制器测量的频差0 3 8 = 0 ) f f o x ( c o l 、0 】x 分别为待并发电机 及系统的角频率) 为负大，而频差变化率一一也是负大，则控制量u 为零( 表中右 华北电力大学工程硕士学位论文 下角的值) 。这表明尽管发电机较之系统频率很低，但当前发电机频率正以很高的 速度向升高方向变化，因此无需控制发电机频率就能恢复到正常值。 表3 1 模糊推理规则表 越 正大正中正小正零 负零负小负中负大 正大 零 零负中负中负大负大负大负大 正中 正小零 负小负小负中负中负大负大 正小正中正小零零 负小负小负中负大 零正中正中正小零 零 负小负中负中 负小正大正中正小正小 零 零负小负中 负中正大正大正中正中正小正小 零 负小 负大正大正大正大正大正中 正中零零 人们很自然的会想到这些模糊控制量的值具体在控制过程中到底是多少呢? 应该有个量化的环节，例如变成控制器发出控制信号的脉冲宽度和脉冲间隔。 s i d - 2 c m 控制器正是通过均频控制系数k f 和均压控制系数k v 两个整定值来对控制 量进行量化的，k f 及k v 的选取是在发电机运行过程中人工手动将频差或压差控制 超出频差及压差定值的工况下进行，根据s i d 一2 c m 控制器在纠正频差及压差的过程 中所表现的控制质量来修改k f 及k v ，当发现纠正偏差的过程太慢，则应加大k f 或 k v ，反之，如纠正偏差过快并出现反复过调，则应减小k f 或k v ，直到找到最佳值。 我们不难看到s i d 一2 c m 控制器实际上是针对发电机组调速系统及励磁调节系统的具 体特性来整定控制系数的。 3 3s i o 一2 c m 主要功能 s i d 一2 c m 型微机自动准同期装置是深圳市智能设备开发有限公司在总结前七代 产品运行经验的基础上，在硬件设计及软件设计上作了较大的改进。除了保留原有 产品的精确性及快速性的优点外，还增加了全汉字显示及与上位机进行通讯的功 能。这为电站分布式控制系统( d c s ) 增加了一个重要的智能终端。不仅使运行人 员在同期控制器的安装现场可以看到有关并网过程中的各种信息，还能在远方的集 控站对并网过程了如指掌。 s i d 一2 c 系列微机同期控制器的突出特点是确保以最短的时间和良好的控制品 质促成同期条件的实现，并不失时机的捕捉到第一次出现的并网机会。 其主要功能如下： ( 1 ) s i d 一2 c m 有1 2 个通道可供l 1 2 台、条发电机或线路并网复用，或多台同期装 置互为备用，具备自动识另l r 并网对象类别及并网性质的功能。 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 设置参数有： 断路器合闸时间、允许压差、过电压保护值、允许频差、均频控制系数、均压 控制系数、允许功角、并列点两侧t v 二次电压实际额定值、系统侧t v 二次转角、 同频调速脉宽、并列点两侧低压闭锁值、同频闽值、单侧无压合闸、无压空合闸、 同步表功能。 ( 3 ) 控制器以精确严密的数学模型，确保差频并网( 发电机对系统或两解列系统间 的线路并网) 时捕捉第一次出现的零相差，进行无冲击并网。 ( 4 ) 控制器在发电机并网过程中按模糊控制理论的算法，对机组频率及电压进行控 制，确保最快最平稳地使频差及压差进入整定范围，实现更为快速的并网。 ( 5 ) 控制器具各自动识别差频或同频并网功能。在进行线路同频并网( 合环) 时， 如并列点两侧功角及压差小于整定值将立即实施并网操作，否则就进入等待状态， 并发出遥信信号。 ( 6 ) 控制器能适应任意t v 二次电压，并具备自动转角功能。 ( 7 ) 控制器运行过程中定时自检，如出错，将报警，并文字提示。 ( 8 ) 在并列点两侧t v 信号接入后而控制器失去电源时将报警。三相t v 二次断线时 也报警，并闭锁同期操作及无压合闸。 ( 9 ) 发电机并网过程中出现同频时，控制器将自动给出加速控制命令，消除同频状 态。控制器可确保在需要时不出现逆功率并网。 ( 1 0 ) 控制器完成并网操作后将自动显示断路器合闸回路实测时间，并保留最近的8 次实测值，以供校核断路器合闸时间整定值的精确性。 ( 1 1 ) 控制器提供与上位机的通讯接口( r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 ) ，并提供通讯协议，和必 需的开关量应答信号，以满足将同期控制器纳入d c s 系统的需要。 0 2 ) 控制器采用了全封闭和严密的电磁及光电隔离措施，能适应恶劣的工作环境。 ( 1 3 ) 控制器供电电源为交直流两用型，能自动适应1 i o v 、2 2 0 v 交直流电源供电。 ( 1 4 ) 控制器输出的调速、调压及信号继电器为小型电磁继电器，合闸继电器则有小 型电磁继电器及特制高速、高抗扰光隔离无触点大功率m o s f e t 继电器两类供选择， 后者动作时间不大于2 毫秒，长期工作电压可达直流1 0 0 0 v ，接点容量直流6 安。 在接点容量许可的情况下，可直接驱动断路器，消除了外加电磁型中间继电器的反 电势干扰。 ( 1 5 ) 可接受上位机指令实施并列点单侧无压合闸或无压空合闸。 0 6 ) 在需要时可作为智能同步表使用。 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 4 1 总体说明 第四章微机型同期系统的现场试验 对微机型同期系统进行现场试验，是确保同期系统安全、可靠投入运行的最后 一道防线。我省南部电网采用s i d 一2 c m 等微机型同期系统的电厂已有很多。这就 要求对微机型同期系统的现场测试工作应力求全面、规范、细化，做到万无一失， 确保同期系统安全、可靠投入运行。 现场试验的主要工作内容包括：( 1 ) 传动并检查外围二次回路是否正确，包括 完善回路设计；( 2 ) 对同期装置参数进行整定审查：( 3 ) 对中间继电器进行校验； ( 4 ) 对压差闭锁值、频差闭锁值、同频调速脉宽等整定参数进行定量测试；( 5 ) 通过联调试验确定与励磁系统，调速系统相关联的均压、均频系数i ( 6 ) 对断路器 导前时间进行带开关实测整定。 由于微机型同期装置精度要求高，因此，在现场进行测试工作中，需要配备精 度更高的测试仪器。目前，现场试验中广泛采用北京博电新力公司p w 4 6 6 a 型微机同 期测试仪器。它能够准确模拟并列点两侧电压情况，输出两组变化的电压源。同时， 采用日本日置( h i o k o ) 公司8 8 5 5 型高速录波仪，其采样频率高达每周波上千点， 它能够精确测量导前时间、调频脉宽、调压脉宽等这些毫秒级的信号。 国内外的运行经验表明：由于电压互感器二次接线错误、自动准同期装置工作 不正确、同期装置参数整定不合理，在断路器合闸过程中( 尤其合闸时间很长的断 路器) 相角急剧拉大( 如自动准同期装置与汽轮机调速系统配合不协调产生过调现 象，转差出现反向急剧变化) 等情况，是造成发电机组非同步合闸，发电机遭受损 坏的主要原因。 因此