1、電力系統自動裝置原理電力系統自動裝置原理 第二章第二章 同步發電機的自動并列同步發電機的自動并列第一節第一節.概述概述一一.并列操作的基本問題并列操作的基本問題1)并列操作的概念2)并列操作的原則3)并列操作的分類二二.準同期并列準同期并列1.并列的等值電路和理想條件2.非理想條件并列分析三三.自同期并列自同期并列1)自同期并列的優、缺點2)自同期并列的沖擊電流1)并列操作的概念并列運行與并列操作并列運行與并列操作: 各發電機轉子角以相同的電角速度運行,相對電角度不超過允許值,此種運行方式稱為發電機的并列運行并列運行. 發電機投入系統參加并列運行的操作稱為并列操作并列操作.重要的操作：重要的操

2、作：正常需要、故障需要；發電廠需要，系統也需要2)并列操作的原則 沖擊電流-小小 限制在發電機端部短路電流的限制在發電機端部短路電流的5%- 10% 暫態過程-短短 迅速進入同步運行狀態迅速進入同步運行狀態3)并列操作的分類準同期并列準同期并列: 發電機在合閘之前已經勵磁,當發電機的頻率頻率、電壓電壓和相位相位與系統接近相同時，將發電機合閘。自同期并列：自同期并列： 自同期并列操作是將一臺未加勵磁電流的發電機組升速至電網頻率，滑差角頻率Ws不超過允許值，且在機組的加速度小于某一給定值的條件下，首先合上斷路器QF，接著立刻合上勵磁開關SE，給轉子加上勵磁電流，在發電機電勢逐漸增長的過程中，由電力

3、系統將并列的發電機拉入同步運行。)sin(wtUum二、準同期并列1.并列的理想條件并列的理想條件并列合閘的沖擊電流等于零，并列后發電機立即進入同步運行。并列合閘的沖擊電流等于零，并列后發電機立即進入同步運行。二、準同期并列2.非理想條件并列分析非理想條件并列分析1）存在電壓幅值差存在電壓幅值差 （電壓幅值不相等）（相角差等于零）（頻率相等）xGxGWWUU0e產生的沖擊電流主要為無功電流。產生的沖擊電流主要為無功電流。沖擊電流的沖擊電流的電動力對發電機繞組產生影響，由于定子繞組端部的機械電動力對發電機繞組產生影響，由于定子繞組端部的機械強度最弱，所以特別注意對它造成的影響。強度最弱，所以特別

4、注意對它造成的影響。沖擊電流最大瞬時值限制在沖擊電流最大瞬時值限制在12倍額定電流以下為宜倍額定電流以下為宜； 28.1hhmxdxGiiXUXXUUIh2）存在較小的合閘相角差產生的沖擊電流主要為有功電流。產生的沖擊電流主要為有功電流。合閘后發電機與電網合閘后發電機與電網間立刻交換有功功率，使機組聯軸受到突然沖擊，這對電間立刻交換有功功率，使機組聯軸受到突然沖擊，這對電網和機組都是不利的。網和機組都是不利的。為了保證機組安全運行，一般將有功沖擊電流限制在較小數為了保證機組安全運行，一般將有功沖擊電流限制在較小數值。值。 （合閘存在相角差）（頻率相等）（電壓幅值相等）0UUexGxGWW2si

5、n2XUI hexqqXXE3）存在頻率差存在頻率差脈動電壓脈動電壓 （合閘存在相角差）（頻率不相等）（電壓幅值相等）0UUexGxGWW2sin22sin2)2sin(2U)2cos(U)2sin(2U)2cos()2sin(20)sin()sin(S2121emGsmGXGmGsXGsXGmGsXGXGmGsXmXGmGsUtwUtwwUtwwutwwUtwwtwwUutwUtwUu為脈動電壓的幅值令：假設：脈動電壓的三個重要參數：脈動電壓的三個重要參數：幅值幅值-既反映了兩個電壓的大小又反映了兩個電壓的相位；頻率頻率-接近工頻滑差角頻率（脈動周期）滑差角頻率（脈動周期）-反映了兩個電壓的

6、頻率差XGsXGsA.脈動電壓脈動電壓波形分析交流電壓波形交流電壓波形脈動電壓波形脈動電壓波形B.脈動電壓矢量分析脈動電壓矢量分析存在頻率差存在頻率差脈動周期脈動周期Ts、滑差頻率、滑差頻率fs、滑差角頻率、滑差角頻率Ws都可以用來表示發電機頻率與電網頻都可以用來表示發電機頻率與電網頻率之間的差值。率之間的差值。如果并列頻率差值很大，如果并列頻率差值很大，即使合閘時相角即使合閘時相角差很小，滿足要求，但這時發電機需要很差很小，滿足要求，但這時發電機需要很長一段時間才能進入同步過程，嚴重時甚長一段時間才能進入同步過程，嚴重時甚至失步，因而也是不允許的。至失步，因而也是不允許的。三、自同期并列三、

7、自同期并列1.自同期并列的優、缺點：自同期并列的優、缺點：1）并列過程迅速；2）裝置簡單；3）易于實現自動化；4）事故下有可能將發電機投入；5）不能用于兩個系統間的并列。不能用于兩個系統間的并列。2.自同期并列的沖擊電流；自同期并列的沖擊電流； 沖擊電流為經發電機次暫態電抗短路，不可避免產生沖擊電流。沖擊電流主要取決于系統電壓。 28.1hhmdxdXGxdXiiXXXUUXXUIh其中第二節第二節.準同期并列的基本原理準同期并列的基本原理一、脈動電壓分析一、脈動電壓分析二、準同期并列裝置二、準同期并列裝置三、準同期并列合閘信號的控制邏輯三、準同期并列合閘信號的控制邏輯四、恒定越前時間并列裝置

8、的整定計算四、恒定越前時間并列裝置的整定計算一、脈動電壓分析脈動電壓分析脈動電壓為準同期并列的三個條件提供檢測信息。脈動電壓為準同期并列的三個條件提供檢測信息。電壓幅值差、頻率差、相角差電壓幅值差、頻率差、相角差幅值差幅值差脈動電壓的最小值脈動電壓的最小值頻率差頻率差脈動電壓的滑差角頻率脈動電壓的滑差角頻率(脈動周期）脈動周期）相角差相角差脈動電壓的幅值脈動電壓的幅值脈動電壓幅值的大小與相角差有關，脈動電壓幅值是相角差的函數。XminmmGsUUUSSSfT12幅值差幅值差脈動電壓的最小值脈動電壓的最小值twUUUUUUsmGmxmGmxsmGmxcos2U 22XmmGUUSSSfT1221

9、頻率差頻率差(脈動周期）脈動周期）相角差相角差（脈動電壓的幅值）（脈動電壓的幅值）脈動電壓幅值是相角差的函數脈動電壓幅值是相角差的函數U1U2二、準同期并列裝置準同期并列裝置1.控制單元的構成控制單元的構成1）頻率差控制單元）頻率差控制單元2）電壓差控制單元）電壓差控制單元3）合閘信號控制單元）合閘信號控制單元2.自動化程度分類自動化程度分類 半自動：沒有頻率差控制和電壓差控制功能，只有合閘信號控制單元。半自動：沒有頻率差控制和電壓差控制功能，只有合閘信號控制單元。自動：設有頻率差控制和電壓差控制功能，同時也有合閘信號控制單元。自動：設有頻率差控制和電壓差控制功能，同時也有合閘信號控制單元。3

10、.準同期并列合閘信號的控制邏輯準同期并列合閘信號的控制邏輯1）恒定越前相角準同期并列）恒定越前相角準同期并列2）恒定越前時間準同期并列）恒定越前時間準同期并列4.恒定越前時間并列裝置的整定計算恒定越前時間并列裝置的整定計算1、控制單元（、控制單元（準同期并列裝置組成部件）3、準同期并列合閘信號的控制邏輯、準同期并列合閘信號的控制邏輯 （1）恒定越前相角準同期并列）恒定越前相角準同期并列脈脈動動電電壓壓幅幅值值是是相相角角差差的的函函數數脈動電壓幅值是相角差的函數，一個電壓值對應一個相角值。脈動電壓幅值是相角差的函數，一個電壓值對應一個相角值。3、準同期并列合閘信號的控制邏輯、準同期并列合閘信號

11、的控制邏輯2）恒定越前時間準同期并列）恒定越前時間準同期并列4、恒定越前時間并列裝置的整定計算、恒定越前時間并列裝置的整定計算整定的三個參數整定的三個參數：1.越前時間越前時間2.允許的電壓差允許的電壓差3.允許的滑差角頻率允許的滑差角頻率QFcYJttt *2*8.1*2)(arcsin2qxqhmeyQFceysyEXXittw自自分別為自動信號輸出回路的動作時間和分別為自動信號輸出回路的動作時間和并列斷路器的合閘時間并列斷路器的合閘時間發電機允許的合閘相角決定于發電機的最大允許沖擊電流第三節第三節 自動并列裝置的工作原理自動并列裝置的工作原理一、裝置的控制邏輯一、裝置的控制邏輯二、并列的

12、檢測信號二、并列的檢測信號1.整步電壓整步電壓自動并列裝置檢測并列條件的電壓，稱為整步電壓自動并列裝置檢測并列條件的電壓，稱為整步電壓 1)正弦整步電壓正弦整步電壓 2)線性整步電壓線性整步電壓2.相角差的實時檢測相角差的實時檢測三、并列合閘控制三、并列合閘控制1.恒定越前時間恒定越前時間2.頻率差檢測頻率差檢測3.電壓差檢測電壓差檢測一、裝置的控制邏輯一、裝置的控制邏輯控制邏輯控制邏輯時間配合時間配合或非門兩個輸入端只要有一個輸入端出現或非門兩個輸入端只要有一個輸入端出現“1”，它輸出邏輯為，它輸出邏輯為0，與門，與門Y1就閉鎖。輸就閉鎖。輸入端輸入均為入端輸入均為0，輸出邏輯為，輸出邏輯為

13、1，越前時間越前時間到，通過與門發出合閘信號。到，通過與門發出合閘信號。1.正弦整步電壓正弦整步電壓包絡線波形為正弦型，稱為正弦型整步電壓。包絡線波形為正弦型，稱為正弦型整步電壓。2sin22sin2UeZXsZXsZKUtwKUUsz不僅是相角差的函數，而且還與電壓差值有關，使得利用不僅是相角差的函數，而且還與電壓差值有關，使得利用Usz檢測并列條件的越檢測并列條件的越前時間信號引入了電壓影響的因素，成為合閘誤差的主要原因之一。前時間信號引入了電壓影響的因素，成為合閘誤差的主要原因之一。二、并列的檢測信號二、并列的檢測信號2sin22sin2UeZXsZXsZKUtwKU2.線性整步電壓線性

14、整步電壓線性整步電壓是指整步電壓的大小與相角差是線性的比例關系。線性整步電壓是指整步電壓的大小與相角差是線性的比例關系。只反映只反映Ug和和Ux間的相角差特性，而與電壓幅值無關間的相角差特性，而與電壓幅值無關，從而使越，從而使越前時間信號和頻率差的檢測不受電壓幅值的影響。前時間信號和頻率差的檢測不受電壓幅值的影響。)2(2)0(eesLmsLmsLeesLmsLUUUUU半波線性整步電壓：半波線性整步電壓：每個周期只有一個矩形波稱半波邏輯圖邏輯圖電路圖電路圖相敏電路相敏電路TB極性 Vt1 vt2 截止（與）a點電位 高高 Vt1 v Vt2 導通（或）a點電位 低低一系列幅值一定，寬度與相角

15、差有關的矩形波。變化規律：矩形波由窄變寬，到達180度時最寬，然后由寬變窄。這一系列矩形波寬度的變化，反映發電機和系統電壓相角差的變化關系。積分電路積分電路雙T型濾波后得到三角波?？紤]阻抗匹配，采用射極輸出。完全理想化輸出才平滑。濾波器的時間常數將會影響其移相，也受滑差角頻率變化的影響，使控制合閘時間引入誤差。-.濾波電路濾波電路濾波電濾波電 路路 輸入輸入相敏電路相敏電路積分電路積分電路 濾波電路濾波電路 輸出輸出全波線性整步電壓全波線性整步電壓全波線性整步電壓較半波多了一倍矩形脈沖，可適當減小濾波全波線性整步電壓較半波多了一倍矩形脈沖，可適當減小濾波時間常數，使性能有所改善，一般采用全波方

16、案時間常數，使性能有所改善，一般采用全波方案由電壓變換、整形電路、相敏電路、低通由電壓變換、整形電路、相敏電路、低通濾波器和射級跟隨器組成濾波器和射級跟隨器組成整形電路整形電路(形成方波形成方波)Ug或或Ux正半周正半周VT1或或VT2導通，導通， A或或B低電位低電位Ug或或Ux負偏正負偏正VT1或或VT2截止，截止， A或或B高電位高電位正弦波轉換為方波且與電正弦波轉換為方波且與電壓幅值無關壓幅值無關相敏電路相敏電路 AB點電壓同時處于高電平或點電壓同時處于高電平或同時處于低電平時，同時處于低電平時，VT3得得不到偏置截止，不到偏置截止，Y點為高電平。點為高電平。 AB點電壓高低不一致即相

17、異點電壓高低不一致即相異時時VT3導通，導通，Y點為低電平。點為低電平。矩形波寬窄的變化規律與矩形波寬窄的變化規律與半波的不相同半波的不相同濾波電路和射級跟隨器輸出濾波電路和射級跟隨器輸出采用采用LC濾波器濾波器濾波電路和射級跟隨器輸出濾波電路和射級跟隨器輸出)0()0(eesLmsLeesLmsLUUUU）其中（）其中滑差角頻率滑差角頻率s值不同時，值不同時，三角波電壓三角波電壓是可以檢測是可以檢測s的大的大小，以及求得相位重合前的恒定越前時間信號。小，以及求得相位重合前的恒定越前時間信號。123sss 2.相角差的實時檢測相角差的實時檢測0sYJ()eestt當前相角差：滑差角頻率：相角差

18、加速度：恒定越前時間的最佳合閘導前相角差：線性整步電壓是經濾波后獲得故導致引入誤差。線性整步電壓是經濾波后獲得故導致引入誤差。矩形波寬度軌跡載有除電壓幅值外矩形波寬度軌跡載有除電壓幅值外豐富的豐富的并列條件信息，并列條件信息，作用與整步電壓相似。作用與整步電壓相似。異或：兩個數相同異或：兩個數相同為為0，兩數不同為，兩數不同為1.相角差的測量相角差的測量一系列矩形波的寬度與相角差相對應，已知系統電壓方波的寬度一系列矩形波的寬度與相角差相對應，已知系統電壓方波的寬度可以求出相角差?？梢郧蟪鱿嘟遣睢?(,2)(,11iixiiiixii其中其中CPU記錄相角差的軌跡記錄相角差的軌跡微處理準同期并列

19、裝置突出優點可以方便的考慮頻率差的變化規律微處理準同期并列裝置突出優點可以方便的考慮頻率差的變化規律頻差恒定時相角差的軌跡頻差恒定時相角差的軌跡頻差等速變化相角差的軌跡頻差等速變化相角差的軌跡三、并列合閘控制三、并列合閘控制1.恒定越前時間恒定越前時間211*222Y Js id cs iD Ciiis ixs is is ins ixD CQ FCwtwtwtwwwwtnttt求恒定越前時間所對應的最佳導前合閘相角，能很方便地計及越前時間含求恒定越前時間所對應的最佳導前合閘相角，能很方便地計及越前時間含有加速度的情況。有加速度的情況。錯過合閘時機的情況分析錯過合閘時機的情況分析進行本點計算時

20、同時對下一個計算點角差進行時差的預測，推算出本點至最佳合閘導前角的時間，不失時機在越前相角瞬間發出合閘信號。2.頻率差檢測頻率差檢測12iiisixwt1,ccfTNffN即1）利用相角差的軌跡可直接計）利用相角差的軌跡可直接計算，每一工頻周期（約算，每一工頻周期（約20ms）計算一次計算一次2）直接測量兩并列電壓的）直接測量兩并列電壓的頻率：將方波經二分頻后，頻率：將方波經二分頻后，它的半波時間即為交流電壓它的半波時間即為交流電壓的周期。利用正半周高電平的周期。利用正半周高電平作為開始的計數控制信號，作為開始的計數控制信號，下降沿停止計數并為中斷申下降沿停止計數并為中斷申請信號，有請信號，有

21、CPU讀取計數值，讀取計數值，并使計數器復位。并使計數器復位。Fc為計數脈沖頻率，交流電為計數脈沖頻率，交流電壓周期為壓周期為T,計數值為計數值為N：為合用測量電路，可省略二分頻環節，此時計算時間只有半個周期（為合用測量電路，可省略二分頻環節，此時計算時間只有半個周期（1/2)T電壓差監測電壓差監測直接讀入電壓的計算比較直接讀入電壓的計算比較1）直流采樣）直流采樣 2）交流采樣）交流采樣第四節第四節 頻率差與電壓差的調整頻率差與電壓差的調整頻率差控制任務由頻率差測量和調節量控制兩部分頻率差控制任務由頻率差測量和調節量控制兩部分組成。組成。頻率差測量判別頻率差測量判別Ug和和Ux電壓頻率的差值大

22、小，區電壓頻率的差值大小，區分兩者電壓的高低，作為發升速脈沖和降速脈沖的分兩者電壓的高低，作為發升速脈沖和降速脈沖的依據。依據。調節量控制按照比例調節的要求，參照機組的轉速調節量控制按照比例調節的要求，參照機組的轉速調節特性，控制輸出脈沖時間的長短，按比例調整調節特性，控制輸出脈沖時間的長短，按比例調整發電機的轉速。發電機的轉速。1.頻率差調整頻率差調整頻率差調整的任務：將發電機的頻率調整到接近頻率差調整的任務：將發電機的頻率調整到接近于電網頻率，使頻率差趨向于并列條件允許的范于電網頻率，使頻率差趨向于并列條件允許的范圍。圍。1）頻率差測量：參照數字式頻率測量的方法，自動）頻率差測量：參照數字

23、式頻率測量的方法，自動并列裝置可直接測量并列裝置可直接測量Ug和和Ux兩并列電壓的頻率兩并列電壓的頻率fg、 fx。,gxzgxzgxgxffffffffff如 果，則 不 發 調 速 脈 沖 ， 進 行 越 前 時 間 合 閘 控 制 計 算 。如 果，且輸 出 減 速 脈 沖 ；且輸 出 加 速 脈 沖 ；2） 調節量控制調節量控制 發電機的轉速按照比例調節準則，要求輸出的脈沖時發電機的轉速按照比例調節準則，要求輸出的脈沖時間與頻率差值成比例。間與頻率差值成比例。由于各個發電機組轉速調整特性并不一致，因此調節量（由于各個發電機組轉速調整特性并不一致，因此調節量（脈脈沖時間的長短沖時間的長短

24、）與被調量（）與被調量（頻率差頻率差）的關系，即調節系數隨機組）的關系，即調節系數隨機組而異。而異。頻率差調整輸出的過程通道為執行繼電器，繼電器控制調頻率差調整輸出的過程通道為執行繼電器，繼電器控制調速電動機工作，繼電器動作時間與輸出調節脈沖時間長短速電動機工作，繼電器動作時間與輸出調節脈沖時間長短有關。有關。二、電壓差調整二、電壓差調整 電壓差調整的任務：將發電機的電壓調整到趨向于并列條電壓差調整的任務：將發電機的電壓調整到趨向于并列條件允許的范圍。件允許的范圍。電壓差的實施原理和頻率差極其類似。電壓差的實施原理和頻率差極其類似?？砷g接測量電壓幅值，再進行比較?？砷g接測量電壓幅值，再進行比較

25、。也可以直接測量電壓差值，控制并列條件。也可以直接測量電壓差值，控制并列條件。電壓控制與頻率差控制方案類似，有測量和調節量控制。控電壓控制與頻率差控制方案類似，有測量和調節量控制?？刂茖ο笫前l電機勵磁。制對象是發電機勵磁。第五節第五節 數字式并列裝置數字式并列裝置1.概述概述數字式并列裝置定義及主要特點數字式并列裝置定義及主要特點 定義：定義： 借助于大規模集成電路中央處理單元（借助于大規模集成電路中央處理單元（CPU）的高速處理信息能力，利用編）的高速處理信息能力，利用編制的程序，在硬件配置下實現發電機并列操作。制的程序，在硬件配置下實現發電機并列操作。 主要特點：主要特點： CPU的指令周

26、期以微秒計，這對于發電機頻率為的指令周期以微秒計，這對于發電機頻率為50Hz，每周期，每周期20ms的信的信號來說，可以具有足夠充裕的時間進行相角差和滑差角頻率近乎瞬時值的計號來說，可以具有足夠充裕的時間進行相角差和滑差角頻率近乎瞬時值的計算。算。 由于利用微處理器具有高速運算功能和邏輯判斷能力，使對機組的調節更加由于利用微處理器具有高速運算功能和邏輯判斷能力，使對機組的調節更加快速，更加精確，在頻差滿足要求后，隨時確定理想導前相角，使合閘瞬間快速，更加精確，在頻差滿足要求后，隨時確定理想導前相角，使合閘瞬間沖擊電流更小，同期過程縮短。沖擊電流更小，同期過程縮短。 s實際上是多變的，如系統頻率

27、不很穩定或發電機轉速是變化的，都會有不實際上是多變的，如系統頻率不很穩定或發電機轉速是變化的，都會有不同程度的加速度。數字式并列裝置可克服此局限性，可計及有加速度運動的同程度的加速度。數字式并列裝置可克服此局限性，可計及有加速度運動的問題。問題。 可方便應用檢測和診斷技術對裝置進行自檢，提高了裝置的維護水平?？煞奖銘脵z測和診斷技術對裝置進行自檢，提高了裝置的維護水平。組成：組成： 數字式由硬件和軟件組成，兩者協調配合完成同步發電機組的并列控制任務。數字式由硬件和軟件組成，兩者協調配合完成同步發電機組的并列控制任務。 2.硬件系統 （主機，輸入、出接口電路，輸入、出過程通道）2.硬件系統（一）

28、主機（一）主機CPU和存貯器（和存貯器（RAM、ROM）一起稱為主機。）一起稱為主機。 運行變量的采樣輸入存放在可讀寫的隨機存儲器運行變量的采樣輸入存放在可讀寫的隨機存儲器RAM內。內。固定的參數和設定值以及編制的程序，則固化存放在只讀存固定的參數和設定值以及編制的程序，則固化存放在只讀存儲器儲器EPROM內。內。 自動并列裝置的重要參數：斷路器合閘時間、頻率差和自動并列裝置的重要參數：斷路器合閘時間、頻率差和電壓差允許值、轉差角加速度計算系數、頻率和電壓控制調電壓差允許值、轉差角加速度計算系數、頻率和電壓控制調節的脈沖寬度系數等，存放在可擦存儲器節的脈沖寬度系數等，存放在可擦存儲器EEPROM中。中。（二）輸入輸出接口電路（二）輸入輸出接口電路在計算機控制系統中，輸入、輸出過程通道的信息不能直接在計算機控制系統中，輸入、輸出過程通道的信息不能直接與主機的總線相接，它必須由接口電路來完成信息傳遞任務。與主機的總線相接，它必須由接口電路來完成信息傳