并網(wǎng)控制器的研發(fā)

山東大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文目錄TOC\o"1-5"\h\z\u目錄 1摘要 2Abstract 3第一章 緒論 41.1、引言 41.2、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)概述及準(zhǔn)同期裝置的發(fā)展 51.3、準(zhǔn)同期并列的基本原理 61.4、本文的主要內(nèi)容 7第二章 準(zhǔn)同期過(guò)程中各量的測(cè)量方法 92.1、頻率的測(cè)量方法 92.2、相位差測(cè)量方法 102.3、電壓的測(cè)量方法 11第三章基于微處理器的準(zhǔn)同期裝置的設(shè)計(jì) 123.1、準(zhǔn)同期裝置的介紹 123.2、總體設(shè)計(jì)的考慮 123.3、準(zhǔn)同期裝置的硬件設(shè)計(jì) 133.3.1、直流穩(wěn)壓電源 143.3.2、復(fù)位電路 153.3.3、電壓測(cè)量電路 153.3.4、頻率和相位差測(cè)量電路 163.3.5、單片機(jī)電路 173.3.6、準(zhǔn)同期裝置的軟件設(shè)計(jì) 19第四章總結(jié)和展望 21致謝 22參考文獻(xiàn) 23附錄 24摘要基于微處理器的準(zhǔn)同期裝置是一種以微處理器為基礎(chǔ)的并網(wǎng)控制器裝置，能夠精確預(yù)測(cè)合閘相角，迅速并網(wǎng)成功。準(zhǔn)同期裝置作為一種常用的自動(dòng)裝置在電力系統(tǒng)并列操作中起著重要的作用。隨著電力系統(tǒng)容量以及發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜,從而對(duì)供電的安全可靠性及電能的質(zhì)量品質(zhì)提出了更高的要求,因此高性能的自動(dòng)化裝置在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置作為電力系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的自動(dòng)化裝置,對(duì)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行及線路負(fù)荷的合理、經(jīng)濟(jì)分配起著十分重要的作用,當(dāng)發(fā)生不符合同期條件的同期操作時(shí)將會(huì)帶來(lái)極其嚴(yán)重的后果,可能引起發(fā)電機(jī)的損傷甚至系統(tǒng)瓦解。本文基于準(zhǔn)同期并列過(guò)程中使用安全可靠、操作快捷方便的準(zhǔn)同期裝置的需要,研制開(kāi)發(fā)了基于89C52微控制器的微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。本課題通過(guò)對(duì)準(zhǔn)同期條件的理論分析,結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用的需要,設(shè)計(jì)完成了89C52為控制器的微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置硬件平臺(tái)?？刂破髦饕瓿刹⒘袟l件的檢測(cè)與判斷。在此硬件基礎(chǔ)之上,完成了相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的各項(xiàng)功能。該裝置具有性能可靠、并網(wǎng)速度快、準(zhǔn)確性高、誤差小等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞電力系統(tǒng)單片機(jī)并網(wǎng)控制

AbstractMicroprocessor-basedquasi-synchronizationdeviceisamicroprocessor-basedandnetworkcontrollerdevicethatcanaccuratelypredicttheclosingphase,therapidandsuccessfulnetwork.Synchronizingdeviceusedasanautomaticdevicetooperateinparallelinthepowersystemplaysanimportantrole.Withthegrowingofthepowersystemandunitcapacity,theconfigurationofsystembecomingmorecomplex,sohigh-poweredautomaticdeviceusedabroadinpowersysteminordertoguarenteethesafeofsystemandthequalityoftheelectricpower.Asoneoftheimportantautomaticdeviceinsystem,microprocessor-basedautomaticquasi-synchronizationdevicetakesmainroleinsafeoperationofsystemandtheloaddistributedmorereasonableandmoreeconomic.Parallelingintheincorrectpointwillbringserioussystemaccidentorevenleadtothesystembreakingdown.Thisparallelprocessbasedonthesameperioduseofsafeandreliableoperationoffastandconvenientdeviceneedsthesameperiod,developedamicrocomputerbasedon89C52microcontrollerautomaticallysynchronizingdevice.Firstly,thispaperanalysethetheoryofquasi-synchronization,combinedwiththeactualprojectapplication,accomplishedthehardwaredesignofthequasi-synchronizationdevice,whichcontrollerbasedon89C52.Thecontrollerfunctionincludingmeasureandjudgetheparallelcondition,。accomplishedthesoftwaredesigninordertoachieveallkingsoffunctionofthemicroprocessor-basedautomaticquasi-synchronizationdevicebasedonthehardware.Thedevicehasthecharacteristicofreliableperformanceandspeedofnetworkspeed,highaccuracy,fewerrorsandsoon.KEYWORDSPowerSystemssinglechipgridconnection

緒論1.1、引言隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力緊張?jiān)谠S多地方已成為一個(gè)突出的問(wèn)題。電網(wǎng)電壓往往由于某處所的負(fù)載過(guò)重而產(chǎn)生下降，直至引起電力不足。一般的解決方法是在此處所增設(shè)一臺(tái)發(fā)電機(jī)，將其電力并接在電同上，用它發(fā)出的電力補(bǔ)充電網(wǎng)電力，以維持正常的用電電壓。當(dāng)前，許多場(chǎng)合都采取上述措施[1]。在變電所或發(fā)電廠網(wǎng)控室中，同期操作可解決系統(tǒng)中分開(kāi)運(yùn)行的線路斷路器爭(zhēng)取投入的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)并列運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行及線路負(fù)荷的合理、經(jīng)濟(jì)分配。同期操作是發(fā)電廠、變電所中重要的操作，但目前忽視同期操作重要性的情況還是存在的，主要表現(xiàn)在：（1）某些機(jī)組仍然采用手動(dòng)同期方式或老式的同期裝置，給系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行造成危害。（2）對(duì)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)電壓間存在的相角差的控制不夠重視。（3）誤認(rèn)為待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的電壓差和頻率差調(diào)節(jié)的越小越好，延長(zhǎng)了并網(wǎng)時(shí)間[2,5,6,9]。頻率差、電壓差、相角差都是影響同期并列的重要因素，而且直接影響到發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行、壽命以及系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，以上三個(gè)條件也就成為同期過(guò)程中必須控制的量。實(shí)際運(yùn)行中電壓差和頻率差對(duì)發(fā)電機(jī)的傷害不是很?chē)?yán)重，真正傷害發(fā)電機(jī)的是相角差。在兩電源間存在著電壓差和頻率差的情況下并網(wǎng)會(huì)造成無(wú)功功率和有功功率的沖擊，也就是說(shuō)在斷路器和尚的那一瞬間，電壓高的那一側(cè)向電壓低的那一側(cè)輸送一定數(shù)值的無(wú)功功率，頻率高的那一側(cè)向頻率低的那一側(cè)輸送一定數(shù)值的有功功率，但在發(fā)電機(jī)空載的情況下，即使存在較大的電壓差和較大的頻率差，其所對(duì)應(yīng)的無(wú)功功率和有功功率也是有限的，不會(huì)傷害發(fā)電機(jī)本身。因此發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行中在本來(lái)就能承受較大的符合波動(dòng)，比如說(shuō)線路的故障跳閘或線路的重合閘都是較大的負(fù)荷波動(dòng)。但是，如果相角差很大的情況下并網(wǎng)的后果完全不同了。相角差是指發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的d軸和定子三相電流合成的同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁軸之間的角差。在斷路器合閘的那一瞬間，系統(tǒng)電壓加在發(fā)電機(jī)定子上，其角速度Ws旋轉(zhuǎn)的磁轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩[4,12]，強(qiáng)迫發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的磁軸與其取向一直，這一拉入同步的過(guò)程在極短的時(shí)間內(nèi)完成的，數(shù)百噸質(zhì)量的轉(zhuǎn)子軸系在定子電磁轉(zhuǎn)矩作用下旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度的過(guò)程。很明顯相角差較大時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子軸系繞組及機(jī)械體系的傷害是巨大的。而且在相角差不為零的情況下進(jìn)行發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)有事還會(huì)引起更慘重的后果，例如一次同步諧振（扭振）。不良的并網(wǎng)將引起不斷增長(zhǎng)的電力系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系機(jī)械系統(tǒng)的次同步諧振。此時(shí)導(dǎo)致定子的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子軸系的扭矩不斷增長(zhǎng)，他們相互間的這種能量交換最終引起轉(zhuǎn)子軸系的嚴(yán)重?fù)p毀。因此，準(zhǔn)同期并列操作時(shí)，嚴(yán)格控制相角差是同期條件中最重要的一環(huán)。同期裝置在發(fā)電廠的重要性在于其直接影響著發(fā)電機(jī)的安全和壽命，且對(duì)節(jié)約能源也是不可忽視的。不良同期裝置與手動(dòng)并網(wǎng)是發(fā)電機(jī)的隱形殺手，也是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的安全隱患。因此，研制新型高可靠性，高抗干擾性的危機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，以提高均頻均壓控制功能，測(cè)頻測(cè)相精確度和提高捉合閘點(diǎn)精確度，達(dá)到拒絕發(fā)電機(jī)非同期合閘的發(fā)生具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)概述及準(zhǔn)同期裝置的發(fā)展[9]隨著社會(huì)的發(fā)展和工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)電能質(zhì)量和對(duì)供電可靠性的要求也隨之不斷提高。現(xiàn)在的同步發(fā)電機(jī)都是采用與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的方式供電，即在大電網(wǎng)中多臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，形成一個(gè)很大的電力網(wǎng)。兩個(gè)交流電源的互聯(lián)操作即常說(shuō)的“同期”、“同步”，“并列”、“并網(wǎng)”等，該操作是應(yīng)遵循的規(guī)則是在兩電源的壓差、頻差小于允許值且相角差接近零度時(shí)完成并網(wǎng)操作。準(zhǔn)同步是一種很小沖擊的并網(wǎng)方式。最早的時(shí)候，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)合閘操作人員手動(dòng)來(lái)進(jìn)行。為了尋找合閘瞬間，常采用同步指示裝置。最簡(jiǎn)單的同步指示裝置是燈光裝置。電網(wǎng)電壓和發(fā)電機(jī)電壓通過(guò)電壓互感器(PT)降壓，PT二次側(cè)接上燈泡裝置。通過(guò)合適的接線，可以采用燈光熄滅法或者燈光旋轉(zhuǎn)法來(lái)判斷合閘的時(shí)機(jī)。但是由于燈泡一般在約1/6的額定電壓時(shí)就不亮了，所以更為準(zhǔn)確的方法是采用零電壓表指示并網(wǎng)時(shí)間。手動(dòng)操作人員要比較熟練，而且并網(wǎng)準(zhǔn)確度不高，風(fēng)險(xiǎn)較大。目前，大多數(shù)電廠都是依靠同期裝置來(lái)進(jìn)行自動(dòng)并網(wǎng)的，手動(dòng)方式只是作為緊急時(shí)候的備用手段。第一代自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置ZZQ3和ZZQS是模擬式的，它們用分立晶體管元件搭建硬件電路，對(duì)同期條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和處理。ZZQ3的出現(xiàn)代替了手動(dòng)并網(wǎng)操作，極大提高了并網(wǎng)速度和可靠性。ZZQ3裝置的缺點(diǎn)主要是合閘準(zhǔn)確度比較低，另外，無(wú)法指示裝置的運(yùn)行狀態(tài)，不能進(jìn)行故障自檢。目前在大多數(shù)的電廠中，ZZQ3同期裝置己經(jīng)被淘汰。隨著數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，在八十年代末九十年代初的時(shí)候，出現(xiàn)了以Z80單板機(jī)為核心的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。它的出現(xiàn)解決了模擬同期裝置的缺點(diǎn)。目前在大多數(shù)電廠中使用單板機(jī)為核心的準(zhǔn)同期裝置。這種準(zhǔn)同期裝置典型的結(jié)構(gòu)是由七個(gè)部分構(gòu)成，包括Z80單板機(jī)為主的系統(tǒng)，數(shù)字電路構(gòu)成的輸入、輸出、供電源、繼電器輸出電路、傳輸電路和PT轉(zhuǎn)換電路等，因此它的體積比較大，并且由于采用Z80處理器以及大量中小規(guī)模的集成電路，所以電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，維修困難?，F(xiàn)有的微機(jī)準(zhǔn)同期裝置多為8位單片機(jī)數(shù)字式，雖然能完成自動(dòng)同期操作，但是調(diào)試?yán)щy、精度低，并且只有傳統(tǒng)的同期功能，已難以適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展，隨著數(shù)據(jù)處理和綜合自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，目前也有許多公司采用數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignalProcessorDSP)芯片作為微處理器構(gòu)成自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，采用DSP處理器，在處理速度和編程調(diào)試相比于單片機(jī)都有了進(jìn)一步的提高。但基于DSP的微機(jī)型同期裝置與基于單片機(jī)的微機(jī)型同期裝置的共同缺點(diǎn)是外圍電路自己搭建，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障概率高，維修困難?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試也比較麻煩，抗干擾能力差，可靠性低[13,15]。1.3、準(zhǔn)同期并列的基本原理[5,6,8]準(zhǔn)同期方式是將待并發(fā)電機(jī)組調(diào)整到完全符合并聯(lián)條件后，才進(jìn)行合閘并網(wǎng)的操作.具體步驟是:將等待并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組在投入系統(tǒng)前，通過(guò)調(diào)速器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速;通過(guò)勵(lì)磁裝置調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)組端電壓接近系統(tǒng)電壓;在同期條件中的頻率差和電壓幅值差都滿足給定條件時(shí)，選擇在零相角差到來(lái)前的合適時(shí)刻合上斷路器，控制斷路器觸點(diǎn)閉合瞬間引起的沖擊電流小于允許值，發(fā)電機(jī)組迅速被拉入同期運(yùn)行。準(zhǔn)同期并列的理想條件[5]現(xiàn)在以發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)為例，同期并列前的斷路器兩側(cè)的電壓為:發(fā)電機(jī)組側(cè)電壓：uG=U電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)電壓：uS=U其中上兩式中：UGUSuGuSωGωSδOGδOS圖1-1準(zhǔn)同期方式的電壓相量分析由圖2-1(b)的電壓相量分析可知，發(fā)電機(jī)組并列投入電網(wǎng)時(shí)，為了避免發(fā)生電流的沖擊和轉(zhuǎn)軸突然受到扭矩，應(yīng)該使發(fā)電機(jī)組每一相的電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值與電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值一直保持相等，因此，在保證兩側(cè)相序一致的前提下，允許斷路器并列的理想條件為:電壓幅值相等，UG=U電壓角頻率相等，ωG=ωS或電壓頻率相等，即fG合閘瞬間的相角差為零，即δ=0o（δ如果能同時(shí)滿足以上三個(gè)條件，則斷路器兩側(cè)的電壓相量重合而且無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電壓差Ud=0，沖擊電流等于零，發(fā)電機(jī)組與系統(tǒng)立即同步運(yùn)行，不發(fā)生擾動(dòng)。但是實(shí)際中，如果ωG=ωS，則并列點(diǎn)兩側(cè)電壓相量相對(duì)靜止，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)δ=01.4、本文的主要內(nèi)容本文主要介紹了電力系統(tǒng)準(zhǔn)同期并列以及準(zhǔn)同期裝置的研究。裝置是基于89C52的微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，專(zhuān)用于火電廠機(jī)組與并網(wǎng)間的并列、水電機(jī)組與電網(wǎng)間的并列、變電站中母線與線路間的并列。具有并網(wǎng)可靠、快速、穩(wěn)定、精度高的優(yōu)點(diǎn)。論文主要包括四個(gè)方面的內(nèi)容：研究分析同期并列原理，詳細(xì)介紹了同期并列條件對(duì)同期的影響，分析了過(guò)去模擬式準(zhǔn)同期裝置存在的問(wèn)題及微機(jī)型準(zhǔn)同期裝置的特點(diǎn)，最后得出新型微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置研制的總體方案。設(shè)計(jì)準(zhǔn)同期裝置的硬件結(jié)構(gòu)，在處理器選擇上，采用89C52為核心構(gòu)成系統(tǒng)，該單片機(jī)具有很強(qiáng)的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能，更方便的完成各種計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能。設(shè)計(jì)了電壓測(cè)量電路、頻率和相位差測(cè)量電路。軟件設(shè)計(jì)方面，主要介紹了電壓、頻率、相位差的測(cè)量方法計(jì)算方法以及程序的編寫(xiě)工作。探討本設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，展望今后的研究方向。

準(zhǔn)同期過(guò)程中各量的測(cè)量方法在準(zhǔn)同期過(guò)程中，需要對(duì)頻率、相位差和電壓進(jìn)行精確的測(cè)量和比較，而測(cè)量這三個(gè)量的方法又有很多，選取最方便精確的測(cè)量方法就成為本章所介紹的重點(diǎn)[5,6]。2.1頻率的測(cè)量方法[16]頻率是電力系統(tǒng)提供電能質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)之一。頻率測(cè)量是電力系統(tǒng)運(yùn)行、控制和調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)運(yùn)行中，噪聲、諧波和隨機(jī)干擾等對(duì)測(cè)量點(diǎn)電壓信號(hào)會(huì)造成污染，各種擾動(dòng)和操作又會(huì)造成相位躍變及各種非正常、非穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，這些狀態(tài)下電力系統(tǒng)中電流和電壓的波形都要發(fā)生畸變。在這種復(fù)雜條件下進(jìn)行頻率測(cè)量，不但需要好的硬件抗干擾措施，測(cè)頻算法也很重要。響應(yīng)時(shí)間和測(cè)量精度是衡量頻率算法的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。圖2-1周期測(cè)量原理圖目前，人們提出了許多頻率測(cè)量算法。頻率測(cè)量的簡(jiǎn)單方法是計(jì)算電壓或電流波形的過(guò)零點(diǎn)個(gè)數(shù)，此外，還有卡爾曼濾波算法、牛頓法、遞推最小二乘法等等，這些方法的計(jì)算量都偏大，因此在此選用計(jì)算量比較小的測(cè)量電壓波形的過(guò)零點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)量頻率。如圖2-1所示，脈沖計(jì)數(shù)器T0在輸入端接收到上升沿開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)時(shí)器T2開(kāi)始從零計(jì)時(shí)，T0在下一個(gè)上升沿出現(xiàn)時(shí)停止計(jì)數(shù).這里的頻率測(cè)量，為了避免輸入信號(hào)電壓幅值變化影響測(cè)頻精度，采用測(cè)量200個(gè)上升沿之間的時(shí)間來(lái)測(cè)量出電壓信號(hào)的周期，進(jìn)而算出頻率。根據(jù)圖3-13所示T=(t1-t0則根據(jù)f=1/T得f=200/(t1-t2.2相位差測(cè)量方法在電力系統(tǒng)中，常常需要對(duì)電壓及電流之間的相位差進(jìn)行測(cè)量，有時(shí)還需要測(cè)量三相電壓或三相電流之間的相位關(guān)系。例如，各發(fā)電廠和變電站中的主設(shè)備變壓器，對(duì)其套管的介損測(cè)量就需要測(cè)量工作電壓與套管的泄漏電流之間的相位關(guān)系。傳統(tǒng)的相位測(cè)量方法通常有兩種，一種是基于硬件的測(cè)相方法，即“相位-時(shí)間”法（又稱“相位-脈寬”法）。一種是基于軟件的測(cè)相方法，即功率比例法，這兩種測(cè)量方法由于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，物理概念簡(jiǎn)明，軟件易于實(shí)現(xiàn)，因此在有關(guān)相位差的測(cè)量技術(shù)中得到了極其廣泛的應(yīng)用。但是由于準(zhǔn)同期過(guò)程中需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)電壓信號(hào)之間的相位差，所以基于軟件的測(cè)量方法就顯得不實(shí)用了，這里選用“相位-時(shí)間”法來(lái)測(cè)量電壓信號(hào)之間的相位差。這種方法的基本要點(diǎn)就是：將兩個(gè)同頻被測(cè)信號(hào)整形為兩個(gè)方波信號(hào)，其前后沿分別對(duì)應(yīng)于被測(cè)信號(hào)的正向過(guò)零點(diǎn)和負(fù)向過(guò)零點(diǎn)，然后測(cè)量出這兩個(gè)同頻方波的前沿(或后沿)之間的時(shí)間差比例，即為這兩個(gè)被測(cè)信號(hào)之間的相位差。而要獲得這個(gè)時(shí)間法，其基本原理見(jiàn)圖2-2。對(duì)待并發(fā)電機(jī)頻率信號(hào)和電網(wǎng)頻率信號(hào)整形放大后輸出的方波信號(hào)US,UG，得出的輸出信號(hào)是一列寬度不等的矩形波與，這列矩形波表示了相角差δ的變化。然后通過(guò)CD40106輸送到單片機(jī)89C52的計(jì)數(shù)器端口，比較兩個(gè)電壓矩形波信號(hào)的上升沿之間相隔的圖2-2相位差比較原理計(jì)算公式為：δ=td×fS2.3電壓的測(cè)量方法從測(cè)量原理上講，無(wú)論是電力監(jiān)測(cè)還是數(shù)字化保護(hù)裝置，電參量測(cè)量都是基于交流采樣的數(shù)學(xué)模型。常用的模型有真有效值算法、傅立葉級(jí)數(shù)算法和快速傅立葉變換算法等。在電網(wǎng)電參量交流采樣計(jì)算中，最常用的數(shù)學(xué)模型有兩種：真有效值算法和全周波傅立葉級(jí)數(shù)算法，它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中均需要A／D轉(zhuǎn)換器及其信號(hào)處理電路，實(shí)現(xiàn)電路復(fù)雜，成本高。同時(shí)，在對(duì)電源電壓要求高的自動(dòng)化控制設(shè)備中，往往需要對(duì)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并做出相應(yīng)的實(shí)時(shí)處理。由于以上介紹的算法電路復(fù)雜，因此本論文選用一種基于89C52單片機(jī)編程和A/D轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單電壓測(cè)量方法。在ADC0808/ADC0809之前加上兩個(gè)二極管，起到簡(jiǎn)化測(cè)量的作用，這樣只需要比較正半軸采樣的電壓數(shù)值即可得出電壓的幅值。即設(shè)當(dāng)前采樣值為U，與下一次采樣值做比較，較大值存入MAX中，直到得出最大值，認(rèn)為這個(gè)數(shù)值即為電壓的幅值。這種電壓幅值的測(cè)量方法簡(jiǎn)單有效，極大的簡(jiǎn)化了測(cè)量電路和運(yùn)算算法。選用以上三種簡(jiǎn)單可行的方法分別測(cè)量頻率、相位差、電壓大小，進(jìn)而完成比較，快速可靠地完成準(zhǔn)同期過(guò)程。為下面設(shè)計(jì)測(cè)量電路原理圖打下了很好的理論基礎(chǔ)。

第三章基于微處理器的準(zhǔn)同期裝置的設(shè)計(jì)3.1、準(zhǔn)同期裝置的介紹人工并網(wǎng)由于有一定的時(shí)延．會(huì)影響并網(wǎng)的可靠性與準(zhǔn)確性。采用微機(jī)化的并網(wǎng)控制器，首先由微機(jī)對(duì)并網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)參數(shù)符合并網(wǎng)條件時(shí)．由微機(jī)給出控制信號(hào)，控制投切并網(wǎng)。由于微機(jī)具有很高的處理速度，當(dāng)條件滿足時(shí)，可以立刻實(shí)施并網(wǎng)，幾乎沒(méi)有什么時(shí)延，因而可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)并網(wǎng)。要完成發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的可靠并接，除了要對(duì)并網(wǎng)參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量、當(dāng)并網(wǎng)條件滿足時(shí)實(shí)時(shí)投切之外，還需考慮各個(gè)參數(shù)彼此間的協(xié)調(diào)。并網(wǎng)控制器最理想的方式應(yīng)該是對(duì)頻率、電壓及相位同時(shí)進(jìn)行測(cè)量．當(dāng)三者同時(shí)滿足條件時(shí)實(shí)施并網(wǎng)，但這樣做對(duì)電路的硬件要求高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本貴，實(shí)用意義不大。若對(duì)三個(gè)并網(wǎng)參數(shù)按順序依次測(cè)量，可能會(huì)由于測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)．當(dāng)測(cè)量后面的參數(shù)時(shí)，前面的參數(shù)已發(fā)生變化，從而影響并網(wǎng)控制的可靠性本設(shè)計(jì)采用微機(jī)依次對(duì)頻率、電壓和相位進(jìn)行測(cè)量。微機(jī)能夠在很短的時(shí)聞內(nèi)完成對(duì)這三個(gè)參數(shù)的測(cè)量。由于測(cè)量時(shí)間很短，在測(cè)量時(shí)間里電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)參數(shù)可看作基本沒(méi)有發(fā)生變化，所以，可以近似認(rèn)為對(duì)這三個(gè)參數(shù)的測(cè)量是同時(shí)的。另外，對(duì)三個(gè)參數(shù)的測(cè)量順序也應(yīng)有所考慮。發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率和電壓值由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及勵(lì)磁所決定。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定之后這兩個(gè)參數(shù)基本保持不變，或可以由微機(jī)輸出控制信號(hào)使這兩個(gè)參數(shù)的變化跟隨電網(wǎng)相應(yīng)參數(shù)的變化而變化，而相差容易受各種因素如負(fù)載情況等的影響而發(fā)生變化。因此，測(cè)量并網(wǎng)參數(shù)時(shí)，應(yīng)先測(cè)量頻率差和電壓差，當(dāng)這兩個(gè)條件滿足之后，再測(cè)量相位差，等到相位條件滿足之后，實(shí)施并網(wǎng)[1,7]。3.2、總體設(shè)計(jì)的考慮微機(jī)化并網(wǎng)控制器主要可完成以下功能：（1）準(zhǔn)確測(cè)量電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓的頻率差、電壓差以及相位差。（2）當(dāng)并網(wǎng)條件滿足時(shí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)并網(wǎng)。（3）狀態(tài)指示，如頻率條件指示、電壓條件指示及相位條件指示等。根據(jù)上述并網(wǎng)控制器的功能，本設(shè)計(jì)分硬件和軟件兩部分，硬件部分又分模擬電路部分與數(shù)字電路部分。各部分功能分別敘述如下：（1）模擬電路主要負(fù)責(zé)待測(cè)信號(hào)的放大及轉(zhuǎn)換，以及高、低壓信號(hào)隔離。（2）數(shù)字電路以單片機(jī)89C52為核心構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)．由單片機(jī)系統(tǒng)完成各種處理及控制功能。（3）軟件部分負(fù)責(zé)進(jìn)行各種處理、計(jì)算以及控制功能，與硬件配合，完成系統(tǒng)整體功能。3.3、準(zhǔn)同期裝置的硬件設(shè)計(jì)硬件原理圖如圖3-1所示，在三相負(fù)荷基本對(duì)稱的條件下，一般對(duì)相應(yīng)的同一相采樣即可，無(wú)需三相采樣。圖3-1硬件原理框圖電網(wǎng)電壓及發(fā)電機(jī)電壓通過(guò)電壓互感器來(lái)獲得適合計(jì)算機(jī)測(cè)量的電平，出來(lái)的交流信號(hào)經(jīng)采樣保持及模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)測(cè)量交流信號(hào)的有效值。整形電路將交流正弦波信號(hào)變換為適合計(jì)算機(jī)測(cè)量的方波信號(hào)，計(jì)算機(jī)根據(jù)此信號(hào)測(cè)量交流信號(hào)的頻率及相位差。當(dāng)計(jì)算機(jī)判斷所有并網(wǎng)條件均滿足時(shí)，進(jìn)行并網(wǎng)。3.3.1直流穩(wěn)壓電源圖3-2恒壓穩(wěn)流電路如圖3-2所示，VAC-IN是電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器后接入到恒壓穩(wěn)流電路，經(jīng)過(guò)整流濾波電路、LM7805后輸出1A、5V的直流穩(wěn)壓VCC，為整個(gè)控制電路提供電源。其中LM7805為3端正穩(wěn)壓電路，能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣，內(nèi)含過(guò)流、過(guò)熱和過(guò)載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá)1A。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接原件，可獲得不同的電壓和電流。3.3.2復(fù)位電路圖3-3復(fù)位電路如圖3-3所示，REST端口與89C52的REST端口相接，摁下BUTTON復(fù)位按鈕，可重復(fù)進(jìn)行電壓、相位差、頻率的測(cè)量和比較。3.3.3電壓測(cè)量電路圖3-4電壓濾波電路圖3-5ADC0808/ADC0809如圖3-4所示，A-IN為電網(wǎng)電壓和發(fā)電機(jī)電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器得到的在芯片輸入電壓范圍內(nèi)的電壓，經(jīng)過(guò)低通濾波電路，接入到ADC0808/ADC0809（圖3-5）。ADC0808/ADC080是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行?！獢?shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。此芯片的功能使將從A-IN送來(lái)的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成8位的數(shù)字信號(hào)，每隔1ms采樣一次，將數(shù)字信號(hào)送入到89C52中，進(jìn)而測(cè)量出電網(wǎng)電壓和發(fā)電機(jī)側(cè)電壓。3.3.4頻率和相位差測(cè)量電路由于不方便測(cè)量正弦波的頻率和相位差，所以想到了利用單片機(jī)中上升沿有效來(lái)測(cè)量電壓的頻率和相位差。所以需要CD40106（如圖3-6所示）來(lái)完成對(duì)正弦波的整形功能，經(jīng)過(guò)P3.4、P3.5講整形過(guò)后的矩形波型號(hào)送到單片機(jī)中，進(jìn)而更方便的測(cè)出電壓的頻率和相位差。圖3-6CD40106施密特觸發(fā)器圖3-7由CD4046構(gòu)成的鎖相環(huán)由于不能保證兩個(gè)電壓能同時(shí)整形，影響頻率差的測(cè)量，所以在整形之前需要加上一個(gè)由CD4046構(gòu)成的鎖相環(huán)（如圖3-7所示）裝置。CD4046鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制，功能使完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡(jiǎn)稱PLL。3.3.5單片機(jī)電路[3,15]每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，全程是叫晶體震蕩器，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振的作用非常大，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時(shí)鐘頻率越高，那單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。圖3-889C52單片機(jī)圖3-9晶振電路圖3-8所示的是89C52單片機(jī)。P3.4，P3.5接到CD40106，整形后的矩形波送入到單片機(jī)中，設(shè)定上升沿有效，利用89C52單片機(jī)三個(gè)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量周期和相位差。ADC0808中的八位電壓數(shù)字信號(hào)通過(guò)AD端口送入單片機(jī)中，比較各個(gè)數(shù)值，將數(shù)值最大的作為電壓有效值。圖3-11LED電路當(dāng)電壓、頻率、相位差滿足并網(wǎng)條件時(shí)，三個(gè)LED燈就會(huì)發(fā)光，說(shuō)明滿足準(zhǔn)同期條件，即可并網(wǎng)。3.3.6準(zhǔn)同期裝置的軟件設(shè)計(jì)本課題開(kāi)發(fā)的微機(jī)準(zhǔn)同期裝置是供給一臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行同頻并網(wǎng)的準(zhǔn)同期裝置。需要完成數(shù)據(jù)采集、同期判別、狀態(tài)顯示等功能，它的軟件主要為:主芯片89C52的編程，單片機(jī)89C52的編程是整個(gè)裝置的核心部分，主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理、控制等功能，主要功能包括(1)測(cè)量系統(tǒng)側(cè)和待并側(cè)的電壓幅值、壓差；(2)測(cè)量系統(tǒng)側(cè)和待并側(cè)的頻率、頻差；(3)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)和待并側(cè)的相位差；(4)達(dá)到并網(wǎng)條件時(shí)的狀態(tài)顯示。流程圖如圖3-11所示，由于程序需要完成對(duì)三個(gè)物理量的測(cè)量，所以主程序中設(shè)置兩個(gè)中斷：中斷服務(wù)程序1和終端服務(wù)程序2。其中中斷服務(wù)程序1通過(guò)對(duì)上升沿的比較來(lái)測(cè)量電壓信號(hào)的頻率和相位差，中斷服務(wù)程序2通過(guò)比較采樣電壓的數(shù)值得出電壓正半軸的最大值。圖3-11工作過(guò)程流程圖

第四章總結(jié)和展望目前常見(jiàn)的并網(wǎng)方式為人工并網(wǎng)，即首先手動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的某些參數(shù)如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁等，當(dāng)觀察到并網(wǎng)條件滿足時(shí)，用人工的方法將發(fā)電機(jī)并接到電網(wǎng)上。由于人工操作有一定的延時(shí)，而在這一段延時(shí)之內(nèi)，發(fā)電機(jī)或電網(wǎng)的某些參數(shù)(如相位)有可能會(huì)發(fā)生變化。若在并網(wǎng)那一瞬間條件正好滿足，則一切順利．否則，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)會(huì)被反彈回來(lái)，實(shí)現(xiàn)不了并網(wǎng)．此時(shí)必須重新手動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的參數(shù)．重復(fù)操作，直到條件滿足時(shí)，才能夠完成并網(wǎng)工作。這種用人工實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的方法有很多缺點(diǎn)：①人工井網(wǎng)有一定的試探性，很難確切掌握并網(wǎng)的時(shí)機(jī)，因而，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)并網(wǎng)。②在條件不滿足時(shí)用人工并網(wǎng)，雖然并網(wǎng)開(kāi)關(guān)會(huì)被反彈回來(lái)(也可由人工將其斷開(kāi))，但這不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的危害：威脅人身及機(jī)器設(shè)備的安全；當(dāng)相位或頻率條件不滿足時(shí)并網(wǎng)，很容易導(dǎo)致電力分配不均，同時(shí)又產(chǎn)生很大的諧波。這兩種情況的出現(xiàn)，對(duì)電力系統(tǒng)均會(huì)造成很大的危害。若在并網(wǎng)時(shí)，兩者的幅值條件還未滿足，則不論發(fā)電機(jī)的電壓是大于還是小于電網(wǎng)電壓，都將會(huì)使發(fā)電機(jī)受到損害，同時(shí)又產(chǎn)生電力分配不均和高次諧波。本論文從準(zhǔn)同期的原理出發(fā)，結(jié)合目前系統(tǒng)運(yùn)行的各種新?tīng)顩r，利用單片89C52和模塊化硬件的設(shè)計(jì)思想，對(duì)傳統(tǒng)的準(zhǔn)同期裝置進(jìn)行了更新，完成了基于微處理器的準(zhǔn)同期裝置的設(shè)計(jì)。由于時(shí)間的限制，開(kāi)發(fā)過(guò)程中還有一些不足，本裝置的設(shè)計(jì)和研究還有待進(jìn)一步得到完善。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)只涉及到計(jì)算和控制部分，對(duì)人機(jī)界面部分沒(méi)有做深入研究。其次，準(zhǔn)同期預(yù)測(cè)的方法計(jì)算量比較大，需要對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，如何保證預(yù)測(cè)的精確性和快速性還需要進(jìn)一步研究。這些問(wèn)題都影響到裝置的性能，都是需要在以后工作中進(jìn)行研究的。

致謝四年的大學(xué)生活轉(zhuǎn)瞬即逝，在此論文完成、行將畢業(yè)離校踏上新的征程之際，我懷著非常復(fù)雜的心情向母校及各位老師和同學(xué)告別并致謝!本文的全部研究工作是在導(dǎo)師王輝老師精心細(xì)致的指導(dǎo)下完成的，在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，王老師高尚的人格品質(zhì)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)作風(fēng)，敏銳的思考能力深深感染和啟迪著我，在此，謹(jǐn)向王老師表示我崇高的敬意和衷心的感謝！在論文寫(xiě)作期間，得到了汪學(xué)長(zhǎng)的熱心指導(dǎo)和幫助，在此向其表達(dá)