摘 要：自動準同期并列操作是電力系統中頻繁且重要的操作，本文基于虛擬儀器技術實現自動準同期并列的電壓、頻率和相位三個條件，開發了一個實驗裝置，本實驗裝置具有可視性好，操作靈活，并網精度高等特點。
關鍵詞：電力系統;自動準同期;虛擬儀器;實驗裝置
Abstract：Automatic Quasi-synchronizing operation is high frequency and important operation in power system. The three conditions of automatic quasi-synchronizing which involves voltage condition, frequency condition, phasic condition base on virtual instrument technology. Applying virtual instrument technology develops experiment equipment; the characteristic of equipment is video, operation agility, merge precision.
Keywords：Power system; Automatic Quasi- synchronizing;virtual instrument;experiment equipment;
1 引言
在電力系統中，由于電網運行的需要，同步發電機、同步補償機、同步電動機經常投入或退出電網，將同步機投入電力系統并列運行的操作稱為并列操作。并列操作又分為準同期并列操作和自同期并列操作兩種，準同期并列操作時沖擊電流可以很小，對電網不會產生大的擾動，對發電機組不會損傷，是發電廠和變電所最廣泛使用的同步方式。準同期并列裝置又有自動準同期裝置和手動準同期裝置兩種。現有的自動準同期裝置主要有基于MAS系列單片機的自動準同期裝置[1]、基于DSP的自動準同期裝置[2]、基于PLC技術的自動準同期裝置[3]。對于電力專業的學生來說，實際進行并列操作很難。自動準同期實驗裝置能模擬并列操作，基于自動準同期裝置的基本原理，能模擬實際的一些操作，其中有ZZQ-5型自動準同期實驗箱，它能提供模擬的系統電壓及發電機電壓，可調整模擬發電機及系統的電壓及頻率，得到不同的電壓及頻率差，以滿足發電機并列的要求條件。該裝置與發電機同期仿真測試儀共同使用，可模擬發電機的準同期并列。但是現有實驗裝置可視性較差，操作不靈活，而且誤操作會對實驗裝置造成故障。用虛擬儀器技術開發一套虛擬的自動準同期實驗裝置能夠彌補現有實驗裝置的不足，具有顯示直觀，并網精度高、操作靈活的特點。
2 自動準同期條件
自動準同期條件是：待并發電機的電壓和電網電壓相同，頻率相接近，在二者的相位差為零的瞬間，控制發電機斷路器主觸頭閉合，此時發電機將會平滑地并入電網。準同期條件包括3部分：電壓條件、頻率條件和相位條件。相位條件要求發電機的并網開關在相位差為零時的瞬間閉合，但是開關閉合需要一定的時間，稱為開關的閉合時間，也叫導前時間，所以合閘脈沖必須提前相應的時間發出以確保準同期條件的要求。因此自動準同期裝置所要做的最重要的事情就是根據當前相位差和相位差的變化率來捕捉合閘脈沖的發出時機。自動準同期條件所規定的頻率條件和電壓條件對于這一捕捉過程有著重要的影響。首先，相位差的變化率是由電網和發電機的頻率差決定的，頻率差越大，則相位差變化越快，顯然過大的頻率差不利于合閘時機的捕捉。只有在一定頻率差下，相位差才能呈現出周期性變化，所以頻率差又不能為零。其次，電壓條件決定了在相位差為零的地方并網可能產生沖擊的大小。理想情況是電壓差為零，在此情況下，并網不會有任何沖擊;但是，要求發電機電壓嚴格等于電網電壓不僅不現實，而且也沒必要。只要將電壓差控制在一定的范圍內，則沖擊的影響是可以接受的。
在自動準同期實驗裝置中只要滿足電壓幅值差小于允許值，頻率差小于允許值，合閘相角差小于允許值就可以實現并列操作。即
3 自動準同期實驗裝置的設計
在電力系統的并列操作中，其核心是對并列條件的判斷，因此在對自動準同期實驗裝置的設計中其重點也在于此[4]。其流程圖如圖1所示。
圖1 流程圖
應用LABVIEW[5-6]軟件來模擬發電機并列的過程，編制程序來完成對發電機并列前三個條件的判斷，同時模擬顯示出發電機并列的過程，使其能方便、直觀的模擬演示。
本文設計的自動準同期實驗裝置的前面板如圖2所示。
圖2 前面板
自動準同期實驗裝置主要由五個部分組成，分別為電壓有效值計算單元、頻率測量單元、電壓有效值比較單元、頻率比較單元和相角判斷單元。
3.1 電壓有效值計算單元
連續的電壓正弦信號通過采集卡采集到計算機里，以數組形式儲存，形成一個離散的信號。由式（5）可求得其電壓有效值。
（5）
3.2 頻率測量單元
圖3 頻率測試單元
3.3 電壓有效值比較單元
圖4 電壓有效值比較單元
在電壓有效值和頻率都能確定后，對并列條件的確定是該實驗裝置的重點環節，其中電壓有效值比較單元如圖4所示。
在該單元中，分別取得系統電壓有效值和發電機電壓有效值進行比較。設定當發電機的電壓有效值與系統電壓有效值誤差范圍在±10V時為電壓合格，發出合格信號，當電壓不在這個范圍時，調節發電機勵磁（在此設定每次調節發電機電壓升高或降低2V），使其最終到達允許范圍，為合閘做好準備。當電壓不合格時相應的指示燈點亮顯示調節過程。
頻率比較單元的原理合電壓有效值比較單元相同，只是條件不一樣，設定在發電機的頻率與系統頻率誤差在±0.5Hz左右時滿足合閘要求。當發電機頻率不滿足要求時，對汽輪機進行調節（在此設定每次調節發電機頻率上升或下降0.1Hz），同樣在調節過程中相應的指示燈點亮顯示調節過程。
3.4 相角判斷單元
在相角判斷單元中，將發電機和系統的電壓波形分別轉化成方波，如圖5所示，該方波表明了相角的變化，當方波脈沖最窄時表明相較差最小滿足合閘要求，在此刻當電壓有效值和頻率都滿足條件的情況下，發電機發出并列信號，使得發電機安全的并到系統電網上。
圖5發電機和系統方波
4 結論
本實驗裝置能很好的模擬發電機自動并列操作，在界面上能實時顯示發電機、系統電壓、頻率和相位的變化，以及在何種條件下能成功實現并列。用虛擬儀器實現自動準同期實驗裝置，將很多需要硬件實現的用軟件編程來完成，不僅使實驗裝置顯示直觀，并網精度高、操作靈活，而且修改或增加實驗功能也很方便，簡單。
本文作者的創新點：
本文系統的闡述了自動準同期實驗裝置的設計，用虛擬儀器實現其系統設計，節省了開發時間，大大的降低了設計的開發成本。
參考文獻
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