专利名称：用于动态模拟实验的发电机同期控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于动态模拟实验的发电机同期控制系统。
背景技术：
动态模拟，是通过在RTDS (实时数字仿真装置)或实际等值系统上模拟实际电力系统的各种运行工况及故障状态，对在电力系统中运行的保护和控制装置的功能和性能进行考核，以确保保护和控制装置在现场的可靠运行的试验。同期控制，是电厂运行中发电机组的一项重要操作，随着负荷的变动，电力系统中发电机运行的台数也经常改变，因此，同步发电机的并列操作是电厂的一项重要操作。另外，当系统发生某些事故时，也常要求将备用发电机组迅速投入电网运行，由于某种原因， 解列运行的电网需要联合运行，这就需要两电网间实行并列操作。同步发电机的并列方法可分为准同期并列和自同期并列两种。在电力系统正常运行的情况下，一般采用准同期并列方法将发电机组投入运行。自同期并列方法已很少采用， 只有当电力系统发生事故时，为了迅速投入水轮发电机组，过去曾采用自同期并列方法。随着自动控制技术的进步，特别是微机型数字式自动并列方法已日趋成就，现在也可用准同期法快速投运水轮发电机组。因此，本专利主要实现准同期并列的方法。现有的发电机同期控制系统，通过并列断路器的合闸操作实现所述发电机与待并系统的同期并列，大多实现方式单一，并且没有将断路器的合闸时间以及电路的反应时间考虑进去，同时计算速度、抗电磁干扰、可靠性以及使用的方便性都有很大的不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，具有多种同期方式来实现发电机与待并系统的同期并列，并且将并列断路器的合闸时间以及电路的反应时间纳入了过程中，提高了准确度及可靠性。实现上述目的的技术方案是一种用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，分别连接发电机、励磁控制模块、 调速控制模块和并列断路器，通过对所述并列断路器的合闸操作实现所述发电机与一待并系统的准同期并列；所述发电机分别连接所述励磁控制模块和调速控制模块，并通过所述并列断路器与待并系统相连，所述发电机同期控制系统包括依次连接的电压互感器、仪表放大器、A/D转换器和中央处理器芯片，以及连接所述中央处理器芯片和并列断路器的驱动电路，其中所述电压互感器采集发电机电压和待并系统电压，并依次经所述仪表放大器和A/ D转换器转化后传输给所述中央处理器芯片；所述中央处理器芯片分别连接所述励磁控制模块和调速控制模块，并手动或自动通过励磁控制模块和调速控制模块控制发电机，调节发电机电压，在达到同期合间条件时， 手动或自动发送合间命令给所述驱动电路；
所述驱动电路在接到合闸命令后驱动所述并列断路器合闸。上述的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，其中，所述发电机同期控制系统还包括连接所述中央处理器芯片的用户显示界面，所述中央处理器芯片对接收的发电机电压和待并系统电压进行作差比较，当所得频差小于预设的允许频差，或者所得压差小于预设的允许压差时，所述中央处理器芯片控制所述用户显示界面上对应指示灯常亮，表示对应频差或者压差符合同期合间条件，否则对应指示灯闪烁；所述中央处理器芯片计算发电机电压与待并系统电压的相角差，并将其数值实时地显示在用户显示界面上，并将发电机电压与待并系统电压波形绘制在用户显示界面上。上述的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，其中，所述发电机同期控制系统还包括连接所述中央处理器芯片的用户控制界面，所述中央处理器芯片由人工通过所述用户控制界面手动操作，控制所述的调速控制模块和励磁控制模块，当人工观测到所述用户显示界面上指示灯状态、相角差以及电压波形满足同期合间条件时，通过所述用户控制界面手动发出合闸命令。上述的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，其中，所述发电机同期控制系统还包括连接所述中央处理器芯片的用户控制界面，所述的中央处理器芯片对接收的发电机电压和待并系统电压进行作差比较，当所得频差大于预设的允许频差，或者所得压差大于预设的允许压差时，通过所述励磁控制模块和调速控制模块控制发电机，来改变发电机电压，当人工观测到所述用户显示界面上指示灯状态、相角差以及电压波形满足同期合闸条件时，通过所述用户控制界面手动发出合间命令。上述的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，其中，所述中央处理器芯片对接收的发电机电压和待并系统电压进行作差比较，当所得频差大于预设的允许频差，或者所得压差大于预设的允许压差时，通过所述励磁控制模块和调速控制模块控制发电机，来调节发电机电压，当所述中央处理器芯片自动检测到发电机电压与待并系统电压在电压、 频率、相角上满足同期合闸条件时，提前一恒定越前时间自动发出合闸命令。上述的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，其中，所述恒定越前时间是自动装置合闸信号输出回路的动作时间以及并列断路器的合闸时间之和。上述的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，其中，所述的同期合闸条件指所述发电机电压与待并系统电压作差比较后所得频差小于或等于预设的允许频差，并且所得压差小于或等于预设的允许压差。上述的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，其中，所述待并系统指无穷大系统或者其他动态模拟系统。本发明的有益效果是本发明通过并列断路器的合闸操作实现发电机与待并系统的同期并列，具有多种同期方式，并且可以完成与无穷大系统或者其他动态模拟系统的同期并列；在全自动同期控制方式中，本发明在发电机与待并系统电压作差电压过零点之前， 提前一个预设的恒定越前时间发送合闸命令，将并列断路器的合闸时间以及电路的反应时间纳入了过程中，提高了准确度及可靠性，这样使得冲击电流很小，其瞬时最大值一般不超过1-2倍的额定电流，符合发电机并网要求；在半自动同期控制方式中，由所述中央处理器芯片进行同期追踪，人工手动控制并列断路器合闸，可以观测到不同追踪时间下的冲击电流变化，从而对同期的速度及效果进行观测；在手动同期控制方式中，由人工手动控制调速控制模块和励磁控制模块，在动态模拟实验中，可以观测到不同压差或频差下强制发电机并网，对其和待并系统的冲击电流变化，以及带来的影响。同时，在全自动同期控制方式下， 本发明实现同期并列后，发电机能迅速进入同步运行状态，暂态过程短，从而对待并系统的扰动也小。并且，本发明结构简单，成本低廉，具有很高的实用性。
图1是本发明的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统的结构示意图；图2是本发明的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统的控制框图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步说明。请参阅图1，本发明的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，分别连接发电机 5、励磁控制模块8、调速控制模块7和并列断路器12，通过对并列断路器12的合闸操作实现发电机5与一待并系统6的准同期并列；发电机5分别连接励磁控制模块8和调速控制模块7，并通过并列断路器12与待并系统6相连。所述发电机同期控制系统包括依次连接的电压互感器1、仪表放大器2、A/D转换器3和中央处理器芯片4，以及与中央处理器芯片4分别连接的用户显示界面9、用户控制界面10和驱动电路11，其中驱动电路11连接并列断路器12 ；中央处理器芯片4分别连接励磁控制模块8和调速控制模块7 ；电压互感器1采集发电机电压和待并系统电压，并依次经仪表放大器2和A/D转换器3转化后传输给中央处理器芯片4 ；在本实施例中，中央处理器芯片4选用的型号为 ARM7系列的LPC2378，仪表放大器2选用的型号为INA128，A/D转换器3选用ADS7844模数转换器；中央处理器芯片4对接收的发电机电压和待并系统电压进行作差比较，当所得频差小于预设的允许频差，或者所得压差小于预设的允许压差时，中央处理器芯片4控制用户显示界面9上对应频差或者压差的指示灯闪烁，表示对应频差或者压差符合同期合闸条件；中央处理器芯片4计算发电机5与待并系统6电压相角差后，将该相角差的数值实时地显示在用户显示界面9上，同时将发电机电压与待并系统电压波形绘制在用户显示界面9 上；中央处理器芯片4以人工手动或自动的方式通过励磁控制模块和调速控制模块控制发电机，来改变得到的发电机电压，在达到同期合闸条件时，手动或自动发送合闸命令给驱动电路11 ；驱动电路11在接到合闸命令后驱动并列断路器12合闸。设并列断路器12两侧电压分别为Ue和Ux ；并列断路器12主触头闭合瞬间所出现的冲击电流值以及进入同步运行的暂态过程，决定于合闸时的脉动电压值Us和滑差角频率 ω3θ因此，准同期并列主要是对脉动电压Us和滑差角频率进行检测和控制，并选择合适的时间发出合闸信号，使合闸瞬间的Us值在允许值以内。检测的信息取自并列断路器两侧的电压，而且主要是对Us进行检测并提取信息。
请参阅图2，首先进行当前相角差δ e计算，以了解当前并列点间脉冲电压Us的状况，\是否处于η 区间？因为恒定越前时间—般限定在两向量间相角差逐渐减小区段。因此，如果\的值是在0 π之间，则是相角差δε逐渐增大区间，就可以不必恒定越前时间、最佳导前相角δ YJ计算。如果是在π 之间，那么要设法捕捉最佳导前相角时发出合闸指令。 如果|Οπ-δ》-δγτ|彡ε成立，则发出合闸指令。如果差值大于ε，则计算预测合闸时间差Δ、，如果大于下一个计算点的间隔，则返回，待下一个计算点重新计算。如果Δ、小于或等于下一计算点时间，那么就延迟△、，发出并列合闸指令。本发明具有多种准同期并列方式，如下(1)手动准同期方式调速控制模块7和励磁控制模块8由人工手动操作进行控制，并由人工手动发出合闸命令给驱动电路11，控制并列断路器12进行合闸。在所述的手动准同期方式下，中央处理器芯片4根据由用户控制界面10所采集到的手动操作数据信息，分别对调速控制模块7进行增速/减速控制，对励磁控制模块8进行增励/减励控制，当操作人员由用户显示界面9上观测到指示灯状态、相角差以及电压波形满足同期合闸条件时，由人工通过用户控制界面10手动拨下开关，使得中央处理器芯片4 发出合闸命令给驱动电路11，驱动并列断路器12进行合闸。( 半自动准同期方式调速控制模块7和励磁控制模块8由中央处理器芯片4直接进行控制，并由人工手动通过用户控制界面10发出合闸命令给驱动电路11，控制并列断路器12进行合闸。在所述的半自动准同期方式下，中央处理器芯片4对接收的发电机电压和待并系统电压进行作差比较，当所得频差大于预设的允许频差，或者所得压差大于预设的允许压差时，中央处理器芯片4发出控制命令给励磁控制模块8和调速控制模块7，使得励磁控制模块8和调速控制模块7控制发电机5的各相应部分，从而改变发电机5的电压，以达到同期条件。当人工观测到用户显示界面9上的指示灯状态以及相角差数值满足同期合间条件时后，由人工通过用户控制界面10手动拨下开关，使得中央处理器芯片4发出合闸命令给驱动电路11，驱动并列断路器12，进行合闸。C3)全自动准同期方式中央处理器芯片4通过调速控制模块7和励磁控制模块8 控制发电机5，并由中央处理器芯片4提前恒定越前时间自动发出合闸命令给驱动电路11， 控制并列断路器12进行合闸。在所述的全自动准同期方式下，中央处理器芯片4对接收的发电机电压和待并系统电压进行作差比较，当所得频差大于预设的允许频差，或者所得压差大于预设的允许压差时，中央处理器芯片4发出控制命令给励磁控制模块8和调速控制模块7，使得励磁控制模块8和调速控制模块7控制发电机5的各相应部分，从而调节发电机电压，当中央处理器芯片4自动检测到所述发电机电压与待并系统电压作差比较后所得频差小于或等于预设的允许频差，并且所得压差小于或等于预设的允许压差时，由中央处理器芯片4提前一恒定越前时间自动发出合闸命令给驱动电路11，控制并列断路器12进行合闸。所述恒定越前时间是根据自动装置合闸信号输出回路的动作时间以及并列断路器的合闸时间确定的，且由下述公式给定tYJ=tc+tQF
式中t。指自动装置合闸信号输出回路的动作时间；Tqf指并列断路器的合闸时间。上述的待并系统6指无穷大系统或者其他动态模拟系统，所述的其他动态模拟系统是指除本发明的同期控制系统所处的动态模拟系统之外的动态模拟系统。综上所述，本发明通过并列断路器的合闸操作实现发电机与无穷大系统或者其他动态模拟系统的同期并列，并且具有多种同期方式；在全自动同期控制方式中，本发明在发电机电压与待并系统电压作差电压过零点之前，提前一个预设的恒定越前时间发送合闸命令，将并列断路器的合闸时间以及电路的反应时间纳入了过程中，提高了准确度及可靠性， 这样使得冲击电流很小，其瞬时最大值一般不超过1-2倍的额定电流，符合发电机并网要求；在半自动同期控制方式中，由中央处理器芯片进行同期追踪，人工手动控制并列断路器合闸，可以观测到不同追踪时间下的冲击电流变化，可对同期的速度及效果进行观测；在手动同期控制方式中，由人工手动控制调速控制模块和励磁控制模块，动态模拟实验中，可以观测到在不同压差以及频差下强制发电机并网，对其和待并系统的冲击电流的变化，及带来的影响。同时，在全自动同期控制方式下，本发明实现同期并列后，发电机能迅速进入同步运行状态，暂态过程短，从而对待并系统的扰动也小。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。
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权利要求
1.一种用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，分别连接发电机、励磁控制模块、调速控制模块和并列断路器，通过对所述并列断路器的合闸操作实现所述发电机与一待并系统的准同期并列；所述发电机分别连接所述励磁控制模块和调速控制模块，并通过所述并列断路器与待并系统相连，其特征在于，所述发电机同期控制系统包括依次连接的电压互感器、仪表放大器、A/D转换器和中央处理器芯片，以及连接所述中央处理器芯片和并列断路器的驱动电路，其中所述电压互感器采集发电机电压和待并系统电压，并依次经所述仪表放大器和A/D转换器转化后传输给所述中央处理器芯片；所述中央处理器芯片分别连接所述励磁控制模块和调速控制模块，并手动或自动通过励磁控制模块和调速控制模块控制发电机，调节发电机电压，在达到同期合间条件时，手动或自动发送合间命令给所述驱动电路；所述驱动电路在接到合闸命令后驱动所述并列断路器合闸。
2.根据权利要求1所述的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，其特征在于，所述发电机同期控制系统还包括连接所述中央处理器芯片的用户显示界面，所述中央处理器芯片对接收的发电机电压和待并系统电压进行作差比较，当所得频差小于预设的允许频差，或者所得压差小于预设的允许压差时，所述中央处理器芯片控制所述用户显示界面上对应指示灯常亮，表示对应频差或者压差符合同期合间条件，否则对应指示灯闪烁；所述中央处理器芯片计算发电机电压与待并系统电压的相角差，并将其数值实时地显示在用户显示界面上，并将发电机电压与待并系统电压波形绘制在用户显示界面上。
3.根据权利要求2所述的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，其特征在于，所述发电机同期控制系统还包括连接所述中央处理器芯片的用户控制界面，所述中央处理器芯片由操作人员通过所述用户控制界面手动操作，控制所述的调速控制模块和励磁控制模块，当人工观测到所述用户显示界面上指示灯状态、相角差以及电压波形满足同期合闸条件时，通过所述用户控制界面手动发出合闸命令。
4.根据权利要求2所述的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，其特征在于，所述发电机同期控制系统还包括连接所述中央处理器芯片的用户控制界面，所述的中央处理器芯片对接收的发电机电压和待并系统电压进行作差比较，当所得频差大于预设的允许频差，或者所得压差大于预设的允许压差时，通过所述励磁控制模块和调速控制模块控制发电机，来调节发电机电压，当人工观测到所述用户显示界面上指示灯状态、相角差以及电压波形满足同期合间条件时，通过所述用户控制界面手动发出合间命令。
5.根据权利要求1所述的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，其特征在于，所述中央处理器芯片对接收的发电机电压和待并系统电压进行作差比较，当所得频差大于预设的允许频差，或者所得压差大于预设的允许压差时，通过所述励磁控制模块和调速控制模块控制发电机，来调节发电机电压，当所述中央处理器芯片自动检测到发电机电压与待并系统电压在电压、频率、相角上满足同期合闸条件时，提前一恒定越前时间自动发出合闸命令。
6.根据权利要求5所述的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，其特征在于，所述恒定越前时间是自动装置合闸信号输出回路的动作时间以及并列断路器的合闸时间之和。
7.根据权利要求5所述的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，其特征在于，所述的同期合闸条件指所述发电机电压与待并系统电压作差比较后所得频差小于或等于预设的允许频差，并且所得压差小于或等于预设的允许压差。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，其特征在于，所述待并系统指无穷大系统或者其他动态模拟系统。
全文摘要
本发明公开了一种用于动态模拟实验的发电机同期控制系统，分别连接发电机、调速控制模块、励磁控制模块和并列断路器，通过对并列断路器的合闸操作实现所述发电机与一待并系统的准同期并列，所述发电机同期控制系统包括依次连接的电压互感器、仪表放大器、A/D转换器、中央处理器芯片和驱动电路。本发明可通过手动准同期控制模式、半自动准同期控制模式以及全自动准同期控制模式来实现发电机与待并系统的准同期并列，可以动态模拟手动准同期和自动快速同期，并可以观测到不同同期并列时间下的冲击电流变化，以及在不满足同期条件下强制同期对并列系统的影响。
文档编号H02J3/42GK102522779SQ201110415790
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者何伟, 余志文, 庒骏鹏, 张延迟, 房新雨, 艾芊, 蒋传文, 解大 申请人:上海信元瑞电气有限公司