基于STM32单片机的微机自动准同期装置设计与应用

刘东文 王导 何平

摘 要：分析传统的模拟式自动准同期装置的优缺点，并在此基础上设计了一种适用于电力系统自动准同期要求的全数字式自动准同期装置。该装置以单片机为核心，主要包括交流电压信号整形电路、单片机（MCU）、人机界面（LCD）、同期信号输出等单元。实验结果分析表明，所设计的微机自动准同期装置有很高的可靠性、通用性和精确性。该装置已在200多个水电站中投入工程应用，效果良好。

关键词：数字式；自动准同期；单片机

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）03-0028-03

Design and Application of Microcomputer Automatic Synchronizing Device Based on STM32 Microcontroller

LIU Dongwen，WANG Dao，HE Ping

（Guangdong Nanfeng Electric Automation Co.，Ltd.，Meizhou 514500，China）

Abstract：Based on the analysis of the advantages and disadvantages of the traditional analog automatic synchronization device，a full digital automatic synchronization device is designed on the basis of the automatic synchronization requirements of the power system. The device is based on a single chip microcomputer，mainly including AC voltage signal shaping circuit，MCU，LCD，and synchronization signal output units. The experimental results show that the designed microcomputer automatic synchronizing device has high reliability，versatility and accuracy. The device has been put into engineering in more than 200 hydropower stations，and the effect is good.

Keywords：digital；automatic quasi synchronization；single chip microcomputer

0 引 言

在运行电力系统时，变压器、联络线、发电机组和电力系统常常需要进行并列操作，这种通过开关设备将小型系统并入大型系统的操作，被称为同期并列操作。这种操作对发电厂而言非常重要，而且应用频繁。一旦操作失误，则会造成重大损失，严重时更会造成电力系统解列。为了减少人为操作失误，自动准同期装置在电力系统中得到广泛应用。

传统的自动准同期装置，多采用模拟式电路，技术已经相当成熟。但传统同期装置采用的是分立元件，存在元件参数分散，易出现温漂现象，可靠性较差。特别是出现故障时，诊断起来非常困难，调试极度不便。为了解决传统同期装置存在的问题，提高它的便捷性与可靠性，专家学者们一直在寻找替代性方案。數字技术的飞速发展，给我们提供了解决这种问题的另一种思路，即采用数字技术代替传统模拟技术，通过将MCU技术应用到自动准同期装置中，实现全数字化设计。

本文以STM32F4X系列单片机为基础，设计了一种基于数字技术的自动准同期装置。该装置具有系统冲击较小，同期准确快速的优点。

1 工作原理

所谓准同期并列操作，其要点在于调整系统侧的频率、电压和待并侧的频率、电压，当满足以下四项条件时，启动同期装置。

条件1，系统侧、待并侧两侧电压相序一致；

条件2，系统侧、待并侧两侧电压数值一致；

条件3，系统侧、待并侧两侧频率基本一致；

条件4，合闸时系统侧、待并侧两侧电压相位一致。

在条件不合适时，向调速器和励磁发出调整命令，以使各项参数符合条件，从而减少合闸时间。同时，自动准同期装置会不断寻找最合适的合闸时间点，找到后自动发送合闸指令。

在逻辑电路与时间程序的基础上，利用相位比较、压差检查、频差检查的方法及恒定导前时间的相关原理，使用控制策略，对它们进行综合，形成了自动准同期装置。该装置会对相位差、频率差、电压差进行不间断的自动监视，找出理想的同期时刻，并提前一个导前时间发出合闸命令，使得相角差为零度时断路器完成合闸，圆满完成准同期并列[1]，如图1所示。

2 硬件设计

2.1 系统结构

通过整形电路将系统侧和待并侧的交流信号转换为方波信号，引入MCU的IO端口。利用MCU的计时器和AD端口，实现相位检测、频率计算、幅值比较、PWM调节、同期输出及LCD人机界面等功能。

系统结构如图2所示：

2.2 功能设计

（1）装置的使用对象包括线路并网或者发电机并网，并且装置对并网对象具备自动识别功能。（2）具有多个同期参数可以整定，方便根据现场要求进行整定。（3）严密精确的数学模型让装置能够捕捉最早出现的零相角差，并网无任何冲击。（4）使用模糊控制理论算法，控制并机组电压和频率，确保平稳快速的让电压差和频率差进入整定区间，加快并网速度。（5）该系统能够实现对同频或差频并网的自动识别。在线路上实施同频并网时，一旦并列点两侧的压差和功角低于整定值，就会立刻实施并网[2]。（6）如果电机在差频并网时，出现了同频状态，不会影响并网，不用消除同频，能够继续合闸。（7）在特定时间，该装置可以确保无功进相、逆功率并网不会出现。（8）该装置可以适应包括线电压400V、线电压100V和相电压57.7V的系统。（9）该装置能够在110V～220V交流直流电源供电下使用。（10）具备欠压保护功能（欠压值可根据用户要求进行整定）。（11）该装置对工作环境的要求低，它采用了光电、电磁隔离措施，实施了全封闭。

2.3 硬件电路

自动准同期装置电路图见图3。

3 软件设计

3.1 电压差计算

从外部TV电压互感器二次侧提取的交流电压信号，在滤波作用下会变成直流电压的信号，并且直流电压与交流电压的信号大小成正比。MCU通过AD转换接口读取相应的电压量Ug、Us。设并列时，允许电压偏差设定的门坎值为Udelta。

当|Us-Ug|>Udelta时，不输出合闸信号；

当|Us-Ug|≤Udelta时，输出合闸信号；

当Us>Ug，发出增加电压信号；

当Us3.2 频率测量计算

把交流电压正弦信号转换为方波信号，利用方波的下降沿启动MCU计数器开始计数，在下次下降沿触发时，由MCU读取计数值N，并使计数器复位，重新开始计数，作为下一次的计数值。据此计算出fs、fg值，设并列时，允许电压偏差设定的门坎值为fdelta。

当|fs-fg|>fdelta时，不输出合闸信号；

当|fs-fg|≤fdelta时，输出合闸信号；

当fs>fUg，发出增加频率信号；

当fs