基于龙芯1b的微机准同期装置的研制

基于龙芯1b的微机准同期装置的研制

查银朋 12

(1 、国电南京自动化股份有限公司 江苏南京 210032；2、南京河海南自水电自动化有限公司 江苏南京 210032)

摘要：本文主要研究自动准同期装置的控制策略及其数字信号处理器实现方法，设计了一种基于龙芯1b实现自动准同期装置的数字控制系统。详细阐述了最新型微机自动准同期装置在电力系统安全可靠运行中的地位，阐述了同步系统的原理，并分析了过去手动同期方法及模拟同步装置的严重不足。文中根据对该装置的实际过程，对改装置的硬件，软件设计方法、依据进行了说明和讨论。同时，用实验结果证明了控制的实用性，以及基于龙芯1b数字控制系统的通用性、可扩展性。

关键词：自动准同期装置；数字信号处理；并网控制

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0.引言

计算机技术和超大规模集成电路技术发展，传统的、模拟的自动准同期装置已远远不能适应当今发电厂、变电站综合自动化的需要，微机自动准同期装置就是适应这一要求而设计的。在电力系统中，有些被称为同期点的断路器在进行合闸操作时，断路器的两端都有可能因由不同的电系统供电而带电。此时，就必进行一系列的操作，最终才能将断路器合闸。这一系列操作加上断路器合闸操作统称为并列操作。同期点的并列操作是电力系统中一项主要的操作内容。因为断路器的两端均有电源，若同期点断路器的合闸时机不适当，两端的点参数相差较大，就将会引起断路器爆炸甚至整个电力系统稳定破坏而导致崩溃，发生大面积的停电的重大恶性事故。

1. 自动准同期的模型的建立

机组同期时，必须考虑三个要素：电压差、频率差、相位差。其中电压差、频率差闭锁合闸出口很容易实现。问题的关键是如何实现相位差准确闭锁合闸出口。要实现相位差准确可靠闭锁合闸出口，首先就必须了解相位差的变化规律。传统的同期装置，总是假定相位呈线性变化，即相位的变化满足如下（1）规律：

--当前时刻相差

--当前时刻相位变化速率

--断路器合闸时间

上述情况假定了系统频率和机组频率是一成不变的，而实际情况是，系统频率和机组频率总在不停地变化，相位的变化也不是线性的，有一定的加速度，这一点，可从现场的同步表指针的变化就可以看出。在现场，有时同步表指针逆时针慢慢地转动，直到停下，甚至顺时针反转，这就足以证明相位的变化是非线性的，至少具有加速度。本装置进行同期时不仅考虑相位的线性变化，还考虑了由于运行系统频率和待并系统频率的突变从而引起的相位变化的加速度，其公式计算如下：

式中：
--预期相差；

--当前时刻相差

--当前时刻相位变化速率

--断路器合闸时间

--当前时刻相位变化加速度

这个公式假定的相位的变化模型，比线性模型更接近于相位的实际变化，因此它能更准确地反映实际情况。同期相位变化模型建立得正确与否，直接关系到同期的准确程度。模型建立得正确与否，必须通过实际情况来检验。模型与实际情况所产生的差异，必须通过一定的方法进行修正，使之更接近于真实情况。

2. 系统结构

模件名称	主要功能
CPU 模件	实现装置人机交互，通讯传输，数据处理，记录追忆等功能。
SIG模件	实现电压、频率、相位的处理判断，出口的控制，以及主 备的冗余控制
开入模件	实现同期请求的开入处理，电压的采集和转换，并提供内 置同步检查继电器出口。
开出模件	实现同期合闸等继电器出口功能。
面板模件	实现人机操作的画面和按键以及相位变化、系统状态、出 口动作等指示。
电源模件	提供供电电源、能够自适应 110V、220V 交直流电源输入。

2.1本装置采用龙芯公司龙芯1b为核心处理器，配以高精度交流变换器，准确快速的交流采样以及先进的计算技术，准确测出开关两侧电压、频率及相角差；输入/输出全光电隔离，采用进口密封中间继电 器作为合闸输出和同期电压切换。系统按照组成原理大致可分为处理器系统、输入、输出、存储和记录、 显示、通信等部分。本自动准同期装置机箱具有 6 个插槽，从后视图看，自左往右依次为：电源模件 （POWER）、开入模件（DI）、开出模件（DO）、备控制器模件（SIG）、主控制器模件（SIG）、处理器CPU模件（CPU）。由于主、备控制器共用 SIG 模件，因此定义插入备控制器插槽的 SIG 模件实现备控制 器功能，插入主控制器插槽的 SIG 模件实现主控制器功能。

2.2龙芯1B使用0.13um工艺，是一款轻量级的32位SoC芯片。片内集成了GS232处理器核、16/32位DDR2、高清显示、NAND、SPI、62路GPIO、USB、CAN、UART等接口，能够满足超低价位云终端、数据采集、网络设备等领域需求。

2.3硬件功能框图如下：

3. 关键技术和难点

该研发装置包含CPU模件、SIG（信号处理）模件、DO模件、DI模件、母板模件以及前面板模件。主CPU模件采用国产龙芯1b处理器，提供多种通讯接口及标准通讯协议进行数据交换，并实现在Windows系统下的网络远程访问；信号处理模件采用国产龙芯1b处理器为核心，主要处理跟CPU的SPI通讯，电压、频率、相位的采集，以及同期并网过程的处理等；DO模件为实现开关量的开出处理；DI模件为实现电压的采集和转换，并提供12个同期对象的操作；母板模件为装置各分模件之间联系的通道，实现面板模件、CPU模件、信号处理模件、DO模件、DI模件之间逻辑状态的传递；显示模件为装置提供交互式人机界面。

【1】采用变化率控制技术进行同期过程的控制，包含了实际可能存在的非线性变化，建立更加合理高 效的变化模型，从而能够快速稳定准确的跟踪同期过程的变化，促成准同期条件的实现；

【2】在电压差、频率差不满足要求的情况下，能够发出长短不同的调节脉冲，使得待并双方的电压和 频率快速逼近；

【3】在电压差、频率差满足要求时能够不断检测功角差，提前一恒定导前时间发出合闸脉冲，在电压 差、频率差不满足要求时能够对合闸回路进行闭锁；

【4】能够自动破坏同频不同相的现象，加快同期并列过程；

【5】能够自动检测并显示断路器的合闸时间，并可根据需要设置“自动修改导前时间标志”进行自动 修改保存；此外，通过这一功能，可鉴别断路器是否有故障；

【6】准确测量并显示待并双方的电压和频率；

【7】装置可进行电压、频率、相位的智能校准，以及继电器出口、开关量输入等功能的手动测试；

【8】同期并列允许的电压差、频率差、功角差及调节控制参数均可由用户设定并保存；

【9】具备系统侧和待并侧的过压/超频保护功能，一旦出现超出给定的电压/频率上限值时（电压/频率 上限值可根据用户要求进行整定），立即输出一降压信号，并闭锁相应调节控制回路，直至电压恢 复正常为止；

【10】具备系统侧和待并侧的低压/低频闭锁功能；

【11】具备系统侧和待并侧之间任意组合进行无压方式合闸，且无压阈值可根据要求整定。

4. 系统测量及控制的优化算法

微机型自动准同期装置克服了模拟式同步装置的局限性，其硬件简单、编程方便，运行可靠，技术日趋完善，成为当前发展方向。微机准同期装置具有高速运算和逻辑判断能力，可以对相角差、频差、压差进行精确的运算，并考虑相角差可能具有加速运动问题，按照相角差当时的变化规律，捕捉最佳的合闸时机，实现快速无冲击并网。

1. 电压测量的优化算法的实现方法

为了准确计算各次谐波的分量，必须对电压进行整周期采样，以便于进行FFT计算，在计算出电压的各次谐波分量后，可以按照公式计算出电压的有效值等，还可以用复数算法进行计算，速度更快。

2. 频率测量的优化算法的实现方法

频率测量是电子技术中最基本的测量之一。常用数字测量方法有M法、T法、M/T法。M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率，这种方法比较适合测量高频信号频率。T法是通过测量被测信号周期然后换算出被测信号频率，当被测信号频率较低时产生较大误差。本装置采用M/T法，它具有两个优点，它通过测量被测信号数个周期的时间然后换算出被测信号的频率，可兼顾低频与高频信号，提高了测量精度。

5. 系统实验结果

依据本文提出的控制策略以及数字实现方法，设计了一套基于龙芯1b微机准同期装置。从实验结果表明，本装置的工作稳定，可靠性高。符合设计要求。在进行同期合闸时对系统的冲击很小，有效保护了发电机。符合本系统设计要求。

参考文献

[1 ] 许克明，田怀智. 电力系统自动化装置：重庆大学出版社 1996

2. 黄梅. 电力系统自动化装置：中国电力重庆大学出版社 2002

3. 卢志刚，赫玉山，等. 电力系统实时相角监控系统研究【J】. 电力系统自动化，1997，（9）:17-19

4. 闵勇，丁任杰，等，自适应调整采样率的相量在线测量算法研究【J】. 电力系统自动化，1998，（10）:10-13

5. 吉拥平，SDQ200微机自动准同期装置技术说明书

作者简介：

查银朋（1975年—），男，安徽安庆，工程师，硕士研究生，主要从事水利水电自动化设备的研究。