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【摘 要】本文介绍了准同期并网原理及非同期并网的危害，研究设计了一种PLC控制的自动准同期并网装置，该装置利用PLC系统实时采集差频三角波电压，以PLC的平均扫描周期作为差频电压采样周期的计时单位，根据相似三角形原理对合闸超前时间进行计算，快速、准确地捕捉合闸时机，实现发电机的自动准同期并网操作。
【关键词】自动准同期；非同期；可编程序控制器
1.引言
在电力系统运行操作中，发电机的并网操作是一项非常重要的工作。随着我国电力行业的快速发展，发电机组单机容量的不断增大，机组控制系统自动化水平的日益提高，对发电机同期系统的要求也越来越高。如果同期系统出现问题，将有可能造成机组的非同期并网，这会对价值数千万元的发电机组造成严重的损伤。
自动准同期并网装置正是为了保证安全、快速地实现同期并网操作而设计的一种电力系统自动化装置，它的首要功能是实现同期并列操作在符合同期并列条件时迅速并且准确的完成，尽量减小并网操作给电网和发电机带来的冲击。准同期装置执行并网操作的准确性和及时性是衡量准同期装置性能的重要指标。
早在同期装置出现以前，准同期并网合闸主要是依靠操作人员借助于各种仪表手动进行。这就要求操作人员熟练地对各种仪表配合使用，无疑对于操作人员的经验及熟练程度提出了较高的要求，更重要的是手动并网根本无法实现机组的自动启动和并列操作。模拟式准同期装置的出现改善了手动准同期装置的缺陷，但是模拟式自动准同期装置原理粗糙，经常发生误并列根本无法满足快速、准确、稳定的要求。伴随科学技术的进步，模拟式准同期装置逐渐被微机式准同期装置取代，微机式准同期装置与模拟准同期装置相比极大地提高了准同期装置的各项性能指标和并网的准确可靠性[1]。准同期装置性能的提高对电网安全平稳运行和节约能源都是至关重要的，因此研究设计快速、准确、稳定的准同期并网装置具有重大的理论和现实意义。
2.非同期并网的危害
在图1所示的两个独立电源组成的双电源网络中，利用联络线L的断路器2DL进行同期并网。
（1）当电压不等的情况，并网瞬间产生的冲击电流，其周期分量的有效值为
（式1）
式中：为冲击电流的周期分量的有效值；为待并系统电压瞬时值；为运行系统电压瞬时值；为待并系统次暂态电抗。
当待并系统电压大于运行系统电压时，滞后90°，对待并系统发电机起去磁作用，系统并列后发电机立即带无功功率。待并系统电压小于运行系统电压时，超前90°，对待并系统发电机起助磁作用，系统并列后发电机吸收无功功率。当压差△U很大，则冲击电流很大，将会使发电机定子绕组发热，使得定子绕组在电动力作用下受损。
（2）当相位不一致时，并网瞬间产生的冲击电流，其周期分量的有效值为
当待并系统电压超前运行系统电压时，的主要成分为同相位的有功分量，待并系统并入系统时，立即带有功功率，对发电机起制动作用，有利于将待并系统电压拉到与系统电压同相位。当待并系统电压滞后运行系统电压时，的主要成分为反相位的有功分量，待并系统并入系统时，立即吸收有功功率，对发电机起加速作用，有利于将待并系统电压拉到与系统电压同相位。如果很大，则冲击电流很大，其有功分量在发电机轴上产生冲击力矩，使设备烧毁。特别是等于180°时，则冲击电流等于系统首端三相短路电流的两倍，损害最严重。
（3）当频率不等的情况，待并系统电压与运行系统电压之间具有相对运动，存在频率差，如果频率差较大，则在并列合闸后在0°～ 360°之间周期性变化，当=0°和= 360°時，电压差△U=0，则，当=180°时，电压差△U=2U2 =2U1，则最大。待并系统在频率差较大的情况下并网，立即带上较多的有功功率，对发电机转子产生较大的力矩，使待并系统发电机产生机械振动，严重时失步，造成并列不成功。如果待并系统频率低于运行系统频率，并列后发电机将会吸收电网有功，其逆功率对汽轮机末级叶片造成损坏[2]。
3.准同期并网原理
发电机组和电网的同期并网操作是准同期并网操作中经常遇到且最典型的，所以分析准同期并网原理时以发电机组和系统并网为例[3]，假设同期并列前的系统侧电压和机组电压如下所示：
以上公式中：机组侧电压有效值；系统侧电压有效值；Umx断路器机组侧电压；Umg断路器系统侧电压；机组侧电压角频率；系统侧电压角频率；机组侧电压初相角；系统侧电压初相角。
可见，合闸电压向量差的大小主要取决于合闸时刻的大小，这个瞬时的电压的取值取决于合闸时刻断路器两侧的电压幅值差、频率差和相角差。理想的并网条件为：
（式8）
当断路器两侧满足理想并网条件时，电压向量差，也就是说这时没有冲击电流产生。然而实际的电网中理想并网条件是难以完全满足的。例如当系统侧和机组侧频率相等时，相角差的变化率为零，如果此时相角差不满足条件，则会出现同频不同相的情况，这时往往就需要对发电机频率进行调整。实际同期操作中如果并网参数满足一定并网条件就可以并网，操作中应使电压幅值差、频率差、合闸角各小于设定的某一额定值，使合闸冲击控制在可控的范围内。
4.PLC控制的自动准同期并网装置
可编程序控制器（简称PLC）的可靠性高和抗干扰能力强已成为专业技术人员的共识，因此，PLC在现代电站控制中的应用越来越广泛。发电机组的自动准同期并网是电站自动化的主要功能之一，在电站的同期并网操作中，为了尽可能地在待并机与电网电压相位一致时准确合闸，并网时必须考虑发电机主开关固有的动作时间，即发合闸指令应有一定的提前量。合闸时机的捕捉是自动并网的难点与关键所在。
本文提出了一种适合于PLC控制的电站自动准同期并网合闸控制方法。此方法采用差频三角波电压取得同相位时刻，用相似三角形原理计算、获取合闸提前量，并用PLC的平均扫描周期作为差频三角波电压采样周期的计时单位。 4.1 自动准同期并网装置组成框图
并网装置是以西门子S7-300 PLC作为核心控制部件，图2为其组成原理框图。
用于并网的PLC包括电源模块PS307、中央处理单元CPU314、AI模块SM331和2块DI、DO模块SM323。电源模块输入电压AC 220V，输出电压DC 24V，额定电流5A，用于CPU模块和信号模块的电源供应。中央处理单元采用标准型CPU314模块，模块内集成48KB RAM，适用于中等程序量要求的应用，扫描速率为每千步指令约0.3ms。SM331为8通道AI模块，采用电压输入，量程设定为士10V，转换精度为12位+符号位。SM331用于并网差频电压等模拟量信息的输入。SM323采用16DI/16DO模块，其额定输入电压和额定负载电压均为DC 24V。并网PLC装置除了用于自动准同期并网控制外，还能用于并联运行时负荷的比例分配与频率调节、机组运行台数管理及大负荷投入管理等任务。
4.2 差频电压的检测
用于并网控制的差频电压来自信号处理板，由硬件电路运用相位比较原理来取得，经AI模块SM331输入PLC。差频三角波电压形成的硬件电路原理如图3所示。在差频电压形成电路中，电网电压、待并机电压变压后通过由电压比较器组成的整形电路整形成与之同频率的方波，然后将这两组方波信号输入由“异或”门组成的鉴相电路进行逻辑处理，得到一组宽窄不等的矩形波，即将相位差变换成脉冲空度比，再经低通滤波电路滤除高频成分，便可得到与输入的两个信号相位差成比例的直流电平，即差频电压。图4所示波形图表示出了信号处理过程中各电压的变化过程。图中、分别为电网和待并机正弦电压整形后得到的方波电压，为鉴相电路输出的电压波形，为滤波后的差频电压波形。当相位差为180°时，为10V；当相位差为0°时，为0V；当从180°向0°变化时，成比例减小，其线性度很好，基本接近三角波电压。
对于电磁干扰对差频电压等模拟量信息采集的影响，PLC本身具有硬件滤波功能，具备较强的抗电磁干扰能力。在PLC的STEP7组态中要设置合适的干扰抑制频率，如本系统电站的额定频率为50Hz，干扰抑制频率也设定为50Hz。除此之外，在程序设计中还采取了软件滤波措施，即以连续四次采样的平均值作为用于合闸提前量运算的差频电压值。
4.3合闸提前量的获取
采用恒定超前时间法获取合闸提前量。当频差在允许范围内时进入合闸程序，PLC采集差频电压值，运用相似三角形原理计算到达同相点的时间来获得恒定超前时间。运用相似三角形原理获得恒定超前时间的原理如图5所示。
图中，A点是同相点时刻，为当前采样时刻，为前一次采样时刻，T为两次采样的时间间隔，为从当前采样时刻到同相点时刻所需的时间。根据相似三角形原理可得到：
（式9）
通过上述方法，可以预测到达同相点的时刻，并能自动跟踪频差的变化。显然，当满足等于主开关动作时间时发合闸指令是最佳时刻。需要说明的是，只有在差频三角波电压波形到达同相点前的30°范围内，才进行恒定超前时间的运算。在这个较小的范围内计算，即使差频电压具有一定的非线性或受到外界因素的干扰，实际得到的不是严格的三角波，计算结果也不会出现太大的误差，能够保证合闸的相位误差限制在允许范围内[4]。
4.4 合闸程序
PLC合闸程序框图如图6所示。合闸程序中，加入本次采样差频电压值小于上次采样值（）的条件，是为了确保合闸指令在相位差逐渐减小的直线段上发出。相位差<30°的条件，是指只有在到达同相点前30°的范围内才进行恒定超前时间的运算。<30°的条件是否满足是通过PLC读取实际差频电压值并与=30°所对应的差频电压值相比较来判别。对于发合闸指令的时刻，虽然时是最佳的合闸时刻，但此条件很难恰好取得，因此，当进入合闸程序后第一次出现的标志即发合闸指令。合闸的最大可能时间误差是一个采样周期。在实际程序中计算的是的值，即以采样周期T作为计时单位，是否发合闸指令是以本次采样时刻到同相点的时间还有多少个扫描周期为依据。例如：采样周期为20ms，主开关的固有动作时间是0.1s，则在进入合闸程序后第一次出现标志时发合闸指令。如果恰好接近同相点时进入合闸程序，的条件也能满足，但此时发合闸指令会导致较大的合闸误差，为避免出现这种情况，在程序中，发合闸指令时还必须同时满足的条件，即在满足条件时发合闸指令。
5.结束语
用于并网控制的PLC应选择扫描速率较高的CPU，程序设计应合理，以保证合闸程序运行期间尽量缩短扫描周期及保持扫描周期的恒定。本文所述并网装置的CPU模块扫描速率为每千步指令0.3ms，合闸程序运行期间测得的PLC扫描周期为5ms，在程序设计中每四个PLC扫描周期采样一次差频三角波电压值。
此自动准同期并网装置所需硬件设备少、成本低、可靠性高，既可用于新建电站的并网控制，也可用于旧系统的改造，具有较好的实用价值。
参考文献：
[1] 卓乐友，叶念国. 微机型自动准同期同步装置的设计和应用[M]. 北京：中國电力出版社，2002.
[2] 冯彦钊. 变电站同期并网存在的问题及分析[J]. 云南电力技术，2006，34（6）：15-17.
[3] 姜锦范. 船舶电站及自动化[M]. 大连：大连海事大学出版社，2004.
[4] 周斌，鲁国刚.具有检同期合闸功能的变电站测控装置[J].电力自动化设备，2004，24（1）：91-93.
作者简介：
严春平（1980-），男，硕士，九江职业技术学院电气工程学院讲师，主要研究方向为电力系统及其自动化。
【关键词】自动准同期；非同期；可编程序控制器
1.引言
在电力系统运行操作中，发电机的并网操作是一项非常重要的工作。随着我国电力行业的快速发展，发电机组单机容量的不断增大，机组控制系统自动化水平的日益提高，对发电机同期系统的要求也越来越高。如果同期系统出现问题，将有可能造成机组的非同期并网，这会对价值数千万元的发电机组造成严重的损伤。
自动准同期并网装置正是为了保证安全、快速地实现同期并网操作而设计的一种电力系统自动化装置，它的首要功能是实现同期并列操作在符合同期并列条件时迅速并且准确的完成，尽量减小并网操作给电网和发电机带来的冲击。准同期装置执行并网操作的准确性和及时性是衡量准同期装置性能的重要指标。
早在同期装置出现以前，准同期并网合闸主要是依靠操作人员借助于各种仪表手动进行。这就要求操作人员熟练地对各种仪表配合使用，无疑对于操作人员的经验及熟练程度提出了较高的要求，更重要的是手动并网根本无法实现机组的自动启动和并列操作。模拟式准同期装置的出现改善了手动准同期装置的缺陷，但是模拟式自动准同期装置原理粗糙，经常发生误并列根本无法满足快速、准确、稳定的要求。伴随科学技术的进步，模拟式准同期装置逐渐被微机式准同期装置取代，微机式准同期装置与模拟准同期装置相比极大地提高了准同期装置的各项性能指标和并网的准确可靠性[1]。准同期装置性能的提高对电网安全平稳运行和节约能源都是至关重要的，因此研究设计快速、准确、稳定的准同期并网装置具有重大的理论和现实意义。
2.非同期并网的危害
在图1所示的两个独立电源组成的双电源网络中，利用联络线L的断路器2DL进行同期并网。
（1）当电压不等的情况，并网瞬间产生的冲击电流，其周期分量的有效值为
（式1）
式中：为冲击电流的周期分量的有效值；为待并系统电压瞬时值；为运行系统电压瞬时值；为待并系统次暂态电抗。
当待并系统电压大于运行系统电压时，滞后90°，对待并系统发电机起去磁作用，系统并列后发电机立即带无功功率。待并系统电压小于运行系统电压时，超前90°，对待并系统发电机起助磁作用，系统并列后发电机吸收无功功率。当压差△U很大，则冲击电流很大，将会使发电机定子绕组发热，使得定子绕组在电动力作用下受损。
（2）当相位不一致时，并网瞬间产生的冲击电流，其周期分量的有效值为
当待并系统电压超前运行系统电压时，的主要成分为同相位的有功分量，待并系统并入系统时，立即带有功功率，对发电机起制动作用，有利于将待并系统电压拉到与系统电压同相位。当待并系统电压滞后运行系统电压时，的主要成分为反相位的有功分量，待并系统并入系统时，立即吸收有功功率，对发电机起加速作用，有利于将待并系统电压拉到与系统电压同相位。如果很大，则冲击电流很大，其有功分量在发电机轴上产生冲击力矩，使设备烧毁。特别是等于180°时，则冲击电流等于系统首端三相短路电流的两倍，损害最严重。
（3）当频率不等的情况，待并系统电压与运行系统电压之间具有相对运动，存在频率差，如果频率差较大，则在并列合闸后在0°～ 360°之间周期性变化，当=0°和= 360°時，电压差△U=0，则，当=180°时，电压差△U=2U2 =2U1，则最大。待并系统在频率差较大的情况下并网，立即带上较多的有功功率，对发电机转子产生较大的力矩，使待并系统发电机产生机械振动，严重时失步，造成并列不成功。如果待并系统频率低于运行系统频率，并列后发电机将会吸收电网有功，其逆功率对汽轮机末级叶片造成损坏[2]。
3.准同期并网原理
发电机组和电网的同期并网操作是准同期并网操作中经常遇到且最典型的，所以分析准同期并网原理时以发电机组和系统并网为例[3]，假设同期并列前的系统侧电压和机组电压如下所示：
以上公式中：机组侧电压有效值；系统侧电压有效值；Umx断路器机组侧电压；Umg断路器系统侧电压；机组侧电压角频率；系统侧电压角频率；机组侧电压初相角；系统侧电压初相角。
可见，合闸电压向量差的大小主要取决于合闸时刻的大小，这个瞬时的电压的取值取决于合闸时刻断路器两侧的电压幅值差、频率差和相角差。理想的并网条件为：
（式8）
当断路器两侧满足理想并网条件时，电压向量差，也就是说这时没有冲击电流产生。然而实际的电网中理想并网条件是难以完全满足的。例如当系统侧和机组侧频率相等时，相角差的变化率为零，如果此时相角差不满足条件，则会出现同频不同相的情况，这时往往就需要对发电机频率进行调整。实际同期操作中如果并网参数满足一定并网条件就可以并网，操作中应使电压幅值差、频率差、合闸角各小于设定的某一额定值，使合闸冲击控制在可控的范围内。
4.PLC控制的自动准同期并网装置
可编程序控制器（简称PLC）的可靠性高和抗干扰能力强已成为专业技术人员的共识，因此，PLC在现代电站控制中的应用越来越广泛。发电机组的自动准同期并网是电站自动化的主要功能之一，在电站的同期并网操作中，为了尽可能地在待并机与电网电压相位一致时准确合闸，并网时必须考虑发电机主开关固有的动作时间，即发合闸指令应有一定的提前量。合闸时机的捕捉是自动并网的难点与关键所在。
本文提出了一种适合于PLC控制的电站自动准同期并网合闸控制方法。此方法采用差频三角波电压取得同相位时刻，用相似三角形原理计算、获取合闸提前量，并用PLC的平均扫描周期作为差频三角波电压采样周期的计时单位。 4.1 自动准同期并网装置组成框图
并网装置是以西门子S7-300 PLC作为核心控制部件，图2为其组成原理框图。
用于并网的PLC包括电源模块PS307、中央处理单元CPU314、AI模块SM331和2块DI、DO模块SM323。电源模块输入电压AC 220V，输出电压DC 24V，额定电流5A，用于CPU模块和信号模块的电源供应。中央处理单元采用标准型CPU314模块，模块内集成48KB RAM，适用于中等程序量要求的应用，扫描速率为每千步指令约0.3ms。SM331为8通道AI模块，采用电压输入，量程设定为士10V，转换精度为12位+符号位。SM331用于并网差频电压等模拟量信息的输入。SM323采用16DI/16DO模块，其额定输入电压和额定负载电压均为DC 24V。并网PLC装置除了用于自动准同期并网控制外，还能用于并联运行时负荷的比例分配与频率调节、机组运行台数管理及大负荷投入管理等任务。
4.2 差频电压的检测
用于并网控制的差频电压来自信号处理板，由硬件电路运用相位比较原理来取得，经AI模块SM331输入PLC。差频三角波电压形成的硬件电路原理如图3所示。在差频电压形成电路中，电网电压、待并机电压变压后通过由电压比较器组成的整形电路整形成与之同频率的方波，然后将这两组方波信号输入由“异或”门组成的鉴相电路进行逻辑处理，得到一组宽窄不等的矩形波，即将相位差变换成脉冲空度比，再经低通滤波电路滤除高频成分，便可得到与输入的两个信号相位差成比例的直流电平，即差频电压。图4所示波形图表示出了信号处理过程中各电压的变化过程。图中、分别为电网和待并机正弦电压整形后得到的方波电压，为鉴相电路输出的电压波形，为滤波后的差频电压波形。当相位差为180°时，为10V；当相位差为0°时，为0V；当从180°向0°变化时，成比例减小，其线性度很好，基本接近三角波电压。
对于电磁干扰对差频电压等模拟量信息采集的影响，PLC本身具有硬件滤波功能，具备较强的抗电磁干扰能力。在PLC的STEP7组态中要设置合适的干扰抑制频率，如本系统电站的额定频率为50Hz，干扰抑制频率也设定为50Hz。除此之外，在程序设计中还采取了软件滤波措施，即以连续四次采样的平均值作为用于合闸提前量运算的差频电压值。
4.3合闸提前量的获取
采用恒定超前时间法获取合闸提前量。当频差在允许范围内时进入合闸程序，PLC采集差频电压值，运用相似三角形原理计算到达同相点的时间来获得恒定超前时间。运用相似三角形原理获得恒定超前时间的原理如图5所示。
图中，A点是同相点时刻，为当前采样时刻，为前一次采样时刻，T为两次采样的时间间隔，为从当前采样时刻到同相点时刻所需的时间。根据相似三角形原理可得到：
（式9）
通过上述方法，可以预测到达同相点的时刻，并能自动跟踪频差的变化。显然，当满足等于主开关动作时间时发合闸指令是最佳时刻。需要说明的是，只有在差频三角波电压波形到达同相点前的30°范围内，才进行恒定超前时间的运算。在这个较小的范围内计算，即使差频电压具有一定的非线性或受到外界因素的干扰，实际得到的不是严格的三角波，计算结果也不会出现太大的误差，能够保证合闸的相位误差限制在允许范围内[4]。
4.4 合闸程序
PLC合闸程序框图如图6所示。合闸程序中，加入本次采样差频电压值小于上次采样值（）的条件，是为了确保合闸指令在相位差逐渐减小的直线段上发出。相位差<30°的条件，是指只有在到达同相点前30°的范围内才进行恒定超前时间的运算。<30°的条件是否满足是通过PLC读取实际差频电压值并与=30°所对应的差频电压值相比较来判别。对于发合闸指令的时刻，虽然时是最佳的合闸时刻，但此条件很难恰好取得，因此，当进入合闸程序后第一次出现的标志即发合闸指令。合闸的最大可能时间误差是一个采样周期。在实际程序中计算的是的值，即以采样周期T作为计时单位，是否发合闸指令是以本次采样时刻到同相点的时间还有多少个扫描周期为依据。例如：采样周期为20ms，主开关的固有动作时间是0.1s，则在进入合闸程序后第一次出现标志时发合闸指令。如果恰好接近同相点时进入合闸程序，的条件也能满足，但此时发合闸指令会导致较大的合闸误差，为避免出现这种情况，在程序中，发合闸指令时还必须同时满足的条件，即在满足条件时发合闸指令。
5.结束语
用于并网控制的PLC应选择扫描速率较高的CPU，程序设计应合理，以保证合闸程序运行期间尽量缩短扫描周期及保持扫描周期的恒定。本文所述并网装置的CPU模块扫描速率为每千步指令0.3ms，合闸程序运行期间测得的PLC扫描周期为5ms，在程序设计中每四个PLC扫描周期采样一次差频三角波电压值。
此自动准同期并网装置所需硬件设备少、成本低、可靠性高，既可用于新建电站的并网控制，也可用于旧系统的改造，具有较好的实用价值。
参考文献：
[1] 卓乐友，叶念国. 微机型自动准同期同步装置的设计和应用[M]. 北京：中國电力出版社，2002.
[2] 冯彦钊. 变电站同期并网存在的问题及分析[J]. 云南电力技术，2006，34（6）：15-17.
[3] 姜锦范. 船舶电站及自动化[M]. 大连：大连海事大学出版社，2004.
[4] 周斌，鲁国刚.具有检同期合闸功能的变电站测控装置[J].电力自动化设备，2004，24（1）：91-93.
作者简介：
严春平（1980-），男，硕士，九江职业技术学院电气工程学院讲师，主要研究方向为电力系统及其自动化。