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【摘要】为了满足发电厂对同期装置测试的要求，特别是对微机型自动准同期装置的测试，文章分析了测试过程中存在的问题和解决方法，包括两侧电压存在幅值和相位差时的校正，电压闭锁值、频率闭锁值、导前时间、导前角、电气零点、调频脉宽、调压脉宽的测试，动态模拟实际并网情况的调整试验。研究同期装置测试试验方法，为现场进行SID-2CM型同期装置的测试提供了完善的理论依据。
【关键词】同期装置；差频并网；同频并网；导前时间；导前相角
【中图分类号】 TP23 【文献标识码】A
【文章编号】1671-5969（2007）13-0167-02
同期装置是发电机并网的非常重要的自动装置设备，先进的同期装置能准确地捕捉到每一次合闸机会，使待并机组断路器主触头在相角差δ＝0°时闭合。其整定稍有误差，并网冲击电流便会很大，对发电机的损害很大。所以我们通过现场试验来确定同期装置是否存在隐患，通过测试电压差、频差、相差、导前时间等数据来综合判断该装置是否正常。本文以深圳市智能设备开发有限公司的SID-2CM型微机同期装置为基础，进行同期装置测试、试验的研究探讨及分析。
一、电力系统并网的两种情况
目前，电力系统的并网方式按两并列系统之间的关系可分为两种情况：差频并网方式和同频并网方式。
（一）差频并网方式
差频并网是指发电机与系统并网或已解列两系统间联络线的并网。其特征是在同步并列点处两侧电源的电压、频率均可能不同，且由于频率不相同，使得两电源之间的功角（电压相位差）在不断变化。
（二）同频并网方式
是指断路器两侧电源在电气上原已存在联系的两部分系统，通过并列点再连通的操作。其特征是在实现并网前同步点两侧电压幅值可能不相等，但频率相同，而且存在一个固定的电压相位差。并网瞬间并列点断路器两侧的功角立即消失，系统潮流将重新分布。
二、对同期测试装置的要求
随着微机同期装置的广泛应用，常规测试手段已不能满足要求，微机同期装置测试仪为同期装置测试提供了良好的手段。
（一）两侧电压幅值的要求
目前，同期装置均采用单相同步接线方式，接入电压互感器的主二次绕组或辅助二次绕组。在中性点直接接地系统中，同期装置使用相电压或线电压。在中性点非直接接地系统中，同步装置必须使用线电压。
（二）变压器接线方式引起的相位差
一般主变压器多为Y/△－11接线，为了使接入同期装置的两侧电压相位一致，过去通常采用高压侧接入相电压，低压侧接入线电压，如图1所示：
SID-2CM同期装置为了简化设计，提供了用软件实现转角，且不论选取相电压或是线电压都可以。
（三）导前角和导前时间
同期装置应确保在两侧电压相位差为零时并网。并网瞬间相位差会引起发电机转子绕组及轴系的机械损伤，有时甚至会引起电力系统和转子轴系机械系统出现次同步谐振（扭振）。为了保证电压相位差为零度时并网，导前时间就是考虑各种延时后的合闸时间提前量，其准确性直接关系到合闸瞬间的相位差。
（四）故障时的闭锁
因系统事故会引发频率、电压的下降和升高，PT断线或熔丝熔断均可能导致同期装置误判，同时考虑到待并两侧频率和电压值可能有较大差异，在这些情况下应使同期装置进入闭锁状态，以避免产生后果严重的误合闸。同期测试装置须能测试同期装置内所设定的频率变化率闭锁值和电压闭锁值。
（五）调频和调压
同期装置应有良好的调频和调压控制单元，在发电机同步过程中准同期装置能针对调速器、励磁调节器的特点进行调频和调压控制，并且具备自适应的控制能力。它们可根据频差和压差的绝对偏差及其变化率适时调整控制力度，以使发电机的电压和频率快速平滑地进入同期窗口。
为了能正确记录同步装置调频和调压的动态过程，同期测试装置一方面要能测量调频脉冲、调压脉冲的宽度及间隔时间，另一方面要能够根据同期装置发出的调频、调压脉冲自动调节频率和电压的输出，频率和电压的调整率可以设定，以便可以模仿不同特点的调速器、励磁调节器的调整情况。
（六）同期过程的观察
SID-2CM微机同期控制器能显示同步过程中的压差、频差及相角差值，使运行人员能清晰地监视到同步操作的进程。同期测试装置不仅应适时记录压差、频差及相角差，还应提供同步指示窗口，用向量的形式形象的显示两个电压之间的关系。
（七）快速同期并网
实现快速并网对满足系统负荷供需平衡及减少机组空转能耗有重要意义。捕捉第一次出现的并网时机，用良好控制品质的算法实施均频与均压控制，促成频差与压差尽快达到给定值。SID-2CM控制器使用了模糊控制算法，其表达式为：
U=g(E,C)
式中：U——控制量；E——被控量对给定值的偏差；C——被控量偏差的变化率；g——模糊控制算法。模糊控制理论是依据模糊数学将获取的被控量偏差及其变化率作出模糊控制决策。偏差E的模糊值、偏差变化率C的模糊值直接影响它们对应的控制器发出的控制量U的模糊值。这表明尽管发电机较之系统频率很低，但当前发电机频率正以很高的速度向升高方向变化，因此无需控制发电机频率就能恢复到正常值。
三、实现同期装置测试的方法
（一）差频并网同期装置的测试
根据同期装置技术性能的要求，同期测试装置应能够提供以下项目的测试：电压闭锁值、频率闭锁值、导前角及导前时间、电气零点、调压脉宽、调频脉宽以及自动准同期装置的自动调整试验。
1．电压闭锁值：两侧电压频率不变，但有固定频差。同期装置合闸远离额定值时，当电压闭锁启动，测出电压闭锁值。
2．频率闭锁值：两侧电压设为额定值，使之不满足电压闭锁条件。同期装置合闸远离额定值时，当频率闭锁启动，测出频率闭锁值。
3．导前角及导前时间：在测试过程中，导前角和导前时间是同步完成的。将两侧电压设为额定值，并设定待并侧的频率变化范围，使之不满足频率闭锁条件。试验时变化待并侧频率，递增或递减，在某一频差Δf下，同期装置刚好合闸，记录下合闸瞬间对应的两侧电压相位差θ。
4．电气零点：测试时使两待并电压幅值差、频率差在允许并列的范围内，接入电气零点继电器的动作接点。待并侧电压从与系统侧电压相差180°的位置开始以ωs的角速度围绕系统侧电压旋转，测试装置接收到电气零点继电器接点闭和的信号后记录此时的相角差δ，并且计算出误差值。
5．调频脉宽：因为增速调频脉冲和减速调频脉冲是可以分别调整的，在测试时应分别进行测试。设置时使频率差大于允许值，使发电机侧电压大于系统侧电压测量减速调频脉冲，使发电机侧电压小于系统侧电压测量增速调频脉冲。测试仪接收到调频脉冲开始计时，调频脉冲结束时记录第一个时间，对应调频脉冲的宽度；继续计时，再次收到调频脉冲的时候停时记录第二个时间，从两个时间差测试装置计算出间隔时间。
6．调压脉宽：调压单元由电压比较部分来判断是增压还是减压，只需测量一个调压脉冲（增压或者减压）即可。设置时使电压的幅值差大于允许值，测试仪接收到调压脉冲开始计时，调压脉冲结束时记录第一个时间，对应调压脉冲的宽度；继续计时，再次收到调压脉冲的时候停时记录第二个时间，从两个时间差测试装置计算出间隔时间。
7．调整试验：同期装置的调频、调压、合闸等三个部分一起进行检测。将同期装置的增频、减频、增压、减压及合闸接点引入测试装置，设置测试装置输出的初始状态为频差或压差不满足同期条件的情况下，根据同期装置给出的调频或调压信号，按设定的电压幅值、频率调整率增加或降低电压幅值、频率，直到满足同期条件，同期装置发出合闸信号为止，测试仪自动记录合闸瞬间的频差、压差和相角差。
在测试过程中，为了便于观察系统侧电压和待并侧电压之间的相对关系，需提供一个同步指示器。当两侧电压之间存在频率差的时候，待并侧电压相对于系统侧电压以滑差角速度旋转：当待并侧频率大于系统侧频率时，待并侧向量逆时针旋转；当待并侧频率小于系统侧频率时，待并侧向量顺时针旋转。
（二）同频并网同期装置的测试
以上详细的分析了差频并网的测试方法，对于同频并网，不存在频率差的问题，两侧电压的频率均为50Hz，只要测试电压闭锁值和动作角即可，测试方法相对简单，现简要分析如下：
1．电压闭锁值。设待并侧电压的幅值为变量，两侧电压之间的相角差在允许的范围内，按照要求的精度设置步长。逐步降低待并侧电压的幅值直到装置的动作接点返回，记录此时的电压值即为电压闭锁值。
2．动作角。设置两侧的角度差为变量，使待并侧电压幅值等于系统侧电压幅值，按照所设步长，从大于动作角的位置逐步减小两侧的角度差直到装置动作，记录此时的角度差即为动作角。
四、结语
综上所述，传统的同期试验方法不但接线繁琐，携带不方便，而且测量精度差。即使是利用先进的微机型继电保护测试仪，也仍有许多不便。采用新型的同期测试方法，不但接线简单，而且测量精度高。该测试方法的研究有效地简化了同期装置的测试过程，并使测试时电气量的加载过程更加接近现场运行状态，提高同期装置测试的有效性，使常规手段不易测量的导前时间、导前角和调整过程的动态模拟得以实现，同时自动保存测试数据和动态模拟调整过程的轨迹图，并生成报告，为现场进行SID-2CM型同期装置的测试提供了完善的理论依据。
参考文献
[1]张德平.同步电机同步原理和装置[Ｍ].北京：电力工业出版社，1982．
[2]杨冠城.电力系统自动装置[Ｍ].北京：水利电力出版社，1986．
[3]卓乐友，董柏林，陈戌生等.电力工程电气设计手册[Ｍ].北京：水利电力出版社，1992．
[4]深圳市智能设备开发有限公司SID-2CM同期装置说明书.
作者简介：严小强（1972－），男，陕西宝鸡人，宝鸡第二发电有限责任公司工程师，研究方向：电力生产管理；张高智(1972－)，男，陕西宝鸡人，宝鸡第二发电有限责任公司高级工程师，研究方向：电力生产管理；郭宏科(1971－)，男，陕西扶风人，宝鸡文理学院工程师，在读硕士，研究方向：实验室管理和资产管理。
【关键词】同期装置；差频并网；同频并网；导前时间；导前相角
【中图分类号】 TP23 【文献标识码】A
【文章编号】1671-5969（2007）13-0167-02
同期装置是发电机并网的非常重要的自动装置设备，先进的同期装置能准确地捕捉到每一次合闸机会，使待并机组断路器主触头在相角差δ＝0°时闭合。其整定稍有误差，并网冲击电流便会很大，对发电机的损害很大。所以我们通过现场试验来确定同期装置是否存在隐患，通过测试电压差、频差、相差、导前时间等数据来综合判断该装置是否正常。本文以深圳市智能设备开发有限公司的SID-2CM型微机同期装置为基础，进行同期装置测试、试验的研究探讨及分析。
一、电力系统并网的两种情况
目前，电力系统的并网方式按两并列系统之间的关系可分为两种情况：差频并网方式和同频并网方式。
（一）差频并网方式
差频并网是指发电机与系统并网或已解列两系统间联络线的并网。其特征是在同步并列点处两侧电源的电压、频率均可能不同，且由于频率不相同，使得两电源之间的功角（电压相位差）在不断变化。
（二）同频并网方式
是指断路器两侧电源在电气上原已存在联系的两部分系统，通过并列点再连通的操作。其特征是在实现并网前同步点两侧电压幅值可能不相等，但频率相同，而且存在一个固定的电压相位差。并网瞬间并列点断路器两侧的功角立即消失，系统潮流将重新分布。
二、对同期测试装置的要求
随着微机同期装置的广泛应用，常规测试手段已不能满足要求，微机同期装置测试仪为同期装置测试提供了良好的手段。
（一）两侧电压幅值的要求
目前，同期装置均采用单相同步接线方式，接入电压互感器的主二次绕组或辅助二次绕组。在中性点直接接地系统中，同期装置使用相电压或线电压。在中性点非直接接地系统中，同步装置必须使用线电压。
（二）变压器接线方式引起的相位差
一般主变压器多为Y/△－11接线，为了使接入同期装置的两侧电压相位一致，过去通常采用高压侧接入相电压，低压侧接入线电压，如图1所示：
SID-2CM同期装置为了简化设计，提供了用软件实现转角，且不论选取相电压或是线电压都可以。
（三）导前角和导前时间
同期装置应确保在两侧电压相位差为零时并网。并网瞬间相位差会引起发电机转子绕组及轴系的机械损伤，有时甚至会引起电力系统和转子轴系机械系统出现次同步谐振（扭振）。为了保证电压相位差为零度时并网，导前时间就是考虑各种延时后的合闸时间提前量，其准确性直接关系到合闸瞬间的相位差。
（四）故障时的闭锁
因系统事故会引发频率、电压的下降和升高，PT断线或熔丝熔断均可能导致同期装置误判，同时考虑到待并两侧频率和电压值可能有较大差异，在这些情况下应使同期装置进入闭锁状态，以避免产生后果严重的误合闸。同期测试装置须能测试同期装置内所设定的频率变化率闭锁值和电压闭锁值。
（五）调频和调压
同期装置应有良好的调频和调压控制单元，在发电机同步过程中准同期装置能针对调速器、励磁调节器的特点进行调频和调压控制，并且具备自适应的控制能力。它们可根据频差和压差的绝对偏差及其变化率适时调整控制力度，以使发电机的电压和频率快速平滑地进入同期窗口。
为了能正确记录同步装置调频和调压的动态过程，同期测试装置一方面要能测量调频脉冲、调压脉冲的宽度及间隔时间，另一方面要能够根据同期装置发出的调频、调压脉冲自动调节频率和电压的输出，频率和电压的调整率可以设定，以便可以模仿不同特点的调速器、励磁调节器的调整情况。
（六）同期过程的观察
SID-2CM微机同期控制器能显示同步过程中的压差、频差及相角差值，使运行人员能清晰地监视到同步操作的进程。同期测试装置不仅应适时记录压差、频差及相角差，还应提供同步指示窗口，用向量的形式形象的显示两个电压之间的关系。
（七）快速同期并网
实现快速并网对满足系统负荷供需平衡及减少机组空转能耗有重要意义。捕捉第一次出现的并网时机，用良好控制品质的算法实施均频与均压控制，促成频差与压差尽快达到给定值。SID-2CM控制器使用了模糊控制算法，其表达式为：
U=g(E,C)
式中：U——控制量；E——被控量对给定值的偏差；C——被控量偏差的变化率；g——模糊控制算法。模糊控制理论是依据模糊数学将获取的被控量偏差及其变化率作出模糊控制决策。偏差E的模糊值、偏差变化率C的模糊值直接影响它们对应的控制器发出的控制量U的模糊值。这表明尽管发电机较之系统频率很低，但当前发电机频率正以很高的速度向升高方向变化，因此无需控制发电机频率就能恢复到正常值。
三、实现同期装置测试的方法
（一）差频并网同期装置的测试
根据同期装置技术性能的要求，同期测试装置应能够提供以下项目的测试：电压闭锁值、频率闭锁值、导前角及导前时间、电气零点、调压脉宽、调频脉宽以及自动准同期装置的自动调整试验。
1．电压闭锁值：两侧电压频率不变，但有固定频差。同期装置合闸远离额定值时，当电压闭锁启动，测出电压闭锁值。
2．频率闭锁值：两侧电压设为额定值，使之不满足电压闭锁条件。同期装置合闸远离额定值时，当频率闭锁启动，测出频率闭锁值。
3．导前角及导前时间：在测试过程中，导前角和导前时间是同步完成的。将两侧电压设为额定值，并设定待并侧的频率变化范围，使之不满足频率闭锁条件。试验时变化待并侧频率，递增或递减，在某一频差Δf下，同期装置刚好合闸，记录下合闸瞬间对应的两侧电压相位差θ。
4．电气零点：测试时使两待并电压幅值差、频率差在允许并列的范围内，接入电气零点继电器的动作接点。待并侧电压从与系统侧电压相差180°的位置开始以ωs的角速度围绕系统侧电压旋转，测试装置接收到电气零点继电器接点闭和的信号后记录此时的相角差δ，并且计算出误差值。
5．调频脉宽：因为增速调频脉冲和减速调频脉冲是可以分别调整的，在测试时应分别进行测试。设置时使频率差大于允许值，使发电机侧电压大于系统侧电压测量减速调频脉冲，使发电机侧电压小于系统侧电压测量增速调频脉冲。测试仪接收到调频脉冲开始计时，调频脉冲结束时记录第一个时间，对应调频脉冲的宽度；继续计时，再次收到调频脉冲的时候停时记录第二个时间，从两个时间差测试装置计算出间隔时间。
6．调压脉宽：调压单元由电压比较部分来判断是增压还是减压，只需测量一个调压脉冲（增压或者减压）即可。设置时使电压的幅值差大于允许值，测试仪接收到调压脉冲开始计时，调压脉冲结束时记录第一个时间，对应调压脉冲的宽度；继续计时，再次收到调压脉冲的时候停时记录第二个时间，从两个时间差测试装置计算出间隔时间。
7．调整试验：同期装置的调频、调压、合闸等三个部分一起进行检测。将同期装置的增频、减频、增压、减压及合闸接点引入测试装置，设置测试装置输出的初始状态为频差或压差不满足同期条件的情况下，根据同期装置给出的调频或调压信号，按设定的电压幅值、频率调整率增加或降低电压幅值、频率，直到满足同期条件，同期装置发出合闸信号为止，测试仪自动记录合闸瞬间的频差、压差和相角差。
在测试过程中，为了便于观察系统侧电压和待并侧电压之间的相对关系，需提供一个同步指示器。当两侧电压之间存在频率差的时候，待并侧电压相对于系统侧电压以滑差角速度旋转：当待并侧频率大于系统侧频率时，待并侧向量逆时针旋转；当待并侧频率小于系统侧频率时，待并侧向量顺时针旋转。
（二）同频并网同期装置的测试
以上详细的分析了差频并网的测试方法，对于同频并网，不存在频率差的问题，两侧电压的频率均为50Hz，只要测试电压闭锁值和动作角即可，测试方法相对简单，现简要分析如下：
1．电压闭锁值。设待并侧电压的幅值为变量，两侧电压之间的相角差在允许的范围内，按照要求的精度设置步长。逐步降低待并侧电压的幅值直到装置的动作接点返回，记录此时的电压值即为电压闭锁值。
2．动作角。设置两侧的角度差为变量，使待并侧电压幅值等于系统侧电压幅值，按照所设步长，从大于动作角的位置逐步减小两侧的角度差直到装置动作，记录此时的角度差即为动作角。
四、结语
综上所述，传统的同期试验方法不但接线繁琐，携带不方便，而且测量精度差。即使是利用先进的微机型继电保护测试仪，也仍有许多不便。采用新型的同期测试方法，不但接线简单，而且测量精度高。该测试方法的研究有效地简化了同期装置的测试过程，并使测试时电气量的加载过程更加接近现场运行状态，提高同期装置测试的有效性，使常规手段不易测量的导前时间、导前角和调整过程的动态模拟得以实现，同时自动保存测试数据和动态模拟调整过程的轨迹图，并生成报告，为现场进行SID-2CM型同期装置的测试提供了完善的理论依据。
参考文献
[1]张德平.同步电机同步原理和装置[Ｍ].北京：电力工业出版社，1982．
[2]杨冠城.电力系统自动装置[Ｍ].北京：水利电力出版社，1986．
[3]卓乐友，董柏林，陈戌生等.电力工程电气设计手册[Ｍ].北京：水利电力出版社，1992．
[4]深圳市智能设备开发有限公司SID-2CM同期装置说明书.
作者简介：严小强（1972－），男，陕西宝鸡人，宝鸡第二发电有限责任公司工程师，研究方向：电力生产管理；张高智(1972－)，男，陕西宝鸡人，宝鸡第二发电有限责任公司高级工程师，研究方向：电力生产管理；郭宏科(1971－)，男，陕西扶风人，宝鸡文理学院工程师，在读硕士，研究方向：实验室管理和资产管理。