基本信息
- 项目名称：
- 基于LPC1114单片机的企业自备电系统外电消失保护装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 企业自备电机的容量较小，需要跟外部电网并网发电，以增强系统供电稳定性。当外电网出现故障导致电网失稳时，应及时与电网解列以免被拖死，造成巨大损失。 本装置采用LPC1114单片机采集电网力参数（电压、频率和相位角），复用电压，电流及频率判据，极大地降低解列误判率。并网操作选用相角差作为主判据，辅以电压差，频率差判据。对系统与电网的电网力参数进行检测，调节直至满足同期条件，实现平稳并网。
- 详细介绍：
- 广西具有自备发电机组的企业非常多，例如糖厂、氧化铝厂等，全国就更多了。而且这些企业一级用电负荷又比较多，而企业的自备机组容量一般较小，为提高供电可靠性往往与电网连接。一旦外电发生故障或消失，如不采取必要措施，将会产生巨大损失，后果不堪设想。 本装置根据解列与并网装置对电路采集参数相同原理，将硬件电路整合，对电网电压，频率，相位角进行采集。采用性价比最高的单片机之一LPC1114单片机作为控制器件进行运算处理，对采集电压，频率进行判断。可实现外电消失得解列动作与外电恢复的并网动作的软件切换。只要电压或频率满足解列条件，在0.1～0.3s的时间内，系统就马上解列。当检测到外电恢复正常，稳定时，对自备电系统的发电机组进行调速，调频来使之满足并网条件采取并网操作。整个装置功能切换安全，简便能及时地消除自备电系统与外电网间的不稳定因素，切实保障企业的生产发展。 下面对电力参数的采集以及并网及解列动作的要求与原则进行描述。 电压采集： 本装置采用LPC1114单片机的片内逐次逼进模数转换器。ADC与一个6通道的模拟多路复用器连接，通过分时复用的方式，能对来自端口A 的6 路单端输入电压逐个进行采样。 本装置对交流电压、电流信号分别经过电压互感器和电流互感器进行整流，输入数据采集板。互感器可以将任意数值的交流电流变换成用标准测量仪表可以直接测量的交流电流值；并使高压回路与维护人员可以接近的测量仪表绝缘。 由于LPC1114的ADC对采集信号的要求，进行交流采集前需要对电压及电流信号加以整形。将具有正负半波的交流信号整形为全部信号均大于“0”。 频率采集： 将输入的交流电压信号整理为方波并进一步整形为TTL电平后，将其接入到LPC1114单片机的一个外部中断引脚。TTL电平的上升沿触发定时器开始计时，直至下一个上升沿的到来，读定时器的值，从而计算出一个周期的时间，进而计算出电网频率。 将待测电压方波信号输入芯片的外部中断接口，采用上升沿触发，启动定时器计算出相邻2个上升沿的时间T，频率f则为时间T的倒数 相位角检测： 使用软件让单片机在相位角恰好等于合闸导前角的时刻发出并网指令，基本上由于种种的客观原因是不可能实现的，至少目前没有发现这种并网装置。 利用硬件进行相位角的测量在工程上多采用先将正弦信号整型为方波，再利用方波的边沿作为中断源触发中断来实现。交流电压和电流信号经过运放分别整形为方波，经过光电隔离加以整理并去掉负半波，再经过施密特触发器整形为TTL电平的波形。获得了电压和电流信号转换来的TTL信号，来求得相位角。 系统解列原则： 尽量考虑失去稳定的发电机以及与之功率基本平衡且由被解列的发电机提供有功的负荷，保证网络的有效连通性；将失去同步的发电机组解列为相互独立的子系统，每个子系统的发电功率与负荷功率各自保持同步运行；解列后各子系统的发电功率与负荷功率能够基本平衡，如果在最小的不平衡功率下解列，还要考虑切除一部分负荷以减小不平衡功率 解列装置的设置应满足解列后地区供需基本平衡（可考虑与低周减载相配合），解列后的系统应不再振荡的原则要求。 分级减载的目的是确保发电机组能够正常工作、重要设备正常运行。但有以下两点必须注意： (1) 当采样线断时可以导致电压下降到额定电压的20％或频率小于40 ，这时不能解列、并发出解列闭锁报警。 (2) 短路时也不能解列。（短路时采样频率不变） 系统并网要求： 目前我国规定的在正常运行情况下供电电压的允许偏移如下：35kV及以上供电电压正负偏移的绝对值之和不超过额定电压的10％,如供电电压上下偏移同号时，按较大的偏移绝对值作为衡量依据；10kV及以下三相供电电压允许偏移为额定电压的±7％；220V单相供电电压允许偏移为额定电压的±7％和±10％。 外电消失保护装置自带调压、调频功能，当装置检测到电压不满足并网条件时，根据压差的大小，装置由单片机调压信号口输出发给励磁调节器可调的脉宽开关信号，让励磁装置进行升压或者降压操作。。此脉冲信号脉宽可由0.5～1.5秒可调，由用户自行设定。每输出一个周波将关闭3秒后再执行，直到系统检测到电压满足并网为止。 我国电力系统的额定频率为50Hz，频率偏差范围为±0.2~±0.5Hz，用百分数表示±0.4％~±1％。外电消失保护装置自带频率调节功能，当装置检测到发电机组频率与电网频率的差大于允许的误差，根据频差的正负发送频率升频或者降频信号给同步器—发电机组的转速控制机构。同步器由伺服电动机、蜗轮、蜗杆等装置组成。在同期装置控制下，伺服电动机可以正转或反转。当检测到频率相差大于设定允许误差后，装置会自动停止并网操作，并根据检测的差值进行升频或者降频操作，发出脉宽为0.5～1.5秒可调脉冲信号给伺服机。来实现频率的稳定调节。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本装置根据解列与并网装置对电路采集参数相同原理，将硬件电路整合，对电网电压，频率，频率进行采集。采用性价比最高的单片机之一LPC1114单片机作为控制器件进行运算处理，对采集电压，频率进行判断。可实现外电消失得解列动作与外电恢复的并网动作的软件切换。只要电压或频率满足解列条件，在0.1～0.3s的时间内，系统就马上解列。也可在检测到外电恢复正常，稳定时，对自备电系统的发电机组进行调速，调频来使之满足并网条件采取并网操作。这样就使整个装置融为一体，及时地消除自备电系统与外电网间的不稳定因素，切实保障企业的生产发展。 技术分析说明：对自备电系统与电网的电压，频率和相位角的检测与对前者发电机组的调节。电压解列条件：实时电压超出额定电压的0.85~1.2 倍范围。频率解列条件：实时频率高于51Hz 或 低于49Hz。并网开关的导前时间（固有合闸时间）测定。并网开关的导前时间设定范围为0.03~0.5秒并网允许电压差设定范围±1％～±9％ 。
科学性、先进性
- 本装置根据解列与并网装置对电路采集参数相同原理，将硬件电路整合，对电网电压，频率，相位角进行采集。采用性价比最高的单片机之一LPC1114单片机作为控制器件进行运算处理，对采集电压，频率进行判断。可实现外电消失得解列动作与外电恢复的并网动作的软件切换。只要电压或频率满足解列条件，在0.1～0.3s的时间内，系统就马上解列。当检测到外电恢复正常，稳定时，对自备电系统的发电机组进行调速，调频来使之满足并网条件采取并网操作。整个装置功能切换安全，简便能及时地消除自备电系统与外电网间的不稳定因素，切实保障企业的生产发展。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室调试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本装置根据解列与并网装置对电路采集参数相同原理，将硬件电路整合，对电网电压，频率，相位角进行采集。采用性价比最高的单片机之一LPC1114单片机作为控制器件进行运算处理，对采集电压，频率进行判断。可实现外电消失得解列动作与外电恢复的并网动作的软件切换。只要电压或频率满足解列条件，在0.1～0.3s的时间内，系统就马上解列。当检测到外电恢复正常，稳定时，对自备电系统的发电机组进行调速，调频来使之满足并网条件采取并网操作。整个装置功能切换安全，简便能及时地消除自备电系统与外电网间的不稳定因素，切实保障企业的生产发展。 广西利用余热发电的中小企业比较多，例如：糖厂自备汽轮发电机组等，但是他们的发电机的容量一般较小，需要跟外部电网连接作为补充。所以本装置在广西具有很大的市场。
同类课题研究水平概述
- 目前国内外电力系统中，还没有一种很完善的外电消失保护装置，不合理的解列，并网引起的事故蔓延情况仍在发生。 在执行外电消失保护动作时，应根据不同情况下选择不同的判据，多种判据复用，互为补充。目前还没有一种判据可以对系统的振荡做出全面的描述。系统从扰动，到摆动，再到失步振荡是一个复杂的过程，各种参数在不同阶段特性也不同，各种判据又各有利弊，因此，应对各个判据扬长避短，互为补充。 振荡解列判据今后的发展趋势如下： (1) 利用GPS技术和现代电力系统通信技术，研制基于同步相量测量技术的自适应失步解列装置。 近年来，随着计算机技术和通信技术的发展，柔性输电技术、智能控制、基于GPS的新一代动态安全监测系统己经成为现代电力系统中三项具有变革性影响的前沿课题。 GPS的出现为电力系统的大范围控制提供了一个新的思路和手段。 (2) 利用人工智能研究振荡解列新算法 智能控制技术在电力系统中的应用已逐渐成为人们的研究热点，主要包括专家系统、模糊集理论、人工神经网络、模拟进化优化方法及其它智能方法等。人工神经网络技术和模糊集理论的研究有了很大进展，目前国内外正在积极开展利用神经网络和模糊控制进行电力系统稳定控制的研究。 对于准同期装置，它是同步发电机并列的重要设备，设计原则是将发电机无冲击平滑地并入电网。准同期操作需要满足三个条件，在待并发电机与系统电网频差和电压差满足允许范围内，在零相位角到来之前即合闸导前时间发出合闸指令，使待并发电机与系统电网在接近或等于零相位角的情况下并入系统电网。实现这种功能的装置称为“恒定越前时间的准同期装置”。 第二代自动准同期装置是微机式自动准同期装置，微处理器的诞生对自动准同期装置技术指标的提升产生了质的飞跃，我国是世界上微机准同期装置最早的研制国家之一，深圳市智能设备开发有限公司研制的SID-2系列多功能微机自动准同期装置比较具有代表性，它是我国最早从事微机准同期控制器研究、开发、生产的企业之一，所研制的自准同期并网装置具有高精度、高可靠性、人机界面友好、操作方便、接线简单等特点。在提高并网速度和可靠性的同时，大大提高了合闸准确度。总而言之，如今的并网装置所追求的就是如何高可靠性的在满足并网条件下抓捕第一次的并网契机。 但是目前市场上，很少有基于功能整合下的多判据复用的外电消失保护装置出现。
