同期装置
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YTTQ-20微机准同期装置

2018-7-19

  1  概述

  1.1适用范围
  YTTQ-20微机自动准同期装置(以下简称YTTQ-20)基于双32位浮点型DSP(数字信号处理器)和高速以太网通信技术设计,按照模块化、组态灵活的方式设计,以极高的可靠性和先进的硬件平台能够充分满足各种同期应用场合的要求。它既可用于水电站、火电厂同步发电机组的快速并网,又可满足电厂、变电站实现并网自动化的要求,还可用于输电线路的快速同期合闸,功能、性能和技术指标均处于国内领先水平。

  1.2性能特点
  (1)信号处理使用TI高性能DSP,该芯片采用高性能的静态CMOS技术,能在一个周期内完成32×32位的乘法累加运算,或者两个16×16位的乘法累加运算;时钟频率最高可达150MHz即6.67ns的指令周期。双DSP之间采用SPI通讯,保证了通讯的实时性、可靠性;
  (2)采用硬件和软件双重化测相差技术,保证和同期合闸的可靠性;
  (3)具有双处理器冗余控制技术。双处理器采用各自独立的录波和A/D采用通道,保证了数据的准确性和实时性,还对装置的开关量出口进行实时监测功能,确保了控制出口的准确性;
  (4)具有两个高性能10/100Mbps自适应以太网接口,还提供了两个RS485接口和1个对时RS485接口;
  (5)采用了4.7寸480×272的TFT高亮真彩液晶显示,实现了全汉化图形交互式显示/操作界面,显示内容丰富,色彩逼真; 
  (6)最高支持8路对象的机组同期或线路同期;
  (7)同期过程实时显示同期表、频率表、电压表,显示直观、逼真,符合现场人员使用习惯;
  (8)装置可记录32个事件信息,掉电保持;
  (9)装置可记录最新一次同期录波数据,可在装置上和后台进行显示。

  1.3逻辑功能
  YTTQ-20逻辑功能配置如下:

序号

保护功能

1

同期捕捉

2

同频合闸

3

无压合闸

4

同期超时

5

待并侧电压低下限

6

待并侧电压超上限

7

待并侧频率低下限

8

待并侧频率超上限

9

自动调压

10

自动调频



  1.4 测量功能
  YTTQ-20能测量以下电气参数:




序号

测量参数

测量精度

1

系统侧电压(Usa、Usb、Usc)

0.2%

2

待并侧电压(Uga、Ugb、Ugc)

0.2%

3

系统侧频率(Fs、待并侧频率(Fg

0.02Hz

4

电压差(△U)

0.5V

5

频率差(△F)

0.02Hz

6

相位差(△P)

7

频率差加速度(△F/s)

0.01Hz/s



  1.5 监视功能

  ■开关量监视
  YTTQ-20支持22路外部无源接点信号输入(详细接线见附图),装置同时包括8路切换板检测和24V开入量电源等内部检测开入。

  ■装置自检
  YTTQ-20具有完善的自检能力,当发生自检出错后,装置发告警信号,并指示自检出错信息,自检异常内容包括:
  ● 模拟量通道错误
  ● EEPROM读写出错
  ● 同期定值读写出错
  ● SPI通讯出错
  ● 切换板异常
  ● 以太网接口出错
  ● 开关量电源出错

  1.6控制功能

  ■同期点控制
  同期点的断路器状态通过辅助接点接入装置IN08~IN16获得,当满足同期合闸时,装置发和同期点断路器操作,同时在同期不满足同期条件时,装置可以控制调节电压和频率,控制操作包括:
  ● 同期点的断路器合闸操作
  ● 升压出口输出
  ● 降压出口输出
  ● 升频出口输出
  ● 降频出口输出
  ● 闭锁同期装置输出

  ■信号控制
  装置包括中央信号和远动信号,中央信号和远动信号各种独立,包括:
  ● 装置故障信号
  ● 装置闭锁同期信号
  ● 同期成功信号
  ● 同期自动调节信号

  1.7 事件记录
  YTTQ-20具有SOE事件记录功能,可在线记录最新发生的32条事件,并可在装置显示屏上显示查看。记录的时间分辨率小于1ms,掉电不丢失,便于分析故障原因和设备缺陷诊断。为了给事件记录提供高精度的时间戳,YTFB-22内置了由可充电电池供电的内部时钟,并可接收上一级SCADA系统的通信校时和GPS对时,在装置本地修改系统时间。

  1.8 人机接口
  ■YTTQ-20采用4.7寸480×272的TFT高亮真彩液晶,图形和全中文显示,色彩逼真,直观大方。合理化的屏幕保护控制逻辑,有效延长液晶显示屏的使用寿命,并在出现故障、告警、自检异常时提供醒目的信号。
  ■彩屏上可显示实时数据、模拟同期表、电压表频率表、事件记录、同期设置、参数设置、装置测试和系统信息等。
  ■8个高亮度LED指示灯,分别表示运行、告警、执行、加速、减速、升压、降压、同期合闸。
  ■6个操作按键,用于操作菜单和当地参数设置功能。
  ■1个复归按键,专用于本地复归故障、告警和同期合闸信号。

  1.9 通讯功能
  ■2个10M/100M自适应以太网和2路RS485接口,一路GPS对时RS485接口。
  ■以太网使用Modbus/TCP规约进行通信。
  ■RS485接口使用Modbus/RTU规约进行通信。

  2  技术性能及指标

  2.1 环境条件

  正常温度: -10℃~55℃
  极限温度: -30℃~70℃
  存储温度: -40℃~85℃
  相对湿度: ≤95%,不凝露
  大气压力: 80~110kPa

  2.2 工作电源
  电压范围: 220V±15%(交流或直流)(额定电压为110V的必须在定货时注明)
  正常功耗: <20W
  最大功耗: <30W
  电源跌落: 200ms
  上电冲击: 4A
  隔离耐压: 3kV

  2.3 控制电源
  额定电压: 220V(交流或直流)(额定电压为110V的必须在定货时注明)
  过载能力: 60%~120%额定电压,连续工作
  隔离耐压: 4kV

  2.4 交流电压回路
  额定电压: 100V(线电压)或100/√3(相电压)
  功率消耗: <0.5VA/每相
  过载能力: 2倍额定电压,连续工作
  隔离耐压: 4kV

  2.5 开关量输入回路
  额定电压: 24VDC(由装置内部电源提供)
  功率消耗: 2mA(IN01~IN32)
  分 辨 率: <1ms
  隔离耐压: 4kV

  2.6 继电器输出回路
  分断电压: 250VAC、220VDC
  分断功率: 1250VA交流或120W直流(电阻性负载)
  500VA交流或75W直流(电感性负载)
  工作电流: 5A,连续工作
  隔离耐压: 4kV
  动作时间: <5ms
  触点材料: 银上镶金
  电气寿命: 2,000,000次
  机械寿命: 20,000,000次

  2.7 测量精度
  电       压:   <0.5V
  频       率: <0.02Hz
  相       位: <1°
  合 闸 相 差:  <2°
  导 前 时 间:  <2ms
  频       率:  <0.02Hz

  2.8 绝缘性能
  绝缘电阻: 各电气回路之间 >500MΩ(500V兆欧表)
     各电气回路与地 >500MΩ(500V兆欧表)
  工频耐压: 各电气回路之间 2.5kV/50Hz,1Min
     各电气回路与地 2.5kV/50Hz,1Min
  冲击电压: 各电气回路之间 ±5.0kV/0.5J,1.2/50us
     各电气回路与地 ±5.0kV/0.5J,1.2/50us
  高频耐压: 各电气回路之间 2.5kV/2s
  各电气回路与地 2.5kV/2s

  2.9 电磁兼容性能
  能承受GB/T14598.14-1998(idt IEC255-22-2)标准规定的严酷等级Ⅲ的静电放电试验。
  能承受GB/T14598. 9-1995(idt IEC255-22-3)标准规定的严酷等级Ⅲ的辐射电磁场干扰试验。
  能承受GB/T14598.13-1998(idt IEC255-22-1)标准规定的严酷等级Ⅲ的1MHz脉冲群干扰试验。
  能承受GB/T14598.10-1996(idt IEC255-22-4)标准规定的严酷等级Ⅲ的快速瞬变干扰试验。
  能承受IEC1000-4-5《电磁兼容性(EMC)》第四部分:试验和测量技术 第五章冲击抗干扰性试验标准规定的严酷等级Ⅲ的浪涌冲击试验。

  2.10 机械性能
  能承受GB7261-87-16标准规定的严酷等级Ⅰ的振动试验。
  能承受GB7261-87-17标准规定的严酷等级Ⅰ的冲击试验。
  能承受GB7261-87-18标准规定的严酷等级Ⅰ的碰撞试验。

  3  功能及原理

  3.1 主要功能

  (1)控制DSP采用变化率控制技术进行同期过程的控制,管理DSP采用软件相差闭锁,从而能够实现快速同期和稳定准确相统一,促成准同期高效和可靠实现;
  (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相角差,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,有利于准确设置合闸导前时间;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)同期并列允许的电压差、频率差、相角差及调节控制参数均可由用户设定并保存;
  (8)具备待并侧的电压和频率异常保护功能,一旦出现待并侧电压和频率超出给定的上下限范围以内时(电压和频率上下限值可根据用户要求进行整定),立即闭锁同期操作,直至电压恢复正常为止;
  (9)具备强大的事件记录、同期录波功能,可以保存32次故障信息,32次事件信息,最新1次录波报告。其中信息记录包括故障/事件的时间、操作、类型;录波数据包括了合闸前4个周波,合闸后6个周波的详细数据;
  (10)具备完善的自检功能,能实时检查装置内部各部件的工作情况,如果发现错误,将会显示相应出错信息,指示出错部位,并同时以接点形式输出报警信号。装置失电时,也以接点形式输出失电信号;
  (11)装置具有远方复位信号接口,可用于中央控制台或上位机在必要时对控制器实现复位操作。

  3.2 基本原理



图1 基本原理



  3.2.1 同期分类
  按照系统的不同,同期分为差频和同频。按照对象的不同,同期分为发电机和线路。
  差频并网:发电机与系统并网和已解列两系统间联络线并网都属差频并网。按准同期条件并网时需实现并列点两侧的电压相近、频率相近时在相差为0 度时完成并网操作。 
  同频并网:主要是针对电网环并,考虑相角差和压差,以免造成保护动作或系统震荡。 
  无压合闸:断路器两侧至少有一侧满足无压条件的合闸。 
  发电机同期:其特点是电压及频率可调。本装置采用调节控制模型精确计算调节量。发电机同期可以实现差频并网和无压合闸。 
  线路同期:其特点是电压及频率不可调。线路同期可以实现同期捕捉、电网环并和无压合闸。 

  3.2.2 同期捕捉
  在差频并网时,特别是发电机对系统并网时,发电机组的转速在调速器的作用下不断在变化,因此发电机对系统的频差不是常数,而是包含有一阶、二阶或更高阶的导数。因为电网或发电机都是很大的惯性系统,二阶及以上导数可以忽略。其数学模型如下:



  其中δdq为导前角,wsi为两侧滑差,tdq为合闸导前时间。 根据以下公式不断计算导前角。并检测实时相角差δ,捕捉到δ=δdq 时,发出合闸信号。
  不难看出获得精确的合闸导前时间tdq(含中间继电器)是非常重要的,因此微机自动准同期装置要具有实测tdq的功能。采用最小二乘法原理,根据等时距的相角差量测序列{δi},利用残差递推的方法预报同期点。这种法可以避免受到太多采样误差的影响。 

  3.2.3 同频合闸
  同频合闸只可能出现于线路对象。例如未解列两系统间联络线并网即同频合闸。此时,并列点两侧频率相同,但两侧会出现一个相角δ,δ的值与联接并列点两侧系统其它联络线的电抗及传送的有功功率成比例。这种情况的并网条件应是当并列点断路器两侧的压差及相角在给定范围内时即可实施并网操作。并网瞬间并列点断路器两侧的相角立即消失,系统潮流将重新分布。因此,同频并网的允许相角整定值取决于系统潮流重新分布后不致引起继电保护误动,或导致并列点两侧系统失步。

  3.2.4 无压合闸
  有时待并断路器的一侧或两侧没有电压,这种情况下微机同期准同期装置也能完成该断路器的合闸操作。当然,这种情况微机准同期装置无需判断压差、频差、相差条件。 

  4 操作说明

  4.1 面板说明

  装置前面板分布如图2,各指示灯均在旁注有文字标识,并配以480*272的TFT彩色显示界面。


图2 装置前面板分布图



  4.1.1 装置状态指示

  装置指示灯包括:运行灯、告警灯、执行灯、加速灯、减速灯、升压灯、降压灯和同期合闸灯;当装置通电后,运行灯每1秒闪烁一次;当有告警信息和自检出错信息时告警灯亮,无告警和自检出错时,按复位键告警灯熄灭;装置工作在同期捕捉状态时,执行灯400毫秒闪烁一次;当装置执行升频命令时,加速灯亮;当装置执行降频命令时,减速灯亮;当装置执行升压命令时,升压灯亮;当装置执行降压命令时,降压灯亮;当装置完成一次同期合闸时,同期合闸灯亮,装置需要复归才能熄灭同期合闸灯。

  4.2背板布置及端子说明

  图3为YTTQ-20微机自动准同期装置的背面端子图;由左往右依次为电源插件,交流输入插件,通信接口插件,CPU主板插件,信号出口插件,开关量输入插件,8个对象切换出口插件。




图3 背板布置图


  4.2.1 电源插件
  YTTQ-20机箱最左边是电源模块插件,电源插件的端子定义见下表。电源输入可为交流或直流,在接线端子上方有电源开关。屏蔽地接大地。


  表 电源插件接线端子定义

端子号

端子定义

备注

1

屏蔽地

接地

2

 

 

3

220V

电源输入+

4

220V

电源输入-

5

 

 

6

装置失电+

失电信号

7

装置失电-

失电信号

8

 

 

9

 

 

10

 

 

11

 

 

12

 



  4.2.2 交流输入插件
  YTTQ-20机箱最左边第二个插件是交流输入插件,交流输入插件的端子定义见下表。系统电压输入接同期点操作插件板的系统电压输出;待并侧电压输入接同期点操作插件板的待并侧电压输出;电压可以接单相和三相,也可以接线电压和相电压;如果接单相相电压或线电压,系统电压接1、4端子,发电机电压接6、9端子。


  表 交流输入接线端子定义

端子号

端子定义

备注

1

Us+

系统电压输入

2

 

 

3

 

 

4

Us-

 

5

 

 

6

Ug+

发电机电压输入

7

 

 

8

 

 

9

Ug-

 

10

 

 

11

 

 

12

 


  4.2.3 通信接口插件
  YTTQ-20机箱最左边第三个插件是通信接口插件,通信接口插件的端子定义见下表。通信接口实现装置人机交互,通讯传输,数据处理,记录追忆等功能;包括2个常规RS485口,一个对时RS485口,2路10M/100M自适应以太网口。


  表 通信插件接线端子定义

端子号

端子定义

备注

1

485A+

485A接口

2

485A-

3

485A_GND

4

485B+

485B接口

5

485B-

6

485B_GND

7

对时485+

对时485接口

8

对时485-

9

对时485_GND

10

 

 

11

 

 

12

 


  4.2.4 CPU主板插件

  YTTQ-20机箱最左边第四个插件是CPU主板插件,CPU主板插件无对外引出端子。CPU主板实现装置低通滤波,数据采集,频率和相位计算,同期逻辑处理,同期合闸及调节出口控制等功能。


  4.2.5 信号出口插件

  YTTQ-20机箱最左边第五个插件是信号出口插件,信号出口插件的端子定义见下表。信号出口实现装置中央信号、远动信号和闭锁其他同期装置信号等功能。


  表 信号出口插件接线端子定义

端子号

端子定义

备注

1

装置闭锁中央信号

中央信号

2

装置告警中央信号

3

自动调节中央信号

4

同期输出中央信号

5

备用中央信号

6

中央信号公共端

7

 

 

8

装置闭锁远动信号

远动信号

9

装置告警远动信号

10

自动调节远动信号

11

同期输出远动信号

12

备用远动信号

13

远动信号公共端

14

 

 

15

闭锁输出1+

闭锁其他同期装置工作1

16

闭锁输出1-

17

 

 

18

闭锁输出2+

闭锁其他同期装置工作2

19

闭锁输出2-

20

 

 

21

 

 

22

 


  4.2.6 开关量输入插件

  YTTQ-20机箱最左边第六个插件是开关量输入插件,开关量输入插件的端子定义见下表。开关量输入实现同期点选择,同期点断路器状态,信号复归,装置检修投入,闭锁同期工作等状态量监测。


  表 开关量输入插件接线端子定义

端子号

端子定义

备注

1

同期点1选择

闭合表示同期点投入

2

同期点2选择

闭合表示同期点投入

3

同期点3选择

闭合表示同期点投入

4

同期点4选择

闭合表示同期点投入

5

同期点5选择

闭合表示同期点投入

6

同期点6选择

闭合表示同期点投入

7

同期点7选择

闭合表示同期点投入

8

同期点8选择

闭合表示同期点投入

9

同期点1开关状态

闭合表示同期点断路器合闸

10

同期点2开关状态

闭合表示同期点断路器合闸

11

同期点3开关状态

闭合表示同期点断路器合闸

12

同期点4开关状态

闭合表示同期点断路器合闸

13

同期点5开关状态

闭合表示同期点断路器合闸

14

同期点6开关状态

闭合表示同期点断路器合闸

15

同期点7开关状态

闭合表示同期点断路器合闸

16

同期点8开关状态

闭合表示同期点断路器合闸

17

信号复归

合表示有复归信号,复归信号和继电器

18

同期闭锁

 

19

同期就地启动信号

 

20

就地/遥控选择

 

21

备用信号输入1

 

22

开关量公共端

  4.2.7 同期点操作插件
  YTTQ-20机箱最左边第七至十四个插件是同期点操作插件,同期点操作插件的端子定义见下表。同期点操作插件实现系统侧和待并侧输入切换输出,调频出口,调压出口,同期点断路器合闸出口等功能。
  表 同期点操作插件接线端子定义

端子号

端子定义

备注

1

Us+

系统电压输入

2

Us-

3

Us+

系统电压输出

4

Us-

5

 

 

6

Ug+

对象侧电压输入

7

Ug-

8

Ug+

对象侧电压输出

9

Ug-

10

 

 

11

升压出口+

升压出口

12

升压出口-

13

降压出口+

降压出口

14

降压出口-

15

增速出口+

增速出口

16

增速出口-

17

减速出口+

减速出口

18

减速出口-

19

合闸出口+

合闸出口

20

合闸出口-

21

备用出口+

备用出口

22

备用出口-


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