基于STM32自动准同期并列装置的设计*

张 鹏，杨 勇，崔力心，陈仕彬

(1.国网天水供电公司，甘肃 天水 741000; 2.国网甘肃省电力公司 电力科学研究院，甘肃 兰州 730070)

0 引 言

随着疫情过后消费业与工业的迅速恢复，以及今冬明春各地区供暖问题，我国湖南、浙江等省份出现电力紧张、供电缺口等问题，备用发电机组的投运操作频繁，所以快速、准确的调整电压、频率、相位，使备用机组稳定的投入到电网中，自动准同期并列操作将是电网稳定运行的必要条件之一。

从20世纪60年代，我国准同期并列主要“旋转光束发”手动调节，到80年代数字式准同期并列装置的出现，但因调试不方便，速度低，可靠性不稳定，慢慢被淘汰，随着科技的发展，微机式自动准同期并列装置逐渐出现电力系统中，但基于51系列单片机的微机装置传输速率过慢，寄存器少，功耗较大。而STM32单片机属于arm内核的一个版本，比传统的51单片机更加高级，具备很多51单片机不能使用的资源，并且STM32单片机程序模块化，接口相对简单，运行速度更快。

笔者将采用STM32单片机来设计自动准同期并列装置。主要的硬件设计可控电源电路、交流电压调理电路、频率调理电路、相位差调理电路，通过软件的设计完成自动调节，实现自动准同期并列。

1 自动准同期并列原理

1.1 并列操作的原则

电力系统在电网中运行的时候，随意的一条母线的电压瞬时值可以用以下公式表示：

u=Umsin(ωt+φ)

公式：Um为电压幅值；ω为电压的角速度；φ为初相角。

这3个量表示的是该母线电压的幅值、频率、相角。这3个参数表示为该运行母线的电压瞬时量。

当1台发电机组在没有并入电网之前，他的电压 和待并侧电压 的值常常不一定相等。所以需要对待并侧的电压进行调节，使它符合并列的规定才发出合闸命令让断路器QF合闸。这就是我们所说的并网，也可以称为并列操作。

同步发电机并列时要符合以下几点要求。

(1) 当并列断路器合闸的时侯，电网中的冲击电流要尽可能的小，它的最大瞬时值一般不能大于1～2倍的额定电流。

(2) 没有并入发电机组在准备投入时，要做到快速性，使投入并列的速度快，这样暂态过程时间越短，给电网的冲击和干扰也就越小。

1.2 准同期并列原理

当发电机组在没有故障的状态下运行的时候，现实生活中常依据的是准同期并列方式，将待并侧的发电机组并列到到电网之中去运行。自同期并列的方式目前已经基本不再采用了，仅仅当电力系统在发生故障的时候，为了方便快速的投入水轮机组，过去曾采用的就是自同期并列的方法。

2 自动准同期硬件设计

2.1 STM32单片机

STM32单片机开发板的资源有很多，其中CPU是STM32F103ZE，单片机的FLASH是256K容量的，SRAM是48K容量的；并且有1 个标准的 JTAG/SWD 调试下载口，有1 个 IIC 接口的 EEPROM 芯片，它的型号是24C02，并且其容量为 256 字节；有1 个 SPI FLASH 芯片，它的容量为 8M 字节，也就是64M bit；还带有1 个 DS18B20，它的作用是温度传感器的一个接口，还有一个标准的 2.4寸 LCD 屏的接口，可以插触摸屏；一个USB的接口，可以用来供电和上传下载程序；一个SD卡的接口，支持内存卡存储；还有一个3.3V，5V的排线口，可以支持内部供电和给外设供电。

2.2 可控电源回路

2.2.1 整流滤波部分

单片机的开关电源部分，首先把外部的交流电源变为所需要的的直流电源，并且直流电源的电压小于等于3.3 V。文中设计采用的外部交流电源先经过一个变压器将220 V的相电压降低，这是因为全桥整流电路的耐压值较低，接着通过一个整流电路，滤波电路，稳压电路，就得到所需要的一个可控电源开关电路，图1为可控电源电路。

对于此设计采用的为全桥整流方式，其输出电压公式有：

图1 可控电源电路

图2 全桥整流

2.2.2 可控稳压部分

在之前的实验中单片机供电，都是通过稳压模块是7805模块稳压，随着设备的要求以及科技发展，7805输出的精确度已经不能达到精密电源的要求。所以这里的稳压部分采用串联稳压电路，如图3所示设计的串联稳压电路，其不但可以稳定电压，还可以控制电压的大小。

图3 串联稳压电路

当输出电压因为电源的电压或者负载的变化而下降的时候，当UO降低时，将导致UE的值降低，在UB恒定的情况下，UBE的值会增大，导致IB增大，使得IC电流增大，同时IBRL也将增大，最终导致UO增大。

反之，当UO增大的时候，经过电路的调节作用，UO将自动减小，这样输出的电压降稳定。

电路输入的为14 V的直流电源，经过R1限流电阻和D5稳压二极管进行稳压调节，设计稳压二极管的电压为1.1 V，并在稳压管两边并列一个滑动变阻器，它的可调的范围就是0～1.1 V，滑动变阻器接在运放的正极端，所以正极端的电压变化范围为0～1.1 V，运放的负极端接在R2和R3电阻的中间，根据运放的虚短虚断原理,R3电阻可以调节的电压范围为0～1.1 V，又因为R2电阻为4kΩ，为R3电阻的2倍，所以R2电阻调节的电压范围为0 V～2.2 V，通过滑动滑动变阻器，R1两端的电压的调节范围将为0～3.3 V。

2.2.3 交流电压调理图

设计交流电压调理电路主要采用了电压互感器，反相比例运放，低通滤波器和电压跟随器四个部分组成。如图4所示，因为单片机只能接受3.3 V及以下的电压，为了保证实验的安全性，设计留有一定的裕度，防止电压失稳而烧坏单片机设备。设计输入端采用380 V的电压，根据各个参数的计算调整，最终输出2 V的电压供单片机使用。

图4 交流电压调理电路

采用2 mA/2 mA型的HPT系列的电压互感器，取二次侧的电阻 为400 Ω，测得二次测的电压值为817 mV，理论值为800 mV。欲使交流调理电路输出2V的电压，采用反相比例运放，根据公式得：

脉冲经过反相比例放大器之后，再连接低通滤波器，消去高频的信号，然后经过电压跟随器，使得输出脉冲和这个电路前面的不互相影响，同时也不和这个电路后面的有任何的影响，它发挥了特别好的电气隔离的作用，同时也提高了带负载的能力。

如图5所示，采用multisim仿真，得到电压互感器采集的800 mV的电压信号和最终输出的2V的电压信号。

图5 交流电压仿真示波器图

2.3 频率调理电路

当频率变化时，发电机旋转的的速度，输出的有功功率都会发生一定的变化，对发电机造成了一定的损伤。当频率偏大或偏小时，它会影响设备的准确性和精准性，以及对电网的负面影响。发电机的速度应用于装置的轴，确定扭矩的平衡。由于不存在发电机上的扭矩的绝对平衡，即不可能严格保持发电机转速或频率不变，但频率偏离额定值相对小范围的限制是可以达到的。

关于对频率信号的有效采集，设计见图6电路模块实现对频率信号的采集。初级电压信号由电压互感器转换生成，使用比较单元将正弦波转换成方波，然后将得到的方波信号再通过一个过零比较器，检测过零时间去测量输出频率信号。

一次侧接交流电源，取线电压的有效值为380 V，通过设置电阻R1为150 kΩ，变压器取1:1，测得一次侧和二次侧的电流之比为3.55 mA/3.55 mA，设计采用3 V的直流电压作为过零比较之后的时间间隔检测，并且采用等值的分压，所以仿真输出为1.5 V的矩形波。根据对输出的设计，R2电阻的取430 kΩ，使得经过变压器二次侧的电压也为1.5 V，方便和矩形波比较，且整齐美观。

图6 频率调理电路图

过零比较器是用来检测输入量是否为零的电路。原理是采用比较放大器对两个输入量进行比较采集。如图6图所示，电压 一个是参考电压，通过一个电阻接地，所以参考电压为零，所以输入电压 在每一次过零的时候输出才发生一次变化，过零比较器后面连接直流源，可以得到所需要的频率所对应的矩形波宽度，交流信号一个周期内过零两次，刚好矩形波采取的两次之间的宽度所对应的时间就是频率的大小。

2.4 相位差调理电路

相位差调理电路是在频率调理电路后面添加了电气隔离电路和异或门进行相位差测量。电压调理电路通过低通滤波器和过零比较器，获得两个输入量的频率，两个方波信号经过光电耦合TLP521-1，起到电气隔离作用，在异或门输出两个输入信号的相位差。

图7 相位差调理电路图

2.5 整体硬件电路

如图8所示，此硬件图设计一个整体的准同期并列的硬件图。一次侧交流电压经过熔断器，送至变压器，经过调理电路之后再从PIO口，单片机驱动电路经过IO口输出至继电器完成工作，同理，调理电流从电流互感器二次侧获取电流，经过PIO口送把调理过的电电流信号送至单片机，单片机的驱动是从IO口送至继电器完成工作。

图8 整体硬件电路图

3 自动准同期并列软件设计

3.1 软件流程图

主程序的功能有系统的初始化，通道的选择和切换，可以进行电压的测量，频率差的测量，相位差的测量以及pwm控制和逆磁电流控制，以及合闸接口的设定。其流程图如图9所示。

图9 程序流程图

3.2 PWM调节

关于PWM输出信号的频率和占空比此处以PWM模式1为例来介绍，首先，PWM输出的频率大小，是通过寄存器来确定出来的,这个f对应的占空比，也是通过寄存器来确定出来的。当定时器开始计数的时候,如果这时候计数器的值小于通道x的值，就应该将x通道输出的信号对应的保持的高电平;如果这时候计数器的值不断的增大，大于等于x通道值的时候，就应该将输出变换为相反的低电平；当计数器的值不断的增大，达到了重载值的时候，输出的信号就应该继续保持为高电平，当计数值重新装载在此计数,接着在一次完成上面的步骤。假设输出信号的比较值设为Vout,重装载值设为Vp,这个时候的PWM信号的周期就为Vp/TIM计数时钟频率，而PWM信号它的占空比就是Vout/Vp。

PWM是脉宽调制，设定周期为0.02 s，然后通过调节脉宽，这样占空比为0.5，高电平和低电平脉冲占都是T的1/2，使0.01 s内输出的信号为0 V,0.01 s输出的信号为3.3 V，计算平均电压即有效电压为1.15 V，如果通过PWM调节，改变前面输入信号的占空比，设计就可以得到0～3.3 V之间的电压。通过前面外围调理电路的设计，本设计已有可调节的线性电源。如果改变输入信号的占空比，不但可以变化信号的大小，还可以变化频率大小，如图10所示，当脉冲的占空比调高之后，电压的频率也会随着调高。

图10 占空比增大

4 结束语

此次设计通过STM32单片机实现自动准同期并列，实现了稳定的，快速的自动准同期的各个功能，预计达到规定的目标。

由于装置是通过单片机在较稳定的电压下完成装置，在实际生活中的发电厂中，实际的环境问题以及突发性故障问题很多，所以装置要考虑的需要增加的功能改进的方面也有很多，通过此次设计，对于自动装同期装置有一个初步的学习认识，对实际电气装置设计有一个深入的认识，积累了一些经验。