前言

自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置在電力系統(tǒng)并網(wǎng)中有著十分重要的作用。本文采用ATMEGA128單片機(jī)為處理器，開(kāi)發(fā)一種主要用于機(jī)組同期操作的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，該裝置能自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)側(cè)和對(duì)象側(cè)的壓差、頻差和相差，進(jìn)行同期操作。如果采用一個(gè)同期點(diǎn)配備一個(gè)裝置的方式，則能大大提高整個(gè)系統(tǒng)的同期可靠性。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和硬件框圖

作為準(zhǔn)同期裝置，首先必須要準(zhǔn)確地測(cè)量系統(tǒng)側(cè)和待并側(cè)的同期參數(shù)。也就是精確測(cè)量?jī)蓚?cè)的電壓、頻率，以及相位差。在這個(gè)基礎(chǔ)上，裝置要進(jìn)行準(zhǔn)確的同期動(dòng)作以及和上位機(jī)的通信。因此，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件流程圍繞這三個(gè)方面展開(kāi)。為了減少干擾和便于操作，硬件分為CPU板、信號(hào)板和顯示按鍵板。下面的硬件框圖清楚地表示了三者之間的連接關(guān)系和信號(hào)的流動(dòng)情況。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

單片機(jī)89C58主要負(fù)責(zé)識(shí)別和保存按鍵值(中斷方式)，以及直接驅(qū)動(dòng)LCD。

Atmega128單片機(jī)有兩個(gè)串行口，通過(guò)串口0和89C58通訊，通過(guò)串口1和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 頻率、電壓和相差的計(jì)算

ATMEGA128單片機(jī)的定時(shí)器1和定時(shí)器3具有輸入捕獲的功能。因此頻率(周期)的計(jì)算可以完全依賴(lài)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。只需要設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)換電路將正弦波變換成為方波即可。方波兩個(gè)上升沿(或下降沿)之間的時(shí)間間隔即是系統(tǒng)側(cè)或?qū)ο髠?cè)的周期，這樣就可以準(zhǔn)確地測(cè)量出周期。注意，定時(shí)器1和定時(shí)器3中的計(jì)數(shù)值盡量不要采用軟件清零。筆者剛開(kāi)始的思路是每隔一次輸入捕獲中斷將TCNT1或TCNT3的值清零，然后下一次的計(jì)數(shù)值乘以計(jì)數(shù)間隔時(shí)間就是系統(tǒng)側(cè)或是對(duì)象側(cè)周期長(zhǎng)度。但是這樣的辦法很容易受到其他中斷的影響。當(dāng)外部事件發(fā)生的時(shí)候(上升沿或下降沿來(lái)到)，硬件自動(dòng)將計(jì)數(shù)值捕捉到相應(yīng)的捕獲寄存器，但如果此時(shí)有更高級(jí)中斷同時(shí)到來(lái)的話(huà)，就必然會(huì)推遲一會(huì)才可以進(jìn)入輸入捕獲中斷程序，則軟件必然會(huì)推遲清零，因此所測(cè)的周期會(huì)偏小、頻率會(huì)偏大。特別是當(dāng)更高優(yōu)先級(jí)的中斷程序執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，所測(cè)周期根本無(wú)法使用。正確的做法是：在初始化時(shí)將定時(shí)器1和定時(shí)器3按照同樣的分頻系數(shù)同時(shí)開(kāi)放，然后就不要對(duì)這兩個(gè)定時(shí)器進(jìn)行清零或其他操作。對(duì)于這兩個(gè)16位定時(shí)器的溢出問(wèn)題，可以通過(guò)在定時(shí)器1和定時(shí)器3的溢出中斷程序中設(shè)置分別的溢出標(biāo)志來(lái)解決。本裝置所設(shè)計(jì)的波形轉(zhuǎn)換電路如圖2 所示。VAA1為對(duì)象側(cè)或系統(tǒng)側(cè)經(jīng)過(guò)初步處理的交流信號(hào)。

圖 2

電壓的測(cè)量和計(jì)算涉及到交流采樣技術(shù)。交流采樣，就是直接對(duì)交流電氣信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定的數(shù)值算法求得所關(guān)心的信號(hào)參數(shù)或信息。交流采樣有異步采樣和同步采樣兩種，其中后者應(yīng)用較多。同步采樣又可以分為硬件同步(PLL鎖相環(huán)技術(shù))和軟件同步。軟件同步就是利用處理器的中斷性能跟蹤周期的變化且均勻地采樣。這就是所謂的頻率跟蹤。在數(shù)據(jù)處理方面，本文采用將正弦周期信號(hào)展開(kāi)成為傅立葉級(jí)數(shù)的形式，然后再離散化，進(jìn)而求出電壓有效值。

具體而言，交流信號(hào)用 表示。下面是計(jì)算的詳細(xì)過(guò)程。

將周期信號(hào)展開(kāi)成為傅立葉級(jí)數(shù)的形式：

當(dāng) 時(shí)，可以推出

由7式可以看出只要求 和 ，就可以求出基波的最大值和有效值。同理可以求出其他高次諧波的相關(guān)值。將公式2和公式3離散化，則可以在程序中實(shí)現(xiàn)計(jì)算。也就是

其中，N為同步采樣點(diǎn)數(shù)。

相角的測(cè)量有兩種實(shí)現(xiàn)途徑。一種是主要依賴(lài)硬件，軟件起輔助作用。另一種則完全依賴(lài)軟件，采用不同的算法。前者的誤差主要來(lái)自硬件，后者的誤差主要是算法所帶來(lái)的。Atmega128的16位定時(shí)器T1/C1和T3/C3均具有輸入捕獲的功能，可以利用兩者對(duì)兩側(cè)交流信號(hào)上升沿進(jìn)行捕獲，捕獲的時(shí)間差與周期進(jìn)行比較，就可以折算出兩者之間的相差。

但是，遲滯比較器的存在使輸出對(duì)輸入信號(hào)的幅值敏感 ，輸入信號(hào)幅值越大，相移越小，也就是說(shuō)在電壓比較低的時(shí)候，誤差會(huì)比較大。完全依賴(lài)軟件的測(cè)量辦法很多，本裝置的實(shí)現(xiàn)方法如下：

則它們的相位差為 。可以推導(dǎo)

根據(jù)公式18，可求出相差。為了更高精度，可以展開(kāi)成為高階級(jí)數(shù)。

3 同期過(guò)程流程圖

筆者所設(shè)計(jì)的同期裝置的同期過(guò)程見(jiàn)上圖所示。其中，頻率要優(yōu)先調(diào)節(jié)。頻差在要求范圍內(nèi)時(shí)，才可以轉(zhuǎn)去調(diào)節(jié)電壓。每次同期操作要設(shè)定同期時(shí)限，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)不能達(dá)到定值要求，則此次同期操作失敗。

總結(jié)

本文介紹的準(zhǔn)同期裝置設(shè)計(jì)方案最大程度利用了硬件資源，減少了軟件誤差。裝置投入使用后經(jīng)過(guò)測(cè)試可以達(dá)到機(jī)組開(kāi)關(guān)的同期要求，有一定推廣價(jià)值。