贵州大学 单片机

课程设计课程名称数字式同期装置学院：电气工程学院专业：电自姓名：学号：班级：指导教师：年月日单片机课程设计任务书一、设计目的与要求运用所学单片机原理与接口技术、电路原理、电子技术、自动控制原理知识、电力电子技术，结合电机学、电力系统运行、电力系统自动装置等方面的专业知识，设计出一台以8096系列为核心的数字式准同期装置，发电机及电网电压信号经二次互感器降压后，实现交流采样，并完成数据处理；同时完成控制信号输出、键盘及显示电路等各部分的软、硬件设计。

本设计要求学生能熟悉并掌握单片机应用系统的软、硬件设计的工作方法、工作内容、工作步骤；并锻炼学生基本技能的训练。

例如：组成系统、编程、调试、绘图等，以达到培养学生理论联系实际、提高动手和分析、解决问题能力的目的。

数字式同期装置要求：1）同期条件满足时，能迅速发出合闸信号，无冲击电流；2）能提供增减速、增减励磁信号指示灯；3）由LCD显示发电机和电网的电压与频率。

二、课程设计应完成的工作1）硬件部分包括前置信号处理单元（交流采样、放大器、滤波器等）、A/D 转换、显示、键盘、电源等；2）软件部分包括A/D转换、数字信号处理、显示等；3）用专业软件画出系统的硬件电路结构图和软件程序流程框图；4）系统软件程序的编写与调试；5）撰写设计说明书一份（不少于10000字），阐述系统的工作原理和软、硬件设计方法，重点阐述系统组成框图、硬件原理设计、资源分配和软件程序流程图等；说明书应包括封面、任务书、目录、摘要、正文、参考文献（资料）等内容，以及硬件电路结构图和软件程序清单等材料。

目录摘要 (1)前言 (2)第一章数字式准同期装置的概述 (3)1.1 并列操作的意义 (3)1.2 同步发电机并列合闸条件 (3)1.3 数字式准同期装置的硬件原理 (3)第二章数字式准同期总体设计 (5)2.1 整体硬件框图 (5)第三章数字式准同期装置的实现 (6)3.1 降压滤波模块 (6)3.2 交流采样模块 (7)3.3 整形电路模块 (9)3.4 A/D转换模块 (10)3.5 相角差检测模块 (11)3.6 显示模块 (12)3.7 信号指示灯模块 (14)3.8 MCS单片机 (14)3.9 译码器 (16)3.10 存储模块 (17)第四章系统软件设计部分 (18)4.1 软件流程图 (18)4.2 软件程序 (21)总结及心得 (25)参考文献 (26)附录1 元件清单 (27)附录2 总体设计图 (28)随着电力系统网络的不断扩大，同步发电机的单机容量也越来越大，不恰当的并列操作将导致严重后果，因此发动机安全、可靠的并网操作就愈来愈显重要。

为了解决传统模拟式并网装置的缺陷，本文介绍一种以MCS-8096系列单片机为核心实现数字式发电机准同期自动并列装置的原理。

该装置实现了发电机安全、可靠的并网，通过对该装置并网过程的测试，模拟信号转换为电信号的采样保持，电压、电流和频率的反馈比较调节，对系统进行实时控制，其并网过程具有快速﹑准确，安全等特点。

Abstract: with the expansion of the power system network, stand-alone capacity of synchronous generator is becoming more and more big, inappropriate parallel operation will lead to serious consequences, so the engine is safe and reliable grid operation is more and more important. In order to solve the defects of traditional analog interconnection devices, this paper introduces a MCS - 8096 series single chip microcomputer as the core implementation the principle of digital generator automatic quasi-synchronizing parallel devices. The device for generator's safe and reliable grid, through the process of the device interconnection testing, analog signal is converted to electric signal sampling, voltage, current and frequency feedback compared to adjust, to real-time control system, its interconnection process is fast, accurate, safety, etc.关键词：单片机、自动准同期并列、压差，频差Key words: single chip microcomputer, the automatic quasi-synchronizing parallel, pressure difference, frequency difference本设计是根据自动并列原理，设计出控制电网合闸的自动并列装置，目的是要让电网安全，可靠的合闸，根据我们所学过的自动控制理论，自动装置原理，数字信号处理，单片机等学科的知识，学以致用，设计出一套以MCS--8096单片机为核心的自动并列装置，让我们更清楚的认识到自动并列对电网安全运行的重要性和可靠性，进一步的将我们所学的知识在我们的脑海里加深印象。

此装置适用于电压，电流和频率都可调的电力系统中，该装置通过对模拟信号的采样，转换为电信号，然后对其比较反馈调节，迅速找到最佳的合闸时间点，将两个电网合并在一起。

为了要电网安全可靠的运行，自动并列要求迅速，准确的采样，装换信号，计算出具体的合闸时间，控制装置发出合闸信号，装置自动进行合闸，让电网安全的合并运行。

此设计主要是通过对电网的安全，快捷的运行为中心，以自动并列合闸的条件为指导思想，运用所需要的硬件和软件来满足自动并列合闸的条件，做到合闸时几乎没有冲击电流，对系统的危害降到最低。

设计中主要解决的是数字的采样，将模拟信号转变为数字信号，还有两个电网间电压，电流，以及频率的比较，对于数字信号的输出也是有要求的，最主要的就是解决从信号的采样到控制合闸信号的发出这一系列的问题是本设计的要求。

第一章数字式准同期装置的概述1.1 并列操作的意义电力系统运行中，任一母线电压瞬时值有三个状态量，幅值、频率、相角。

在一台发电机组与电网并列之前，电网电压U x与发电机电压U g的状态量往往不等，需对待并网的发电机进行调整使之满足并列条件才能并网运行，这样的操作叫做并列。

随着负荷的变动，电力系统中发电机的台数也在不断变化。

因此，并列操作是发电厂的一项重要操作。

另外，当系统发生事故时，也需要发电机组能够迅速投入运行。

电力系统不断壮大，不恰当的并列操作将导致严重事故。

因此，对同步发电机的并网操作进行研究、提高并列操作的准确度和可靠性，对电力系统的安全可靠运行具有很重要的现实意义。

同步发电机的并列方法分为自同期和准同期两种。

自同期并列方法已很少采用，只有当电力系统发生发生事故时，要求将水轮机组迅速投入电网，才会采用。

但是随着自动控制理论技术的成熟，产生了数字式的并列装置。

1.2 同步发电机并列合闸条件同步发电机并入到电网时要求它在较短时间内不应产生大的电流冲击。

为此，必须满足下述四个条件：（1）电机的电压幅值等于电网电压的幅值，且波形一致；（2）发电机的频率等于电网的频率；（3）发电机的电压相序与电网的相序一致；（4）合闸时，发电机的电压相位与电网电压的相位一样。

满足上述四个条件后，发电机端电压的瞬时值与电网电压的瞬时值就完全一样，这样就可保证在并网瞬间不会引起较大的电流冲击。

1.3 数字式准同期装置的硬件原理自动准同期装置的控制单元一般由三个控制单元构成：（1）频差控制单元：检测滑差频率，调节待并发电机转速，使发电机频率接近于待并系统频率。

（2）电压差控制单元：检测待并发电机电压幅值与系统电压幅值之间的向量差，调节发电机电压使它与系统电压之间的电压差值小于规定值，促使并列条件的实现。

（3）合闸信号控制单元：检查并列条件，当发电机频率和电压都满足并列条件时，控制单元就选择合适的时间发出合闸信号，使并列断路器的主触头接通时，相角差接近于零。

2.1 整体硬件框图数字式准同期装置的硬件结构分为五个模块，分别为：单片机系统模块、输入模块、输出模块、存储模块和辅助模块，总的硬件框图如图2.1 所示图2.1 硬件原理框图2.1.1 单片机系统模块：装置采用8096单片机，最高晶振是12MHZ。

该芯片具有上电复位和看门狗功能，可以提供可靠的复位脉冲。

2.1.2 输入模块：实时测量待并系统和发电机的电压、频率及相角，并提供与单片机的输入电路接口。

该模块包括整流电路、整形电路、以及单元测量电路。

2.1.3 输出模块：完成整个系统的输出控制功能，包括信号输出、合闸输出及调节输出，实现调压、调速、合闸等功能。

2.1.4 存储模块：用于设置、记录和存储装置运行所必需的参数，被设置和修改参数存储在串行EEPROM2816，2816 通过总线与单片机接口。

单片机模拟总线的时序，实现对2816 的读写操作。

2.1.5 辅助模块：用于提供电源、显示、等辅助功能。

该装置硬件结构方面具体可分为降压滤波模块、交流采样模块、整形电路模块、A/D转换模块、相角差检测模块、显示模块、指示灯模块、单片机、译码器、存储模块。

3.1 降压滤波模块3.1.1 降压滤波电路的构成滤波电路是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置。

工程上常用它作信号处理，数据传送和抑制干扰等。

最基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为L型滤波。

由于发电机发出的电压含有各种谐波。

这种质量的电压，不利于对电压信号的各种数据的采集。

故为了信号数据的采集和存储的完成，发电机发出的电压需经过滤波处理，便于单片机中的A/D 转换的顺利完成。

由于发电机端及电网端的电压幅值较高，不利于采样，必须将电压降到一定的大小。

该模块的目的在于将发电机端、电网端的电压降至5V左右。

降压是由电压互感器来完成的，其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组。

特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。