本實(shí)用新型涉及電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)合閘功能的智能同期模件。

背景技術(shù)：

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，常需要將小系統(tǒng)通過斷路器等開關(guān)設(shè)備并入大系統(tǒng)的同期操作，比如發(fā)電廠發(fā)電機(jī)并網(wǎng)、輸配電聯(lián)絡(luò)線或聯(lián)絡(luò)變壓器并入系統(tǒng)等。此類操作頻繁且手動(dòng)控制繁瑣。市面上已有多種類型的微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，并網(wǎng)速度及準(zhǔn)確度非常高，但對于需要并網(wǎng)且合閘控制路數(shù)少的小系統(tǒng)，比如小水電行業(yè)，采用此類型的同期裝置，不僅成本高昂、體積龐大，而且其內(nèi)部組成電路復(fù)雜，一旦某一部位出現(xiàn)問題很難排查，維護(hù)很不方便。

目前國內(nèi)各種電力系統(tǒng)領(lǐng)域，PLC可編程邏輯控制器、保護(hù)裝置、測控裝置等電力監(jiān)控裝置運(yùn)用廣泛，只需在原有設(shè)備基礎(chǔ)上增加一種能實(shí)現(xiàn)同期并網(wǎng)功能的單板模件即可解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便、節(jié)約成本的、可實(shí)現(xiàn)有壓與無壓同期條件判斷、和電壓與頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)的智能準(zhǔn)同期單板模件，可以作為PLC裝置或其他測控裝置系統(tǒng)中的擴(kuò)展模件。適用于50Hz或60Hz電網(wǎng)，起到斷路器開關(guān)同期合閘并網(wǎng)的功能。

本實(shí)用新型提供一種實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)合閘功能的智能同期模件，其特征在于：所述智能同期模件以主CPU芯片為核心，外部鏈接開入功能模塊、開出控制模塊、電壓采集模塊、電源模塊、通信模塊等，并提供一個(gè)對內(nèi)接口和一個(gè)而對外接口；所述主CPU外圍搭建兩路交流電壓采集回路、六路跳/合閘繼電器控制回路、四路開關(guān)量狀態(tài)檢測回路、電源回路；所述模件的智能同期硬件由四層PCB板制作，電源部分設(shè)計(jì)時(shí)對各個(gè)線路進(jìn)行隔離。

優(yōu)選的，所述對內(nèi)接口用于所述智能同期模件的安裝，通過對內(nèi)接口插接在PLC裝置或其他測控裝置的功能擴(kuò)展插槽上，安裝方便；對內(nèi)接口提供CAN總線通訊接口，通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，既接收主體裝置CPU下發(fā)的同期啟動(dòng)/同期標(biāo)定/同期撤銷命令，又實(shí)時(shí)上傳模件采集到的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)；對內(nèi)接口為電源模塊提供直流3.3V、5V、24V各種電壓等級的供電電源，為同期模件所有功能模塊供電。

優(yōu)選的，所述智能同期模件對外接口包括六路繼電器輸出端子，四路開關(guān)量輸入端子和兩路電壓采集端子，分別對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的繼電器輸出模塊、開關(guān)量輸入模塊和采樣回路模塊。

優(yōu)選的，所述實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)合閘功能的智能同期模件的主要器件包括電壓互感器、保持型及返回型繼電器、JTAG接口、EPT插接端子、外部端子接口。

優(yōu)選的，所述CPU芯片的片內(nèi)ADC配置為：ADC0通道采集系統(tǒng)側(cè)電壓信號(hào)，ADC1通道采集待并側(cè)電壓信號(hào)；所述CPU芯片通過DMA傳輸ADC采樣數(shù)據(jù)，并自動(dòng)進(jìn)行ADC采樣通道切換，而不需要CPU的介入，CPU的負(fù)擔(dān)大大減輕。

優(yōu)選的，所述CPU芯片的PIT定時(shí)器配置為：PIT0和PIT3定時(shí)器分別作為ADC0和ADC1定時(shí)中斷讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的觸發(fā)器，保證頻率變化時(shí)每一個(gè)周波都能采集到完整十六個(gè)ADC數(shù)據(jù)；PIT1設(shè)置為8ms定時(shí)中斷，處理所有同期相關(guān)的任務(wù)；PIT2計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)只用作其他任務(wù)的時(shí)間標(biāo)度；所述交流電壓采集回路包括獨(dú)立兩路采集系統(tǒng)側(cè)與待并側(cè)的電壓，互感器選用ZMPT112型，將100V電壓轉(zhuǎn)換成2mA小電流，參考電壓1.5V；經(jīng)過RC濾波電路和運(yùn)放處理，轉(zhuǎn)換成主CPU片內(nèi)ADC通道可識(shí)別的小電壓信號(hào)，采集計(jì)算出電壓幅值；并使用過零比較電路將小電壓信號(hào)接到主CPU的PTC0與PTC1的IO管腳，配置為上升沿觸發(fā)中斷，可計(jì)算頻率；所述四路開關(guān)量狀態(tài)檢測回路的特征為：每路開關(guān)量檢測通道均為24VDC光電隔離接入方式，隔離開現(xiàn)場的強(qiáng)電干擾；空接點(diǎn)輸入，分辨率≤2ms；其中有壓同期啟動(dòng)/無壓同期啟動(dòng)開入類型可設(shè)置為脈沖型或電平保持型；脈沖型時(shí)，當(dāng)檢測到開入狀態(tài)從0變?yōu)?時(shí)表示有同期啟動(dòng)命令；保持型時(shí)，當(dāng)檢測到開入狀態(tài)從0變?yōu)?且保持為1狀態(tài)時(shí)表示有同期啟動(dòng)命令；所述六路繼電器控制回路包括啟動(dòng)繼電器為保持繼電器，為其他繼電器的總開關(guān)；其余五個(gè)跳/合閘繼電器為常開繼電器，帶光電隔離措施，開出類型均為脈沖型開出，對應(yīng)外接六路輸出端子，包括加速/減速輸出、升壓/降壓輸出、合閘輸出、合閘指示信號(hào)輸出。

優(yōu)選的，所述電源回路是從標(biāo)準(zhǔn)插接端子中獲得，由附屬的主體裝置，即測控裝置或PLC裝置提供3.3V、5V、24V電壓電源；3.3V電壓提供給同期模件的主CPU及其他各外設(shè)芯片，24V電壓為繼電器、開關(guān)量輸入等回路供電；所述的JTAG接口用于下載程序到CPU芯片MK60DN512xxx和在線調(diào)試模件程序用；所述CAN總線通信接口：智能同期模件利用CAN總線傳輸實(shí)時(shí)性高的特性來與主體設(shè)備的主CPU通信；上傳采集到的實(shí)時(shí)電壓、頻率、壓差、頻差、相位角差、同期進(jìn)程等信息，同時(shí)接收主體裝置CPU發(fā)下的控制啟動(dòng)命令，并可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用需求，對同期模件上的軟件進(jìn)行相關(guān)定值的配置、參數(shù)下載、采樣精度標(biāo)定。

本實(shí)用新型提供的基于圖像識(shí)別位置的開關(guān)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本實(shí)用新型所公開的實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)合閘功能的智能同期模件，插接在測控裝置或PLC裝置機(jī)箱內(nèi)部，為專用功能選擇性配置。無需修改主控裝置內(nèi)部硬件，只需要預(yù)留合適寬度的插槽和接口即可。

2、直接安裝在現(xiàn)有PLC裝置機(jī)箱內(nèi)，無需修改主CPU板卡軟件，降低硬件重復(fù)設(shè)計(jì)性，節(jié)省成本。

3、功能模塊化，擴(kuò)展方便，獨(dú)立CPU處理同期功能，降低主體裝置CPU負(fù)荷，使各模塊運(yùn)行性能提高。

4、硬件電路簡單，性能更可靠，接線及調(diào)試方便。

5、數(shù)據(jù)通信采用CAN總線方式，可在線配置同期運(yùn)行參數(shù)，使其適應(yīng)于各種現(xiàn)場要求。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型提供的智能同期模件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本實(shí)用新型提供的智能同期模件的外部接口圖。

圖3是本實(shí)用新型提供的智能同期模件的硬件設(shè)計(jì)原理圖。

圖4是本實(shí)用新型提供的智能同期模件的內(nèi)部軟件結(jié)構(gòu)圖。

圖5是本實(shí)用新型提供的智能同期模件的同期判斷流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面通過附圖和實(shí)施例，對本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解的是，本文中所描述的具體實(shí)施例僅用于解釋本實(shí)用新型的原理，并不用于限定本實(shí)用新型。

本實(shí)用新型提供一種實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)合閘功能的智能同期模件，本實(shí)用新型提供的智能同期模件由軟、硬件配合實(shí)現(xiàn)單對象的同期邏輯判斷，和電壓、頻率的智能自動(dòng)調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)在壓差和頻差條件滿足情況下捕捉同期過零點(diǎn)時(shí)刻，完成合閘控制。

如圖1所示為本實(shí)用新型提供的智能同期模件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，指示了模件內(nèi)部功能塊組成智能同期模件以主CPU芯片為核心，外部鏈接開入功能模塊、開出控制模塊、電壓采集模塊、電源模塊、通信模塊等，并提供一個(gè)對內(nèi)接口和一個(gè)而對外接口。對內(nèi)接口用于該模件的安裝，通過對內(nèi)接口插接在DA-PLC裝置或其他測控裝置的功能擴(kuò)展插槽上，安裝方便。對內(nèi)接口提供CAN總線通訊接口，通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，既接收主體裝置CPU下發(fā)的同期啟動(dòng)/同期標(biāo)定/同期撤銷命令，又實(shí)時(shí)上傳模件采集到的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)。對內(nèi)接口為電源模塊提供直流3.3V、5V、24V各種電壓等級的供電電源，為同期模件所有功能模塊供電。

如圖2所示為智能同期模件對外接口圖，指示了圖1中對外接口的端子定義，包括六路繼電器輸出端子，四路開關(guān)量輸入端子和兩路電壓采集端子。分別對應(yīng)圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的繼電器輸出模塊、開關(guān)量輸入模塊和采樣回路模塊。圖2中HZLED和HZOUT由同一路“開出1”控制，+F與-F共用一個(gè)公共端，+V與-V共用一個(gè)公共端。PTG與PTS接在待并聯(lián)斷路器兩側(cè)，適用于單同期對象的一組電壓。

如圖3所示為智能同期模件硬件設(shè)計(jì)原理圖，包括電壓采集電路、頻率采集電路、開入采集電路、輸出控制電路。

(1)待并聯(lián)斷路器兩側(cè)的額定100V電壓信號(hào)經(jīng)過對外接口的19、20端子接入至xPTG*和xPTG，21、22端子接入至xPTS*和xPTS，電壓采集回路將處理得到的UFIN和USIN接入至主CPU的ADC0和ADC1通道，經(jīng)過ADC采樣轉(zhuǎn)換和DMA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存得到兩個(gè)通道的電壓實(shí)際值。

(2)電壓采集回路處理得到的工頻交流信號(hào)UFIN和USIN接至頻率測量回路中，經(jīng)過比較運(yùn)放將信號(hào)處理成高低電平的工頻脈沖信號(hào)Fg_INT和Fs_INT，接至主CPU的GPIO管腳PTC0和PTC1，并分別配置這兩個(gè)管腳為上升沿觸發(fā)中斷模式，在各自的ISR中斷進(jìn)程中計(jì)算頻率Ff和Fs。

(3)4路開入功能模塊各自獨(dú)立，24VDC電源供電。外部接入的開關(guān)量信號(hào)，經(jīng)光耦隔離接至主CPU的PTB各管腳。軟件去抖動(dòng)檢查。

(4)六路開關(guān)量輸出控制模塊均設(shè)有光耦隔離處理，24VDC電源供電。由同期模件內(nèi)部六個(gè)繼電器組成，包含一個(gè)保持型啟動(dòng)繼電器OUTQD和五個(gè)返回型輸出繼電器OUT1～OUT5，有任何輸出信號(hào)時(shí)先閉合OUTQD繼電器。其中HZLED和HZOUT開關(guān)量輸出信號(hào)由OUT1控制，其余每個(gè)輸出信號(hào)單獨(dú)由一個(gè)OUT繼電器控制。

如圖4為智能同期模件內(nèi)部軟件結(jié)構(gòu)圖，指示同期模件軟件各功能組成，同期模件以MK60DN512xxx為主CPU，使用UC/OS-II多任務(wù)處理系統(tǒng)，軟件由一個(gè)主任務(wù)APPIOTask完成。主任務(wù)按給定的時(shí)間定期完成裝置硬件自檢、狀態(tài)燈指示及CAN總線數(shù)據(jù)通信任務(wù)，并設(shè)置如下多個(gè)中斷任務(wù)進(jìn)程。

(1)采樣中斷進(jìn)程：包括待并側(cè)PTG和系統(tǒng)側(cè)PTS采樣中斷。按差分AD采樣原理，每周波固定16點(diǎn)采樣，完成模擬量采集與濾波處理。當(dāng)頻率變化時(shí)需調(diào)整中斷進(jìn)程的時(shí)間間隔，采樣中斷周期分別為Fs/16和Fg/16。支持50Hz和60Hz系統(tǒng)。

(2)測頻中斷任務(wù)：主CPU的PTC0和PTC1配置為上升沿觸發(fā)中斷，配合PIT的16位計(jì)數(shù)器，記錄PTC0和PTC1每一次中斷時(shí)刻的計(jì)數(shù)值。PTC0連續(xù)兩次中斷計(jì)數(shù)差值便是PTG的頻率周期，PTC1連續(xù)兩次中斷計(jì)數(shù)差值便是PTS的頻率周期。PTC0和PTC1兩者最近的定時(shí)器計(jì)數(shù)差值就是實(shí)時(shí)相位差。

(3)定時(shí)間隔8ms執(zhí)行的同期任務(wù)：系統(tǒng)無故障情況下完成開關(guān)量狀態(tài)掃描、同期命令狀態(tài)監(jiān)視、電壓和相位數(shù)據(jù)處理等功能，根據(jù)開入狀態(tài)YYTQ和WYTQ判斷啟動(dòng)條件及是否進(jìn)入同期邏輯程序。同期邏輯程序中進(jìn)行同期參數(shù)檢查、同期命令處理、無壓同期/差頻同期/電網(wǎng)環(huán)并邏輯條件判斷、以及同期啟動(dòng)后的頻率電壓輸出調(diào)節(jié)計(jì)算、合閘同期點(diǎn)預(yù)測計(jì)算、繼電器出口邏輯判斷等。

結(jié)合圖5智能模件同期合閘執(zhí)行流程圖：

(1)上電或復(fù)位重啟時(shí)，從智能同期模件主CPU的Flash存儲(chǔ)器中讀取同期參數(shù)和標(biāo)定參數(shù)。

(2)定時(shí)8ms執(zhí)行的同期任務(wù)中，計(jì)算Us和Uf電壓，F(xiàn)s和Ff頻率，及δf-δs的相位角差，實(shí)時(shí)檢測各個(gè)開入量狀態(tài)。

(3)在系統(tǒng)無故障情況，判斷是否只存在有壓同期或無壓同期一個(gè)啟動(dòng)命令，是則表示有同期啟動(dòng)。

(4)檢查同期參數(shù)是否符合范圍要求。

(5)檢查Us、Uf、Fs、Ff、Δφ是否正常，無越限。

(6)無壓同期邏輯判斷。無壓同期時(shí)，機(jī)組型要求Us無壓且Ug有壓；線路型要求任意有一側(cè)無壓即可滿足，保持40秒條件始終滿足則發(fā)出同期合閘脈沖信號(hào)。

(7)有壓同期邏輯判斷。有壓同期時(shí)，要求ΔU<壓差定值，Δf<頻差定值。根據(jù)PID調(diào)節(jié)原理，當(dāng)壓差不滿足時(shí)，按壓差大小計(jì)算調(diào)壓(+V或-V)脈沖寬度；當(dāng)頻差不滿足時(shí)，按頻差大小計(jì)算調(diào)頻(+F或-F)脈沖寬度，最終向?qū)ν舛俗影l(fā)出調(diào)壓或調(diào)頻控制命令，輸出至外部的調(diào)速系統(tǒng)或勵(lì)磁系統(tǒng)中。一旦條件滿足，快速捕捉到同期點(diǎn)時(shí)立即發(fā)出同期合閘脈沖信號(hào)。

一種實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)合閘功能的智能同期模件，所述智能同期模件以主CPU芯片為核心，外部鏈接開入功能模塊、開出控制模塊、電壓采集模塊、電源模塊、通信模塊等，并提供一個(gè)對內(nèi)接口和一個(gè)而對外接口；所述主CPU外圍搭建兩路交流電壓采集回路、六路跳/合閘繼電器控制回路、四路開關(guān)量狀態(tài)檢測回路、電源回路；所述模件的智能同期硬件由四層PCB板制作，電源部分設(shè)計(jì)時(shí)對各個(gè)線路進(jìn)行隔離。

優(yōu)選的，所述對內(nèi)接口用于所述智能同期模件的安裝，通過對內(nèi)接口插接在DA-PLC裝置或其他測控裝置的功能擴(kuò)展插槽上，安裝方便；對內(nèi)接口提供CAN總線通訊接口，通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，既接收主體裝置CPU下發(fā)的同期啟動(dòng)/同期標(biāo)定/同期撤銷命令，又實(shí)時(shí)上傳模件采集到的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)；對內(nèi)接口為電源模塊提供直流3.3V、5V、24V各種電壓等級的供電電源，為同期模件所有功能模塊供電。

優(yōu)選的，所述智能同期模件對外接口包括六路繼電器輸出端子，四路開關(guān)量輸入端子和兩路電壓采集端子，分別對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的繼電器輸出模塊、開關(guān)量輸入模塊和采樣回路模塊。

優(yōu)選的，所述實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)合閘功能的智能同期模件的主要器件包括電壓互感器、保持型及返回型繼電器、JTAG接口、EPT插接端子、外部端子接口。

優(yōu)選的，所述CPU芯片的片內(nèi)ADC配置為：ADC0通道采集系統(tǒng)側(cè)電壓信號(hào)，ADC1通道采集待并側(cè)電壓信號(hào)；所述CPU芯片通過DMA傳輸ADC采樣數(shù)據(jù)，并自動(dòng)進(jìn)行ADC采樣通道切換，而不需要CPU的介入，CPU的負(fù)擔(dān)大大減輕。

優(yōu)選的，所述CPU芯片的PIT定時(shí)器配置為：PIT0和PIT3定時(shí)器分別作為ADC0和ADC1定時(shí)中斷讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的觸發(fā)器，保證頻率變化時(shí)每一個(gè)周波都能采集到完整十六個(gè)ADC數(shù)據(jù)；PIT1設(shè)置為8ms定時(shí)中斷，處理所有同期相關(guān)的任務(wù)；PIT2計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)只用作其他任務(wù)的時(shí)間標(biāo)度；所述交流電壓采集回路包括獨(dú)立兩路采集系統(tǒng)側(cè)與待并側(cè)的電壓，互感器選用ZMPT112型，將100V電壓轉(zhuǎn)換成2mA小電流，參考電壓1.5V；經(jīng)過RC濾波電路和運(yùn)放處理，轉(zhuǎn)換成主CPU片內(nèi)ADC通道可識(shí)別的小電壓信號(hào)，采集計(jì)算出電壓幅值；并使用過零比較電路將小電壓信號(hào)接到主CPU的PTC0與PTC1的IO管腳，配置為上升沿觸發(fā)中斷，可計(jì)算頻率；所述四路開關(guān)量狀態(tài)檢測回路的特征為：每路開關(guān)量檢測通道均為24VDC光電隔離接入方式，隔離開現(xiàn)場的強(qiáng)電干擾；空接點(diǎn)輸入，分辨率≤2ms；其中有壓同期啟動(dòng)/無壓同期啟動(dòng)開入類型可設(shè)置為脈沖型或電平保持型；脈沖型時(shí)，當(dāng)檢測到開入狀態(tài)從0變?yōu)?時(shí)表示有同期啟動(dòng)命令；保持型時(shí)，當(dāng)檢測到開入狀態(tài)從0變?yōu)?且保持為1狀態(tài)時(shí)表示有同期啟動(dòng)命令；所述六路繼電器控制回路包括啟動(dòng)繼電器為保持繼電器，為其他繼電器的總開關(guān)；其余五個(gè)跳/合閘繼電器為常開繼電器，帶光電隔離措施，開出類型均為脈沖型開出，對應(yīng)外接六路輸出端子，包括加速/減速輸出、升壓/降壓輸出、合閘輸出、合閘指示信號(hào)輸出。

優(yōu)選的，所述電源回路是從標(biāo)準(zhǔn)插接端子中獲得，由附屬的主體裝置，即測控裝置或PLC裝置提供3.3V、5V、24V電壓電源；3.3V電壓提供給同期模件的主CPU及其他各外設(shè)芯片，24V電壓為繼電器、開關(guān)量輸入等回路供電；所述的JTAG接口用于下載程序到CPU芯片MK60DN512xxx和在線調(diào)試模件程序用；所述CAN總線通信接口：智能同期模件利用CAN總線傳輸實(shí)時(shí)性高的特性來與主體設(shè)備的主CPU通信。上傳采集到的實(shí)時(shí)電壓、頻率、壓差、頻差、相位角差、同期進(jìn)程等信息，同時(shí)接收主體裝置CPU發(fā)下的控制啟動(dòng)命令，并可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用需求，對同期模件上的軟件進(jìn)行相關(guān)定值的配置、參數(shù)下載、采樣精度標(biāo)定。

以上所述的具體實(shí)施方式，對本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明。本實(shí)用新型尚有多種實(shí)施方式，凡采用等同變換或者等效變換而形成的所有技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。