由于模拟式自动准同期装置在原理上存在缺陷，因而会使并列时间延长，有时甚至发生危及发电机安全的误并列。随着微处理器的飞速发展，水电站自动化水平日益提高，微机型的自动准同期装置得到了广泛应用。

微机自动准同期可以克服模拟自动准同期装置存在的问题，具有以下的特点：

（1）原理上保证合闸冲击电流接近于零。

（2）控制准同期条件第一次出现时就能准确地将发电机投入系统。

（3）可以实现对待并列发电机电压及频率的调节，加快并列速度。

（4）具有结构简单、方便扩充功能的特点。

（5）每次并列操作后，能够提供并列点断路器的实际合闸时间，以作为整定导前时间的可靠依据。

用微机实现同期可以采用两种方式：一种是设置独立的微机同期装置；另一种方式是将同期并列功能附设在机组控制中，把机组的起动、同期并列操作合为一个完整的过程。

1.微机自动准同期原理

同期并列时，必须对电压差、频率差和相位差进行测量。电压测量比较简单，只要求A/D转换必须有高的精度和较快的速度。相位差的测量采用测取两电压正弦波过零点的时间，通过计算该时间间隔中所记录基准时钟频率的脉冲数来得到。脉冲记数越多，相位差越大。如果脉冲记数为零，则表示相位差为零。过零点的测量是非常重要的，一种方法是通过检零把正弦波变换成方波，记录方波跳沿（上跳或下跳）发生的时刻，这时相位差的测量精度取决于对两电压波过零检测的准确性。为达到尽可能高的相位差测量精度，常采用确保待并列两电压过零测量满足相同的检零条件。另一方法是对正弦波在过零前后波形连续测量数点值，然后用直线来拟合，用线性插值法算出过零点。也可以用最小二乘法来逼近求得过零点，虽然用最小二乘法逼近比线性插值法精度高，但计算工作较大。

在频率差和电压差超过允许值的情况下，要求对机组的转速和电压进行调整。简单的方法是对被调量的控制执行部件发出调整脉冲，并测量被调量，达到要求为止。为了加速调整过程，有的采用更为复杂的控制规律，其中PID控制规律是最常用的。

微机型自动准同步装置形式较多，但其功能及原理是相似的，逻辑框图如图3-13所示。

图3-13　微机自动准同步装置框图

（1）微计算机。微计算机由微处理器、存贮器及相应的输入、输出接口构成。同步装置运行程序存放在只读程序贮存器EPROM中，同步参数整定值存放在可擦写参数存贮器EEPROM中。装置运行过程中的采集数据、计算中间结果及最终结果存放在随机存贮器RAM中。输入/输出接口电路为可编程并行接口，用以采集并列点选择信号、远方信号，断路器辅助触点信号、键盘信号、电压差越限信号等开关量信号，并控制输出继电器实现调压、调速、合闸、报警等功能。

（2）频率差、相角差鉴别电路。频率差、相角差鉴别电路用以从并列点两侧电压互感器TVG、TVS输入二次电压中提取与相角差有关的量，进而实现对电压差、频率差的检查，以确定是否符合同步条件。同时电压差、频率差的测量也作为机组电压调整和调速的依据。

取自并列点的二次电压经隔离后通过相敏电路将正弦波转换为相同周期的矩形波，通过对矩形电压的过零点检测，由频率差、相角差鉴别电路中获取待并发电机与运行系统的频率信息，获取频率差与角频率差。

可以方便的从两个二次电压间相邻同方向的过零点获得两电压的相角差，一个工频周期有二次过零点，因此半个周期就可获得一个实时的相角差。

角频率差和角频率差一阶导数可作为调频控制的依据，装置在调频过程中不断进行检测，及时调整控制脉冲宽度和间隔，使待并发电机快速满足同步条件。

（3）电压差鉴别电路。电压差鉴别电路是用以从两个电压互感器的二次电压中提取电压差超出整定值的数值和极性信号。电压差的数值和极性也作为调整电压的依据。

（4）输入电路。

1）并列点选择信号。在确定并列点后，从同步装置的并列点选择输入开关量信号，装置将调出存放在存贮器中同步参数相应整定值，进行并列条件检测。

2）断路器辅助触点信号。并列点断路器辅助触点是用来实时测量断路器合闸时间，显然导前时间整定值越接近断路器的实际合闸时间，并列时的相角差就越小。应该注意断路器辅助触点与主触点不一定同步，若测量采用发出合闸命令起动计时，断路器辅助触点变位后停止计时的测量方法，将出现误差。

3）远方复位信号。同步装置在自检或工作过程中出现硬件、软件问题或受干扰都可能导致出错或死机，通过“复位”可使微机重新再执行程序的一项操作。若同步装置处于经常带电工作方式时，如果要求起动，则需通过一次“复位”操作。因同步装置在上次完成并列后，程序进入循环显示断路器合闸时间状态，直到接到复位命令后才能重新开始新一轮的并列操作。

4）面板按键和开关。同步装置面板上装有若干按键和开关，开关按键也是开关量形式的输入量，是由装置面板直接输入到并行接口电路。分别实现均压功能、均频功能、同步点选择、参数整定、频率显示以及外接信号源类别。

5）输出电路。微机自动准同步装置输出电路是实现对发电机组的均压、均频和合闸控制；装置异常或电源消失；提供反映同步过程的电量进行录波；供运行人员监视装置工况，实时参数，整定值及异常情况等信息。

控制命令由加速、减速、升压、降压、合闸、同步闭锁等继电器执行。同步装置任何软件和硬件故障都将起动报警继电器，触发中央音响信号，故障类型同时在显示器上显示。

6）电源。电源可由48～250V交直流电源供电。

7）试验装置。为便于自动准同步装置的试验，提供了专用的试验装置，或装置内部自带试验模块。

2.导前时间和导前相角

同期合闸的导前时间或导前相角是同期合闸脉冲发出的必备参数，他的求取直接影响到同期并列的效果。一种方法是通过测量得到的频率差和相位差来计算合闸导前时间，当计算导前时间接近于整定值时，就发出合闸脉冲。另一种方法是根据所测频率差和断路器合闸等固有动作时间来计算合闸脉冲的导前相角，当实时测量的相位差等于计算合闸脉冲的导前相角时，就发出合闸脉冲。

现结合国内有些水电站已被采用的微机同期装置介绍其实现原理。系统电压和待并发电机电压旋转相量图如图3-4所示，如果角频率差是常数，则和相角差为δd=ωd t。

考虑到将发电机并入系统断路器有一个固有合闸时间tna，因此理想的发出合闸脉冲的时刻应提前一个导前时间tpt或一个导前相角δpt。他们之间的关系应满足下式

显然，ωd越大，则导前相角δpt也越大。实际上在发电机并列过程中，ωd并非恒定，因此，按式（3-21）在ωd等于常数而得到的导前相角难免存在附加的合闸误差Δωd。

待并发电机在并列过程中不仅存在着与系统的频率差，同时也存在频率差的一阶导数，即频率差变化率。当略去频率差高阶导数时，理想导前合闸角应写成

式中 ——频率差变化率。

通常将频率差变化率为频差加速度，它可以是正值，也可以是负值。式（3-22）即为所要介绍微机自动准同期导前相角的依据。在调节电压和频率满足同期条件下，装置从输入的正弦系统电压US和待并发电机电压UG中获得频率差ωd及频率差加速度dωd/dt的信息，再根据给定的tpt，按式（3-22）计算出导前合闸相角δpt；同时微机还要不断地计算实时的相位差角δ，当时δ=δpt时，装置立即发出合闸脉冲将发电机并入系统。

微机自动准同期过程的流程图如图3-14所示。微机要扫描各发电机同期标志，当有请求时，取该待并发电机导前时间tpt，允许频率差值ωen及允许电压差ΔUen。采样待并发电机端电压相量U.

图3-14　自动准同期过程流程

G和并列点系统相应相别的电压相量U.

S；检查U.G与U.

S的电压差ΔU，如果电压差ΔU超出允许值，则对待并发电机进行调压，直至电压差ΔU在允许的范围内；计算并检查频率差ωd是否超出允许值ωen，如果超出差值则对待并发电机组进行转速调整，直到ωd等于或小于ωen为止。根据计算得到的ωd和dωd/dt值，以及给定的tpt，按式（3-22）计算出理想导前合闸相角δpt，同时检测并计算每一时刻的实际相角差δ，并与δpt相比较，当δ=δpt时，立即发出并列命令。

3.微机自动准同期的调节与计算

（1）发电机电压和频率的调节。(www.daowen.com)

1）电压调节。因为所有发电机都配有自动调节励磁装置，因此同期过程中发电机电压调节系统一般只进行粗调，细调工作可由自动励磁调节器完成。

2）频率调节。频率调节分粗调与细调。当ωd＞ωen时，为尽快达到同期要求的频率条件，微机输出控制量对频率进行粗调；而当ωd≤ωen时，虽然说此时频差ωd已在允许的范围内，但仍有调速问题，即细调。如果将运行系统的角频率ωS作为参考量，微机细调操作首先进行计算，如果算得ωd=ωS-ωG为正值（即发电机频率低于系统频率），且dωd/dt为负值（即发电机在加速），则微机停止调速；如果ωd为正值，dωd/dt也为正值，则应对机组进行加速调节。同理，当ωd为负值且ωd≤ωen时细调，也可得到同上的分析。细调逻辑表，如表3-1所示。由表3-1可得出这样结论，当判断ωd与dωd/dt异号时就不需要调速；当判断同正时进行加速调节，判断同负时进行减速调节。

表3-1　细调控制逻辑表

（2）同期合闸导前相角δpt的测算。由式（3-22）可见，ωd及dωd/dt是求得导前合闸相角的必要数据。为了提高操作速度，装置没有采用A/D转换器，而应用了简单的波形变换电路，再辅以适当的软件来完成对ωd和dωd/dt的计算，其电路如图3-15所示。把两个不同频率的正弦电压和变换为矩形波电压VS和VG，将这两个矩形波电压进行异或逻辑运算结果波形脉冲即为正弦电压的相位差δ，而频差ωd可用下式表示：

图3-15　求取ωd及dωd/dt的波形变换电路图

通过计算两相邻异或VXOR脉冲宽度差及时间差，由式（3-23）求得ωd的实时值，再由给定时段间隔ωd的差值就可得到dωd/dt。

VXOR的脉冲可以用异或门输出方波的上升沿引起中断，由MCS-51内部计数器进行计数求取，然后根据脉冲宽度求出ωd和dωd/dt。

（3）实时相位差角δ的计算。从图3-16可以看到，VS和VG的相位差角δ在不断的变换着，δ从0°到180°，然后又回到0°。微机必须逐个计算这些值，将计算出的δ值与δpt相比较，确定是否发出合闸命令。

图3-16　输入信号关系波形

由于提前合闸角只能发生在δ=180°～0°的范围内，因此，只需考虑δ在这个范围内的计算。判别δ=180°～0°的方法，可以用相邻两次脉冲宽度差值的结果来表征。当VXOR的后一脉宽减去前一脉宽为负时，则表明δ在180°～0°范围内，微机进行δ计算，否则停止对δ计算。

在δ=180°～0°区间，当ωS＜ωG时，VXOR的上跳沿与VS的跳沿重合，而VXOR的下跳沿与VG的跳沿重合，当ωS＞ωG时则相反。将这一规律作为加速调节或减速调节的依据。

求取实时相位差角δ的原理可用图3-17说明。φG和φS分别为待并发电机电压VG及运行系统电压VS在某一时刻的相位角，φG-φS就是这一时刻两电压的相位差角δ。

图3-17　计算δ值波形示意图

若把计算δ的时刻选在VXOR波形的每一个跳沿处，而每一个跳沿必定和VG或VS的某个跳沿重合，也就是φG或φS总有一个是0°或180°。和低电平的脉宽，τH及τL分别为VXOR波形两相邻上跳沿和两相邻下跳沿的宽度。很显然，在待并发电机频率低于运行系统频率、且δ在180°～0°范围内时，τu等于发电机电压VG的半个周期，而τd等于系统电压VS的半个周期。当待并发电机频率高于运行系统频率时，则τu等于系统电压VS的半个周期，而τd等于发电机电压VG的半个周期。

可求得VXOR在下跳时的相位差角δde，即

故

若用弧度表示，则可写为

同理可写出在VXOR上跳沿时的相位差角δue，即

用弧度表示，则可写为

计算得到的δde和δue就是实时的相位差角。也可以利用每两个相邻的δde和δue的值求δad值，即

或

式中 i——本次序号；

i-1——前次序号；

Td——系统电压VS的周期；

Tu——待并发电机电压VG的周期。

（4）合闸时刻的计算。微机自动准同期装置在每一个正弦电压周期计算一次理想的合闸导前角，而且还按式（3-25）和式（3-26）计算实时相位差角δ。把每次计算的δ与δpt相比较，当δ=δpt时，装置发出合闸命令，完成发电机的并列。

由于实际上出现δ=δpt的情况很少，因而，有可能将应该并列的时机错过。为了能准确无误地把握同期并列的时机，在相位差角通过δ=0°时将待并发电机并入系统，在程序编制上作了如下推算。当比较该次结果，如δ≠δpt，则求出该次差值Δδi=δi-δpti（i表示第i次），再根据ωd及dωd/dt的当时数据来推算狭义周期的导前合闸角δpt（i+1），如果（δi+Δδi）＞δpt（i+1），表明并列时刻未到，在下一周期继续计算δad及δ；如果（δi+Δδi）≤δpt（i+1），表明并列操作应在相位差角为（δi+Δδi）间进行。因为已知ωd和dωd/dt；可以通过（Δt）2求出Δt，然后在实时相位差角δi延时Δt时间发出并列命令，这在理论上可以作到无冲击的并列。然而，由于经历Δδi所需的时间Δt很短，为了能在极短的时间算出Δt值，略去dωd/dt的影响，可通过下式求解Δt，即

另一种实用的方法是给定一个允许的合闸误差角，当计算的Δδi小于给定的允许误差角时，即可发出并列命令。这种方法易于并列操作，但可能会出现合闸冲击电流，应该说冲击电流也是较小的。

（5）固有合闸时间tna的测量。固有合闸时间tna是计算导前合闸相角δpt的重要参数，因为tpt=tna，所以经常测量tna以获得较准确合闸参数是非常必要的。tna是指发出合闸脉冲到断路器主触头闭合的时间，发出合闸脉冲可取发出信号的时刻，而主触头闭合可以根据图3-14分析得到。

从图3-14中可以看出VXOR波形有以下特点：

1）VXOR的频率是VS的2倍，如每20ms出现一个VS脉冲，则10ms出现一个VXOR脉冲。

2）当VS和VG完全重合，VXOR脉冲消失。

利用计数器计下从发出合闸命令的时刻开始，VXOR的脉冲数。当断路器主触头闭合计数脉冲消失，把计数值乘以VS半个周期时间（VS的脉冲宽度），即得固有合闸时间tna。tna的测量编制在同期程序中进行，见图3-14。