（1）装置的硬件数字式并列装置的硬件由微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出接口和人机接口构成，其硬件框图如图2-8所示。CPU输入通道输出通道ROMRAMK人机联系>接口显示键盘定时/计数~/Lur增速电压变换调速采样A/D110UG减速总线并合闸行接触点状态信号升压调压口降压图2-8数字式并列装置硬件框图输入通道主要完成待并列断路器两侧电压模拟量和控制触点信号的采集。通过采集待并列断路器两侧电压，可以提取电压幅值、频率和相角差，作为并列操作的依据。（2）交流电压幅值检测交流电压的测量有两种方法可供选择。一种是采用变送器把交流电压转换为直流电压然后由A/D采样电路采样后送给CPU：一种是对交流信号直接采样，由CPU通过计算获得电压有效值。当采用交流电压变送器时，其输出的直流电压DG、D与输入的交流电压值UG、U,成正比。设机组并列时，电压偏差设定的阀值为△U，装置内对应的设定值为DAu，则当D.-DG>DAu时，不允许合闸信号输出：当D,-DG≤DAu时，允许合闸信号输出。如D、>D。时，并行口输出升压信号，输出调节信号的宽度与其差值成比例：反之，则发降压信号。（3）频率测量数字电路测量频率的基本方法是测量交流信号波形的周期，图2-9是一种测频方案。把交流电压正弦信号转换为方波，经二分频后，它的半波时间即为交流电压的周期。CPUu降压滤波整形二分频定时/计数电路图2-9数字式并列装置的电压频率测量CPU求得f.和f后，把频率差的绝对值与设定的允许频率偏差阀值比较，作出是否允许并列的判断。按发电机频率f高于或低于电网频率，来输出减速或增速信号
（1）装置的硬件 数字式并列装置的硬件由微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出接口和人 机接口构成，其硬件框图如图 2-8 所示。 减速 增速 总线 触点 u u G x I O/ 并 行 接 口 合闸 降压 升压 状态信号 调速 接口 显示键盘 CPU RAM ROM 定时/计数 电压变换 采样A/ D 人机联系 调压 合闸 降压 升压 输入通道 输出通道 图 2-8 数字式并列装置硬件框图 输入通道主要完成待并列断路器两侧电压模拟量和控制触点信号的采集。通过采集待并 列断路器两侧电压，可以提取电压幅值、频率和相角差，作为并列操作的依据。 （2）交流电压幅值检测 交流电压的测量有两种方法可供选择。一种是采用变送器把交流电压转换为直流电压， 然后由 A/D 采样电路采样后送给 CPU；一种是对交流信号直接采样，由 CPU 通过计算获得 电压有效值。 当采用交流电压变送器时，其输出的直流电压 DG 、Dx 与输入的交流电压值UG 、Ux 成 正比。设机组并列时，电压偏差设定的阀值为∆Usy ，装置内对应的设定值为 D∆U ，则 当 D D D x G U − > ∆ 时，不允许合闸信号输出； 当 D D D x G U − ≤ ∆ 时，允许合闸信号输出。 如 D D x G > 时，并行口输出升压信号，输出调节信号的宽度与其差值成比例；反之， 则发降压信号。 （3）频率测量 数字电路测量频率的基本方法是测量交流信号波形的周期，图 2-9 是一种测频方案。把 交流电压正弦信号转换为方波，经二分频后，它的半波时间即为交流电压的周期。 降压滤波 整形 二分频 定时/计数电路 CPU u 图 2-9 数字式并列装置的电压频率测量 CPU 求得 x f 和 G f 后，把频率差的绝对值与设定的允许频率偏差阀值比较，作出是否允 许并列的判断。按发电机频率 G f 高于或低于电网频率 x f 来输出减速或增速信号
（4）相角差测量测量相角差的方案之一如图2-10所示。首先把电压互感器二次侧的交流电压信号uG、u、转换成同频、同相的方波，把这两个方波信号接到异或门。当两个方波输入电平不同时，异或门的输出为高电平，用于控制可编程定时计数器的计数时间，其计数值N即与两波形间的相角差8.相对应。CPU读取矩形波的宽度N值，求得两电压间相角差的变化轨迹8(U)。CPU形方电路电压变换整形方液图2-10数字式并列装置的电压相角差测量设系统频率为额定值50Hz，待并发电机的频率低于50Hz。从电压互感器二次侧来的电压波形如图2-11（a）所示，经削波限幅后得到图2-11（b）所示方波，两方波经异或门后得到2-11（c）中一系列宽度不等的矩形波。CPU可读取T时间的计数N，如图2-11（d）所示。u.4auGtD4(b)Dot(c)(d)图2-11相角差8测量波形分析(a)交流电压波形（b）交流电压对应的方波：（c）异或门输出的相角差波形（d）定时器计数时间T（图示为每一工频周期一次）
（4）相角差测量 测量相角差的方案之一如图 2-10 所示。首先把电压互感器二次侧的交流电压信号 G u 、 x u 转换成同频、同相的方波，把这两个方波信号接到异或门。当两个方波输入电平不同时， 异或门的输出为高电平，用于控制可编程定时计数器的计数时间，其计数值 N 即与两波形 间的相角差 e δ 相对应。CPU读取矩形波的宽度N值，求得两电压间相角差的变化轨迹 ( ) e δ t 。 x u G u 图 2-10 数字式并列装置的电压相角差测量 设系统频率为额定值 50Hz，待并发电机的频率低于 50Hz。从电压互感器二次侧来的电 压波形如图 2-11（a）所示，经削波限幅后得到图 2-11（b）所示方波，两方波经异或门后 得到 2-11（c）中一系列宽度不等的矩形波。CPU 可读取τ 时间的计数 N，如图 2-11（d）所 示。 ux uG t t t t t t ( ) a ( ) b ( ) c ( ) d Dx DG u u G τ x τ τ 1 τ 2 τ 3 τ 图 2-11 相角差 e δ 测量波形分析 （a） 交流电压波形 （b）交流电压对应的方波 （c）异或门输出的相角差波形 （d）定时器计数时间τ （图示为每一工频周期一次）
显然这一系列矩形波形的宽度t，与相角差8相对应。系统电压方波t，的宽度为已知，它等于1/2周期，因此8可按下式求得8,=1元,t, ≥T.T.(2-11)8,=(2元-1元) =(2-至),T, <T,TrTr上式中的t，与t，的值，CPU可从定时计数器读入求得。经过连续记录，CPU可记录下8.（t）的轨迹，如图2-12所示。.0 08(0)02元(b)(a)图2-128.(t)的轨迹(a）の,恒定（b）の,等速变化数字式准同期装置可按下式计算理想的导前合闸相角8，它可以计及8含有加速度的情况，即1A0tOy=ODc +(2-12)2△tA8 _8-8-1, =(2-13)4/2t式中の为计算点的滑差角频率：S、8-分别是本计算点和上一计算点的角速度：2t.为两计算点间的时间；tpc是CPU发出合闸信号到断路器主触头闭合所需时间，是出口继电器动作时间和断路器合闸时间之和。根据式（2-12）可以求得最佳的合闸越前相角8%值，该值与本计算点的相角8按下式进行比较（式中8为计算允许误差）[(2元-8)-8/≤8(2-14)
显然这一系列矩形波形的宽度 i τ 与相角差 i δ 相对应。系统电压方波 x τ 的宽度为已知， 它等于 1/2 周期，因此 i δ 可按下式求得 1 1 , (2 ) (2 ) , i i i i x i i i i i x x τ δ π τ τ τ τ τ δ π π π τ τ τ τ − − = ≥ = − = − < （2-11） 上式中的 i τ 与 x τ 的值，CPU 可从定时计数器读入求得。经过连续记录，CPU 可记录下 ( ) e δ t 的轨迹，如图 2-12 所示。 ( ) e δ t ( ) e δ t ( ) e δ t ( ) s ω t ωs ωs ωs e δ A ' A B ' B 2π 2π O O 图 2-12 ( ) e δ t 的轨迹 （a）ωs 恒定 （b）ωs 等速变化 数字式准同期装置可按下式计算理想的导前合闸相角 YJ δ ，它可以计及 e δ 含有加速度的 情况，即 1 2 2 si YJ si DC DC t t t ω δ ω ∆ = + × ∆ （2-12） 1 2 i i i si x t δ δ δ ω τ ∆ − − = = ∆ （2-13） 式中ωsi 为计算点的滑差角频率； i δ 、 i 1 δ − 分别是本计算点和上一计算点的角速度； 2 x τ 为 两计算点间的时间； DC t 是 CPU 发出合闸信号到断路器主触头闭合所需时间，是出口继电器 动作时间和断路器合闸时间之和。 根据式（2-12）可以求得最佳的合闸越前相角 YJ δ 值，该值与本计算点的相角 i δ 按下 式进行比较（式中ε 为计算允许误差） (2 ) π δ δ ε − − ≤ i YJ （2-14）
若式（2-14）成立，则立即发出跳闸信号。否则，继续进行下一点计算，直到8逐渐逼近%符合式（2-14）为止。2.3同步发电机励磁自动控制系统同步发电机的结构按其转速分为高速和低、中速两种。前者多用于火电厂和核电站，后者多与低速水轮机或柴油机联动。在结构上，高速同步发电机多用隐极式转子，低、中速同步发电机多用凸极式转子。同步发电机的运行特性与它的空载电动势E值的大小有关，而E，的值是发电机励磁电流IEF的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特性。因此，对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容之电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配。在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障时，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。可见，同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面都起着十分重要的作用。同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，如图2-13所示。励磁功率单元向同步发电机的转子提供直流电流，即励磁电流：励磁调节器根据输入信号和给定的调节被则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。励磁2电力系统功率单元发电机输入信息一一励磁调节器K图2-13励磁自动控制系统构成框图2.3.1同步发电机的运行以单机运行系统来进行分析，图2-14（a）是同步发电机运行原理图，图中GEW是励磁绕组，机端电压为UG，电流为IG。在正常情况下，流经GEW的励磁电流为IEr，由它所建立的磁场使定子产生的空载感应电动势为E，改变IEr的大小，E，值就相应的改变。E和UG之间的关系可用图2-14（b）所示的等值电路来表示。其间的关系式为UG+jiXa=E,(2-15)
若式（2-14）成立，则立即发出跳闸信号。否则，继续进行下一点计算，直到 i δ 逐渐逼近 YJ δ 符合式（2-14）为止。 2.3 同步发电机励磁自动控制系统 同步发电机的结构按其转速分为高速和低、中速两种。前者多用于火电厂和核电站，后 者多与低速水轮机或柴油机联动。在结构上，高速同步发电机多用隐极式转子，低、中速同 步发电机多用凸极式转子。同步发电机的运行特性与它的空载电动势 Eq 值的大小有关，而 Eq 的值是发电机励磁电流 EF I 的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的 运行特性。因此，对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容之 一。 电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机 组间无功功率的分配。在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降。 为此，当系统发生故障时，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。 可见，同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统运 行的可靠性方面都起着十分重要的作用。 同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，如图 2-13 所 示。励磁功率单元向同步发电机的转子提供直流电流，即励磁电流；励磁调节器根据输入信 号和给定的调节被则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励 磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。 图 2-13 励磁自动控制系统构成框图 2.3.1 同步发电机的运行 以单机运行系统来进行分析，图 2-14（a）是同步发电机运行原理图，图中 GEW 是励 磁绕组，机端电压为UG ɺ ，电流为 G I ɺ 。在正常情况下，流经 GEW 的励磁电流为 EF I ，由它 所建立的磁场使定子产生的空载感应电动势为 Eq ɺ ，改变 EF I 的大小， Eq 值就相应的改变。 Eq ɺ 和UG ɺ 之间的关系可用图 2-14（b）所示的等值电路来表示。其间的关系式为 U jI X E ɺ ɺ ɺ G G d q + = （2-15）
式中的X，为发电机直轴电抗。EIDGET2EyejlexdIUG'1:(b)(a)X'IG(c)I图2-14同步发电机感应电动势和励磁电流关系（a）同步电动机运行原理图（b）等值电路图（c）矢量图隐极发电机的相量图如图2-14（c）所示。发电机感应电动势E。与端电压U的幅值关系为(2-16)E,cosog=U+IoXd式中8.为E，与U。间的相角，即发电机的功率角；I。是发电机的无功电流。一般的值很小，可近似认为cos8=1，于是，可得简化的运算式为(2-17)E,=UG+IoX上式说明，负荷的无功电流是造成E。和U.幅值差的主要原因，发电机的无功电流越大，两者间的差值也越大。UGUGeUG2+1eoIotIQ2图2-15同步发电机的外特性根据式（2-17)，以发电机端电压U.和无功电流I。表示的外特性，如图2-15所示。当励磁电流IE一定时，发电机端电压U。随无功负荷增大而下降，当无功负荷电流从Io.增加到Io2后，发电机端电压从UG下降到UG2，如果在Io2下仍要维持发电机端电压不变，则
式中的 Xd 为发电机直轴电抗。 图 2-14 同步发电机感应电动势和励磁电流关系 （a）同步电动机运行原理图（b）等值电路图（c）矢量图 隐极发电机的相量图如图 2-14（c）所示。发电机感应电动势 Eq ɺ 与端电压UG ɺ 的幅值关 系为 cos E U I X q G G Q d δ = + （2-16） 式中 G δ 为 Eq ɺ 与UG ɺ 间的相角，即发电机的功率角； Q I 是发电机的无功电流。 一般 G δ 的值很小，可近似认为cos 1 G δ ≈ ，于是，可得简化的运算式为 E U I X q G Q d ≈ + （2-17） 上式说明，负荷的无功电流是造成 Eq 和UG 幅值差的主要原因，发电机的无功电流越 大，两者间的差值也越大。 图 2-15 同步发电机的外特性 根据式（2-17），以发电机端电压UG 和无功电流 Q I 表示的外特性，如图 2-15 所示。当 励磁电流 EF I 一定时，发电机端电压UG 随无功负荷增大而下降，当无功负荷电流从 Q1 I 增加 到 Q2 I 后，发电机端电压从UGe 下降到UG2，如果在 Q2 I 下仍要维持发电机端电压不变，则