1 引言
并网是发电厂、变电站中经常发生的重要操作。它直接关系到电力系统运行的稳定性、发电机的安全性及发电厂的经济性。由于历史的原因，例如机组容量小、数量多，没有良好的自动准同期装置，更没有专为输电线路并网的自动准同期装置。因此不论是设计部门还是运行部门一直在沿袭使用同期小母线的集中同期方式，使用粗糙的模拟式同期装置，甚至大量采用手动同期，特别是输电线路的并网几乎无一例外的使用手动并网。
随着发电厂机组单机容量越来越大，对运行可靠性的要求也越来越高，加之水电站及变电站的无人值班也提上议事日程，于是出现了以追求可靠性为主要目的的分布式控制系统(DCS)，其在发电厂及变电站里得到了广泛的应用。不论是新设计的电站还是老电站的改造都在循着这个方向前进。分布式控制系统的主要指导思想是“权力下放”。即将一些执行特定任务的智能终端直接下放到被控对象去。这些“对象”在电站电气部分中就是发电机、变压器，线路，电动机、补偿电容等。每个对象所需的继电保护、测量、控制、信号等功能都由安装在对象旁的智能终端来完成。每个终端都通过现场总线与中控室的上位控制机通讯。不难看出此时并不需要上位控制机执行具体的测量与控制。它的主要任务是上传下达，统一调配。所以过去集中控制系统中一旦上位机出现故障系统就全面瘫痪的弊端就不复存在了。
按照新发布的二次线设计技术规程规定：发电厂电气部分的DCS系统中发电机的自动准同期装置、备用电源自动投入装置、故障录波装置、自动电压调节器、自动调速器等都应是独立的智能终端，并具备与DCS的通讯接口。为此我们在总结近20年来所推出的各类微机准同期控制器的基础上，开发了具备与上位机通讯功能的可同时用于发电机、线路并网的SID-2C型微机准同期控制器，以填补电站DCS系统智能终端的空白。
2 设计依据及原则
2.1 差频并网合闸角的数学模型
2.1.1差频并网
发电机与系统的并网和已解列的两系统间联络线并网都属差频并网。按准同期条件并网需实现并列点两侧的电压相近、频率相近时在相差为0度时完成并网操作。
2.1.2同频并网
未解列两系统间的联络线并网属同频并网。这是因并列点两侧频率相同。但两侧会出现一个功角δ，δ的值与联接并列点两侧系统其它联络线的电抗及传送的有功功率成比例。这种情况的并网条件应是当并列点断路器两侧的压差及功角在给定范围内时即可实施并网操作。完成并网后并列点断路器两侧的功角消失，系统潮流将重新分布。因此，同频并网的允许功角整定值取决于系统的运行方式及潮流重新分布后的影响。
2.1.3准同期的条件
准同期的三个条件是压差、频差在允许值范围内时应在相差角中为零时完成并网。压差和频差的存在将导致并网瞬间并列点两侧会出现一定的无功功率和有功功率的交换，不论是发电机对系统，或系统对系统并网对这种功率交换都有相当承受力，因此，并网过程中为了实现快速并网，不必对压差和频差的整定值限制太严。但并网时角差的存在将会导致机组的损伤，甚至会诱发后果更为严重的次同步谐振(扭振)。因此一个好的同期装置应确保在相差φ为零时完成并网。在差频并网时，特别是发电机对系统并网时，发电机组的转速在调速器的作用下不断在变化，因此发电机对系统的频差不是常数，而是包含有—阶、二阶或更高阶的导数。加之并列点断路器还有一个固有的合闸时间tk,同期装置必须在零相差出现前的tk时发出合闸命令，才能确保在中Ф=0°时实现并网。或者说同期装置应在Φ=0°到来前提前一个角度Φk发出合闸命令，Φk与断路器合闸时间tk，频差Φs，频差的一阶导数dω/dt及频差的二阶导数dω/dt等有关。其数学表达式为：
同期装置在并网过程中需不断快速求解该微分方程，获取当前的理想提前合闸角中φk。并不断快速测量当前并列点断路器两侧的实际相差φ，当φk=φ时装置发出合闸命令，实现精确的零相差并网。
不难看出获得精确的断路器合闸时间tk(含中间继电器是非常重要的，因此SID- 2C系列准同期控制器具有实测tk的功能。同时也不难看出计算机对φk的计算和对φ的测量都不是连续进行的，而是离散进行的。从而使得我们不一定能恰好捕获φk=φ的时机。这就会导致并网的快速性受到极大的影响。我们成功地实现了对合闸时机的预测，使并网速度达到了理论上的极值。
2.2 采用良好控制品质的算法，促成频差与压差尽快达到给定值也是一项重要措施。
实现快速并网对满足系统负荷平衡及减少机组空转能耗有重要意义。捕捉第一次出现的并网时机是实现快速并网的一项有效措施，而用良好控制品质的算法实施均频与均压控制，促成频差与压差尽快达到给定值也是一项重要措施。SID-2C同期装置使用了模糊控制算法，其表达式为：
U=g(E,C)
式中U-控制量，E-被控量对给定值的偏差，C-被控量偏差的变化率，g-模糊控制算法。
模糊控制理论是依据模糊数学将获取的被控量偏差及其变化率作出模糊控制决策。下面的模糊控制推理规则表可描述其本质。
表中将偏差E的模糊值分成正大到负大共八档，将偏差变化率C的模糊值分成正大到负大共七档，与它们对应的同期装置发出的控制量u的模糊值就有56个，从正大到负大共七类值。以调频控制为例，如同期装置测量的频差(s=(F-(X ((F、(X分别为待并发电机及系统的角频率)为负大，而频差变化率——也是负大，则控制量u为零(表中右下角的值)。这表明尽管发电机较之系统频率很低，但当前发电机频率正以很高的速度向升高方向变化，因此无需控制发电机频率就能恢复到正常值。
人们很自然的会想到这些模糊控制量的值具体在控制过程中到底是多少呢?应该有个量化的环节，例如变成同期装置发出控制信号的脉冲宽度和脉冲间隔。SID-2C同期装置正是通过均频控制系数Kf和均压控制系数Kv两个整定值来对控制量进行量化的，Kf及Kv是在发电机运行过程中通过观察同期装置在纠正频差及压差的过程中所表现的控制质量，经过数次试设确定的。不难看到SID-2C同期装置实际上是针对发电机组调速系统及励磁调节系统的具体特性来整定控制系数的。
3 SID-2C微机准同期装置功能
(1)有8个通道可供l-8台发电机或线路并网用。SID-2CV有8个通道供1-8台发电机并网用;SID-2CT有8个通道供1-8条线路并网用。可自动识别是差频并网抑或是同频并网;SID-2CM有8个通道可供1-8台、条发电机或线路并网复用，具备自动识别对象类别及并网性质的功能。
(2)参数设置
其中包括通道参数设置行接口参数设詈。系统参数设置和串行接口参数设置。
通道参数包括：断路器合闸时间、允许压差、过电压保护值(仅限SID—2VC)允许频差、均频控制系数、均压控制系数、允许功角(仅限SID- 2CT、SID-2CM)、并列点两侧PT二次电压实际额定值、PT二次转角值、同频时调速脉宽、并列点代号。
系统参数包括：并列点两侧低压闭锁值、并列点两侧信号来源、控制方式、设备号。
串行接口参数包括：串行接口数据传输速率 (波特率)、接口方式等。
(3)同期装置以精确严密的数学模型，确保捕捉第一次出现的零相差，进行无冲击并网。
(4)同期装置在发电机并网过程中按模糊控制理论的算法，确保最快最平稳地使频差及压差进入整定范围，实现更为快速的并网。
(5)同期装置在进行线路同频并网时，如并列点两侧功角及压差小于整定值将立即实施并网操作，否则就进入等待状态，并发出信号。
(6)同期装置运行过程中定时自检，如出错，将报警，并文字提示。
(7)在并列点两侧PT信号接入后而同期装置失去电源时将报警。
(8)发电机并网过程中出现同频时，同期装置将自动给出加速控制命令，消除同频状态。
(9)同期装置完成并网操作后将自动显示断路器合闸回路实测时间，以供校核断路器合闸时间整定值的精确性。 (10)同期装置可通过软件实现PT二次电压的比差及相差的自动补偿，可省去所有并列点的转角变压器。
(11)同期装置提供与上位机的通讯接口(RS— 232、RS-485)，并提供通讯协议，以满足将准同期控制器纳入DCS系统的需要。
(1 2)同期装置采用了全封闭和严密的电磁及光电隔离措施，能适应恶劣的工作环境。
(13)测试功能
本装置具有完整的测试体系。可对逻辑控制电路和各种外部信号的通道电路进行全面测试。因而配有信号发生电路以产生装置运行所需的可调节的电压信号、频率信号和接点输入信号。测试项目包括：频率、电压、角度、继电器、并列点通道和按键开关。
(14)信息显示
采用由LED发光二极管构成的同步指示器指示相角差。既形象又便于远看。采用128 x 64点阵带背光的液晶显示器显示数据及中文提示。在系统并网过程中实时显示待并点两侧的电压、频率和并网状态，如电压高，电压低，频率高，频率低等。
4 通讯
4.1 接口标准
用户可以选择通过RS-232或RS-485串行接口与上位机通讯。
使用RS-232接口与上位机机通讯时，由于RS- 232电缆长度不宜超过15米，因此一般是用笔记本电脑在现场与一台同期装置联机。RS-485接口可以将若干个同期装置甚至其它具有RS-485接口的设备用RS-485现场总线(屏蔽双绞线)联接起来。在同一台计算机的RS-485总线上可挂接的同期装置及其他设备达 99台。RS-485 绞线长度可延伸1.2公里。
4.2 多台装置与DCS连接
通过RS-485总线将多台同期装置与DCS联网。图一是一个硬件联机的示意图。
4.3 通讯内容
DCS在装置并网前或在设置状态下可以读取各通道参数和系统参数。在遥控方式的工作状态下，装置接受DCS发来的进入并网进程的控制命令后，DCS可读取并网状态：实时相角差、发电机及系统的频率和电压、控制器状态、合闸导前角、实际合闸角。控制器状态包括：是否正在调压、是否正在调频、合闸否，断路器辅助接点是否返回等。
4.4 通信协议概述
4.4.1构架
采用主从方式，由上位机向控制器发送命令，指定控制器在接到上位机的命令后，向上位机发回响应数据，本协议符合MODBUS格式。帧格式如下：
4.4.2各字段说明
4. 4.2.1命令字
1读并列点通道参数，命令字01。读某一通道参数，在命令参数中指明通道号(1—8)。
2读系统参数，命令字02。读当前并列点通道参数和系统参数。命令02、03、04不使用命令参数字段里的数据。
3发合闸令：命令字03。
4读并网状态：命令字04。
4.4.2.2控制器类型 2CH：发电机型
2BH：线路型
2AH：复合型
4.4.2.3校验和：从第一个字节(同步字)开始到校验和前一个字节止的算术和。
5 结论
本文描述了SID-2C同期装置的设计理论基础及其功能。SID-2C同期装置除了继承了SID-2系列各类产品的快速性、精确性和稳定性外，专门设计了与上位机的通信接口，填补了DCS系统中的同期终端的空白。
