第一章 发电机的自动并列第一节 概 述一、并列操作的意义电力系统运行中，任一母线电压瞬时值可表示为
式中 ——电压幅值
——电压的角速度
——初相角
同步发电机组并列时遵循如下的原则：
并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能的小，其瞬时最大值一般不超过１～２倍的额定电流。
发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动。
方法两种,准同期并列（一般采用）、自同期并列。
二、准同期并列待并发电机组加励磁电流，其端电压G，调节G的状态参数使之符合并列条件。
设发电机电压G的角速度为，电网电压x的角速度为，它们间的相量差G—x为s。
要求DL合闸瞬间的s应尽可能的小，其最大值应使冲击电流不超过允许值。最理想的情况是s的值为零。
并且希望并列后能顺利进入同步运行状态，对电网无任何扰动。
理想条件为G，x的三个状态量全部相等。
这时并列合闸的冲击电流等于零，并且并列后发电机G与电网立即进入同步运行，不发生任何扰动现象。
5． 三个条件很难同时满足。
（一）电压幅值差并列时：①频率=；
②相角差等于零；
③电压幅值不等：
则冲击电流最大值为：
式中 、——发电机电压、电网电压有效值；
——发电机直轴次暂态电抗从图1-2（a）可见，因为与夹角为90o，所以由电压幅值差产生的冲击电流主要为无功冲击电流。
冲击电流的电动力对发电机绕组产生影响，由于定子绕组端部的机械强度最弱，所以须特别注意对它所造成的危害。由于并列操作为正常运行操作，冲击电流最大瞬时值限制在1～2倍额定电流以下为宜。为了保证机组的安全，我国曾规定压差冲击并列电流不允许超过机端短路电流的二十分之一到十分之一。据此，得到准同期并列的一个条件为：电压差不能超过额定电压的5～10％。现在一些巨型发电机组更规定在0.1％以下，即希望尽量避免无功冲击电流。
（二）合闸相角差并列合闸时：①发电机频率等于电网频率；
②发电机电压幅值等于电网电压幅值；
③相角差不为零。
则冲击电流的最大值为
式中 ——系统电压有效值；
——发电机交轴次暂态电抗。
从图1-2（b）可见，当相角差较小时，因为与的夹角为0o，所以由电压相角差产生的冲击电流主要为有功冲击电流。
（三）频率不相等
频差、滑差、滑差周期频差：
电角速度之差称为滑差角速度，简称滑差，用表示：
很显然，是有正负值的，其方向与所规定的参考矢量有关。图1-3中，以系统电压为参考矢量，于是时，>0，当时，。反之，若以为参考矢量，则的方向恰好相反。
滑差周期为，可见频差，滑差与滑差周期是可以相互转换的，它们都是描述两电压矢量相对运动快慢的一组数据。
可见频差，滑差和滑差周期都可以用来确定地表示待并发电机与系统之间频率差的大小。滑差大，则滑差周期短；滑差小，则滑差周期长。在有滑差的情况下，将机组投入电网，需要经过一段加速或减速的过程，才能使机组与系统在频率上“同步”。加速或减速力矩会对机组造成冲击。显然，滑差越大，并列时的冲击就越大，因而应该严格限制并列时的允许滑差。我国在发电厂进行正常人工手动并列操作时，一般取滑差周期在10～16s之间。
频率不相等对待并发电机组暂态过程的影响图1-4为待并发电机组进入同步运行的暂态过程示意图。
众所周知，当发电机组与电网间进行有功功率交换时，如果发电机的电压超前电网电压，发电机发出功率，则发电机将制动而减速。反之，当落后时，发电机吸收功率，则发电机将加速。所以交换功率的方向与相角差的正负有关。
下面定义发电机发出功率为“发电机状态”；发电机吸收功率为“电动机状态”。现设原动机的输入功率恒定不变，又大于；令合闸时的相角差为,此时的滑差角速度为（图中a点），并为超前情况。可见合闸后发电机处于“发电机状态”而受到制动。发出功率沿功角特性到达b点时等于；这时达到最大，由于发电机仍处于“发电机状态”，所以开始减小，所以也逐渐减小，发电机功率沿特性曲线往回摆动到达坐标原点时，因小于而使相角差开始变负，交换功率变负，发电机组处于“电动机状态”又重新加速；交换功率沿特性曲线变动直到等于图中的C点，相角差又往反方向运动。这样来回摆动由于阻尼等因素直到进入同步运行时为止。
显然，进入同步状态的暂态过程与合闸时滑差角速度的大小有关。当较小时，到达最大相角b点时的较小，可以很快进入同步运行。当较大时，如图1-4所示，则需经历较长时间振荡才能进入同步运行（如果很大，b点超出，则将导致失步）。所以滑差大暂态过程长，滑差小暂态过程短。
三、自同期并列自同期并列操作是将一台未加励磁电流的发电机组升速到接近于电网频率，滑差角速度不超过允许值，且机组的加速度小于某一给定值的条件下，首先合上并列断路器DL接着立刻合上励磁开关，给转子加上励磁电流，在发电机电动势逐渐增长的过程中，由电力系统将并列的发电机组拉入同步运行。
自同期并列最突出优点是控制操作非常简单，限于当时控制技术水平，在电力系统发生事故、频率波动较大的情况下，应用自同期并列可以迅速把备用机组投入电网运行，所以曾一度广泛应用于水轮发电机组，作为处理系统事故的重要措施之一。
自同期并列方式不能用于两个系统间的并列操作。同时应该看到当发电机用自同期方式投入电网时，在投入瞬间，未经励磁的发电机接入电网，相当于电网经发电机次暂态电抗短路，因而不可避免地要引起冲击电流。
当机组一定时，自同期并列的冲击电流主要决定于系统的情况，即决定于系统电压和系统电抗。自同期时发电机的端电压值与冲击电流成正比。
另外，必须指出：发电机母线电压瞬时下降对其它用电设备的正常工作将产生影响，为此也需受到限制，所以自同期并列方法现已很少采用。
准同期并列的基本原理在满足并列条件的情况下，采用准同期并列方法将待并发电机组投入电网运行，前已述及只要控制得当就可使冲击电流很小且对电网扰动甚微。因此准同期并列是电力系统运行中的主要并列方式。
设并列断路器DL两侧电压分别为和；并列断路器DL主触头闭合瞬间所出现的冲击电流值以及进入同步运行的暂态过程，决定于合闸时的脉动电压和滑差角速度。因此，准同期并列主要对脉动电压和滑差角速度进行检测和控制，并选择合适的时间发出合闸信号，使合闸瞬间的值在允许值以内。检测的信息也就取自DL两侧的电压，而且主要是对进行检测并提取信息。现对脉动电压的变化规律进行分析。
脉动电压
（一）与两电压幅值相等为便于分析问题，设待并发电机电压与电网电压的幅值相等，而与不等，因此与是作相对运动的两个电压相量。这时断路器DL两侧间电压差为
设初始角＝＝０，并应用和差化积公式得：
（1-5）
令为脉动电压的幅值，则
（1-6）
由（1-6）式可知波形可以看成是幅值为、频率接近于工频的交流电压波形。
又，为滑差角速度。两电压相量间的相角差为
（1-7）
于是 （1-8）
由此可见，为正弦脉动电压，其最大幅值为（或）。的相量图及其瞬时值波形如图1-5（a）、（b）所示。如用相量分析，则可设想系统电压固定，而待并发电机的电压以滑差角速度对转动。当相角差从０到变动时，的幅值相应地从零变到最大值；当从到(重合)变动时，的幅值又从最大值回到零。转动一圈的时间为脉动周期。
（二）与两电压幅值不相等如果并列断路器DL两侧的电压幅值不相等，由图1-1（b）的相量图；应用三角公式可求得的值为
（1-9）
当时，为两电压幅值差；
当时，为两电压幅值和。
两电压幅值不等时电压波形如图1-7所示，由于脉动周期只与有关，所以图1-7中的脉动电压周期表达得与图1-6相同。
（三）利用脉动电压检测准同期并列的条件图1-6和图1-7表明在脉动电压的波形中载有准同期并列所需检测的所有信息——电压幅值差、频率差以及相角差随时间的变化规律。因而可以利用它为自动并列装置提供并列条件的信息以及选择合适的合闸信号发出时间。脉动电压有时也称作滑差电压。
1、电压幅值差电压幅值差为对应于脉动电压波形的最小幅值，由图1-7得
通过对的测量，就可判断与间的电压幅值差是否超出允许值。
2、频率差
与间的频率差就是脉动电压的频率，它与滑差角速度的关系如下式所示：
可见反映了频率差的大小。要求小于某一允许值，就相当于要求脉动电压周期大于某一个给定值。
例如，设滑差角速度的允许值小于0.2％，即
（rad/s）
对应的脉动电压周期的值为
所以的脉动周期大于10s才满足小于0.2％的要求。这就是说测量的值可以检测待并发电机组与电网间的滑差角速度的大小，即频率差的大小。
3、合闸相角差的控制前面已经提及，最理想的合闸瞬间是在与两电压相量重合的瞬间。考虑到断路器操作机构和合闸回路的固有动作时间，必须在两电压相量重合之前发出合闸信号，即取一提前量。这一段时间一般称为“越前时间”，由于该越前时间只需按断路器的合闸时间（准同期装置的动作时间可忽略）进行整定，整定值应和滑差及压差无关，故称为“恒定越前时间”。
二、自动准同期装置为了使待并发电机组满足并列条件，自动准同期装置设置了三个控制单元。
（1）频差控制单元。它的任务是检测与间的滑差角速度，且调节发电机转速，使发电机电压的频率接近于系统频率。
（2）电压控制单元。它的功能是检测与间的电压差，且调节发电机电压使它与间的电压差值小于规定允许值，促使并列条件的形成。
（3）合闸信号控制单元。检查并列条件，当待并机组的频率和电压都满足并列条件，合闸控制单元就选择合适的时机，即在相角差等于零的时刻，提前一个“恒定越前时间”发出合闸信号。
自动准同期装置的组成可用图1-8表示，同步发电机的准同期并列装置按自动化程度分为：
（1）半自动准同期并列装置。这种并列装置没有频差调节和电压调节功能，只有合闸信号控制单元。并列时，待并发电机的频率和电压由运行人员监视和调整，当频率和电压都满足并列条件时，并列装置就会在合适的时刻发出合闸信号。它与手动并列的区别仅仅是合闸信号由该装置经判断自动发出，而不是由运行人员手动发出。
（2）自动准同期并列装置。如图1-8所示，其中设置了频率控制单元、电压控制单元和合闸信号控制单元。当同步发电机并列时，发电机的频率或电压都由并列装置自动调节，使它与电网的频率、电压间的差值减小。当满足并列条件时，自动选择合适时机发出合闸信号。
三、准同期并列合闸信号的控制在准同期并列操作中，合闸信号控制单元是准同期并列装置的核心部件，所以准同期并列装置原理也往往是指该控制单元的原理。其控制原则是当频率和电压满足并列条件的情况下，在与要重合之前发出合闸信号。在两电压相量重合之前的信号称为提前量信号，装置的逻辑结构图如图1-9所示。
1、越前时间
越前时间采用的提前量为恒定时间信号，
即在脉动电压到达两电压相量重合（）
之前发出合闸信号，一般取等于断路器的合闸时间和自动准同期装置的动作时间之和，因此采用恒定越前时间的并列装置理论上可以使合闸相角差等于零。
通常令 （1-10）
式中 ―自动准同期装置的动作时间；
——并列断路器的合闸时间。
主要决定于，其值随断路器的类型而不同。所以装置中的应便于整定，以适应不同断路器的需要。
2、允许滑差角速度
在等于零之前的恒定时间发出合闸信号，它对应的越前相角的值是随而变化的，其变化规律如图1-10示。
由于，当为定值时，发出合闸脉冲的越前相角与成正比。
即由于 ，
所以
虽然从理论上讲，按恒定越前时间原理工作的自动并列装置可以使合闸相角差等于零，
但实际上由于装置的越前信号时间、出口继电器的动作时间以及断路器的合闸时间存在着分散性，因而并列时仍难免具有合闸相角差，这就使并列时的允许滑差角速度受到限制。
设为发电机组的允许合闸相角，由（1-11）可求得最大允许滑差
（1-11）
式中、——自动并列装置、断路器的动作误差时间。
决定于发电机的最大冲击电流值，当给定值后，可求得
（1-12）
将取得的值代入（1-11）式，即可求得允许滑差。
例1-1 某发电机采用自动准同期并列方式与系统进行并列，系统的参数已归算到以发电机额定容量的标么值。一次系统的参数为：发电机交轴次暂态电抗为0.125；系统等值机组的交轴次暂态电抗与线路电抗为0.25；断路器合闸时间＝0.5s，它的最大可能误差时间为±20％；自动并列装置最大误差时间为±0.05s；待并发电机允许的冲击电流值为。
试计算允许合闸误差角、允许滑差角速度，与相应的脉动电压周期。
解 （1）允许合闸误差角
＝ （rad）
即为。
（2）允许滑差角速度
断路器合闸动作误差时间 （s）
自动并列装置的误差时间 （s）
所以 （rad/s）
如果滑差角速度采用标么值表示，则
（3）脉动电压周期
（s）
恒定越前时间并列装置我们知道，脉动电压含有同期合闸所需要的所有信息：电压幅值差、频率差和合闸相角差。但是，在实际装置中，我们却不能利用它检测并列条件。原因是，它的幅值与发电机电压和系统电压有关。这就使得利用脉动电压检测并列条件的越前时间信号和频率检测引入了受电压影响的因素，造成越前时间信号时间误差不准，从而成为合闸误差的原因之一。
线性整步电压在滑差存在的情况下，母线电压与发电机电压之间的相角差不为常数，而是时间的函数（），随着的变化，从到做周期性变化。
线性整部电压使值器副职在以周期内与相角差分段按比例变化的电压，一般呈三角形波形。其特点如下：如图1-11（a），当在~区间时，线性整步电压与相角差成反比，线性整步电压的大小随的增加而减小；当时线性整步电压为最大值，在~区间时，线性整步电压与相角差成正比，线性整步电压的大小随的增加而增加。如图1-11（b）。由此可见，线性整步电压与相角差之间是分段的比例关系，而与周期电压和无关。
线性整步电压的数学描述可用两个直线方程表示为：
式中 ——三角波的顶值电压线性整步电压形成电路是由电压变换、整形电路、相敏电路、低通滤波器和射极跟随器组成。
整形电路是将和的正弦波换成与主频率和相位相同的一系列方波，方波的幅值与、的幅值无关。如图1-12（a）、（b）、（c）所示。
相敏电路是在两个输入信号的电平相同时输出为高电平“1”，两者不同时则输出为低电平“0”。如图1-12（d）所示。
滤波电路和射极跟随器输出。为了获得线性整步电压与相角差的线性关系，采用滤波器平滑波形，其特性见图1-12（e），为了提高整步电压信号的负载能力，采用射极跟随器输出。
恒定越前时间恒定越前时间部分是由、组成的比例－微分回路和电平检测器构成，如图1-13所示当整步电压加至比例－微分回路后，在电阻上的输出电压可以利用叠加原理来求出，即为图1-14输出电压与的叠加。
在图1-14（b）中由于电容器的容量很小，容抗很大，其作用可以忽略，故
在图1-14（c）中，若，则
现讨论在区间，若电平检测器翻转电平为，翻转时间为，则动作的临界条件为：
即：
上式表明，电平检测器反转瞬间的值与无关，而是仅与及的数值有关的常量，右端的负号表示与所取时间标尺的方向相反，即为“越前”时间，故为恒定越前时间。图1-15表示在不同的滑差周期下，越前时间能够恒定的示意图。为“比例”部分，为“微分”部分，因而在虚线表示的电平检测器反转瞬间，能够获得恒定的越前时间。当开关的合闸时间不同时，可以分别调整与的数值，以获得相应的越前时间，是并列瞬间相角差为零。
滑差检测利用比较恒定越前时间电平检测器和恒定越前相角电平检测器的动作次序来实现滑差检查，如图1-16所示。恒定越前相角电平检测器输入线性整步电压，当输入电压等于或大于整定点平时，电平检测器动作，输出低电平，随着滑差的不断减小，即，恒定越前相角检测器动作时间随之不断加大。如果将图中按允许滑差下恒定越前时间的相角差进行整定，则有如下关系：
即,
当时
当时
当时
只有当，即恒定越前相角电平检测器先于越前时间动作时，才说明这时的小于允许滑差的频率，从而作出频率差符合并列条件的判断。反之，如果信号到来时尚未获得恒定越前相角电平检测器的翻转信号，就可作出频率差不符合并列条件的判断。
电压差检测由于线性整步电压不载有并列电两侧电压幅值的信息，所以就无法作为电压差的检测。
电压差检测可直接用和的幅值进行比较，两电压分别经变压器、整流桥和一个电压平衡电路后检测电压差的绝对值。当此电压差小于允许值时发出“电压差合格允许合闸”信号。
合闸信号控制逻辑并列装置的合闸控制逻辑框图可以表示为图1-17。它的工作是当并列条件检测元件测得的信号均符合允许并列时，即频率差、电压差都在允许范围内，当越前时间信号测得的瞬间，就发出合闸控制信号；当不符合并列条件时，即频率差或电压差两个条件中任一条件不符（超出允许值），它就发出闭锁信号，阻止信号输出，不让发出合闸信号，即不允许并列。
图1-17种频率差检测采用相位比较法。图中与们是四端输入的负逻辑与门，是合闸控制信号的输出电路。可见，合闸控制信号是否输出，决定于与门条件是否满足。前已述及，如果频率差或电压差人一跳进不符合，相角差在-π～0区间，与门相应的输入端（，或输入端）即出现高电平，闭锁合闸控制信号输出。当频率差、电压差均满足并列条件时，与门输入端中的记忆元件输出和均为低电平，一旦越前时间信号出现低电平时，与门输入端全为低电平，即允许信号通过，输出合闸信号进行并列。
为了防止并列装置投入瞬间与门、输入端电平的随机性可能误发合闸信号，从可靠性考虑，加一瞬时高电平，闭锁与门工作，待投入一定时间后，待并列装置检测元件进入正常工作状态，即解除的闭锁作用，也就是正常工作时，恒为低电平，不影响并列装置的工作。
频差控制频差控制单元的任务是将待并发电机的频率调整到接近于电网频率，使频率差趋向并列条件允许的范围，以促成并列的实现。如果待并发电机的频率低于电网频率，则要求发电机升速，发升速脉冲。反之，应发减速脉冲。当频率差值较大时，发出的调节量相应大些。当频率差值小时，发出的调节量也就小些，以配合并列操作的工作。
根据上述要求，频率差控制单元可由频率差方向测量环节和频率调整执行环节两部分组成。前者判别和间频率的高低，作为发升速脉冲或减速脉冲的依据。后者按比例调节的要求，调整发电机组的转速。
滑差方向的检测原理图1-18（a）说明当时，在相角自0o运动到180o的过程中，始终超前；相当时，在自0o运动到180o的过程中，始终超前，因此，要判断的方向，只需在自0o运动到180o的过程中的任一时间，看和谁超前谁滞后就可以了。如果此时超前，则，发电机立刻减速；反之，此时超前，则，发电机立刻增速。这个原理是通过越前鉴别与区间鉴别两个措施来实现的。所谓越前鉴别就是判定和谁是越前电压；所谓区间鉴别就是判定正处在0~π区间。从图1-18（b）表示的整步电压图形可以看出，的下倾侧就是所要求的鉴别区间，这区间的任一点都可用来进行越前鉴别。
频差控制框图区间鉴别
区间鉴别只在时发一个宽度恒定的脉冲使与门开放一段时间，发出调速脉冲。其余时间被闭锁，不乏调速脉冲，如图1-19所示。 选择是发调速脉冲是为了与合闸脉冲的发出时间隔开，合闸脉冲的发出时间是在之前发出的，正好是在的上倾侧。
越前鉴别
越前鉴别是判定和谁是越前电压。越前鉴别的输入信号为和的方波。从图1-20可以看出，在越前相角为0~π区间内，当时，系统方波由高平变为低电平时，发电机仍为高电平，因此越前鉴别的增速脉冲回路输出一系列正脉冲，而越前鉴别的减速脉冲回路无输出，表示系统频率高。如图1-20所示。反之，若，则越前鉴别的减速脉冲回路输出一系列正脉冲，越前鉴别的增速脉冲回路无输出，表示发电机频率高。从而可以判别滑差的方向。
比例调节
在每一个滑差周期内发一次宽度恒定的增速或减速脉冲，均频脉冲时间的占用率与频差成正比，称为比例脉冲调节制。它能在频差大时，使均频脉冲的次数较为频繁，进入汽轮机的动力元素在单位时间内的改变量较大，以迅速弥补频率的差别；而在频差小时，使均频脉冲的次数较少，进入汽轮机的动力元素在单位时间内的改变也较少，从而避免过调。所以，比例调节脉冲可以使均频过程迅速而平稳地进行。
压差控制电压差控制单元的任务是在并列操作过程中，自动调节待并发电机的电压，使电压差条件符合并列的要求。它的构成框图与频率差控制的相似。由电压差方向测量环节和脉冲展宽电路组成。
数字式并列装置一、概述用大规模集成电路微处理器（CPU）等器件构成的数字式并列装置，由于硬件简单，编程方便灵活，运行可靠，且技术上已日趋成熟，成为当前自动并列装置发展的主流。微处理器(CPU)具有高速运算和逻辑判断能力，它的指令周期以微秒计，这对于发电机频率为50Hz、每周期20ms的信号来说，可以具有足够充裕的时间进行相角差和滑差角速度近乎瞬时值的运算，并按照频差值的大小和方向、电压差值的大小和方向，确定相应的调节量，对机组进行调节，以达到较满意的并列控制效果。一般模拟式并列装置为了简化电路，在一个滑差周期时间内，把假设为恒定。而数字式并列装置可以克服这一假设的局限性，采用较为精确的公式，考虑相角差可能具有加速运动等问题，能按照当时的变化规律，选择最佳的越前时间发出合闸信号，可以缩短并列操作的过程，提高了自动并列装置的技术性能和运行可靠性。并列装置引入了计算机技术后，可以较方便地应用检测和诊断技术对装置进行自检，提高了装置的维护水平。
数字式并列装置由硬件和软件组成，以下分别进行介绍。
二、硬件电路以微处理器(CPU)为核心的数字式并列装置，就是一台专用的计算机控制系统。因此按照计算机控制系统组成原则，硬件的基本配置由主机，输入、输出接口和输入、输出过程通道等部件组成。它的原则性框图如图l-20所示。
（一）主机微处理器（CPU）是控制装置的核心。它和存贮器(RAM、ROM)一起，通常又称为主机。控制对象运行变量的采样输入存放在可读写的随机存贮器RAM内，固定的系数和设定值以及编制的程序，则固化存放在只读存储器ROM内。自动并列装置的重要参数，如断路器合闸时间、频率差和电压差允许并列的阀值、滑差角加速度计算系数、频率和电压控制调节的脉冲宽度等，为了既能固定存贮、又便于设置和整定值的修改，可存放在E2PROM中。
程序是按照人们事先选用的控制规律(数学模型)进行信息处理（分析和计算）以作出相应的调节控制决策，以数码形式通过接口电路、输出过程通道作用于控制对象，编制的程序通常也固化在E2PROM内。
（二）输入、输出接口电路在计算机控制系统中，输入、输出过程通道的信息不能直接与主机的总线相接，它必须由接口电路来完成信息传递的任务。现在各种型号的CPU芯片都有相应的通用接口芯片供选用。它们有串行接口、并行接口、管理接口(计数／定时、中断管理等)、模拟量数字量间转换（A／D、D/A）等电路。有关这些通用接口电路的介绍，可参阅有关微机原理等教材。
（三）输入、输出过程通道为了实现发电机自动并列操作，须将电网和待并发电机的电压、频率等状态量按要求送到接口电路进入主机。计算机将调节量、合闸信号等输出控制待并机组。就需要把计算机接口电路输出信号变换为适合于对待并机组进行调节或合闸的操作信号。可见在计算机接口电路和并列操作控制对象的过程之间必须设置信息的传递和变换设备，通常人们称之为过程输入、输出通道。它是接口电路和控制对象之间传递信号的媒介。所以必须按控制对象的要求，选择与之匹配的通道。
1．输入通道按发电机并列条件，分别从发电机和母线电压互感器二次侧交流电压信号中提取电压幅值、频率和相角差等三种信息，作为并列操作的依据。
（1）交流电压幅值测量。这里有两种方法可供选择，一种是最简单化的办法采用变送器，把交流、电压转换成直流电压，然后由A／D接口电路进入主机，其原理图见图1-22（a）。CPU读得和的有效值后，由软件作出是否符合并列条件的判断。
另一种方法是对交流电压信号直接采样，然后通过计算求得它的有效值，显然这势必加重CPU的负担，增加软件工作，目前常用的主机性能是能胜任的。交流采样的数学模型将在第二章中介绍。
（2）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T，图1-22（b）为测频的方案之一。把交流电压正弦信号转化为方波，经二分频后，它的半波时间即为交流电压的周期T。具体的实施可利用正半周高电平作为中断申请信号，由CPU读取其中计数值N，并使计数器复位，以便为下一个周期计数做好准备。
如可编程定时计数器的计时脉冲频率为，则交流电压的周期T为
于是求得交流电压的频率为
（1-16）
(3)相角差测量。测量的方案之一，如图1-23所示。把电压互感器电压信号转换成同频、同相的方波。、的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N即与两波形间的相角差相对应。
2．输出通道自动并列装置的输出控制信号有：①发电机转速调节的增速、减速信号；②调节发电机电压的升压、降压信号；③并列断路器合闸脉冲控制信号。这些控制信号可由并行接口电路输出，经放大后驱动继电器用触点控制相应的电路。
（四）人一机联系这是计算机控制系统必备的设施，属常规外部设备。其配置则视具体情况而定。自动并列装置主要用于程序调试，设置或修改参数。装置运行时，用于显示发电机并列过程中的主要变量，如相角差、频率差、电压差的大小和方向以及调速、调压的情况。总之，应为运行操作人员监视装置的运行提供方便。
常用的设备有：
（1）键盘——用于输入程序和数据。
（2）按钮——供运行人员操作。
（3）CRT显示器二—生产厂调试程序时需要。
（4）数码和发光二极管显示指示——为操作人员提供直观的显示方式，以利于过程的监控。
三、数字式并列装置的软件数字式自动并列装置借助于微处理器的高速处理信息能力，利用编制的程序，在硬件的配合下实现发电机并列操作。并列条件的检测与合闸信号控制程序所采用的算法介绍如下。
（一）电压检测交流电压变送器输出的直流电压与输入的交流电压值成正比。如图1-22（a）所示，CPU从A/D转换接口读取的电压量、分别表示和的有效值。设机组并列时，电压偏差设定的阀值为，装置内对应的设定值为。
当时，不允许合闸信号输出；
当时，允许合闸信号输出。
如时，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。
（二）频率检测发电机电压和电网电压分别由可编程定时计数器计数，主机读取计数脉冲值和。由（1-16）式求得和。与上述电压检测所采用算式类同，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。按发电机频率高于或低于电网频率来输出减速或增速信号。选择在0到期间，调节量按差值比例进行调节。
（三）越前时间检测前已述及线性整步电压与相角差之间的关系是从宽度不等的矩形波求得，即矩形波的宽度与相角差有关。同理由图1-23接线所示，和的两方波加至异或门后，在异或门的输出端也是一系列宽度不等的矩形波，表示了相角差的变化。借助于定时计数器CPU可读取矩形波宽度的大小，求得两电压间相角差的变化轨迹。为了叙述方便起见，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1-24（a）所示，经削波限幅后得到图1-24（b）所示的方波，两方波异或后得到图1-24（c）中的一系列宽度不等的矩形波。显然，这一系列矩形波宽度与相角差相对应。系统电压方波的宽度为已知，它等于二分之—周期（或），因此可按下式求得。
（1-17）
（1-17）式中和的值，CPU可以从定时计数器读入求得。如每一个工频周期（约20ms）作一次计算，主机可记录下的轨迹，如图1-25所示。数字式准同期装置可按下式计算理想的导前合闸相角，它可以计及含有加速度的情况：
（1-18）
式中——计算点的滑差角速度，其值可按下式求得
（1-19）
其中 和——分别是计算点和上一个计算点的角度值；
——两计算点的时间
——微处理器发出合闸信号到主触头闭合时需要经历的时间。设为出口继电器动作时间，则
（1-20）
由于两相邻计算点间的变化甚微，因此一般可以经若干计算点后才计算一次，所以（1-18）式的可表示为
（1-21）
式中 、——分别为本计算点和前个计算点求得的值。
据式（1-18）可以求出最佳的合闸越前相角值，该值与本计算点的相角按下式进行比较（下式中为计算允许误差）
如果 （1-22）
（1-22）式成立，则立刻发出合闸信号。
如果 （1-23）
又 （1-24）
则继续进行下一点计算，直到逐渐逼近符合（1-22）式为止。
设在计算中，一个滑差周期的曲线如图1-25（a）中直线A所示，它对应的为常数（直线），这时＝0，与常规准头同期越前时间公式类同，如果的曲线如图1-25（b）中曲线B所示，与它对应的为直线（按等速变化），这相当于待并机按恒定加速升速，发电机频率与电网频率逐渐接近。这时（1-18）式为计及发电机加速度后求出的最佳合闸角速度。可见，微处理机准同期装置可以方便地考虑频率差的不同变化规律，并不需要增加硬件，这是它最突出的优点。最佳的合闸导前角的与本计算点的久比较也有可能出现下式情况，即
（1-25）
这就是如图1-26中所示，错过了合闸时机的情况。设待并发电机转速恒定，本计算时a点对应已接近，但不符合（1-22）式且符合（1-23）式和（1-24）式。可是当下一个计算点时，b点还是不符合（1-22）式却符合（1-23）式和（1-25）式，这就错过了合闸时机。
为了避免上述情况，在进行本点计算时，可同时对下一个计算点值进行测量。估计最佳合闸导前相角是否介于计算点与下一个预测点之间，以便及时采取措施，推算出～所需的时间。这样可以在不失时机地在越前相角瞬间发出合闸信号。因此，一旦待并发电机的电压、频率符合允许并列条件，在一个滑差周期内就可以捕捉到最佳合闸导前角，及时发出合闸信号。
由于断路器的合闸时间具有一定的分散性，在给定允许合闸误差角的条件下，并列时的允许滑差角速度及角加速度需通过计算确定。
从、的电压波形中采集两并列电源问的相角差、频率差等信息，数字式准同期并列装置充分发挥了微处理器高速运算能力且性能稳定，因而具有显著优点。
式中 ——电压幅值
——电压的角速度
——初相角
同步发电机组并列时遵循如下的原则：
并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能的小，其瞬时最大值一般不超过１～２倍的额定电流。
发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动。
方法两种,准同期并列（一般采用）、自同期并列。
二、准同期并列待并发电机组加励磁电流，其端电压G，调节G的状态参数使之符合并列条件。
设发电机电压G的角速度为，电网电压x的角速度为，它们间的相量差G—x为s。
要求DL合闸瞬间的s应尽可能的小，其最大值应使冲击电流不超过允许值。最理想的情况是s的值为零。
并且希望并列后能顺利进入同步运行状态，对电网无任何扰动。
理想条件为G，x的三个状态量全部相等。
这时并列合闸的冲击电流等于零，并且并列后发电机G与电网立即进入同步运行，不发生任何扰动现象。
5． 三个条件很难同时满足。
（一）电压幅值差并列时：①频率=；
②相角差等于零；
③电压幅值不等：
则冲击电流最大值为：
式中 、——发电机电压、电网电压有效值；
——发电机直轴次暂态电抗从图1-2（a）可见，因为与夹角为90o，所以由电压幅值差产生的冲击电流主要为无功冲击电流。
冲击电流的电动力对发电机绕组产生影响，由于定子绕组端部的机械强度最弱，所以须特别注意对它所造成的危害。由于并列操作为正常运行操作，冲击电流最大瞬时值限制在1～2倍额定电流以下为宜。为了保证机组的安全，我国曾规定压差冲击并列电流不允许超过机端短路电流的二十分之一到十分之一。据此，得到准同期并列的一个条件为：电压差不能超过额定电压的5～10％。现在一些巨型发电机组更规定在0.1％以下，即希望尽量避免无功冲击电流。
（二）合闸相角差并列合闸时：①发电机频率等于电网频率；
②发电机电压幅值等于电网电压幅值；
③相角差不为零。
则冲击电流的最大值为
式中 ——系统电压有效值；
——发电机交轴次暂态电抗。
从图1-2（b）可见，当相角差较小时，因为与的夹角为0o，所以由电压相角差产生的冲击电流主要为有功冲击电流。
（三）频率不相等
频差、滑差、滑差周期频差：
电角速度之差称为滑差角速度，简称滑差，用表示：
很显然，是有正负值的，其方向与所规定的参考矢量有关。图1-3中，以系统电压为参考矢量，于是时，>0，当时，。反之，若以为参考矢量，则的方向恰好相反。
滑差周期为，可见频差，滑差与滑差周期是可以相互转换的，它们都是描述两电压矢量相对运动快慢的一组数据。
可见频差，滑差和滑差周期都可以用来确定地表示待并发电机与系统之间频率差的大小。滑差大，则滑差周期短；滑差小，则滑差周期长。在有滑差的情况下，将机组投入电网，需要经过一段加速或减速的过程，才能使机组与系统在频率上“同步”。加速或减速力矩会对机组造成冲击。显然，滑差越大，并列时的冲击就越大，因而应该严格限制并列时的允许滑差。我国在发电厂进行正常人工手动并列操作时，一般取滑差周期在10～16s之间。
频率不相等对待并发电机组暂态过程的影响图1-4为待并发电机组进入同步运行的暂态过程示意图。
众所周知，当发电机组与电网间进行有功功率交换时，如果发电机的电压超前电网电压，发电机发出功率，则发电机将制动而减速。反之，当落后时，发电机吸收功率，则发电机将加速。所以交换功率的方向与相角差的正负有关。
下面定义发电机发出功率为“发电机状态”；发电机吸收功率为“电动机状态”。现设原动机的输入功率恒定不变，又大于；令合闸时的相角差为,此时的滑差角速度为（图中a点），并为超前情况。可见合闸后发电机处于“发电机状态”而受到制动。发出功率沿功角特性到达b点时等于；这时达到最大，由于发电机仍处于“发电机状态”，所以开始减小，所以也逐渐减小，发电机功率沿特性曲线往回摆动到达坐标原点时，因小于而使相角差开始变负，交换功率变负，发电机组处于“电动机状态”又重新加速；交换功率沿特性曲线变动直到等于图中的C点，相角差又往反方向运动。这样来回摆动由于阻尼等因素直到进入同步运行时为止。
显然，进入同步状态的暂态过程与合闸时滑差角速度的大小有关。当较小时，到达最大相角b点时的较小，可以很快进入同步运行。当较大时，如图1-4所示，则需经历较长时间振荡才能进入同步运行（如果很大，b点超出，则将导致失步）。所以滑差大暂态过程长，滑差小暂态过程短。
三、自同期并列自同期并列操作是将一台未加励磁电流的发电机组升速到接近于电网频率，滑差角速度不超过允许值，且机组的加速度小于某一给定值的条件下，首先合上并列断路器DL接着立刻合上励磁开关，给转子加上励磁电流，在发电机电动势逐渐增长的过程中，由电力系统将并列的发电机组拉入同步运行。
自同期并列最突出优点是控制操作非常简单，限于当时控制技术水平，在电力系统发生事故、频率波动较大的情况下，应用自同期并列可以迅速把备用机组投入电网运行，所以曾一度广泛应用于水轮发电机组，作为处理系统事故的重要措施之一。
自同期并列方式不能用于两个系统间的并列操作。同时应该看到当发电机用自同期方式投入电网时，在投入瞬间，未经励磁的发电机接入电网，相当于电网经发电机次暂态电抗短路，因而不可避免地要引起冲击电流。
当机组一定时，自同期并列的冲击电流主要决定于系统的情况，即决定于系统电压和系统电抗。自同期时发电机的端电压值与冲击电流成正比。
另外，必须指出：发电机母线电压瞬时下降对其它用电设备的正常工作将产生影响，为此也需受到限制，所以自同期并列方法现已很少采用。
准同期并列的基本原理在满足并列条件的情况下，采用准同期并列方法将待并发电机组投入电网运行，前已述及只要控制得当就可使冲击电流很小且对电网扰动甚微。因此准同期并列是电力系统运行中的主要并列方式。
设并列断路器DL两侧电压分别为和；并列断路器DL主触头闭合瞬间所出现的冲击电流值以及进入同步运行的暂态过程，决定于合闸时的脉动电压和滑差角速度。因此，准同期并列主要对脉动电压和滑差角速度进行检测和控制，并选择合适的时间发出合闸信号，使合闸瞬间的值在允许值以内。检测的信息也就取自DL两侧的电压，而且主要是对进行检测并提取信息。现对脉动电压的变化规律进行分析。
脉动电压
（一）与两电压幅值相等为便于分析问题，设待并发电机电压与电网电压的幅值相等，而与不等，因此与是作相对运动的两个电压相量。这时断路器DL两侧间电压差为
设初始角＝＝０，并应用和差化积公式得：
（1-5）
令为脉动电压的幅值，则
（1-6）
由（1-6）式可知波形可以看成是幅值为、频率接近于工频的交流电压波形。
又，为滑差角速度。两电压相量间的相角差为
（1-7）
于是 （1-8）
由此可见，为正弦脉动电压，其最大幅值为（或）。的相量图及其瞬时值波形如图1-5（a）、（b）所示。如用相量分析，则可设想系统电压固定，而待并发电机的电压以滑差角速度对转动。当相角差从０到变动时，的幅值相应地从零变到最大值；当从到(重合)变动时，的幅值又从最大值回到零。转动一圈的时间为脉动周期。
（二）与两电压幅值不相等如果并列断路器DL两侧的电压幅值不相等，由图1-1（b）的相量图；应用三角公式可求得的值为
（1-9）
当时，为两电压幅值差；
当时，为两电压幅值和。
两电压幅值不等时电压波形如图1-7所示，由于脉动周期只与有关，所以图1-7中的脉动电压周期表达得与图1-6相同。
（三）利用脉动电压检测准同期并列的条件图1-6和图1-7表明在脉动电压的波形中载有准同期并列所需检测的所有信息——电压幅值差、频率差以及相角差随时间的变化规律。因而可以利用它为自动并列装置提供并列条件的信息以及选择合适的合闸信号发出时间。脉动电压有时也称作滑差电压。
1、电压幅值差电压幅值差为对应于脉动电压波形的最小幅值，由图1-7得
通过对的测量，就可判断与间的电压幅值差是否超出允许值。
2、频率差
与间的频率差就是脉动电压的频率，它与滑差角速度的关系如下式所示：
可见反映了频率差的大小。要求小于某一允许值，就相当于要求脉动电压周期大于某一个给定值。
例如，设滑差角速度的允许值小于0.2％，即
（rad/s）
对应的脉动电压周期的值为
所以的脉动周期大于10s才满足小于0.2％的要求。这就是说测量的值可以检测待并发电机组与电网间的滑差角速度的大小，即频率差的大小。
3、合闸相角差的控制前面已经提及，最理想的合闸瞬间是在与两电压相量重合的瞬间。考虑到断路器操作机构和合闸回路的固有动作时间，必须在两电压相量重合之前发出合闸信号，即取一提前量。这一段时间一般称为“越前时间”，由于该越前时间只需按断路器的合闸时间（准同期装置的动作时间可忽略）进行整定，整定值应和滑差及压差无关，故称为“恒定越前时间”。
二、自动准同期装置为了使待并发电机组满足并列条件，自动准同期装置设置了三个控制单元。
（1）频差控制单元。它的任务是检测与间的滑差角速度，且调节发电机转速，使发电机电压的频率接近于系统频率。
（2）电压控制单元。它的功能是检测与间的电压差，且调节发电机电压使它与间的电压差值小于规定允许值，促使并列条件的形成。
（3）合闸信号控制单元。检查并列条件，当待并机组的频率和电压都满足并列条件，合闸控制单元就选择合适的时机，即在相角差等于零的时刻，提前一个“恒定越前时间”发出合闸信号。
自动准同期装置的组成可用图1-8表示，同步发电机的准同期并列装置按自动化程度分为：
（1）半自动准同期并列装置。这种并列装置没有频差调节和电压调节功能，只有合闸信号控制单元。并列时，待并发电机的频率和电压由运行人员监视和调整，当频率和电压都满足并列条件时，并列装置就会在合适的时刻发出合闸信号。它与手动并列的区别仅仅是合闸信号由该装置经判断自动发出，而不是由运行人员手动发出。
（2）自动准同期并列装置。如图1-8所示，其中设置了频率控制单元、电压控制单元和合闸信号控制单元。当同步发电机并列时，发电机的频率或电压都由并列装置自动调节，使它与电网的频率、电压间的差值减小。当满足并列条件时，自动选择合适时机发出合闸信号。
三、准同期并列合闸信号的控制在准同期并列操作中，合闸信号控制单元是准同期并列装置的核心部件，所以准同期并列装置原理也往往是指该控制单元的原理。其控制原则是当频率和电压满足并列条件的情况下，在与要重合之前发出合闸信号。在两电压相量重合之前的信号称为提前量信号，装置的逻辑结构图如图1-9所示。
1、越前时间
越前时间采用的提前量为恒定时间信号，
即在脉动电压到达两电压相量重合（）
之前发出合闸信号，一般取等于断路器的合闸时间和自动准同期装置的动作时间之和，因此采用恒定越前时间的并列装置理论上可以使合闸相角差等于零。
通常令 （1-10）
式中 ―自动准同期装置的动作时间；
——并列断路器的合闸时间。
主要决定于，其值随断路器的类型而不同。所以装置中的应便于整定，以适应不同断路器的需要。
2、允许滑差角速度
在等于零之前的恒定时间发出合闸信号，它对应的越前相角的值是随而变化的，其变化规律如图1-10示。
由于，当为定值时，发出合闸脉冲的越前相角与成正比。
即由于 ，
所以
虽然从理论上讲，按恒定越前时间原理工作的自动并列装置可以使合闸相角差等于零，
但实际上由于装置的越前信号时间、出口继电器的动作时间以及断路器的合闸时间存在着分散性，因而并列时仍难免具有合闸相角差，这就使并列时的允许滑差角速度受到限制。
设为发电机组的允许合闸相角，由（1-11）可求得最大允许滑差
（1-11）
式中、——自动并列装置、断路器的动作误差时间。
决定于发电机的最大冲击电流值，当给定值后，可求得
（1-12）
将取得的值代入（1-11）式，即可求得允许滑差。
例1-1 某发电机采用自动准同期并列方式与系统进行并列，系统的参数已归算到以发电机额定容量的标么值。一次系统的参数为：发电机交轴次暂态电抗为0.125；系统等值机组的交轴次暂态电抗与线路电抗为0.25；断路器合闸时间＝0.5s，它的最大可能误差时间为±20％；自动并列装置最大误差时间为±0.05s；待并发电机允许的冲击电流值为。
试计算允许合闸误差角、允许滑差角速度，与相应的脉动电压周期。
解 （1）允许合闸误差角
＝ （rad）
即为。
（2）允许滑差角速度
断路器合闸动作误差时间 （s）
自动并列装置的误差时间 （s）
所以 （rad/s）
如果滑差角速度采用标么值表示，则
（3）脉动电压周期
（s）
恒定越前时间并列装置我们知道，脉动电压含有同期合闸所需要的所有信息：电压幅值差、频率差和合闸相角差。但是，在实际装置中，我们却不能利用它检测并列条件。原因是，它的幅值与发电机电压和系统电压有关。这就使得利用脉动电压检测并列条件的越前时间信号和频率检测引入了受电压影响的因素，造成越前时间信号时间误差不准，从而成为合闸误差的原因之一。
线性整步电压在滑差存在的情况下，母线电压与发电机电压之间的相角差不为常数，而是时间的函数（），随着的变化，从到做周期性变化。
线性整部电压使值器副职在以周期内与相角差分段按比例变化的电压，一般呈三角形波形。其特点如下：如图1-11（a），当在~区间时，线性整步电压与相角差成反比，线性整步电压的大小随的增加而减小；当时线性整步电压为最大值，在~区间时，线性整步电压与相角差成正比，线性整步电压的大小随的增加而增加。如图1-11（b）。由此可见，线性整步电压与相角差之间是分段的比例关系，而与周期电压和无关。
线性整步电压的数学描述可用两个直线方程表示为：
式中 ——三角波的顶值电压线性整步电压形成电路是由电压变换、整形电路、相敏电路、低通滤波器和射极跟随器组成。
整形电路是将和的正弦波换成与主频率和相位相同的一系列方波，方波的幅值与、的幅值无关。如图1-12（a）、（b）、（c）所示。
相敏电路是在两个输入信号的电平相同时输出为高电平“1”，两者不同时则输出为低电平“0”。如图1-12（d）所示。
滤波电路和射极跟随器输出。为了获得线性整步电压与相角差的线性关系，采用滤波器平滑波形，其特性见图1-12（e），为了提高整步电压信号的负载能力，采用射极跟随器输出。
恒定越前时间恒定越前时间部分是由、组成的比例－微分回路和电平检测器构成，如图1-13所示当整步电压加至比例－微分回路后，在电阻上的输出电压可以利用叠加原理来求出，即为图1-14输出电压与的叠加。
在图1-14（b）中由于电容器的容量很小，容抗很大，其作用可以忽略，故
在图1-14（c）中，若，则
现讨论在区间，若电平检测器翻转电平为，翻转时间为，则动作的临界条件为：
即：
上式表明，电平检测器反转瞬间的值与无关，而是仅与及的数值有关的常量，右端的负号表示与所取时间标尺的方向相反，即为“越前”时间，故为恒定越前时间。图1-15表示在不同的滑差周期下，越前时间能够恒定的示意图。为“比例”部分，为“微分”部分，因而在虚线表示的电平检测器反转瞬间，能够获得恒定的越前时间。当开关的合闸时间不同时，可以分别调整与的数值，以获得相应的越前时间，是并列瞬间相角差为零。
滑差检测利用比较恒定越前时间电平检测器和恒定越前相角电平检测器的动作次序来实现滑差检查，如图1-16所示。恒定越前相角电平检测器输入线性整步电压，当输入电压等于或大于整定点平时，电平检测器动作，输出低电平，随着滑差的不断减小，即，恒定越前相角检测器动作时间随之不断加大。如果将图中按允许滑差下恒定越前时间的相角差进行整定，则有如下关系：
即,
当时
当时
当时
只有当，即恒定越前相角电平检测器先于越前时间动作时，才说明这时的小于允许滑差的频率，从而作出频率差符合并列条件的判断。反之，如果信号到来时尚未获得恒定越前相角电平检测器的翻转信号，就可作出频率差不符合并列条件的判断。
电压差检测由于线性整步电压不载有并列电两侧电压幅值的信息，所以就无法作为电压差的检测。
电压差检测可直接用和的幅值进行比较，两电压分别经变压器、整流桥和一个电压平衡电路后检测电压差的绝对值。当此电压差小于允许值时发出“电压差合格允许合闸”信号。
合闸信号控制逻辑并列装置的合闸控制逻辑框图可以表示为图1-17。它的工作是当并列条件检测元件测得的信号均符合允许并列时，即频率差、电压差都在允许范围内，当越前时间信号测得的瞬间，就发出合闸控制信号；当不符合并列条件时，即频率差或电压差两个条件中任一条件不符（超出允许值），它就发出闭锁信号，阻止信号输出，不让发出合闸信号，即不允许并列。
图1-17种频率差检测采用相位比较法。图中与们是四端输入的负逻辑与门，是合闸控制信号的输出电路。可见，合闸控制信号是否输出，决定于与门条件是否满足。前已述及，如果频率差或电压差人一跳进不符合，相角差在-π～0区间，与门相应的输入端（，或输入端）即出现高电平，闭锁合闸控制信号输出。当频率差、电压差均满足并列条件时，与门输入端中的记忆元件输出和均为低电平，一旦越前时间信号出现低电平时，与门输入端全为低电平，即允许信号通过，输出合闸信号进行并列。
为了防止并列装置投入瞬间与门、输入端电平的随机性可能误发合闸信号，从可靠性考虑，加一瞬时高电平，闭锁与门工作，待投入一定时间后，待并列装置检测元件进入正常工作状态，即解除的闭锁作用，也就是正常工作时，恒为低电平，不影响并列装置的工作。
频差控制频差控制单元的任务是将待并发电机的频率调整到接近于电网频率，使频率差趋向并列条件允许的范围，以促成并列的实现。如果待并发电机的频率低于电网频率，则要求发电机升速，发升速脉冲。反之，应发减速脉冲。当频率差值较大时，发出的调节量相应大些。当频率差值小时，发出的调节量也就小些，以配合并列操作的工作。
根据上述要求，频率差控制单元可由频率差方向测量环节和频率调整执行环节两部分组成。前者判别和间频率的高低，作为发升速脉冲或减速脉冲的依据。后者按比例调节的要求，调整发电机组的转速。
滑差方向的检测原理图1-18（a）说明当时，在相角自0o运动到180o的过程中，始终超前；相当时，在自0o运动到180o的过程中，始终超前，因此，要判断的方向，只需在自0o运动到180o的过程中的任一时间，看和谁超前谁滞后就可以了。如果此时超前，则，发电机立刻减速；反之，此时超前，则，发电机立刻增速。这个原理是通过越前鉴别与区间鉴别两个措施来实现的。所谓越前鉴别就是判定和谁是越前电压；所谓区间鉴别就是判定正处在0~π区间。从图1-18（b）表示的整步电压图形可以看出，的下倾侧就是所要求的鉴别区间，这区间的任一点都可用来进行越前鉴别。
频差控制框图区间鉴别
区间鉴别只在时发一个宽度恒定的脉冲使与门开放一段时间，发出调速脉冲。其余时间被闭锁，不乏调速脉冲，如图1-19所示。 选择是发调速脉冲是为了与合闸脉冲的发出时间隔开，合闸脉冲的发出时间是在之前发出的，正好是在的上倾侧。
越前鉴别
越前鉴别是判定和谁是越前电压。越前鉴别的输入信号为和的方波。从图1-20可以看出，在越前相角为0~π区间内，当时，系统方波由高平变为低电平时，发电机仍为高电平，因此越前鉴别的增速脉冲回路输出一系列正脉冲，而越前鉴别的减速脉冲回路无输出，表示系统频率高。如图1-20所示。反之，若，则越前鉴别的减速脉冲回路输出一系列正脉冲，越前鉴别的增速脉冲回路无输出，表示发电机频率高。从而可以判别滑差的方向。
比例调节
在每一个滑差周期内发一次宽度恒定的增速或减速脉冲，均频脉冲时间的占用率与频差成正比，称为比例脉冲调节制。它能在频差大时，使均频脉冲的次数较为频繁，进入汽轮机的动力元素在单位时间内的改变量较大，以迅速弥补频率的差别；而在频差小时，使均频脉冲的次数较少，进入汽轮机的动力元素在单位时间内的改变也较少，从而避免过调。所以，比例调节脉冲可以使均频过程迅速而平稳地进行。
压差控制电压差控制单元的任务是在并列操作过程中，自动调节待并发电机的电压，使电压差条件符合并列的要求。它的构成框图与频率差控制的相似。由电压差方向测量环节和脉冲展宽电路组成。
数字式并列装置一、概述用大规模集成电路微处理器（CPU）等器件构成的数字式并列装置，由于硬件简单，编程方便灵活，运行可靠，且技术上已日趋成熟，成为当前自动并列装置发展的主流。微处理器(CPU)具有高速运算和逻辑判断能力，它的指令周期以微秒计，这对于发电机频率为50Hz、每周期20ms的信号来说，可以具有足够充裕的时间进行相角差和滑差角速度近乎瞬时值的运算，并按照频差值的大小和方向、电压差值的大小和方向，确定相应的调节量，对机组进行调节，以达到较满意的并列控制效果。一般模拟式并列装置为了简化电路，在一个滑差周期时间内，把假设为恒定。而数字式并列装置可以克服这一假设的局限性，采用较为精确的公式，考虑相角差可能具有加速运动等问题，能按照当时的变化规律，选择最佳的越前时间发出合闸信号，可以缩短并列操作的过程，提高了自动并列装置的技术性能和运行可靠性。并列装置引入了计算机技术后，可以较方便地应用检测和诊断技术对装置进行自检，提高了装置的维护水平。
数字式并列装置由硬件和软件组成，以下分别进行介绍。
二、硬件电路以微处理器(CPU)为核心的数字式并列装置，就是一台专用的计算机控制系统。因此按照计算机控制系统组成原则，硬件的基本配置由主机，输入、输出接口和输入、输出过程通道等部件组成。它的原则性框图如图l-20所示。
（一）主机微处理器（CPU）是控制装置的核心。它和存贮器(RAM、ROM)一起，通常又称为主机。控制对象运行变量的采样输入存放在可读写的随机存贮器RAM内，固定的系数和设定值以及编制的程序，则固化存放在只读存储器ROM内。自动并列装置的重要参数，如断路器合闸时间、频率差和电压差允许并列的阀值、滑差角加速度计算系数、频率和电压控制调节的脉冲宽度等，为了既能固定存贮、又便于设置和整定值的修改，可存放在E2PROM中。
程序是按照人们事先选用的控制规律(数学模型)进行信息处理（分析和计算）以作出相应的调节控制决策，以数码形式通过接口电路、输出过程通道作用于控制对象，编制的程序通常也固化在E2PROM内。
（二）输入、输出接口电路在计算机控制系统中，输入、输出过程通道的信息不能直接与主机的总线相接，它必须由接口电路来完成信息传递的任务。现在各种型号的CPU芯片都有相应的通用接口芯片供选用。它们有串行接口、并行接口、管理接口(计数／定时、中断管理等)、模拟量数字量间转换（A／D、D/A）等电路。有关这些通用接口电路的介绍，可参阅有关微机原理等教材。
（三）输入、输出过程通道为了实现发电机自动并列操作，须将电网和待并发电机的电压、频率等状态量按要求送到接口电路进入主机。计算机将调节量、合闸信号等输出控制待并机组。就需要把计算机接口电路输出信号变换为适合于对待并机组进行调节或合闸的操作信号。可见在计算机接口电路和并列操作控制对象的过程之间必须设置信息的传递和变换设备，通常人们称之为过程输入、输出通道。它是接口电路和控制对象之间传递信号的媒介。所以必须按控制对象的要求，选择与之匹配的通道。
1．输入通道按发电机并列条件，分别从发电机和母线电压互感器二次侧交流电压信号中提取电压幅值、频率和相角差等三种信息，作为并列操作的依据。
（1）交流电压幅值测量。这里有两种方法可供选择，一种是最简单化的办法采用变送器，把交流、电压转换成直流电压，然后由A／D接口电路进入主机，其原理图见图1-22（a）。CPU读得和的有效值后，由软件作出是否符合并列条件的判断。
另一种方法是对交流电压信号直接采样，然后通过计算求得它的有效值，显然这势必加重CPU的负担，增加软件工作，目前常用的主机性能是能胜任的。交流采样的数学模型将在第二章中介绍。
（2）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T，图1-22（b）为测频的方案之一。把交流电压正弦信号转化为方波，经二分频后，它的半波时间即为交流电压的周期T。具体的实施可利用正半周高电平作为中断申请信号，由CPU读取其中计数值N，并使计数器复位，以便为下一个周期计数做好准备。
如可编程定时计数器的计时脉冲频率为，则交流电压的周期T为
于是求得交流电压的频率为
（1-16）
(3)相角差测量。测量的方案之一，如图1-23所示。把电压互感器电压信号转换成同频、同相的方波。、的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N即与两波形间的相角差相对应。
2．输出通道自动并列装置的输出控制信号有：①发电机转速调节的增速、减速信号；②调节发电机电压的升压、降压信号；③并列断路器合闸脉冲控制信号。这些控制信号可由并行接口电路输出，经放大后驱动继电器用触点控制相应的电路。
（四）人一机联系这是计算机控制系统必备的设施，属常规外部设备。其配置则视具体情况而定。自动并列装置主要用于程序调试，设置或修改参数。装置运行时，用于显示发电机并列过程中的主要变量，如相角差、频率差、电压差的大小和方向以及调速、调压的情况。总之，应为运行操作人员监视装置的运行提供方便。
常用的设备有：
（1）键盘——用于输入程序和数据。
（2）按钮——供运行人员操作。
（3）CRT显示器二—生产厂调试程序时需要。
（4）数码和发光二极管显示指示——为操作人员提供直观的显示方式，以利于过程的监控。
三、数字式并列装置的软件数字式自动并列装置借助于微处理器的高速处理信息能力，利用编制的程序，在硬件的配合下实现发电机并列操作。并列条件的检测与合闸信号控制程序所采用的算法介绍如下。
（一）电压检测交流电压变送器输出的直流电压与输入的交流电压值成正比。如图1-22（a）所示，CPU从A/D转换接口读取的电压量、分别表示和的有效值。设机组并列时，电压偏差设定的阀值为，装置内对应的设定值为。
当时，不允许合闸信号输出；
当时，允许合闸信号输出。
如时，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。
（二）频率检测发电机电压和电网电压分别由可编程定时计数器计数，主机读取计数脉冲值和。由（1-16）式求得和。与上述电压检测所采用算式类同，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。按发电机频率高于或低于电网频率来输出减速或增速信号。选择在0到期间，调节量按差值比例进行调节。
（三）越前时间检测前已述及线性整步电压与相角差之间的关系是从宽度不等的矩形波求得，即矩形波的宽度与相角差有关。同理由图1-23接线所示，和的两方波加至异或门后，在异或门的输出端也是一系列宽度不等的矩形波，表示了相角差的变化。借助于定时计数器CPU可读取矩形波宽度的大小，求得两电压间相角差的变化轨迹。为了叙述方便起见，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1-24（a）所示，经削波限幅后得到图1-24（b）所示的方波，两方波异或后得到图1-24（c）中的一系列宽度不等的矩形波。显然，这一系列矩形波宽度与相角差相对应。系统电压方波的宽度为已知，它等于二分之—周期（或），因此可按下式求得。
（1-17）
（1-17）式中和的值，CPU可以从定时计数器读入求得。如每一个工频周期（约20ms）作一次计算，主机可记录下的轨迹，如图1-25所示。数字式准同期装置可按下式计算理想的导前合闸相角，它可以计及含有加速度的情况：
（1-18）
式中——计算点的滑差角速度，其值可按下式求得
（1-19）
其中 和——分别是计算点和上一个计算点的角度值；
——两计算点的时间
——微处理器发出合闸信号到主触头闭合时需要经历的时间。设为出口继电器动作时间，则
（1-20）
由于两相邻计算点间的变化甚微，因此一般可以经若干计算点后才计算一次，所以（1-18）式的可表示为
（1-21）
式中 、——分别为本计算点和前个计算点求得的值。
据式（1-18）可以求出最佳的合闸越前相角值，该值与本计算点的相角按下式进行比较（下式中为计算允许误差）
如果 （1-22）
（1-22）式成立，则立刻发出合闸信号。
如果 （1-23）
又 （1-24）
则继续进行下一点计算，直到逐渐逼近符合（1-22）式为止。
设在计算中，一个滑差周期的曲线如图1-25（a）中直线A所示，它对应的为常数（直线），这时＝0，与常规准头同期越前时间公式类同，如果的曲线如图1-25（b）中曲线B所示，与它对应的为直线（按等速变化），这相当于待并机按恒定加速升速，发电机频率与电网频率逐渐接近。这时（1-18）式为计及发电机加速度后求出的最佳合闸角速度。可见，微处理机准同期装置可以方便地考虑频率差的不同变化规律，并不需要增加硬件，这是它最突出的优点。最佳的合闸导前角的与本计算点的久比较也有可能出现下式情况，即
（1-25）
这就是如图1-26中所示，错过了合闸时机的情况。设待并发电机转速恒定，本计算时a点对应已接近，但不符合（1-22）式且符合（1-23）式和（1-24）式。可是当下一个计算点时，b点还是不符合（1-22）式却符合（1-23）式和（1-25）式，这就错过了合闸时机。
为了避免上述情况，在进行本点计算时，可同时对下一个计算点值进行测量。估计最佳合闸导前相角是否介于计算点与下一个预测点之间，以便及时采取措施，推算出～所需的时间。这样可以在不失时机地在越前相角瞬间发出合闸信号。因此，一旦待并发电机的电压、频率符合允许并列条件，在一个滑差周期内就可以捕捉到最佳合闸导前角，及时发出合闸信号。
由于断路器的合闸时间具有一定的分散性，在给定允许合闸误差角的条件下，并列时的允许滑差角速度及角加速度需通过计算确定。
从、的电压波形中采集两并列电源问的相角差、频率差等信息，数字式准同期并列装置充分发挥了微处理器高速运算能力且性能稳定，因而具有显著优点。
