机组自动发电控制系统设计论文-毕设论文.doc

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）

辽 宁 工 业 大 学

电力系统自动化 课程设计（论文）

题目：　　机组自动发电控制系统设计（2）

院（系）： 电气工程学院
专业班级： 电气091
学 号：
学生姓名：
指导教师： （签字）
起止时间：2012.12.31—2013.01.11

课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 　教研室：电气工程及其自动化
学 号
090303010
学生姓名
杜一德
专业班级
091
课程设计题目
机组自动发电控制系统设计（2）
课程设计（论文）任务
基本参数：
1. 发电厂有三机组，一号机组功率为150MW，二号机组功率为100MW，三号机组功率为200MW，功率因数均为0.9。
2. 有功功率调差系数为0.05。
3. 负荷频率调节效应系数（有功功率）为1.75。
4. 各发电机均以75%负荷运行。
设计要求
1. 阐述发电机有功频率调节的基本原理。
2. 系统负荷一定和变化时，分析机组有功功率调差系数和负荷频率调节效应系数对功率分配的影响，推导有功功率分配的公式。
3. 确定合适的方案，使负荷变化时，机组的有功功率按各自的额定功率合理分配。
4. 采用单片机，设计某台机组的自动发电控制系统，实现机组功率的合理分配。
5. 对设计进行分析总结。
进度计划
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统设计要求。（1天）
2、阐述发电机有功频率调节和自动发电的基本原理和实现方法。（1天）
3、推导有功功率分配的公式，确定机组有功功率分配方案（2天）
4、自动发电控制系统总体方案设计。（1天）
5、系统硬件电路设计。（2天）
6、系统软件设计（2天）
7、撰写、打印设计说明书（1天）
指导教师评语及成绩

平时： 论文质量： 答辩：

总成绩： 指导教师签字：

年 月 日
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘 要
自动发电控制（AGC）就是通过监视电厂出力和负荷系统之间的差异，来控制调频机组的出力，以满足不断变化的用户电力需要，达到电能的发供平衡，并且使整个系统处于经济的运行状态。
本次课程设计对三台机组并联运行时各自有功率的分配进行设计当某台发电机组负荷改变导致频率改变时，由SCADA发送改变信号通过A/D转换器给单片机89C51，再由单片机89C51通过程序识别信号，再由输出口通过D/A转换器向AGC发送执行指令。最后AGC向发电机组发送改变运行状态指令。

关键词：AGC；89C51；SCADA；经济运行状态

I

目 录
第1章 绪论 1
1.1 自动发电控制概述 1
1.2 本文主要内容 1
第2章 机组并联运行有功功率分配计算 1
2.1 机组有功功率频率控制及自动发电的基本原理 1
2.1.1 机组有功功率频率控制 1
2.1.2 自动发电的基本原理 2
2.2 单台机组有功控制的基本方法 4
2.3 负荷变化时的功率分配计算 4
第3章 自动发电系统硬件设计 7
3.1 自动发电系统功能 7
3.2 自动发电总体设计方案 7
3.3 单片机最小系统设计 8
3.3.1 89C51单片机引脚功能 8
3.3.2 复位电路设计 9
3.3.3 时钟电路设计 10
3.3.4 直流稳压电源设计 10
3.3.5 单片机最小系统 11
3.4 输入输出接口设计 12
第4章 自动发电系统软件设计 13
4.1 软件实现功能综述 13
4.2 流程图设计 13
4.3 程序清单 15
第5章 课程设计总结 17
参考文献 18

第1章 绪论
1.1 自动发电控制概述
电力系统中发电量的控制，一般分为三种情况：一是由同步发电机的调速器实现的控制；而是由自动发电控制（AGC）实现的控制；三十按照经济调度（EDC）要求实现的控制。
第一种情况通常叫作频率的一次调整控制；第二种情况称为频率的二次调整控制；而第三种称为频率的三次调整控制。这三种调整控制频率的方式是有差别的。由调速器实现调频一控制发电机组的输出功率，其响应速度较快，可适应小负荷短时间的波动；对周期在10s之多2~3min以内而幅度变化较大的负荷，已经不能由调速器本身的调频特性来进行调整控制，就需要由电力系统控制中心，根据系统的频率以及与其他地区相连的输电线上的功率的便宜程度，启动AGC来控制负荷；对于周期在3min以上的负荷波动，可以根据以往实测的负荷变化情况（即所谓的负荷曲线）和预测几分钟后总负荷变化趋势，由计算机算出大电机组最经济的输出功率，然后发出控制命令道个发电厂进行调整，即按经济调度（EDC）实现负荷分配控制。
AGC是以控制调整发电机组输出功率来适应负荷波动的反馈控制。电力系统中功率的不平衡将导致频率的偏移，所以电网的频率可以作为控制 发电机输出功率的一个信息。发电机组的调速器能根据电力系统频率变化自动地调节发电机的输出功率，所以在某种意义哈桑将也具有自动发电控制的功能，但通常不称为自动发电控制。在理指的AGC是一种控制性能比较完善和作用较好的发电机输出功率的自动控制。它利用电子计算机来实现控制功能，是一个小型的计算机闭环控制系统，有时也成为AGC系统。
1.2 本文主要内容
自动发电控制着重解决电力系统在运行中的频率调节和负荷分配问题，以及与相邻电力系统间按计划进行功率交换。因此本次课程设计主要针对发电厂机组自动发电控制系统进行设计。首先对机组的有功功率频率特性进行系统研究，阐述自动发电控制的基本原理、功能与实现方法。最后，采用单片机，设计某台机组的自动发电控制系统，实现机组功率的合理分配。
12
第2章 机组并联运行有功功率分配计算
2.1 机组有功功率频率控制及自动发电的基本原理
2.1.1 机组有功功率频率控制
频率是衡量电能质量的重要指标，频率质量的下降不仅影响用户的用电质量，同时对电力系统本身影响也很大，严重时可造成系统崩溃。为保证用户和电厂的正常运行和安全，我们需要进行频率调整与控制，使得系统的频率波动不超过±0.2HZ。根据符合变动的不同特点，可将调整划归为一次调节和二次调节及互联系统的频率调节。在这里着重分析前两种调整的原理和方法。
电力系统频率的一次调节是指利用系统固有的负荷频率特性，以及发电机的调速器作用，来阻止系统频率偏离标准的调节方式。
（1）其原理如下：当电力系统中原动机功率或负荷功率发生变化时，必然引起电力系统频率的变化，此时，存储在系统负荷的电磁场和旋转质量（如电动机、照明镇流器等）中的能量会发生变化，以阻止系统频率的变化，即当系统频率下降时，系统负荷减少；当系统频率上升时，系统负荷会增加。这称为系统负荷的惯性作用，它用负荷的频率调节效应系数（又称为系统负荷阻尼常数）D来表示：
（1）
系统负荷阻尼常数D常用标幺值来表示，其典型值为1~2。D=2意味着1%的频率变化会引起系统负荷2%的变化。
（2）其作用：当电力系统频率发生变化时，系统中所有的发电机转速即发生变化，如转速的变化超出发电机组规定的不灵敏去，该发电机的调速器就会动作，改变其原动机的阀门位置，调整原动机的功率，以求改善原动机功率或负荷功率的不平衡状况，即当系统频率下降时，发电机的蒸汽阀门或进水阀门的开度就会增大，增加原动机的功率；当系统频率上升时，发电机的蒸汽阀门或进水阀门的开度就减少，减少原动机的功率。发电机调速器的这种特性称为机组的调差特性，它用调差率R来表示：
(2)
式中：表示无载静态转速（主阀在无载位置）
表示满载静态转速（主阀全开）
表示额定转速
调差率R的实际含义是，如R-5%，则系统频率变化5%，将引起主阀位置变化100%。
（3）特点：第一，响应速度快，一般在在10s；第二，作用时间短暂，一般在0.5到2分钟不等；第三，一次调节是有差调节，所有机组的调整只与一个变量有关，机组之间互相影响小，但无法实现无差调整。
电力系统的二次调节：由于发电机组一次调节实行的是频率有差调节，因此，早期的频率二次调节，是通过控制调速系统的同步电机，改变发电机组的调差特性曲线的位置，实现频率的无差调整。但未实现对火力发电机组的燃烧系统的控制，为使原动机的功率与负荷功率保持平衡，需要依靠人工调整原动机功率的基准值，达到改变原动机功率的目的。随着科学技术的进步，火力发电机组普遍采用了协调的控制系统，由自动控制来 代替人工进行此类操作。在现代化电力系统中，各控制区则采用集中的计算机控制。这就是电力系统频率的二次调节，即自动发电控制（AGC）。
（1）其作用：第一，响应时间较慢，能有效地调整分钟级及更长周期的负荷波动；第二，实现频率的无差调整。
（2）特点：第一，采用的调整方式对系统频率是无差的；第二，响应比较慢，一般需要1~2分钟；第三，对机组管理往往是比例分配，是发电机组偏离经济运行点。
综上所述保证输电系统的频率对于单个用户和发电厂都有重要的意义。电力系统的稳定和安全需要频率的一次调整和二次调整。一次调整靠调速器完成。二次调整由系统中的调频机组实现，通过调频器控制。既可为有差调节，也可以做到无差调节。选择的调频厂有主调频厂和辅助调频厂之分并且满足：第一，具有足够的容量。第二，具有较快的调整速度。第三，调整范围内的经济性好
2.1.2 自动发电的基本原理
对于具有多个联络点和发电机组的实际电力系统，则AGC将变为包含许多并联发电机组控制回路的形式，如图2.1所示。其内部控制回路和外部控制回路的基本结构并未改变。G1、G2、G3为发电机组；AGC称为区域内控制误差，用来根据系统频率偏差以及输电线路功率偏差来确定控制信号；负荷分配器根据输入的控制信号大小并且根据等微增率准则或其他原则来控制各台发电机输出功率的大小。
自动发电控制系统包括两大部分：
（1）负荷分配器。根据电力系统频率和其他有关测量信号，按照一定的调节控制准则确定各发电机组的最佳设定输出功率。
（2）发电机组控制器。根据负荷分配器所确定的各发电机组最佳输出功率，控制调速器的调节特性，使发电机组在电力系统额定频率下所发出的实际功率与设定的输出功率相一致。

N1(S)
N2(S)
N3(S)

电
力
系
统
负荷分配器
区域控制误差ACE
K(S)
G1
G2
G3
△P
△f

PG3
PG1
PG2
PC3
PC2
PC1
+
+
+
-
-
-

图2.1 具有多台发电机的AGC系统

自动发电控制系统中的负荷分配配齐使根据所测量的发电机实际输出功率和频率偏差等信号按照一定的准则分配各台发电机组输出功率。决定各台发电机组设定的功率的负荷分配器，目前广泛采用以“基点经济功率”和“分配系数”来表示每台发电机组的输出功率的方法，即每台发电机组的设定调整功率按以下公式分配:
（1）
式中 --各台发电机组的设定调整功率
--各台发电机的基点经济功率；
--每台发电机的实际输出功率；
--分配系数。
也就是说，系统各台发电机组的设定功率，取决于系统发电机组总的实际输出和每日台发电机组的基点经济功率，以及系统频率偏差和功率偏差(AEC)。偏差越大，各大电机组的设定调整功率的变动就越大。当频率偏差和功率偏差趋于零时，AGC系统发电机组总的设定调整功率就与发电机总的实际输出功率相等。分配到每台发电机组的设定功率值则有分配系数来决定。这种方法把自动调频与经济功率分配联系起来了。其中和的值可以在每次经济分配计算时加以修正。
2.2 单台机组有功控制的基本方法
最简单的AGC系统的结构如图2.2所示，它是具有一台发电机组和联络的AGC系统。
图中为输电线路功率的整定值；为系统频率整定值；P为触电线路功率的实际值；f为系统频率的实际值；为频率修正系数；K(S)为外部控制回路，用来根据电力系统频率偏差和输电线路上的功率偏差来确定输出控制信号；为系统要求调整的控制信号功率；N(S)为内部控制回路，用来控制调整调速器阀门开度，以达到所需要的输出功率。
f

机组调速器
输电线路
N(S)
K(S)
Bf
电力系 统
-
+
+
fzd
Pzd
AGC系统
P
PG
+
Pc

图2.2 单台发电机组的AGC系统
2.3 负荷变化时的功率分配计算
（1）发电厂有三机组，一号机组功率为150MW，二号机组功率为100MW，三号机组功率为200MW，功率因数均为0.9。
（2）有功功率调差系数为0.05。
（3）负荷频率调节效应系数（有功功率）为1.75。
（4）各发电机均以75%负荷运行
系统负荷增加时，经过频率的一次调整，频率由降为，由发电机组的静态调节公式：， （2-1）
因此可得出： （2-2）
表明并列运行的发电机组之间的功率分配与调差系数成发比关系（标幺值），与单位调节功率成正比。实际冰凉运行的发电机组的调速器均为有差调节，由其共同承担负荷的波动。
假设系统由n台机组运行，则连理调解方程式：
（1）有铭值

（2-3）
按照调差系数的定义，可定义等效发电机组的调差系数为：
(2-4)
等效发电机组的单位调节功率为：
(2-5)
这样系统的三台发电机组同样可以当做单独一台发电机对待，满足调节公式。
同时，考虑负荷调节效应后，全系统负荷的变化量为：
(2-6)
系统的调节功率：
(2-7)
物理意义：表示全系统的频率没变化1Hz时，其调节的负荷有功功率大小。
（2）标幺值：
由于标幺值的基准是不一致的，故采用标幺值要涉及基准值的转换。
发电机组：以自身的额定容量为
负荷：以额定负荷容量为基准
全系统：以负荷额定容量为基准
等效发电机组的单位调节功率：
(2-8)
系统单位调节功率：
(2-9)
其中称为系统热备用系数，表示系统的备用的发电容量的多少。这样采用系统的单位调节功率，可以算出发电出力以及负荷调节效应后的实际功率。
根据任务书给的参数可进行以下计算：
由此得到P=P1+P2+P3=150+100+200=450W
将标幺值化为有名值，等效发电机的单位调节功率为：

假设系统的额定负荷为500MW荷的调节效应系数为

当负荷增加200MW时，频率变化量为：

系统频率为：
等效发电机组发出的功率增加量为：

系统的实际负荷为：

第3章 自动发电系统硬件设计
3.1 自动发电系统功能
自动发电控制（AGC）就是通过监视电厂出力和系统负荷之间的差异，来控制调频机组的出力，以满足不断变化的用户电力需要，达到电能的发供平衡，并且使整个系统处于经济的运行状态。在联合电力系统中，AGC是以区域系统为单位。AGC能实现机组出力的自动调节，是电力调度EMS系统中最重要的控制功能。在正常的系统运行状态下，AGC的基本功能是：
（1） 使发电机组自动跟踪电力系统负荷变化；
（2） 响应负荷和发电的随机变化，维持电力系统频率为额定值（50Hz）；
（3） 在各区域间分配系统发电功率，维持区域间净交换功率为计划值；
（4） 对周期性的负荷变化按发电计划调整发电功率；
（5） 监视和调整备用容量，满足电力系统安全要求。
3.2 自动发电总体设计方案
发电机组
AT89C51
AGC
时钟电路
复位电路
SCADA实时信息

A/D
D/A

图3.1 自动发电原理图

自动发电控制系统是建立在SCADA系统之上，且与网络分析等应用软件有着密切关系的独立的控制系统。为实现完整的自动发电控制系统，需要建立一套与之相适应的数据库管理系统来实现其各种功能。自动发电控制系统的数据库是能量管理级应用软件的共用数据库。它包括实时发电控制、机组发电计划、机组组合、联络线交易计划、燃料计划、检修计划等。
当SCADA传来负荷改变的实时信息时，经过A/D转换器，将信号传给单片机89C51。然后单片机89C51经过程序，将信号经过D/A转换器传给AGC，最后通过AGC区域控制模块，将区域控制设定功率与区域当前的发电功率相比较，按照AGC程序设定的控制参数，重新分配各电厂控制器的目标功率。
3.3 单片机最小系统设计
3.3.1 89C51单片机引脚功能
（1）XTAL1：接外部晶体和微调电容的一端。在89C51片内，它是振荡电路反向放大器的输入端及内部时钟发生器的输入端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。当采用外部振荡器是次引脚输入外部时钟脉冲。
（2）XTAL2：解外部晶体和微调电容的另一端。在89C51片内，它是振荡电路反向放大器的输出端。在采用外部振荡器时此引脚应悬浮。通过示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出，可以确认89C51的振荡电路是否正常工作。
（3）RST：复位信号输入端，高电平有效。当振荡器工作时，在此引脚上出现两个机器周期一上的高电平，就可以使单片机复位。
（4）ALE/：地址锁存允许信号。ALE锁存 P0口传送的低8位地址信号，实现低8位地址与数据的分离。
（5）：外部程序存储器的读选通信号。当89C51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期内两次有效输出。
（6）/VPP：内，外ROM选择端。当端接高电平时，CPU访问并执行内部ROM的指令；但当PC值超过4KB时，将自动转去执行外部ROM中的程序。但 端接低电平时，CPU只访问外部ROM中的指令。
（7）P0口：双向8位三态I/O口，在访问外部存储器时，可分时用做低8位地址线和8位数据线。无上拉电阻，能驱动8个LSTTL门电路。
P1口：8位双向I/O口，用做普通I/O口。有上拉电阻，能驱动4个LSTTL门电路。
P2口：8位双向I/O口，做高8位地址线。有上拉电阻，能驱动4个LSTTL门电路。
P3口：8位双向I/O口，具有第二功能。有上拉电阻，能驱动4个LSTTL门电路。
89C51单片机的引脚图（40脚双列直插封装），如下图

图3.2 89C51单片机的引脚图
3.3.2 复位电路设计
复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这上状态开始工作，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出现错误或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需 按复位电路以重新启动。
复位电路包括上电复位，按键电平复位，按键脉冲复位。本设计中采用按键电平复位。按键电平复位是通过是复位端经过电阻与VCC电源接通而实现的，如下图

图3.3按键电平复位电路

复位信号及其产生：RST引脚是复位信号的输入端，复位信号时高电平有效，其有效时间持续24个振荡脉冲周期（即2个机器周期）以上，若使用频率为12MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过2us才能完成复位操作。整个复位电路包括片内外两部分，外部电路产生的复位电路送施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样。然后才得到内部复位操作所需要的信号。
3.3.3 时钟电路设计
时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个33pF的瓷片电容组成。时钟电路产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格工作。
单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在芯片外部通过两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器，如下图

图3.4时钟电路
3.3.4 直流稳压电源设计

图3.5直流稳压电源

电源电路设计的要求是将220V交流电转化为5V的直流电，如下图所示变压器将220V交流电变换成12V交流电，经过整流桥又变换为12V的直流电，三断集成稳压器W7805的作用是将12V的直流电转化成5V的直流电，图中的4个电容是滤波电容。
集成串联型稳压电路有三个脚，分别为输入端、输出端和公共端，因此称为三端稳压器。按功能分为固定式和可调节式稳压电路；前者输出地电压不能进行调节，为固定值；后者可通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围。本设计中使用的W7805三端稳压器为固定式稳压器，型号最后两位数为输出电压值，所以W7805的输出电压为+5V。
三端稳压电器具有体积小、重量轻、性能好、成本低、可靠性好和使用方便等特点。
当输出电压U0因某种原因（如电网电压的波动和负载的变化）而增大时，内部比较放大电路的反相器输入端电位随之升高，使得放大电路输出端电位下降，使得U0随之减小：当输出电压减小时，各部分的变化与上述过程相反：因而能够得到稳定的输出电压。
3.3.5 单片机最小系统
图3.6单片机最小系统

3.4 输入输出接口设计

图3.7 输入输处接口图

如上图所示,为输入输出接口原理图。SCADA实时监测发电机组的运行状态，不断地向单片机89C51发送信号，当发电机组运行状态改变时，SCADA发送改变信号，单片机接受信号并且辨别信号的内容，经过程序辨别后向AGC发出执行指令类别信号。再由AGC向发电机组发送改变运行状态的指令。

第4章 自动发电系统软件设计
4.1 软件实现功能综述
当发电机组1的负荷改变时，SCADA经过A/D向单片机89C51发一个信号，89C51经过程序然后通过P1.0通道经过D/A向AGC发送执行指令，AGC再向发电机组发送执行指令。当发电机组2的负荷改变时，SCADA经过A/D向单片机89C51发一个信号，单片机通过P1.1向AGC发执行指令，AGC在向发电机组发出调节的指令。同理，在发电机组3的负荷改变时SCADA向单片机发信号，单片机经过P1.2向AGC发送信号，AGC向发电机组调节指令。
4.2 流程图设计
当单片机接受到频率信号时，通过程序先识别频率是否改变，如果频率没有改变，说明发电机组中的负荷没有发生改变。如果频率发生了改变，程序再继续识别是否是发电机组1负荷发生了改变，如果是，则执行指令1改变发电机组1的运行状态，如果不是发电机组1，则在继续识别。如果是发电机组2负荷发生了改变，则执行指令2改变发电机组2的运行状态。如果也不是发电机组2，则判断是否发电机组3的负荷发生了改变，如果是则执行指令3来改变发电机组3的运行状态。如果也不是发电机组3负荷发生了改变，则程序结束。主程序流程图如下图

开始
初始化
频率改变？
频率检测
发电机组1
发电机组2
发电机组3
结束
指令1
指令2

指令3

N
Y
N
Y
Y
N
Y
N
图4.1 主程序流程图

4.3 程序清单
ORG 0000H
SJMP MAIN
ORG 0030H
START: MOV SP, #60H
MOV TMOD,#10H
MOV TL1,#00H
MOV TH1,#4BH
1.1.1 N
MOV R0,#00H
MOV R1,#20H
SETB TR1
SETB EA
LCALL L_DELAY
SJMP $
INT_T1: PUSH ACC
PUSH PSW
PUSH DPL
PUSH DPH返
CLR TR1
MOV TL1,#00H

MOV TH1,#48H
SETB TR1
MAIN：MOV TMOD,#21H;
SETB TR0;
SETB TR1
MOV R7,#8;
MOV R6,#8
MOV R5,#4
MOV A,#00H
LOOP: MOV P1,A;
RL A
INC A
ACALL MAIN0;
DJNZ R7,LOOP
MAIN1:MOV A,#0FFH
MOV P1,A；
RR A；
SUBB A,#08H;
ACALL MAIN0
DJNZ R6,MAIN1
MAIN2:MOV A,#00H；
MOV P1,A
CPL A
ACALL MAIN0
DJNZ R5,MAIN2
LJMP LOOP
MAIN0:MOV DPTR,#15536;
MOV TL0,DPL
MOV TH0,DPH
MOV TL1,#236;
MOV TH1,#236
JNB TF0,$;?0ms
CLR TF0;?0ms
CPL P3.5
JNB TF1,MAIN0;
CLR TF1
RET

第5章 课程设计总结
本次设计对机组的并列运行及有功功率的分配情况进行分析计算分析了机组有功功率调查系数和负荷频率调节效应系数对功率分配的影响，推导出了有功功率分配的公式。总结了系统频率下降与发电机调差系数和负荷频率调节效应的关系，此时的机组功率该如何分配，并确定了合适方案，使机组的有功功率按各自的额定功率合理分配。分析和总结了当负荷增加时的结果。根据要求，采用单片机，设计出了系统当中一台机组的自动发电控制系统，实现了机组功率的合理分配。
参考文献
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