1、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： 年月日课程设计（论文）任务及评语电气工程学院教研室：电气工程及其自动化。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
2、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；经济运行状态目 录第 1 章 绪论11.1 自动发电控制概述11.2 本文主要内容1第 2 章 机组并联运行有功功率分配计算12.1 机组有功功率频率控制及自动发电的基本原理12.1.1 机组有功功率频率控制12.1.2 自动发电的基本原理22.2 单台机组有功控制的基本方法42.3 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73.1 自动发电系统功能73.2 自动发电总体设计方案73.3 单片机最小系统设计83.3.1 89C
3、51 单片机引脚功能83.3.2 复位电路设计93.3.3 时钟电路设计103.3.4 直流稳压电源设计103.3.5 单片机最小系统113.4 输入输出接口设计12第 4 章 自动发电系统软件设计134.1 软件实现功能综述134.2 流程图设计134.3 程序清单15第 5 章 课程设计总结17参考文献18I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
4、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 23min 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
5、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
6、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。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
7、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：D = DP / Df （Mw / Hz）（1）系统负荷阻尼常数 D 常用标幺值
8、来表示，其典型值为 12。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：R = （NO - N ） / NR 式中： NO 表示无载静态转速
9、（主阀在无载位置）N 表示满载静态转速（主阀全开）（2）NR 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
10、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 12 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
11、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
12、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。18（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。+G1PC1- G2PC2N3（S）G3PC3PPG3负荷分配器PG1PG2N2（S）N1（S）区域控制误差 ACE电力系统fK（S）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
13、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 Pci 的负荷分配器，目前广泛采用以“基点经济功率 Pbi ”和“分配系数ai ”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:nnPci= Pbi +ai （ PGi + AGC - Pbi ）i=1（1） 式中 Pci -各台发电机组的设定调整功率Pbi -各台发电机的基点经济功率；PGi -每台发电机的实际输出功率；ai -分配系数。i=1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PGi 和每日台发电机组的基点
14、经济功率 Pbi ，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ai 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 Pbi 和ai 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 Pzd 为输电线路功率的整定值； f zd 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
15、率的实际值； B f 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； Pc 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。输电线路机组调速器fP电力系 统fzdPzdBf+N（S）-PGPc+AGC 系统图 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
16、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 fe 降为 fl ，由发电机组的静态调节公式：d* DPG* + Df* = 0 ，（2-1）因此可得出：DP1*DP2*= d2*d1*（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di DPGi + Df= 0（i = 1,2K, n）DPG3）= nDPGi= -Df（ 1 ）i=1 di（2-按照调差系数的
17、定义，可定义等效发电机组的调差系数为：=Df1dG = - DPn 1（2-4）G（）等效发电机组的单位调节功率为：K= 1 = n Gd（ 1 ） = ndKGi（2-5）Gi=1G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：DPL = DPG - DPL = -KG Df系统的调节功率：= -（KG + KL ）Df（2-6）K= - DPL SDf= （KG+ KL ）（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
18、的转换。发电机组：以自身的额定容量为 PGe负荷：以额定负荷容量为基准 PLe全系统：以负荷额定容量为基准 PLe 等效发电机组的单位调节功率：KG*= - DPG*Df*（KGi*PGei ）PGe（2-8）系统单位调节功率：KS*= - DPL*= KG* Kr+ KL*（2-9）Pr其中 K = PGe 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Le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：（d* f
19、）GK= P= 450 /（0.05 * 50） = 180（MW / Hz）e假设系统的额定负荷为 500MW 荷的调节效应系数为KL = PLe KL* / fe = 500 * 2 / 50 = 20（MW / Hz）当负荷增加 200MW 时，频率变化量为：Df = -DP /（KG + KL ） = -200 /（180 + 20） = -1（Hz）系统频率为： f= fe + Df= 50 - 1.17 = 48.823（Hz）等效发电机组发出的功率增加量为：= -Df * KG= 1*180 = 180MW系统的实际负荷为：PL = PLe + DPG= 500 + 180 =
20、680MW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
21、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复位电路时钟电路SCADA 实时信息A/D发电机组AGCD/AAT89C51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
22、 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
23、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/ PROG ：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） PESN ：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 PESN 两次有效输出。（6） EA /VPP：内，外 ROM 选择端。当 EA
24、 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 EA 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。P3 口：8 位双向 I/O 口，具有第二功能。89C51 单片机的引脚图（40 脚双列直插封装）
25、，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C1S1SW-PB22uFR21KR1VccRESETVssVCC200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
26、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
