CN104569583A - 一种用于电力系统工频频率的半周期测频系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于电力系统工频频率的半周期测频系统，包括偏置比较器，多位加法器，以及计数器A、锁存器A、控制模块A和计数器B、锁存器B、控制模块B；所述测频方法包括，将电网同步输入电压信号Vin取反后分别输出两路互斥的方波信号；将每个方波信号作为各自标准脉冲计数的使能信号，分别对正半周期或负半周期内的标准脉冲进行计数；每过半个周期计数值改变一次，将两路计数得到的计数值实时相加，在每半周期内均能够得到一次电网同步输入电压的频率测量值。从而达到过半周期准确测量一次频率的目的；其中锁存器和计数器的配合使用，能够在互斥方波的交叉控制下进行对计数器的开关闸控制和清零，以及对锁存器的打入，转换损失和误差小。

Description

一种用于电力系统工频频率的半周期测频系统和方法

技术领域

本发明涉及电力系统工频频率的测量，具体为一种用于电力系统工频频率的半周期测频系统和方法。

背景技术

频率是电力系统中一个非常重要的特征量，是测量和计算电力谐波、功率因数等指标的基础，同时频率也是继电保护、测控装置进行判断与控制的重要依据，因此快速准确测量频率是电力系统继保与测控装置的十分重要的指标。传统测控装置或继保产品测频方法多采用标准脉冲计数法，即用两次正向过零时刻形成中断脉冲信号，产生两次中断，测量两次间隔的计数值之差求频率，所以每次测量时间需一周时间；但随着技术发展，测控装置和继电保护装置对工频频率快速测量提出高要求，现有的在一个周期内测频的技术和装置已经无法满足使用需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种测频速度快，操作简单，能够将频率值获取效率提高一倍的用于电力系统工频频率的半周期测频系统和方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于电力系统工频频率的半周期测频系统，包括偏置比较器，多位加法器，以及计数器A、锁存器A、控制模块A和计数器B、锁存器B、控制模块B；偏置比较器用于对电网同步输入电压与偏置电压进行比较，输出互斥的方波FA和方波FB；方波FA分别接入到计数器A的使能信号端和控制模块B的输入端；方波FB分别接入到计数器B的使能信号端和控制模块A的输入端；计数器A、控制模块A、计数器B和控制模块B的输入端分别接入标准脉冲信号；控制模块A用于在方波FB的控制下输出脉冲打入信号STB和计数清零信号RSTB；控制模块B用于在方波FA的控制下输出脉冲打入信号STA和计数清零信号RSTA；计数清零信号RSTA接入到计数器A的输入端，计数清零信号RSTB接入到计数器B的输入端；脉冲打入信号STA接入到锁存器A的控制端，脉冲打入信号STB接入到锁存器B的控制端；锁存器A的输入端和输出端分别连接计数器A的输出端和多位加法器的一个输入端；锁存器B的输入端和输出端分别连接计数器B的输出端和多位加法器的另一个输入端。

优选的，偏置电压大于0，用于抵消偏置比较器过零点的噪声干扰。

一种用于电力系统工频频率的半周期测频方法，包括，将电网同步输入电压信号Vin取反后分别输出两路互斥的方波信号；将每个方波信号作为各自标准脉冲计数的使能信号，分别对正半周期或负半周期内的标准脉冲进行计数；每过半个周期计数值改变一次，将两路计数得到的计数值实时相加，在每半周期内均能够得到一次电网同步输入电压的频率测量值。

优选的，在输出两路互斥的方波信号时，与电网电压输入信号Vin同步输入用于降噪的偏置电压。

优选的，在标准脉冲计数时，采用一个方波信号作为对另一个方波信号的计数值进行锁储和清零的控制信号。

进一步，锁存控制信号比对应的控制信号延迟1-3μs。

进一步，清零控制信号比对应的控制信号延迟4-6μs。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明对电网同步输入电压信号通过比较器形成互斥的两个方波，每个方波作为计数使能信号，起到闸门的作用，在通过标准脉冲信号填充到方波限定的测量周期内进行精确高速的计数，从而能够分别得到正半周内的正半周计数值和负半周内的负半周计数值，每过半个周期则正半周期计数值和负半周期计数值改变一次，通过实时的对两者进行加合计算，获得一次频率测量，这样就能达到过半周期准确测量一次频率的目的；其中锁存器和计数器的配合使用，能够在互斥方波的交叉控制下进行对计数器的开关闸控制和清零，以及对锁存器的打入控制，并且在方波信号的半周转换过程中损失的方波延迟相对于高频脉冲信号几乎为0，误差小，提高了本测频系统的准确性；设计合理，结构简单，操作方便，测量迅速，打破了需过一个周期的时间才能测出频率的传统方法。

进一步的，通过对偏置电压的设置能够克服对比器在过零点时的噪声影响；利用1MHz的晶振源作为统一的时钟信号源，提供统一的时钟信号和控制信号发生基准，使得系统和测量中所有的时钟都来源于准确、稳定的外在时钟，防止时间紊乱，能够准确、稳定的获得高频脉冲信号的频率数，保证了测量精度。

附图说明

图1为本发明实例中所述系统的结构原理框图。

图2为本发明实例中所述方法的工作时序图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明通过偏置比较器对同步输入电压与偏置电压进行比较，输出方波FA和方波FB，FA与FB互斥，设偏置电压克服过零点噪声影响；本优选实例中，采用计数器A和锁存器A用于正半周对标准高频脉冲计数和锁存，计数器B和锁存器B用于负半周对标准高频脉冲计数和锁存；控制模块A利用FB和CLK时钟产生用于锁存器A的打入脉冲STA和用于计数器A的清零脉冲RSTA，同理，控制模块B利用FA和CLK产生STB和RSTB；多位加法器对锁存器A的值和锁存器B的值实时相加，这样每过半周期时间，锁存器A或锁存器B发生一次改变，相加结果随之改变，这样在时间轴上就形成每过半周期时间获得一次实测周期值，实现了过1/2周期获得一次频率值。也打破了需过一周时间才能测出频率的传统方法。

本方法为工频频率测量，即测试中心频率为50Hz，测量分辨率0.01Hz，范围50Hz±2Hz。采用计数方式，属测周测频。当F＝48Hz时，T＝1/48＝20.833ms；F＝52Hz时，T＝1/52＝19.231ms；F＝50Hz时，T＝1/50＝20.000ms，取计数值20000，最后1位做四舍五入用(实际取计数值为2000)，则计数频率为Fclk＝20000/20ms＝1000kHz＝1MHz，这样在50Hz±2Hz范围内，计数值为19231—20833，再求倒数，最后一位四舍五入，确保0.01Hz分辨率要求，所以晶振源采用1MHz标准脉冲信号进行计数，保证测量精度。并且能够方便简单的通过FPGA实现，易设计，计算量小，特别适合于电网频率的微机实时测量。

具体的，如图1所示，本发明所述的系统包括偏置比较器、计数器A、锁存器A、控制模块A以及计数器B、锁存器B、控制模块B和多位加法器，选用1MHz标准脉冲信号作为统一时钟信号源，Vref为偏置比较器的偏置电压，Vin为电网同步输入电压信号。其中EN表示计数器使能，高电平有效；STA和STB分别表示对各自锁存器的打入，上升沿有效；RSTA和RSTB分别表示对各自计数器的异步清零，高电平有效。

本发明所述的测频方法，配合上述的测频系统，实现测频时处理如下：

对偏置比较器，其输入端一端接电网同步输入电压Vin，另一端接偏置电压Vref，Vref>0，用于抵消比较器过零点的噪声影响。其输出两路互斥的方波信号FA和FB，同步电压Vin为正时，FA为‘1’、FB为‘0’，同步电压Vin为负时，FA为‘0’、FB为‘1’，波形参看图2。

如图1所示，FA为计数器A的计数使能，计数时钟CLK的频率为fclk＝1MHz，FA＝‘1’时计数使能，计数器开始计数，FA＝‘0’则停止计数，当计数器A计数结束时，由控制模块A产生的脉冲打入信号STA将计数器A中的计数值打入锁存器A，完成半周期计数，由控制模块A产生计数清零信号RSTA对计数器A进行清零，为下一个正半周期计数做好准备；同样，FB为计数器B的计数使能，计数时钟CLK的频率为fclk＝1MHz，FB＝‘1’时计数使能，计数器开始计数，FB＝‘0’则停止计数，当计数器B计数结束，也就是计数器A计时开始后延迟1-3μs由控制模块B产生的脉冲打入信号STB将计数器B中的计数值打入锁存器B，完成另半周期计数，完成脉冲打入后，也就是计数器A计时开始后延迟4-6μs由控制模块B产生计数清零信号RSTB对计数器B进行清零，为下一个负半周期计数做好准备，波形参看图2。延迟的设定保证了在计数完全结束后对脉冲数量的记录，并保证了在该记录之后在下次记录之前对计数器的清零操作，本优选实例中，脉冲打入信号也就是锁存控制信号比对应的控制信号延迟2-3μs；计数清零信号也就是清零控制信号比对应的控制信号延迟5-6μs，方波FA和FB分别为控制模块B和控制模块A的控制信号。

如图1所示，控制模块A，以FB为使能，CLK为时钟，在FB＝1时，产生脉冲打入信号STA和计数清零信号RSTA；同样，对控制模块B，以FA为使能，CLK为时钟，在FA＝1时，产生脉冲打入信号STB和计数清零信号RSTB；时序关系参看图2。

如图1所示，多位加法器实现锁存器A的计数值M和锁存器B的计数值N的实施相加，当计数值M或N值发生改变，相加结果随之改变，虽然M、N每个周期发生一次改变，但两者在时间上相对1/2周期，所以加法器的输出会1/2周期发生一次改变，这种迭代相加就实现了1/2周期得出一个测频值，时序关系参看图2。

在以上系统和方法的基础上，整个测量的工作过程如下：

如图2所示，当FA＝‘1’时计数器A开始计数，当FA＝‘0’时计数器A停止计数，此时计数器A中记录数值为A1。当锁存器A接收到STA触发脉冲信号时就把计数器A中的A1值存入锁存器A中，随后计数器A收到RSTA异步清零信号把计数器A中A1值清零，为下一次做好计数准备。一个周期之后FA再次为‘1’时，计数器A再次开始计数，重复前一周期的操作，得到计数值A2，依次类推，得到A1、A2、A3，…，An。同理，对FB操作相同，也能得到B1、B2、B3，…，Bn。由于FA信号与FB信号互为非，FB信号比FA信号延迟T/2的时间，锁存器A中计数值比锁存器B计数值要快T/2的时间，利用这个时间差，把两个计数值进行一次相加，A0、B0为初设值。因为FA、FB信号分别是被测信号的半周期信号，那么FA信号的半周数值+前半周FB数值或+后半周FB数值，或者FB信号的半周数值+前半周FA数值或+后半周FA数值，这样就实现了经1/2周期时间可以连续、准确、稳定地测出被测信号的频率。其中，A0＝10000，B0＝10000为50Hz时的理论初值。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵。

Claims (7)

1.一种用于电力系统工频频率的半周期测频系统，其特征在于，包括偏置比较器，多位加法器，以及计数器A、锁存器A、控制模块A和计数器B、锁存器B、控制模块B；

偏置比较器用于对电网同步输入电压与偏置电压进行比较，输出互斥的方波FA和方波FB；

方波FA分别接入到计数器A的使能信号端和控制模块B的输入端；方波FB分别接入到计数器B的使能信号端和控制模块A的输入端；计数器A、控制模块A、计数器B和控制模块B的输入端分别接入标准脉冲信号；

控制模块A用于在方波FB的控制下输出脉冲打入信号STB和计数清零信号RSTB；控制模块B用于在方波FA的控制下输出脉冲打入信号STA和计数清零信号RSTA；

计数清零信号RSTA接入到计数器A的输入端，计数清零信号RSTB接入到计数器B的输入端；脉冲打入信号STA接入到锁存器A的控制端，脉冲打入信号STB接入到锁存器B的控制端；

锁存器A的输入端和输出端分别连接计数器A的输出端和多位加法器的一个输入端；锁存器B的输入端和输出端分别连接计数器B的输出端和多位加法器的另一个输入端。

2.根据权利要求1所述的一种用于电力系统工频频率的半周期测频系统，其特征在于，偏置电压大于0，用于抵消偏置比较器过零点的噪声干扰。

3.一种用于电力系统工频频率的半周期测频方法，其特征在于，包括，

将电网同步输入电压信号Vin取反后分别输出两路互斥的方波信号；

将每个方波信号作为各自标准脉冲计数的使能信号，分别对正半周期或负半周期内的标准脉冲进行计数；

每过半个周期计数值改变一次，将两路计数得到的计数值实时相加，在每半周期内均能够得到一次电网同步输入电压的频率测量值。

4.根据权利要求3所述的一种用于电力系统工频频率的半周期测频方法，其特征在于，在输出两路互斥的方波信号时，与电网电压输入信号Vin同步输入用于降噪的偏置电压。

5.根据权利要求3所述的一种用于电力系统工频频率的半周期测频方法，其特征在于，在标准脉冲计数时，采用一个方波信号作为对另一个方波信号的计数值进行锁储和清零的控制信号。

6.根据权利要求5所述的一种用于电力系统工频频率的半周期测频方法，其特征在于，锁存控制信号比对应的控制信号延迟1-3μs。

7.根据权利要求5所述的一种用于电力系统工频频率的半周期测频方法，其特征在于，清零控制信号比对应的控制信号延迟4-6μs。