CN107918053B - 一种基于窗口移动的快速滑差计算方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于窗口移动的快速滑差计算方法，包括如下步骤：将交流电压信号变换成稳定的弱电方波信号，根据选定的信号触发方式，当所述的稳定的弱电方波信号发生所述的信号触发方式时，捕获并存储当前时间节点，由此得出频率原始数据序列，同时根据所述的频率原始数据序列，通过滑差HC计算公式，进行基于窗口移动方法的计算。本发明通过对交流电压信号的变换和捕获，结合窗口移动的计算方法，实现了对电压系统频率滑差的快速计算，能有效提高电压系统对频率滑差的计算准确率和运算效率。

Description

一种基于窗口移动的快速滑差计算方法
技术领域
本发明涉及一种滑差计算方法，具体涉及一种基于窗口移动的快速滑差计算方法。
背景技术
安装于电力系统开关柜的微机综合测控保护装置，是保障电力系统正常运行的重要组成部分，其可以通过以系统频率滑差为依据，触发低周减载保护功能，解决电力系统有功功率缺额后，导致系统频率下降的问题。
在现有技术中，一般采用软件方式来获得电力系统频率滑差，利用CPU的计数器测量电压波形的两个过零点之间的平均时间，采集电网频率，进而得出频率滑差。但通过软件采样获取系统频率滑差的方式，对CPU的要求比较高，CPU的运行速度越高，检测到过零点的时刻就会越准确，计算得到频率精度相对就会较高，反之，频率精度就会达不到要求，从而影响保护的出口动作精度，且效率不高。滑差获取的准确性与频率采样的准确性密切相关。
发明内容
本发明的目的是针对以上通过软件方式获取电力系统频率滑差，条件要求高，效率低等问题，提供一种基于窗口移动的快速电网滑差获取方法，可提高系统对频率滑差的计算准确率和运行效率。
为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：
一种基于窗口移动的快速滑差计算方法，包括如下步骤：
(A)通过外部电路将交流电压信号变换成稳定的弱电方波信号；
(B)MCU单片机(6)采集(A)所述的稳定的弱电方波信号，根据选定的信号触发方式，利用PCA捕获功能，当所述的弱电方波信号发生所述的信号触发方式时，捕获并存储当前时间节点tn；
(C)根据(B)所述的时间节点tn，由交流信号的周期Tn-1＝tn-tn-1，可得频率原始数据序列T1……Tn-1，并存入MCU单片机(6)内数据存储区；
(D)根据(C)所述的频率原始数据序列T1……Tn-1，通过滑差HC计算公式：
Figure BDA0001440996510000011
，进行基于窗口移动方法的计算。
进一步的，所述的基于窗口移动的快速滑差计算方法应用于电力系统上。
进一步的，所述的信号触发方式为上升沿触发或下降沿触发。
进一步的，所述的MCU单片机(6)是一种具有PCA捕获功能的MCU单片机。
进一步的，所述的窗口移动方法中，包括如下步骤：设Tn为当前频率原始数据，Tn+1为下一个新的频率原始数据，数据窗口长度取K，则ΔF＝(1/Tn)-(1/Tn-k+1)，Δt＝Tn+Tn-1+……Tn-k+1，代入(D)所述的滑差HC计算公式可求得系统本次滑差结果；新增一个频率原始数据后，窗口移动一个数据位置，则ΔF＝(1/Tn+1)-(1/Tn-k+2)，Δt＝Tn+1+Tn+……Tn-k+2，代入(D)所述的滑差HC计算公式可求得新增1个频率原始数据后的系统滑差结果。
进一步的，所述的外部电路包括：电压变送器(1)、双向稳压管(2)、滤波电容(3)、电阻(4)和过零比较器(5)。
其中，所述的双向稳压管(2)跨接在所述的电压变送器(1)和所述的过零比较器(5)之间，所述的滤波电容(3)也跨接在所述的电压变送器(1)和所述的过零比较器(5)之间，所述的电阻(4)连接在所述的电压变送器(1)的一端和所述的过零比较器(5)的反相输入端之间，所述的电压变送器(1)的另一端与所述的过零比较器(5)的同相输入端相连，其连接点接地。
本发明公开的一种基于窗口移动的快速滑差计算方法，具有以下有益效果：
本发明通过对交流电压信号进行变换和触发捕获，结合窗口移动的计算方法，实现了对电压系统频率滑差的快速计算。本发明利用CPU自身的硬件方式自动触发、自动锁存定时器的值，不受其他任何因素的影响，有效提高频率滑差的计算准确率，并且滑差算法为实时性的，无需反复等待数据满窗，极大提高了频率滑差的运算效率。
附图说明
图1是本发明实施的电路图。
图2是本发明信号处理的原理图。
图3是本发明窗口移动方法的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一个分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例中，提供了一种基于窗口移动的快速滑差计算方法，包括如下步骤：
(A)通过外部电路将交流电压信号变换成稳定的弱电方波信号；
(B)MCU单片机(6)采集(A)所述的稳定的弱电方波信号，根据选定的信号触发方式，利用PCA捕获功能，当所述的弱电方波信号发生所述的信号触发方式时，捕获并存储当前时间节点tn；
(C)根据(B)所述的时间节点tn，由交流信号的周期Tn-1＝tn-tn-1，可得频率原始数据序列T1……Tn-1，并存入MCU单片机(6)内数据存储区；
(D)根据(C)所述的频率原始数据序列T1……Tn-1，通过滑差HC计算公式：
Figure BDA0001440996510000031
，进行基于窗口移动方法的计算。
以上所述的信号触发方式为上升沿触发或下降沿触发。
如图1所示，为本发明实施的电路图，包括电路元件：电压变送器1、双向稳压管2、滤波电容3、电阻4、过零比较器5和MCU单片机6。
其中，双向稳压管2跨接在电压变送器1和过零比较器5之间，滤波电容3也跨接在电压变送器1和过零比较器5之间，电阻4连接在电压变送器1的一端和过零比较器5的反相输入端之间，电压变送器1的另一端与所述的过零比较器5的同相输入端相连，其连接点接地。过零比较器5的输出端连接到MCU单片机6的PCA0引脚上。
其中，电压变送器1，其作用是为了实现对信号隔离和信号转换；双向稳压管2，其作用是为了防止输入信号电压值过高，损坏输入回路元件；滤波电容3,其作用是对信号进行滤波，消除噪声；电阻4，由运放“虚短”的概念可知，电压信号不能直接输入到过零比较器5的反相输入端，所以其作用为运放的输入电阻；过零比较器5，其作用是为了将交流正弦波信号整形为方波信号。运放采用开环放大，使产生的方波边沿陡峭，后续的频率测量更准确。
另外，MCU单片机6，具备PCA捕获阵列，方波的上升沿或下降沿触发捕获，将PCA016位定时器的值自动锁存到捕获寄存器PCA0CPL0、PCA0CPH0中。
交流电压信号通过电压变送器1变换成弱电信号，经过滤波电容3消除噪声后，进入到过零比较器5，输出一个稳定的弱电方波信号。这个稳定的弱电方波信号会通过过零比较器与MCU单片机6的连接，发送到MCU单片机6的PCA0 I/O引脚上。
如图2所示，为本发明信号处理的原理图，当MCU单片机6的PCA0 I/O引脚接受到这些弱电方波信号后，MCU单片机6的系统会对这些弱电方波信号进行处理，当方波的上升沿发生时，触发捕获并产生中断，将上升沿发生时刻PCA0 16位定时器的值自动锁存到捕获寄存器PCA0CPL0、PCA0CPH0中，程序通过在中断中查询CCF0标志，确定捕获发生后将PCA0CPL0、PCA0CPH0中的定时器值t1存储到MCU指定内存并清除CCF0标志；当方波的下一个上升沿发生时，触发捕获并产生中断，将上升沿发生时刻PCA0 16位定时器的值自动锁存到捕获寄存器PCA0CPL0、PCA0CPH0中，程序通过在中断中查询CCF0标志，确定捕获发生后获得PCA0CPL0、PCA0CPH0中的定时器值t2，交流信号的周期T1＝t2-t1，F1＝1/T1。依次类推，T2＝t3-t2，F2＝1/T2……Tn-1＝tn-tn-1，Fn-1＝1/Tn-1。T1……Tn-1存入MCU片内数据存储区，作为频率采样的原始数据，存储模式：循环覆盖。
如图3所示，为本发明窗口移动方法的原理图，根据上述所得的频率原始数据序列T1……Tn-1，设Tn为当前频率原始数据，Tn+1为下一个新的频率原始数据，数据窗口长度取K，则ΔF＝(1/Tn)-(1/Tn-k+1)，Δt＝Tn+Tn-1+……Tn-k+1，代入S4所述的滑差HC计算公式：
Figure BDA0001440996510000041
可求得系统本次滑差结果；新增一个频率原始数据后，窗口移动一个数据位置，则ΔF＝(1/Tn+1)-(1/Tn-k+2)，Δt＝Tn+1+Tn+……Tn-k+2，入S4所述的滑差HC计算公式可求得新增1个数据后的系统滑差结果。
进一步的，窗口移动方法计算滑差的启动条件为频率原始数据序列T1……Tn-1个数大于等于所述的窗口长度K。

Claims (5)

1.一种基于窗口移动的快速滑差计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
(A)通过外部电路将交流电压信号变换成稳定的弱电方波信号；
(B)MCU单片机(6)采集步骤(A)所述的稳定的弱电方波信号，根据选定的信号触发方式，利用PCA捕获功能，当所述的弱电方波信号发生所述的信号触发方式时，捕获并存储当前时间节点tn；
(C)根据步骤(B)所述的时间节点tn，由交流信号的周期Tn-1＝tn-tn-1，可得频率原始数据序列T1……Tn-1，并存入MCU单片机(6)内数据存储区；
(D)根据步骤(C)所述的频率原始数据序列T1……Tn-1，通过滑差HC计算公式：
Figure FDA0002355454500000011
进行基于窗口移动方法的计算，其中，ΔF为频率差，Δt为时间差；
所述的窗口移动方法中，包括如下步骤：设Tn为当前频率原始数据，Tn+1为下一个新的频率原始数据，数据窗口长度取K，则ΔF＝(1/Tn)-(1/Tn-k+1)，Δt＝Tn+Tn-1+......Tn-k+1，代入步骤(D)所述的滑差HC计算公式可求得系统本次滑差结果；新增一个频率原始数据后，窗口移动一个数据位置，则ΔF＝(1/Tn+1)-(1/Tn-k+2)，Δt＝Tn+1+Tn+......Tn-k+2，代入步骤(D)所述的滑差HC计算公式可求得新增1个频率原始数据后的系统滑差结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于窗口移动的快速滑差计算方法，其特征在于，所述的基于窗口移动的快速滑差计算方法应用于电力系统上。
3.根据权利要求1所述的一种基于窗口移动的快速滑差计算方法，其特征在于，所述的信号触发方式为上升沿触发或下降沿触发。
4.根据权利要求1所述的一种基于窗口移动的快速滑差计算方法，其特征在于，所述的MCU单片机(6)是一种具有PCA捕获功能的MCU单片机。
5.根据权利要求1所述的一种基于窗口移动的快速滑差计算方法，其特征在于，所述的外部电路包括：电压变送器(1)、双向稳压管(2)、滤波电容(3)、电阻(4)和过零比较器(5)；
其中，所述的双向稳压管(2)跨接在所述的电压变送器(1)和所述的过零比较器(5)之间，所述的滤波电容(3)也跨接在所述的电压变送器(1)和所述的过零比较器(5)之间，所述的电阻(4)连接在所述的电压变送器(1)的一端和所述的过零比较器(5)的反相输入端之间，所述的电压变送器(1)的另一端与所述的过零比较器(5)的同相输入端相连，其连接点接地。
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