CN1821802A - 电力电源的高精度测频测幅模块及方法 - Google Patents

Abstract

电力电源的高精度测频测幅模块及方法是一种用于各类电力保护装置和发电厂自动化装置中对电源进行频率和幅值测量的方法，该模块包括DSP处理器(1)、可编程逻辑器件(2)、比较器(3)、跟随器(4)、模数转换模块(5)、外部晶振(6)；该模块具有结构简单、性能稳定、精度高等特点；该方法为：在方波的上升沿和下降沿，可编程逻辑器件通过中断申请，使得DSP处理器进入中断状态；DSP处理器在中断中读取可编程逻辑器件内部计数器的当前数值；DSP处理器用上次计数器的数值减去当前计数器的数值，经转换从而得到信号的频率：计算出的频率送到模数转换模块的控制寄存器中，动态调整采样频率；在主循环中计算电信号幅值。

Description

电力电源的高精度测频测幅模块及方法

技术领域

本发明是一种用于各类电力保护装置、变电站综合自动化类装置、发电厂自动化装置中对电源进行频率和幅值测量的方法，属于电力自动化应用的技术领域。

背景技术

绝大多数电力自动化装置都需要对电源进行频率和幅值测量，这些装置包括：各类电力保护装置、变电站综合自动化类装置、发电厂自动化装置等。电力自动化装置的测频测幅精度、范围、复杂性和其它行业有所不同。常见的测频方法主要采用纯软件测频。这类算法的典型代表有：带误差校准的傅立叶测频算法、具有自适应能力傅立叶测频算法，细分下去还包括cross算法、最小二乘算法、递推傅立叶算法等。基本傅立叶测频原理如下。

设系统额定频率为f₀(一般为50HZ)，系统实际频率为f，那么f＝f₀+Δf。系统电压为：u₁＝Ucos(2πft+α₀)。假定模数转换模块以每个周期N个点采样。

 根据推导可以得出： $\mathrm{\Δf}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\×f_0\×\mathrm{\φ},$ 其中φ是相邻两周波的相角差θ＝α_k-α_k-N(α_i为离散采样数值)。于是实际频率 $f=f_0(1+\frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}).$

这类方法存在如下问题：

1.相角差计算量比较大。

2.方法没有考虑电力系统谐波对测频的影响，也没有考虑频率变化较大的暂态情形，误差较大。

很多软件算法都在此基础上做了修改，但是误差较大、软件计算量大、计算速度慢等缺点都没有得到很好的解决。频率测量不准确，幅值测量也受到相应的影响。本发明采用软硬件结合的方法对频率进行测量。在响应时间、测量精度、测量范围等方面都有很好的性能，且结构简单、性能稳定。计算出的频率值作为控制量对模数转换模块进行控制，动态调整采样频率，从而使得幅值计算更加准确。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种电力电源的高精度测频测幅模块及方法，该模块具有结构简单、性能稳定、精度高等特点；该方法有很强的抗干扰性，对谐波以及频率偏差较大的场合也有满意的计算结果。

技术方案：传统测频测幅方法普遍存在算法复杂计算量大、精度不高等缺点。其中计算量大、精度不高等缺点尤其突出。针对上述问题，本发明采用软件和硬件结合的思路，将整个测频测幅算法分由软件和硬件两个部分完成。

在电力自动化装置中，需要测频的信号都是正弦信号。首先由硬件调理电路将待处理的正弦信号转换成稳定且同频率的方波信号。转换后的方波信号输入到可编程逻辑器件中，由可编程逻辑器件对方波的宽度进行计算。最后再由CPU芯片根据当前的硬件设置，将可编程逻辑器的输出值换算成信号频率。由于测幅多采用傅立叶算法，该算法在频率偏移较大的情形下计算误差较大。所以最终算出的频率数值作为控制量，由CPU写入到模数转换模块中来动态调整采样频率，从而也提高了测幅精度。

本发明的电力电源的高精度测频测幅模块包括DSP处理器、可编程逻辑器件、比较器、跟随器、模数转换模块、外部晶振；其中，DSP处理器的输出端分别通过地址总线、控制信号线接可编程逻辑器件的输入端，通过采样控制线接模数转换模块的输入端；DSP处理器的输入端通过中断申请A接可编程逻辑器件的输出端，通过中断申请B接模数转换模块的输出端；DSP处理器通过数据总线分别与可编程逻辑器件、模数转换模块双向连接；跟随器的输入端接外部交流电压信号，跟随器的输出端接比较器的输入端，比较器的输出端接可编程逻辑器件的输入端；模数转换模块的外部信号输入端接外部交流电压信号。

在具体的电路连接上，跟随器的“1”号引脚接到比较器的“3”号引脚；比较器的“1”号引脚分别接到可编程逻辑器件的“19、20、21”号引脚，可编程逻辑器件的“66、67”号引脚分别接到DSP处理器的“142、143”号引脚，对应于中断申请A；可编程逻辑器件的数据总线SD接到DSP处理器的数据总线SD上；模数转换模块的AD芯片“U10、U11”的“30”号引脚，接到可编程逻辑器件的“68、69”号引脚，可编程逻辑器件的“68、69”号引脚分别接到DSP处理器的“140、141”号引脚，对应于中断申请B；模数转换模块的总线驱动器“U8、U9”的数据总线SD接到DSP处理器的数据总线SD上。

测频测幅的方法为：

1.)在方波的上升沿和下降沿，可编程逻辑器件通过中断申请，使得DSP处理器进入中断状态；

2.)DSP处理器在中断中读取可编程逻辑器件内部计数器的当前数值；

3.)DSP处理器用上次计数器的数值减去当前计数器的数值就可以得到半个周波内的计数值，把计数值换算为时间，从而得到信号的频率：正弦信号频率＝方波信号频率＝(计数器频率×0.5)/(当前计数器数值-上次计数器数值)；

4.)计算出的频率送到模数转换模块的控制寄存器中，动态调整采样频率；

5.)在主循环中计算电信号幅值。

有益效果：最终设计的模块及控制方法有如下特点：

本方法有很强的抗干扰性，对谐波以及频率偏差较大的场合也有满意的计算结果。本发明是在详细分析电力自动化装置测频和测幅特点的基础上研发成功的，能对多路电源进行频率和幅值测量，具有结构简单、性能稳定、精度高等特点。

整个模块和方法具有如下具体特点：

a)电路结构简单，成本低廉。跟随器电路、过零比较器电路都是常见的电路，使用的芯片也是普通的芯片；普通的CPLD芯片就可以完成可编程逻辑器的逻辑；对模数转换芯片要求不高。

b)DSP方法简单，不需要调用复杂的数学库函数，软件复杂度近似O(1)。

c)方法稳定，抗干扰性能高。算法采用计数原理，对输入信号的数学模型没有太多要求，即使原始信号中有谐波或者频率变化较大，本方法仍然有较满意的结果。

d)模数转换模块的动态调整采样频率。在频率偏离额定频率50HZ较大时，幅值测量仍然比较准确。

附图说明

图1是测频测幅电路功能框图，其中有：DSP处理器1，可编程逻辑器件2，比较器3A、3B、3C，跟随器4A、4B、4C，模数转换模块5，外部晶振6。

图2是该方法总流程图，其中包括两个部分，即可编程逻辑器件2处理逻辑和DSP处理器1的处理。

图3是频率计算图例。

图4是图2中可编程逻辑器2的内部详细处理逻辑。

图5是图2中DSP 1的内部详细处理逻辑。

图6是跟随器和比较器电原理图。

图7是DSP处理器1电原理图。

图8是可编程逻辑器件2电原理。

图9是模数转换模块5电原理。

具体实施方式

图1是测频测幅电路功能框图。各路电压信号首先经过一个跟随器进行调理，使得电压信号更加稳定。调理后的正弦电压通过一个过零比较器转换成方波。方波和正弦波具有相同的频率。该模块包括DSP处理器1、可编程逻辑器件2、比较器3、跟随器4、模数转换模块5、外部晶振6；其中，DSP处理器1的输出端分别通过地址总线、控制信号线接可编程逻辑器件2的输入端，通过采样控制线接模数转换模块5的输入端；DSP处理器1的输入端通过中断申请A接可编程逻辑器件2的输出端，通过中断申请B接模数转换模块5的输出端；DSP处理器1通过数据总线分别与可编程逻辑器件2、模数转换模块5双向连接；跟随器4的输入端接外部交流电压信号，跟随器4的输出端接比较器3的输入端，比较器3的输出端接可编程逻辑器件2的输入端；模数转换模块5的外部信号输入端接外部交流电压信号。

方波信号接入到可编程逻辑器件中，然后由DSP处理器和可编程逻辑器件配合计算方波的频率。其中可编程逻辑器件中实现了一个内部计数器。计算出的频率又用来调整模数转换模块的采样频率。DSP处理器通过控制信号让可编程逻辑器件进行通道切换，从而方便地对多个通道进行测频。在电力装置中，各种保护装置和测控装置都需要计算正弦量的幅值。为了使得在不同频率下计算结果更加准确，DSP处理器还将计算出的信号频率作为控制量送到模数转换模块的控制寄存器中，动态调整模数控制器自身的采样频率。采用这种动态调整采样频率的方式，可以保证即使使用性能普通的模数转换模块，也能在较大的频率范围内使得幅值计算精度小于等于0.2％。

图2是总的算法流程图，其中包括两个部分，即可编程逻辑器件2处理逻辑和DSP处理器1的处理。整个计算过程如下。

a)在方波的上升沿和下降沿，可编程逻辑器件2通过中断，使得DSP处理器1进入中断状态；

b)DSP处理器1在中断中读取可编程逻辑器件2内部计数器的当前数值；

c)DSP处理器1用上次计数器的数值减去当前计数器的数值就可以得到半个周波内的计数值。由于计数器的频率是固定的。所以很方便地就可以把计数值换算为时间，从而得到信号的频率。计算公式如下。正弦信号频率＝方波信号频率＝(计数器频率×0.5)/(当前计数器数值-上次计数器数值)；可编程逻辑器件计数器的频率是固定的，该频率越高，计算的结果越精确。图3是频率计算用例；

d)计算出的频率送到模数转换模块的控制寄存器中，动态调整采样频率。

e)在主循环中计算电信号幅值。

图4是可编程逻辑器件的内部详细处理逻辑。该逻辑用可编程逻辑器件专用的语言设计实现，不占用任何DSP处理器的总线周期。可编程逻辑器只进行两个简单的动作逻辑。一个是不断地计数；另一个是在过零点时申请DSP中断，同时让DSP读取计数器数值。

图5是DSP处理器的内部详细处理逻辑。正常工作时，DSP处理器处于循环计算当中，不停的计算信号幅值或者进行其它处理。一旦有中断触发，就进入中断处理程序。中断处理程序和可编程逻辑器件配合计算出通道频率并实时调整模数转换模块的采样频率。从图中可以看出，中断计算量非常小，软件复杂度近似于O(1)。信号幅值计算使用傅立叶算法，因为计算量比较大，所以放在主循环中实现。

图6～图9是电原理图，其中，跟随器4的“1”号引脚接到比较器3的“3”号引脚；比较器3的“1”号引脚分别接到可编程逻辑器件2的“19、20、21”号引脚，可编程逻辑器件2的“66、67”号引脚分别接到DSP处理器1的“142、143”号引脚，对应于中断申请A；可编程逻辑器件2的数据总线SD接到DSP处理器1的数据总线SD上；模数转换模块5的AD芯片“U10、U11”的“30”号引脚，接到可编程逻辑器件2的“68、69”号引脚，可编程逻辑器件2的“68、69”号引脚分别接到DSP处理器1的“140、141”号引脚，对应于中断申请B；模数转换模块5的总线驱动器“U8、U9”的数据总线SD接到DSP处理器1的数据总线SD上。

主要元器件的功能型号为：

器件标号	功能名称	器件型号
			U12，U13	跟随器	LF353
U14，U15	电压比较器	LM393
			U1	DSP处理器	TMS320C32
X1	有源晶振	40MHz
			U2	可编程逻辑器件	XC95108
J2	可编程逻辑器件编程口	IDC6
			U8，U9	总线驱动器	74HC245
U10，U11	AD芯片	MAX125

Claims (3)

1.一种电力电源的高精度测频测幅模块，其特征在于该模块包括DSP处理器(1)、可编程逻辑器件(2)、比较器(3)、跟随器(4)、模数转换模块(5)、外部晶振(6)；其中，DSP处理器(1)的输出端分别通过地址总线、控制信号线接可编程逻辑器件(2)的输入端，通过采样控制线接模数转换模块(5)的输入端；DSP处理器(1)的输入端通过中断申请A接可编程逻辑器件(2)的输出端，通过中断申请B接模数转换模块(5)的输出端；DSP处理器(1)通过数据总线分别与可编程逻辑器件(2)、模数转换模块(5)双向连接；跟随器(4)的输入端接外部交流电压信号，跟随器(4)的输出端接比较器(3)的输入端，比较器(3)的输出端接可编程逻辑器件(2)的输入端；模数转换模块(5)的外部信号输入端接外部交流电压信号。

2.根据权利要求1所述的电力电源的高精度测频测幅模块，其特征在于：跟随器(4)的“1”号引脚接到比较器(3)的“3”号引脚；比较器(3)的“1”号引脚分别接到可编程逻辑器件(2)的“19、20、21”号引脚，可编程逻辑器件(2)的“66、67”号引脚分别接到DSP处理器(1)的“142、143”号引脚，对应于中断申请A；可编程逻辑器件(2)的数据总线SD接到DSP处理器(1)的数据总线SD上；模数转换模块(5)的AD芯片“U10、U11”的“30”号引脚，接到可编程逻辑器件(2)的“68、69”号引脚，可编程逻辑器件(2)的“68、69”号引脚分别接到DSP处理器(1)的“140、141”号引脚，对应于中断申请B；模数转换模块(5)的总线驱动器“U8、U9”的数据总线SD接到DSP处理器(1)的数据总线SD上。

3.一种如权利要求1所述的电力电源的高精度测频测幅模块的测频测幅方法，其特征在于测频测幅的方法为：

1.)在方波的上升沿和下降沿，可编程逻辑器件(2)通过中断申请，使得DSP处理器(1)进入中断状态；

2.)DSP处理器(1)在中断中读取可编程逻辑器件(2)内部计数器的当前数值；

3.)DSP处理器(1)用上次计数器的数值减去当前计数器的数值就可以得到半个周波内的计数值，把计数值换算为时间，从而得到信号的频率：正弦信号频率＝方波信号频率＝(计数器频率×0.5)/(当前计数器数值-上次计数器数值)；

4.)计算出的频率送到模数转换模块(5)的控制寄存器中，动态调整采样频率；

5.)在主循环中计算电信号幅值。

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