專利名稱：電力電源的高精度測頻測幅模塊及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于各類電力保護裝置、變電站綜合自動化類裝置、發(fā)電廠自動化裝置中對電源進行頻率和幅值測量的方法，屬于電力自動化應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
絕大多數(shù)電力自動化裝置都需要對電源進行頻率和幅值測量，這些裝置包括各類電力保護裝置、變電站綜合自動化類裝置、發(fā)電廠自動化裝置等。電力自動化裝置的測頻測幅精度、范圍、復(fù)雜性和其它行業(yè)有所不同。常見的測頻方法主要采用純軟件測頻。這類算法的典型代表有帶誤差校準(zhǔn)的傅立葉測頻算法、具有自適應(yīng)能力傅立葉測頻算法，細分下去還包括cross算法、最小二乘算法、遞推傅立葉算法等?；靖盗⑷~測頻原理如下。
設(shè)系統(tǒng)額定頻率為f0(一般為50HZ)，系統(tǒng)實際頻率為f，那么f＝f0+Δf。系統(tǒng)電壓為u1＝Ucos(2πft+α0)。假定模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以每個周期N個點采樣。
根據(jù)推導(dǎo)可以得出其中φ是相鄰兩周波地相角差θ＝αk-αk-N(αi為離散采樣數(shù)值)。于是實際頻率
這類方法存在如下問題
1.相角差計算量比較大。
2.方法沒有考慮電力系統(tǒng)諧波對測頻的影響，也沒有考慮頻率變化較大的暫態(tài)情形，誤差較大。
很多軟件算法都在此基礎(chǔ)上做了修改，但是誤差較大、軟件計算量大、計算速度慢等缺點都沒有得到很好的解決。頻率測量不準(zhǔn)確，幅值測量也受到相應(yīng)的影響。本發(fā)明采用軟硬件結(jié)合的方法對頻率進行測量。在響應(yīng)時間、測量精度、測量范圍等方面都有很好的性能，且結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定。計算出的頻率值作為控制量對模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進行控制，動態(tài)調(diào)整采樣頻率，從而使得幅值計算更加準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種電力電源的高精度測頻測幅模塊及方法，該模塊具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、精度高等特點；該方法有很強的抗干擾性，對諧波以及頻率偏差較大的場合也有滿意的計算結(jié)果。
技術(shù)方案傳統(tǒng)測頻測幅方法普遍存在算法復(fù)雜計算量大、精度不高等缺點。其中計算量大、精度不高等缺點尤其突出。針對上述問題，本發(fā)明采用軟件和硬件結(jié)合的思路，將整個測頻測幅算法分由軟件和硬件兩個部分完成。
在電力自動化裝置中，需要測頻的信號都是正弦信號。首先由硬件調(diào)理電路將待處理的正弦信號轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定且同頻率的方波信號。轉(zhuǎn)換后的方波信號輸入到可編程邏輯器件中，由可編程邏輯器件對方波的寬度進行計算。最后再由CPU芯片根據(jù)當(dāng)前的硬件設(shè)置，將可編程邏輯器的輸出值換算成信號頻率。由于測幅多采用傅立葉算法，該算法在頻率偏移較大的情形下計算誤差較大。所以最終算出的頻率數(shù)值作為控制量，由CPU寫入到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中來動態(tài)調(diào)整采樣頻率，從而也提高了測幅精度。
本發(fā)明的電力電源的高精度測頻測幅模塊包括DSP處理器、可編程邏輯器件、比較器、跟隨器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、外部晶振；其中，DSP處理器的輸出端分別通過地址總線、控制信號線接可編程邏輯器件的輸入端，通過采樣控制線接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；DSP處理器的輸入端通過中斷申請A接可編程邏輯器件的輸出端，通過中斷申請B接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端；DSP處理器通過數(shù)據(jù)總線分別與可編程邏輯器件、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊雙向連接；跟隨器的輸入端接外部交流電壓信號，跟隨器的輸出端接比較器的輸入端，比較器的輸出端接可編程邏輯器件的輸入端；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的外部信號輸入端接外部交流電壓信號。
在具體的電路連接上，跟隨器的“1”號引腳接到比較器的“3”號引腳；比較器的“1”號引腳分別接到可編程邏輯器件的“19、20、21”號引腳，可編程邏輯器件的“66、67”號引腳分別接到DSP處理器的“142、143”號引腳，對應(yīng)于中斷申請A；可編程邏輯器件的數(shù)據(jù)總線SD接到DSP處理器的數(shù)據(jù)總線SD上；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的AD芯片“U10、U11”的“30”號引腳，接到可編程邏輯器件的“68、69”號引腳，可編程邏輯器件的“68、69”號引腳分別接到DSP處理器的“140、141”號引腳，對應(yīng)于中斷申請B；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的總線驅(qū)動器“U8、U9”的數(shù)據(jù)總線SD接到DSP處理器的數(shù)據(jù)總線SD上。
測頻測幅的方法為
1.)在方波的上升沿和下降沿，可編程邏輯器件通過中斷申請，使得DSP處理器進入中斷狀態(tài)；
2.)DSP處理器在中斷中讀取可編程邏輯器件內(nèi)部計數(shù)器的當(dāng)前數(shù)值；
3.)DSP處理器用上次計數(shù)器的數(shù)值減去當(dāng)前計數(shù)器的數(shù)值就可以得到半個周波內(nèi)的計數(shù)值，把計數(shù)值換算為時間，從而得到信號的頻率正弦信號頻率＝方波信號頻率＝(計數(shù)器頻率×0.5)/(當(dāng)前計數(shù)器數(shù)值-上次計數(shù)器數(shù)值)；
4.)計算出的頻率送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的控制寄存器中，動態(tài)調(diào)整采樣頻率；
5.)在主循環(huán)中計算電信號幅值。
有益效果最終設(shè)計的模塊及控制方法有如下特點
本方法有很強的抗干擾性，對諧波以及頻率偏差較大的場合也有滿意的計算結(jié)果。本發(fā)明是在詳細分析電力自動化裝置測頻和測幅特點的基礎(chǔ)上研發(fā)成功的，能對多路電源進行頻率和幅值測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、精度高等特點。
整個模塊和方法具有如下具體特點
a)電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。跟隨器電路、過零比較器電路都是常見的電路，使用的芯片也是普通的芯片；普通的CPLD芯片就可以完成可編程邏輯器的邏輯；對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片要求不高。
b)DSP方法簡單，不需要調(diào)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)庫函數(shù)，軟件復(fù)雜度近似O(1)。
c)方法穩(wěn)定，抗干擾性能高。算法采用計數(shù)原理，對輸入信號的數(shù)學(xué)模型沒有太多要求，即使原始信號中有諧波或者頻率變化較大，本方法仍然有較滿意的結(jié)果。
d)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的動態(tài)調(diào)整采樣頻率。在頻率偏離額定頻率50HZ較大時，幅值測量仍然比較準(zhǔn)確。


圖1是測頻測幅電路功能框圖，其中有DSP處理器1，可編程邏輯器件2，比較器3A、3B、3C，跟隨器4A、4B、4C，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊5，外部晶振6。
圖2是該方法總流程圖，其中包括兩個部分，即可編程邏輯器件2處理邏輯和DSP處理器1的處理。
圖3是頻率計算圖例。
圖4是圖2中可編程邏輯器2的內(nèi)部詳細處理邏輯。
圖5是圖2中DSP 1的內(nèi)部詳細處理邏輯。
圖6是跟隨器和比較器電原理圖。
圖7是DSP處理器1電原理圖。
圖8是可編程邏輯器件2電原理。
圖9是模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊5電原理。
具體實施例方式
圖1是測頻測幅電路功能框圖。各路電壓信號首先經(jīng)過一個跟隨器進行調(diào)理，使得電壓信號更加穩(wěn)定。調(diào)理后的正弦電壓通過一個過零比較器轉(zhuǎn)換成方波。方波和正弦波具有相同的頻率。該模塊包括DSP處理器1、可編程邏輯器件2、比較器3、跟隨器4、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊5、外部晶振6；其中，DSP處理器1的輸出端分別通過地址總線、控制信號線接可編程邏輯器件2的輸入端，通過采樣控制線接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊5的輸入端；DSP處理器1的輸入端通過中斷申請A接可編程邏輯器件2的輸出端，通過中斷申請B接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊5的輸出端；DSP處理器1通過數(shù)據(jù)總線分別與可編程邏輯器件2、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊5雙向連接；跟隨器4的輸入端接外部交流電壓信號，跟隨器4的輸出端接比較器3的輸入端，比較器3的輸出端接可編程邏輯器件2的輸入端；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊5的外部信號輸入端接外部交流電壓信號。
方波信號接入到可編程邏輯器件中，然后由DSP處理器和可編程邏輯器件配合計算方波的頻率。其中可編程邏輯器件中實現(xiàn)了一個內(nèi)部計數(shù)器。計算出的頻率又用來調(diào)整模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的采樣頻率。DSP處理器通過控制信號讓可編程邏輯器件進行通道切換，從而方便地對多個通道進行測頻。在電力裝置中，各種保護裝置和測控裝置都需要計算正弦量的幅值。為了使得在不同頻率下計算結(jié)果更加準(zhǔn)確，DSP處理器還將計算出的信號頻率作為控制量送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的控制寄存器中，動態(tài)調(diào)整模數(shù)控制器自身的采樣頻率。采用這種動態(tài)調(diào)整采樣頻率的方式，可以保證即使使用性能普通的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，也能在較大的頻率范圍內(nèi)使得幅值計算精度小于等于0.2％。
圖2是總的算法流程圖，其中包括兩個部分，即可編程邏輯器件2處理邏輯和DSP處理器1的處理。整個計算過程如下。
a)在方波的上升沿和下降沿，可編程邏輯器件2通過中斷，使得DSP處理器1進入中斷狀態(tài)；
b)DSP處理器1在中斷中讀取可編程邏輯器件2內(nèi)部計數(shù)器的當(dāng)前數(shù)值；
c)DSP處理器1用上次計數(shù)器的數(shù)值減去當(dāng)前計數(shù)器的數(shù)值就可以得到半個周波內(nèi)的計數(shù)值。由于計數(shù)器的頻率是固定的。所以很方便地就可以把計數(shù)值換算為時間，從而得到信號的頻率。計算公式如下。正弦信號頻率＝方波信號頻率＝(計數(shù)器頻率×0.5)/(當(dāng)前計數(shù)器數(shù)值-上次計數(shù)器數(shù)值)；可編程邏輯器件計數(shù)器的頻率是固定的，該頻率越高，計算的結(jié)果越精確。圖3是頻率計算用例；
d)計算出的頻率送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的控制寄存器中，動態(tài)調(diào)整采樣頻率。
e)在主循環(huán)中計算電信號幅值。
圖4是可編程邏輯器件的內(nèi)部詳細處理邏輯。該邏輯用可編程邏輯器件專用的語言設(shè)計實現(xiàn)，不占用任何DSP處理器的總線周期?？删幊踢壿嬈髦贿M行兩個簡單的動作邏輯。一個是不斷地計數(shù)；另一個是在過零點時申請DSP中斷，同時讓DSP讀取計數(shù)器數(shù)值。
圖5是DSP處理器的內(nèi)部詳細處理邏輯。正常工作時，DSP處理器處于循環(huán)計算當(dāng)中，不停的計算信號幅值或者進行其它處理。一旦有中斷觸發(fā)，就進入中斷處理程序。中斷處理程序和可編程邏輯器件配合計算出通道頻率并實時調(diào)整模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的采樣頻率。從圖中可以看出，中斷計算量非常小，軟件復(fù)雜度近似于O(1)。信號幅值計算使用傅立葉算法，因為計算量比較大，所以放在主循環(huán)中實現(xiàn)。
圖6～圖9是電原理圖，其中，跟隨器4的“1”號引腳接到比較器3的“3”號引腳；比較器3的“1”號引腳分別接到可編程邏輯器件2的“19、20、21”號引腳，可編程邏輯器件2的“66、67”號引腳分別接到DSP處理器1的“142、143”號引腳，對應(yīng)于中斷申請A；可編程邏輯器件2的數(shù)據(jù)總線SD接到DSP處理器1的數(shù)據(jù)總線SD上；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊5的AD芯片“U10、U11”的“30”號引腳，接到可編程邏輯器件2的“68、69”號引腳，可編程邏輯器件2的“68、69”號引腳分別接到DSP處理器1的“140、141”號引腳，對應(yīng)于中斷申請B；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊5的總線驅(qū)動器“U8、U9”的數(shù)據(jù)總線SD接到DSP處理器1的數(shù)據(jù)總線SD上。
主要元器件的功能型號為
權(quán)利要求
1.一種電力電源的高精度測頻測幅模塊，其特征在于該模塊包括DSP處理器(1)、可編程邏輯器件(2)、比較器(3)、跟隨器(4)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(5)、外部晶振(6)；其中，DSP處理器(1)的輸出端分別通過地址總線、控制信號線接可編程邏輯器件(2)的輸入端，通過采樣控制線接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(5)的輸入端；DSP處理器(1)的輸入端通過中斷申請A接可編程邏輯器件(2)的輸出端，通過中斷申請B接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(5)的輸出端；DSP處理器(1)通過數(shù)據(jù)總線分別與可編程邏輯器件(2)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(5)雙向連接；跟隨器(4)的輸入端接外部交流電壓信號，跟隨器(4)的輸出端接比較器(3)的輸入端，比較器(3)的輸出端接可編程邏輯器件(2)的輸入端；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(5)的外部信號輸入端接外部交流電壓信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電源的高精度測頻測幅模塊，其特征在于跟隨器(4)的“1”號引腳接到比較器(3)的“3”號引腳；比較器(3)的“1”號引腳分別接到可編程邏輯器件(2)的“19、20、21”號引腳，可編程邏輯器件(2)的“66、67”號引腳分別接到DSP處理器(1)的“142、143”號引腳，對應(yīng)于中斷申請A；可編程邏輯器件(2)的數(shù)據(jù)總線SD接到DSP處理器(1)的數(shù)據(jù)總線SD上；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(5)的AD芯片“U10、U11”的“30”號引腳，接到可編程邏輯器件(2)的“68、69”號引腳，可編程邏輯器件(2)的“68、69”號引腳分別接到DSP處理器(1)的“140、141”號引腳，對應(yīng)于中斷申請B；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(5)的總線驅(qū)動器“U8、U9”的數(shù)據(jù)總線SD接到DSP處理器(1)的數(shù)據(jù)總線SD上。
3.一種如權(quán)利要求1所述的電力電源的高精度測頻測幅模塊的測頻測幅方法，其特征在于測頻測幅的方法為
1.)在方波的上升沿和下降沿，可編程邏輯器件(2)通過中斷申請，使得DSP處理器(1)進入中斷狀態(tài)；
2.)DSP處理器(1)在中斷中讀取可編程邏輯器件(2)內(nèi)部計數(shù)器的當(dāng)前數(shù)值；
3.)DSP處理器(1)用上次計數(shù)器的數(shù)值減去當(dāng)前計數(shù)器的數(shù)值就可以得到半個周波內(nèi)的計數(shù)值，把計數(shù)值換算為時間，從而得到信號的頻率正弦信號頻率＝方波信號頻率＝(計數(shù)器頻率×0.5)/(當(dāng)前計數(shù)器數(shù)值-上次計數(shù)器數(shù)值)；
4.)計算出的頻率送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(5)的控制寄存器中，動態(tài)調(diào)整采樣頻率；
5.)在主循環(huán)中計算電信號幅值。
全文摘要
電力電源的高精度測頻測幅模塊及方法是一種用于各類電力保護裝置和發(fā)電廠自動化裝置中對電源進行頻率和幅值測量的方法，該模塊包括DSP處理器(1)、可編程邏輯器件(2)、比較器(3)、跟隨器(4)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(5)、外部晶振(6)；該模塊具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、精度高等特點；該方法為在方波的上升沿和下降沿，可編程邏輯器件通過中斷申請，使得DSP處理器進入中斷狀態(tài)；DSP處理器在中斷中讀取可編程邏輯器件內(nèi)部計數(shù)器的當(dāng)前數(shù)值；DSP處理器用上次計數(shù)器的數(shù)值減去當(dāng)前計數(shù)器的數(shù)值，經(jīng)轉(zhuǎn)換從而得到信號的頻率計算出的頻率送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的控制寄存器中，動態(tài)調(diào)整采樣頻率；在主循環(huán)中計算電信號幅值。
文檔編號G01R31/42GK1821802SQ20061003889
公開日2006年8月23日 申請日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者李 杰, 周正超 申請人:江蘇金智科技股份有限公司