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(hù)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(jìn)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(jìn)行頻率和幅值測量，這些裝置包括各類電力保護(hù)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(xì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xì)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(jìn)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(xì)處理邏輯。
圖5是圖2中DSP 1的內(nèi)部詳細(xì)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(jìn)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(jìn)行通道切換，從而方便地對多個通道進(jìn)行測頻。在電力裝置中，各種保護(hù)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(jìn)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(xì)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(jìn)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(xì)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(jìn)行其它處理。一旦有中斷觸發(fā)，就進(jìn)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(jìn)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(hù)裝置和發(fā)電廠自動化裝置中對電源進(jìn)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(jìn)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