基于正弦波变化的电力信号系统频率测量方法

摘 要：电力系统频率是电力系统的重要状态反馈量，为保障电力系统安全稳定运行，需加以动态控制。随着科学技术的不断发展，频率测量的精度和技术速度在不断提高，但由于电力系统负荷的动态和惯性特性，总会有不同程度的时差和误差。本系统根据电力系统频率的特点，对现有算法进行了研究分析，提出通过硬件电路实现正弦波转换为方波的方法，该方法利用DSP处理器本身自带的输入捕捉接口捕捉该方波信号，采用防脉冲干扰均值滤波法进行计算完成高精度频率测量，将频率准确地控制在允许范围内，该方法具有较高的应用价值。

关键词：动态；时差；DSP；高精度

中图分类号：TM93 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）03-00-02

0 引 言

频率是电力系统的重要参数，稳定的频率是电力系统安全稳定运行的重要保障，因此保持频率在允许范围内是电力系统运行的重要任务之一。随着电网规模的日益扩大，电力系统频率更是直接影响系统的安全稳定水平和电能质量。如果电力系统频率异常，电力系统的正常运行将会受到影响，甚至还会导致频率稳定被破坏的事故发生。基于此，本文深入研究和分析了电力系统的频率特性，提出用LM393作为过零比较器，将正弦信号转换成方波，利用dsPIC33FJ256GP710A处理器自身携带的输入捕捉接口捕捉该方波信号，使用抗脉冲干扰测周法，进而完成对频率的高精度测量。对电力系统的运行及控制具有重要的现实意义和理论价值。

1 交流采样转换测量硬件设计原理

1.1 信号调理模块

本微机综保主要用于采集电流值和频率，通过采集A相路电流频率的方法来节省端口，由于AD只能采集电压值，所以需要将大范围的电流输入变换为小范围的电压输入，这就需要用到电抗变换器或电流变换器。三相交流分别接到了三个TR0139-2B（规格为100 A/3.3 V）电流变换器上，零序电流接到了TR0139-2C（规格为6 A/3.3 V）电流变换器上，它们线性转换后的输出电压大小都在3.3 V以下，波形 ッ基本保持与电流波形相同且同相。图1所示为电流-电压调理模块的电路图。

当电路发生短路故障时，工频电流中往往会掺杂有高频谐波分量，所以电路中就需要进行低通滤波处理，图中电流变换器右侧的串联电阻和接地电容组成的RC低通滤波电路就是为此而设计的。OP777负反馈ฑ中电阻与电容并联也能降低高频谐波分量对电路产生的影响，这是因为输出端的高频信号有一部分会通过电容返回到输入端，且反馈回来的信号跟输入的信号是不同相的，所以就会有一部分高频信号被抵消掉。

1.2 频率测量电路的设计

图2所示为正弦波-方波转换的硬件电路。LM393是由两个独立的、高精度电压比较器组成的集成电路，失调电源比较低，最大为2.0 mV。LM393在电路中起到过零比较器的作用，将正弦波转换为方波。这样dsPIC33FJ256GP710处理器就可以利用自身携带的输入捕捉接口捕捉该方波信号，采用防脉冲干扰测周法算出A相输入的频率值大小，完成高精度频率测量。

2 算法分析

目前用于频率测量的方法有很多，被测对象的特点和测量的频率范围决定了频率测量的精准度。

计数测频方法的优点是：测量简洁方便，在较宽频率范围内可以得到较高的测量精度。缺点为会产生±1个数字的测量误差，对于较低的被测频率来说，测频精度不高。多周期同步测频方法比直接测频法有较大改进，但也有不足：一方面，多周期同步测频法不能实现连续测量；另一方面，在快速测量时，由于测量精度较高的要求，时基频率必须较高，从而需要的标频计数位数就会增多，造成硬件资☁源的消耗增多并且会占用过多的指令周期。而周期所产生的误差只和单片机自身的晶振频率有关，频率和误差成反比关系。因此，单片机的晶振频率提高时，误差也就相应变小，所以适合低频信号频率测量的周期同步测频法。我유们选用的处理器芯片其最高工作频率可达40 MHz，在变电站现场测量时，属于脉冲干扰比较严重的巧合，如果采用一般的平均值法，则干扰将会“平均”到结果中去，故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的误差。为此，本文采用防脉冲干扰的测周法。在微机综保的信号采集中优势明显。

3 软件设计

信号测量模块是软件的核心模块。本系统采用防脉冲干扰的测周法，测量信号一个周期的脉宽。若一个脉宽是T，则首先判断输入口是否为低，如果不为低则等待，为低则此时达到A点，ฐ再判断是否为高，如果为高，则此时达到B点，启动计时器计时，当测量完一个周期T后，关闭计时器，然后将计时器的TH、TL分别存入数据存储器中，进而计算频率。图3所示为测量模块的软件流程图。

4 测 试

本文中微机综保的频率为40 MHz，周期法测量误差公式可得理论误差为1/40 M，实际测量值用昂立（ONLLY）AD431微型机继电保护测试仪测试，并用当前显示程序显示频率来计算测量误差。现在稳定的程序精度普遍在0.00%～0.03%之间，可达到频率的精确测量。实验室测量数据对比见表1所列。

5 结 语

本文提出了一种基于正弦波-方波转换的硬件电路，并运用抗干扰的测周期方式进行频率的精确测量，将频率准确地控制在允许范围内，从而为电力系统的安全、稳定运行提供了保障，具有较高的推广价值。

参考文献

[1]桑海伟，姚凯学.基于CAN总线的微机综保系统设计与实现[J].测控技术，2014（4）：89-93.

[2]杨洪明，刘保平，易德鑫，等.基于有限通信的配电系统频率协同获取方法[J].电力系统保护与控制，2014，42（6）：69-76.

[3]张俊敏，梅柳溪.一种数字化变电站频率测量算法[J].中南民族大学学报（自然科学版），2014，33（1）：103-105.

[4]景展.基于DSP的交流电量采集及其电磁兼容性能研究[D].南京：河海大学，2006.

[5]马晓春，刘旭东.一种电力谐波分析新算法[J].中国电机工程学报，2013（S1）：184-189.