在電力系統(tǒng)中,,電壓和頻率是反應(yīng)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的兩個(gè)重要參數(shù)。同時(shí),,在繼電保護(hù)行業(yè),,電壓和頻率也是繼電保護(hù)、測(cè)控,、同期合閘等裝置進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作的重要判據(jù),。
電力系統(tǒng)中,一般為了節(jié)省測(cè)頻回路,,頻率的測(cè)量傳統(tǒng)上都是利用電壓的采樣瞬時(shí)值來(lái)計(jì)算頻率〔2〕〔3〕,,這種方法由于采樣精度和諧波的原因,雖然采用了各種補(bǔ)償措施,,實(shí)際測(cè)量精度仍然不能滿足像自動(dòng)準(zhǔn)同期等以頻率或頻差作為動(dòng)作判據(jù)的裝置的要求,。電壓的計(jì)算,傳統(tǒng)上一般采用傅立葉算法,。傅立葉算法有著把基波及各次諧波分量分離的優(yōu)點(diǎn),,可以得到各分量的大小,從而得到了廣泛的應(yīng)用,。但是這種算法中相關(guān)系數(shù)固定,,當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率變化時(shí),會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)量誤差,。對(duì)于這種情況,,有采用鎖相倍頻采樣觸發(fā)電路〔4〕〔5〕的方法,來(lái)保證每一信號(hào)周期內(nèi)獲取相同的采樣點(diǎn)數(shù),,提高計(jì)算精度,,但同時(shí),這種專門的鎖相倍頻采樣觸發(fā)電路增加了設(shè)計(jì)成本和調(diào)試難度,。
本文提出了一種利用80C196的HIS(High SpeedInput,,高速輸入)對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量的方法,測(cè)量精度高,,通過(guò)測(cè)得的頻率相應(yīng)地改變電壓采樣頻率,,實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤,,很好地提高電壓計(jì)算精度。這種方法既簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),,又在得到高精度頻率測(cè)量的同時(shí)提高了電壓計(jì)算精度,。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件構(gòu)成
電力系統(tǒng)中,三相電壓頻率是一樣的,,任選其中一相作為頻率測(cè)量的信號(hào),。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
測(cè)頻信號(hào)需要實(shí)行濾波和整形電路,。濾波是為了濾除諧波和紋波,,為整形提供較好的檢測(cè)信號(hào)。整形電路將濾波后的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào),。電壓測(cè)量不需要濾波,,以便保留更多的波形信息。
2.2 濾波整形電路
因?yàn)闇y(cè)量頻率只需要周期信號(hào),,而無(wú)需相位信息,,所以,整形電路無(wú)須過(guò)零檢測(cè),,考慮到這一點(diǎn),,整形電路實(shí)現(xiàn)就比較方便。實(shí)際設(shè)計(jì)中,,為了簡(jiǎn)化電路,,濾波電路與整形電路功能采用一片集成芯片MC1489來(lái)完成。MC1489是單片集成四路電平轉(zhuǎn)換器,,其中每一路都可實(shí)現(xiàn)整形功能,,外加電容起到濾波的作用。電路如圖2所示,。
3 軟件實(shí)現(xiàn)
3.1 測(cè)頻原理及誤差分析
用HSI事件實(shí)現(xiàn)測(cè)頻,,實(shí)際上是測(cè)量周期的方法,對(duì)于80C196單片機(jī)來(lái)說(shuō),,即,,在觸發(fā)的時(shí)間內(nèi),每8個(gè)晶振周期對(duì)信號(hào)周期的計(jì)數(shù),。當(dāng)晶體振蕩頻率為20 MHz時(shí),,內(nèi)部晶振周期為0.1μs(因?yàn)閮?nèi)部經(jīng)過(guò)了2分頻),每0.8μs計(jì)數(shù)一次,。從這可以看出,,測(cè)量絕對(duì)最大誤差為信號(hào)前后邊界共1.6μs,對(duì)于周期為20 ms的50 Hz的信號(hào),最大誤差折算到頻率約為0.004 Hz,,所以,,頻率測(cè)量精度可達(dá)到0.01 Hz。當(dāng)晶體振蕩頻率越高或被測(cè)信號(hào)周期越長(zhǎng)時(shí),,相對(duì)誤差就越小。
3.2 頻率測(cè)量的實(shí)現(xiàn)思路
HSI事件可以采用中斷方式和查詢方式讀取,,因?yàn)闇y(cè)頻的同時(shí)要改變采樣中斷間隔,,在采樣中斷中以查詢方式實(shí)現(xiàn)更為方便簡(jiǎn)潔。
查詢方式下,,HSI事件主要依靠配置或讀取寄存器IOC0,、HSI MODE、IOS1,、HSI STATUS以及HSI TIME的內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn),。IOC0用于事件引腳選擇。由HSI引腳輸入的外部事件有四種觸發(fā)方式,,分別為負(fù)跳變觸發(fā),、正跳變觸發(fā)、正負(fù)跳變觸發(fā),、每8個(gè)正跳變觸發(fā),,各觸發(fā)方式通過(guò)HSI MODE來(lái)設(shè)置。IOS1記錄了有HSI部件保存寄存器數(shù)據(jù)是否有效的信息,。HSI STATUS存放每個(gè)輸入引腳的兩種信息,,一是說(shuō)明該引腳是否有事件發(fā)生,二是記錄當(dāng)前該引腳電平狀態(tài),。HSI TIME存放的是保持寄存器所存事件的時(shí)間值〔1〕,。
假定HSI只用到HSI.0。初始化時(shí),,設(shè)置IOC0為01H,,選擇HSI.0為事件輸入引腳。設(shè)定HSI MODE寄存器為01H,,即,,每個(gè)正跳變?yōu)橐粋€(gè)事件的觸發(fā)方式。在采樣中斷中讀取時(shí)間值,,先查詢IOS1.7,,若該位為1,則表明保持寄存器已加載,,可對(duì)HSI的事件予以讀取,。讀取HSI STATUS和HSI TIME兩個(gè)寄存器,進(jìn)行處理。
3.3 頻率的計(jì)算及采樣跟蹤
此處為了闡述明了起見(jiàn),,給出頻率測(cè)量及頻率跟蹤程序源代碼,,該程序增加了防止測(cè)頻回路出錯(cuò)而導(dǎo)致采樣錯(cuò)誤的功能?! ?/p>
其中,,t—freq、tcy,、tcy+2,、ltcy、iosl—map,、freq—err,、freq為定義的80C196的通用寄存器,SH—Point,Tcy—Normal為規(guī)定的常數(shù),,分別為一周內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)和50Hz時(shí)HSI正常計(jì)數(shù)值,。t—freq為頻率測(cè)量計(jì)數(shù),代表著在觸發(fā)時(shí)間內(nèi)HIS的實(shí)際計(jì)數(shù)值,。應(yīng)用中可以依據(jù)不同的測(cè)量精度要求,,以不同的數(shù)值除以該計(jì)數(shù),以獲得頻率的數(shù)值,。對(duì)于50 Hz的信號(hào),,在一個(gè)周期內(nèi)計(jì)數(shù)理論上為25 000,以125 000000(Constant freqhl)除以該值,,即可得到測(cè)量精度為0.01Hz的頻率測(cè)量的定點(diǎn)運(yùn)算值freq(如上面的程序所示),。
4 跟蹤能力分析
從上面的頻率跟蹤實(shí)現(xiàn)過(guò)程來(lái)看,當(dāng)信號(hào)頻率穩(wěn)定在某一頻率時(shí),,只要經(jīng)過(guò)信號(hào)的一個(gè)周期時(shí)間,,HSI就產(chǎn)生數(shù)據(jù)有效事件,采樣頻率就能跟蹤上信號(hào)頻率,,從而提高電壓計(jì)算精度,。
對(duì)于以一定的滑差變化頻率的信號(hào),這里存在采樣跟蹤的實(shí)時(shí)性問(wèn)題,。從試驗(yàn)可以知道,,在不實(shí)行頻率跟蹤的情況下,當(dāng)信號(hào)頻率與50 Hz基準(zhǔn)頻率的偏差小于0.5 Hz時(shí),,電壓計(jì)算精度依然較高,,能夠滿足各裝置的行為需要。為增加計(jì)算冗余,,可以以0.3 Hz為限,。因?yàn)楸舅惴l率跟蹤為信號(hào)一周就跟蹤一次,,對(duì)于電力系統(tǒng),即,,約20 ms跟蹤一次,,所以,只要滑差小于0.3Hz/20ms=15Hz/s時(shí),,電壓采樣就能跟蹤信號(hào)頻率而不影響計(jì)算精度,。而實(shí)際上,在電力系統(tǒng)中15Hz/s的頻率滑差根本是不存在的,。所以,,本算法是切實(shí)可行的。
5 實(shí)施頻率跟蹤對(duì)電壓計(jì)算的影響及結(jié)論
作者采用80C196,、12位A/D的單片機(jī)系統(tǒng),編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)50 Hz,、100 V的電壓信號(hào)進(jìn)行每周12點(diǎn)采樣計(jì)算的模擬試驗(yàn),,當(dāng)信號(hào)頻率與50 Hz偏差較大時(shí),采用采樣頻率跟蹤信號(hào)頻率比不采用該方法時(shí)的電壓計(jì)算具有更高的精度,。通過(guò)觀察實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù),,頻率在55 Hz時(shí)兩者計(jì)算比較示意圖如圖3所示。
另外,,對(duì)于頻率以一定的滑差連續(xù)變化的信號(hào),,因?yàn)椴蓸宇l率有實(shí)時(shí)跟蹤功能,電壓計(jì)算依然有著較高的精度,。
本文提出的這種頻率測(cè)量方法,,軟硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,測(cè)量精度高,。采樣頻率跟蹤信號(hào)頻率,,使得采樣值更好地適合傅立葉算法,從而提高了電壓計(jì)算精度,。適合于電力系統(tǒng)中各繼電保護(hù)裝置中高精度的頻率和電壓測(cè)量,。