電力系統的頻率反映了發(fā)電機組發(fā)出的有功功率與負荷所需有功功率的平衡情況,。高精度和高可靠性的頻率測量對整個電力系統的穩(wěn)定運行有著至關重要的作用，機組在開停機過程中,，頻率變化范圍比較大,，變化速度比較快，傳統的測頻方法由于固有的缺陷,，難以很好解決這一問題,。等精度測量方法的測量精度不隨被測脈沖的頻率高低變化而改變，只與標準計數器有關,，可以使測量精度大大提高,，并且閘門時間可變，可快速反應頻率的變化,。

1 傳統測量方法的原理及誤差分析

傳統測量方法有2種,，一種是測頻法(M 法)，是對被測信號在閘門時間(T—Nfo,，N 個基準信號脈沖的時間)內的脈沖進行計數(計數值為M),，被測信號的頻率為，誤差為

另一種是測周法(T法),，是在被測信號一個周期內對基準脈沖計數(計數值為N),，被測信號的頻率為， 誤差為。

其中,，為基準信號頻率準確度,，通常可達 ,；對于測頻法，在相同的閘門時間內,，對于任意的f不能保證在T時間內正好有M 個T ,，因此會產生最大±1個T 的量化誤差，并且隨著被測頻率f 減小,，M 減小,，誤差越大，因此,，測頻法只對高頻信號有較好的測量精度,；對于測周法，隨著被測頻率．f 增大,，N 越小,，誤差越大，因此測周法只對低頻信號有較好的測量精度,。在測量范圍比較寬時,，采用上述2種方法相結合的方式，無疑對提高測量精度是有效的,，但又存在著如下問題：一是整個頻段測量精度不一致,；二是中界頻率附近頻繁切換測量方法，誤差大,，實時性差,。

2 等精度測量方法的原理及誤差分析

等精度測頻法是在傳統測頻方法基礎上發(fā)展起來的測頻方法，并且在各個領域的測頻中得到了越來越多的應用,。

等精度測頻法原理如圖1所示,。

設置2個計數器，計數器1對被測信號進行計數,，計數器2對基準信號進行計數,。預先設置一個閘門時間T，測量開始后,，當被測信號的下一個前沿到來時,，同步打開計數器1和計數器2開始計數，閘門時間到達后,，計數器I和計數器2都不停止計數,，直到被測信號的前沿到來時，同步關閉計數器1和計數器2。被測信號的頻率可表示為：誤差為： ,，其中M為計數器l計數值,，N 為計數器2計數值，f為基準頻率,，可以看出,，它與傳統測頻法的表達式相同，不同的是,，計數器1的工作是由被測脈沖同步開啟和關閉,，因此不存在計數誤差，即99 ,，由此可見,，這種方法的測量精度不隨被測信號的頻率變化而變化，在全量程范圍內測量值顯示的有效位數相同,，即等精度測量,。一般情況下，1010 ,，所以這種方法的測量誤差主要是對基準信號的計數存在±1誤差引起的,。因此可以看出，基準信號頻率越高,，在相同的閘門時間的情況下,，測量精度越高。另外,，閘門時間T越長,，計數N 越多，測量精度越高,。然而,，T和N 受多種因素制約，不可能任意增加,，首先是工程的要求,，要反映和了解轉速的變化程度，必須采用較短的時間,。水輪機組轉速在開停過程中從0～5O Hz變化,，不超過100 Hz，在實際應用中,，可適當選擇閘門時間和基準信號頻率,，可使測量能夠在全頻段實現高精度的快速測量。

3 在ARM 測量系統中的實現方案

應用等精度測量方法,，機組轉速測控系統采用ARM7的LPC2214為CPU,，LPC2214具有2個32位的定時器／計數器,，每個定時器／計數器具有如下特性E ：

1)帶可編程32位預分頻器的32位定時器／計數器。

2)每個定時器的4個32位捕獲通道可在輸入信號跳變時捕獲定時器的瞬時值,。捕獲事件可選擇產生中斷,。

3)4個32位匹配寄存器：① 連續(xù)操作，可選擇在匹配時產生中斷,；② 匹配時停止定時器,，可選擇產生中斷；③ 匹配時復位定時器,，可選擇產生中斷,。

4)每個定時器有4個對應于匹配寄存器的外部輸出，具有下列特性：① 匹配時置低電平,；② 匹配時置高電平；③ 匹配時翻轉,；④ 匹配時不變,。

本系統中采用了定時器／計數器0的匹配功能，用來控制閘門時間,，定時器／計數器1的捕獲功能,，用來監(jiān)測被測信號。被測信號通過硬件整形電路變成與其頻率一致的方波信號,，接入定時器／計數器1的捕獲管腳,，開放其捕獲中斷功能，軟件響應中斷并進行相應的處理,。計數頻率為2．211 840 MHz,，閘門時間為0．5 s，誤差為1111 ,，其中,，1212 ，所以可以得出,，理論上,，等精度測頻在本系統中的測量精度優(yōu)于 ，完全可以滿足工程需要,。

在水輪機轉速測控系統中,，為提高測量的可靠性，采用電氣(機端殘壓)信號和齒盤機械脈沖信號2種信號類型同時輸入的測量方式,，計算得到的頻率值用于顯示,，開出控制等。測量系統電路結構框圖如圖2所示,。

系統程序主要包括初始化定時器／計數器,，捕獲中斷處理,，頻率計算，顯示,，開出控制等子程序,，系統流程如圖3所示。

使用RIGOL函數／任意波形發(fā)生器,，產生頻率變化的正弦波形：① 500 S內模擬波形頻率從100 Hz下降到0．2 Hz,，下降梯度為0．199 6 Hz／s； ②模擬波形頻率從100 Hz下降至1 Hz再從1 Hz上升至100 Hz,，每10 Hz持續(xù)18 S,；③每0．5 s記錄一次測量數據，分別得到如圖4所示波形1和波形2,。

實驗證明,，利用等精度測頻方式頻率，可以在整個測量范圍內取得比較高的測量精度,，本測試系統的最大相對誤差小于1O～,。閘門時間為0．5 S，可快速反應機組轉速的變化,。

4 結語

等精度測量方法與傳統測量的測頻法和測周法相比,，能夠實現全頻段內等精度，大大提高了測量精度,。試驗結果表明,，在水輪機轉速測控系統中應用等精度測量方法，測量的最大相對誤差優(yōu)于 ,，閘門時間可變,，能夠快速反應機組轉速的變化。開發(fā)的SJ一22D微機轉速測控裝置已在多個水電站(廠)投入應用,，運行準確可靠,。

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