快速高精度频率测量方法

1　引言

　　电力系统频率稳定是近年来受到电力工程界广泛关注的课题。失去频率稳定性，会使系统频率崩溃而招致系统全停电；失去电压稳定性，会发生电压崩溃，从而引起大面积停电。电力系统的频率反映了发电机组发出的有功功率与负荷所需有功功率的平衡情况。目前，人们对电力系统动态频率的定义普遍沿用物理学和电工学对标准正弦交流电频率即每秒变化的周期数的定义，这种测量频率的方法就是“周期法”。不同的测频装置应用周期法测频的精度是不同的。准确的测量时间和频率在现代电力系统的运行中起着重要的作用。况且现代电力系统是一种复杂而广泛分散的结构，经常涉及多个地区。大量的发电机和用户负载是并联运作的。—个互联系统由许多控制区组成，电力从发电站传输到用户取决于许多地方测量的电力系统频率。许多场合均需要进行电网频率实时测量。传统的频率测量采用计算单位时间内电压波形过零点个数或测量波形两相邻过零点的时间间隔等方法。这些方法需占用微机的外部中断口，增加过零比较器等硬件开销，且在一些场合得不到令人满意的测量结果。因此，近年来人们开始研究基于采样值的频率测量方法，但提出的一些方法多数计算量偏大，并且在测量精度和测量速度上不能获得较好的统一，影响了实际应用。为此，本文提出一种新的频率测量方法，它同时具有很好的测量精度和计算速度。本文将在频率测量的硬件电路设计和软件滤波方法研究的基础上，提出一种实用有效的测频方法。

2　频率测量的基本算法

　　频率测量是电子测量领域的最基本测量，通常频率测量有两种方法：

　　（1）计数法。这是指在一定的时间间隔T内，对输入的周期信号脉冲计数为：N，则信号的频率为F＝N／T。测量的相对误差为1／N×100％。显然这种方法适合于高频测量，信号的频率越高，则相对误差越小。

　　（2）测周法。这种方法是计量在被测信号一个周期内频率为F0的标准信号的脉冲数N来间接测量频率，F＝F0／N。显然，被测信号的周期越长（频率越低），则测得的标准信号的脉冲数N越大，则相对误差越小。

　　设电压是一个恒定频率和幅值的正弦波形，电压信号可用下式表示：

V是电压的峰值，ω＝2πf是用弧度表示的角频率，t是时间，θ是初相角，当电压信号以TS时间间隔被采样时，第k，k＋1，k＋2点的采样值可以表示为：

　　利用该方法算频率不仅速度跟不上，而且误差也很大，其最大误差为2％。这是因为传统的频率测量技术存在着不可避免的量化误差和精确位数限制等问题，尽管传统的测量被测信号周期的方法能够克服这些问题，但也仅限于对低频信号的测量，采用Motorola推出的32位微控制器中的CTM模块来精密频率测量技术，是将传统的频率测量技术与周期测量技术结合起来，对被测信号同时进行频率和周期测量，完成对高、低频率的精确测定。

3　新型测频方法

　　Motorola于2000年推出了一种新型的32位微控制器，它采用了HOMOS技术和精简的指令系统计算机（RISC）技术，数据处理能力达到32位，因而具有较高的执行速度、较高的稳定性和很强的数据处理功能。特别是采用了一个定时处理器TPU，可脱离CPU而单独工作，专门处理与定时有关的事件，可减轻CPU的负担，提高系统的执行速度。我们此处主要用到了CTM模块来进行频率测量。

　　CTM内部主要寄存器有：BIUMCR、FCSMCNT、MCSM2CNT、MCSM11CNT、MCSM2ML、MCSM11ML、DASM3SIC、DASM4SIC、DASM9SIC、DASM10SIC等寄存器，对这些寄存器进行初始化后，它便有：输入捕捉、输出比较、上升沿触发、下降沿触发等一系列功能。

　　CTM内部有一个FREERUNING（自由运行时钟）。此处，我们用CTD9和CTD10两个管脚作为输入端，用来采集输入电压信号，输入信号的频率约为50 Hz，周期为20 ms。我们用16 MHz系统频率64倍分频后，产生的250 kHz的频率作为基准频率来计数。

再用下式即可求出该方波的频率。

　　式中，n代表CTM模块中，数据寄存器（CTM＿DASM10A）或数据寄存器（CTM＿DASM9A）各自两次的差值。利用该法是采用硬件捕捉脉冲，测量精度高，且速度极快，误差小。此处应用输入捕捉功能，且对输入信号uab上升沿触发，一旦捕捉到上升沿，便将此时刻自由运行时钟（free running）的值读入到CTM模块中的数据寄存器（CTM＿DASM10A）中，并将状态寄存器中的某一位置1，每个周期中断来读一下标志位，若该位置位则说明该寄存器内已有计数值，读走后再将该位清0，以便下一次读数。而此时DASM10的B通道，也对该输入信号进行上升沿捕捉，其步骤与A通道完全一样。最后，按照（9）～（11）所述公式来各自计算频率，然后取二者的平均值即为fab之值，这样便会减少计数误差。

对另一路输入信号ubc则DASM9的A、B两个通道，采用下降沿输入捕捉功能，之所这样做，是为了防止在受到干扰时，上升沿或者下降沿有畸变，而影响测量精度。最后，应用f=来得出系统的频率，相当于取了平均值的平均值，这样测到的频率更加准确。实践证明，它能简化测频装置硬件电路，提高装置性能。

4　结论

　　本文方法已被应用于低频低压自动减载电力自动装置中。采用这一方法，不需要专用的测频电路，简化了该装置硬件结构，同时装置性能得到改善，测频更快速、更准确。且该方法计算量小，测频速度快，特别适合于电网频率的微机实时测量。实践证明，这种方法在保证了较高测量精度的同时，能保证频率测量的快速完成，对于微型化智能测试系统的研制和进一步开发产品具有一定的参考价值和实际应用意义。