基于正弦波变化的电力信号系统频率测量方法

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。我们选用的处理器芯片其最高工作频率可达 40MHz，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，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。