引 言

頻率是電力系統(tǒng)的重要參數(shù)，穩(wěn)定的頻率是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，因此保持頻率在允許范圍內(nèi)是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要任務(wù)之一。隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，電力系統(tǒng)頻率更是直接影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平和電能質(zhì)量。如果電力系統(tǒng)頻率異常，電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行將會(huì)受到影響，甚至還會(huì)導(dǎo)致頻率穩(wěn)定被破壞的事故發(fā)生?；诖耍疚纳钊胙芯亢头治隽穗娏ο到y(tǒng)的頻率特性，提出用LM393 作為過(guò)零比較器，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波，利用dsPIC33FJ256GP710A 處理器自身攜帶的輸入捕捉接口捕捉該方波信號(hào)，使用抗脈沖干擾測(cè)周法，進(jìn)而完成對(duì)頻率的高精度測(cè)量。對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行及控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。

1 交流采樣轉(zhuǎn)換測(cè)量硬件設(shè)計(jì)原理

1.1 信號(hào)調(diào)理模塊

本微機(jī)綜保主要用于采集電流值和頻率，通過(guò)采集A 相路電流頻率的方法來(lái)節(jié)省端口，由于AD 只能采集電壓值，所以需要將大范圍的電流輸入變換為小范圍的電壓輸入，這就需要用到電抗變換器或電流變換器。三相交流分別接到了三個(gè)TR0139-2B（規(guī)格為100 A/3.3 V）電流變換器上，零序電流接到了 TR0139-2C（規(guī)格為 6 A/3.3 V）電流變換器上，它們線性轉(zhuǎn)換后的輸出電壓大小都在 3.3 V 以下，波形基本保持與電流波形相同且同相。圖1 所示為電流- 電壓調(diào)理模塊的電路圖。

當(dāng)電路發(fā)生短路故障時(shí)，工頻電流中往往會(huì)摻雜有高頻諧波分量，所以電路中就需要進(jìn)行低通濾波處理，圖中電流變換器右側(cè)的串聯(lián)電阻和接地電容組成的RC 低通濾波電路就是為此而設(shè)計(jì)的。OP777 負(fù)反饋中電阻與電容并聯(lián)也能降低高頻諧波分量對(duì)電路產(chǎn)生的影響，這是因?yàn)檩敵龆说母哳l信號(hào)有一部分會(huì)通過(guò)電容返回到輸入端，且反饋回來(lái)的信號(hào)跟輸入的信號(hào)是不同相的，所以就會(huì)有一部分高頻信號(hào)被抵消掉。

1.2 頻率測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

圖 2 所示為正弦波- 方波轉(zhuǎn)換的硬件電路。LM393 是由兩個(gè)獨(dú)立的、高精度電壓比較器組成的集成電路，失調(diào)電源比較低，最大為 2.0 mV。LM393 在電路中起到過(guò)零比較器的作用，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波。這樣 dsPIC33FJ256GP710 處理器就可以利用自身攜帶的輸入捕捉接口捕捉該方波信號(hào)，采用防脈沖干擾測(cè)周法算出A 相輸入的頻率值大小，完成高精度頻率測(cè)量。

2 算法分析

目前用于頻率測(cè)量的方法有很多，被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)和測(cè)量的頻率范圍決定了頻率測(cè)量的精準(zhǔn)度。

計(jì)數(shù)測(cè)頻方法的優(yōu)點(diǎn)是 ：測(cè)量簡(jiǎn)潔方便，在較寬頻率范圍內(nèi)可以得到較高的測(cè)量精度。缺點(diǎn)為會(huì)產(chǎn)生 ±1 個(gè)數(shù)字的測(cè)量誤差，對(duì)于較低的被測(cè)頻率來(lái)說(shuō)，測(cè)頻精度不高。多周期同步測(cè)頻方法比直接測(cè)頻法有較大改進(jìn)，但也有不足：一方面， 多周期同步測(cè)頻法不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量 ；另一方面，在快速測(cè)量時(shí)，由于測(cè)量精度較高的要求，時(shí)基頻率必須較高，從而需要的標(biāo)頻計(jì)數(shù)位數(shù)就會(huì)增多，造成硬件資源的消耗增多并且會(huì)占用過(guò)多的指令周期。而周期所產(chǎn)生的誤差只和單片機(jī)自身的晶振頻率有關(guān)，頻率和誤差成反比關(guān)系。因此，單片機(jī)的晶振頻率提高時(shí)，誤差也就相應(yīng)變小，所以適合低頻信號(hào)頻率測(cè)量的周期同步測(cè)頻法。我們選用的處理器芯片其最高工作頻率可達(dá) 40MHz，在變電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，屬于脈沖干擾比較嚴(yán)重的巧合，如果采用一般的平均值法，則干擾將會(huì)“平均”到結(jié)果中去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的誤差。為此，本文采用防脈沖干擾的測(cè)周法。在微機(jī)綜保的信號(hào)采集中優(yōu)勢(shì)明顯。

3 軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)測(cè)量模塊是軟件的核心模塊。本系統(tǒng)采用防脈沖干擾的測(cè)周法，測(cè)量信號(hào)一個(gè)周期的脈寬。若一個(gè)脈寬是 T，則首先判斷輸入口是否為低，如果不為低則等待，為低則此時(shí)達(dá)到A 點(diǎn)，再判斷是否為高，如果為高，則此時(shí)達(dá)到B 點(diǎn)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)測(cè)量完一個(gè)周期 T 后，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，然后將計(jì)時(shí)器的 TH、TL 分別存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，進(jìn)而計(jì)算頻率。圖 3 所示為測(cè)量模塊的軟件流程圖。

4 測(cè) 試

本文中微機(jī)綜保的頻率為 40 MHz， 周期法測(cè)量誤差公式可得理論誤差為 1/40 M，實(shí)際測(cè)量值用昂立（ONLLY） AD431 微型機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀測(cè)試， 并用當(dāng)前顯示程序顯示頻率來(lái)計(jì)算測(cè)量誤差?，F(xiàn)在穩(wěn)定的程序精度普遍在0.00% ～ 0.03% 之間，可達(dá)到頻率的精確測(cè)量。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表 1 所列。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于正弦波 - 方波轉(zhuǎn)換的硬件電路，并運(yùn)用抗干擾的測(cè)周期方式進(jìn)行頻率的精確測(cè)量，將頻率準(zhǔn)確地控制在允許范圍內(nèi)，從而為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障，具有較高的推廣價(jià)值。