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電力系統的頻率反映了發電機組發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于 ，閘門時間可變，能夠快速反應機組轉速的變化。開發的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。 |
