一种电流电压频率计算电路和方法与流程

1.本发明属于电力测量技术领域，具体属于一种电流电压频率计算电路和方法。


背景技术：

2.频率是电能质量的重要指标之一，是反映电力系统运行状态的重要参数。一般情况下，系统频率反映了电力系统中有功功率供需平衡的基本状态，它将随负荷波动在小范围内缓慢变化。在稳定的运行状态，发电机输出功率与系统负荷及损耗维持平衡，电力系统频率为标称值。如果大容量负荷或发电机的投切，以及控制设备的不完善都可能导致频率偏移，由此给电力系统的稳定运行和用户设备的正常工作带来影响。
3.当发电量和用户负载不平衡，用电功率超过发电机的负载能力而造成电网低频运行时，因为电源与负荷在低频率下重新平衡很不牢固，也就是说稳定性很差，容易造成电网瓦解，会严重威胁电网的安全运行；频率降低，发电机和电动机转速下降，使发电机端电压和电动机出力下降，从而影响用户产品的质量和产量，致使工业用户废品率增加，原材料和能源的消耗也随之增加，甚至可能导致发电设备和电动机的烧毁及其他设备的损坏；对频率有严格要求的自动化设备往往会出现误动：引起电气测量仪器误差增大，安全自动装置及继电保护误动作等。
4.现有技术中采用对高电平和低电平进行计数的频率计算方法，对采样数据一个周期的高电平数量和低电平数量进行计数n，再根据采样间隔t，即可求得采样数据的频率为，该技术方案能粗略的计算频率值，缺点是其计算精度受采样频率的限制，误差大。或者采用傅里叶变换的电网电压频率计算方法，对采样数据进行傅里叶变换得到频率值和幅值，缺点是计算量大，只能给出频率的相对大小，频率变化较大时，误差大，而且受数据量的影响，数据量少时，估算的频率不确定性大。
5.综上所述，现有技术中的频率计算方法存在计算量大，并且计算结果的准确性受数据量大小影响的问题。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种电流电压频率计算电路和方法，用于解决现有频率计算方法中计算量大，并且计算结果的准确性受数据量大小影响的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明第一方面提供一种电流电压频率计算方法，包括，对电力系统运行过程中的电流或电压数据进行等时间间隔采样，形成采样数据，将采样数据从模拟量信号转换为数字量信号；读取采样数据数字量信号的最高位，判断为上升沿或下降沿；依据当前时刻上升沿或下降沿与秒脉冲到达时间的间隔，与上一时刻上升沿或下
降沿与秒脉冲到达时间的间隔进行比较，依据比较结果结合上升沿和下降沿的计数，计算得到频率值。
8.优选的，当采样数据数字量信号的最高位从1变0时，则判断为一个上升沿，如果采样数据数字量信号的最高位从0变1时，则判断为一个下降沿。
9.优选的，如果为下降沿时，则将下降沿计数器cnt_n进行加1，并将秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2清零，重新开始计算；如果为上升沿时，则将上升沿计数器cnt_p进行加1，并将秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2清零，重新开始计算；在秒脉冲到来的时刻，记录当前时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2、当前时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2、上升沿计数值n1和下降沿计数值n2，并将下降沿计数器cnt_n和上升沿计数器cnt_p清零；比较上一时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn1与上一时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp1，以及当前时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2与当前时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2，依据比较结果进行计算得到频率值。
10.进一步的，当tn1小于tp1，并且tn2小于tp2时，则频率值f公式为：。
11.进一步的，当tn1大于tp1，并且tn2大于tp2时，则频率值f公式为：。
12.进一步的，当tn1小于tp1，并且tn2大于tp2时，则频率值f公式为：。
13.进一步的，当tn1大于tp1，并且tn2小于tp2时，则频率值f公式为：。
14.进一步的，将当前时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2的值赋给上一时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn1，将当前时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2的值赋给上一时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp1，用于下一次的频率计算。
15.优选的，等时间间隔采样的采样率为10khz、50khz或100khz。
16.本发明第二方面提供一种电流电压频率计算电路，包括ad芯片和fpga；所述ad芯片的输入端接收电流或电压信号，所述ad芯片的输出端与所述fpga的输入端数据交互连接；所述fpga控制ad芯片进行等时间间隔采样，所述ad芯片将电流或电压信号的模拟量信号转换为数字量信号；所述fpga读取采样数据数字量信号的最高位，判断为上升沿或下降沿；依据当前时刻上升沿或下降沿与秒脉冲到达时间的间隔，与上一时刻上升沿或下降沿与秒脉冲到达时间的间隔进行比较，依据比较结果结合上升沿和下降沿的计数，计算得到频率值。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明提供一种电流电压频率计算方法，通过对电力系统运行过程中的电流或电压数据进行等时间间隔采样，将模拟量信号转换为数字量；利用采集数据数字量的最高位，来判断生成上升沿和下降沿信号；通过比较当前时刻上升沿或下降沿与秒脉冲到达时间的间隔和上一时刻上升沿或下降沿与秒脉冲到达时间的间隔，本发明将频率值的计算公式分成不同的类型，依据比较结果针对每种类型选择相应的计算公式得到最终的频率值。本发明的计算方法仅仅利用现有采样数据中的一个数据位来进行处理，计算得到频率值，该方法消耗资源少，并且不需要高精度的ad芯片，对采样位数也没要求，成本低；本发明通过对上升沿和下降沿的计数，以及上升沿和下降沿到秒脉冲的时间来完成频率值的运算，运算量小。
附图说明
18.图1为本发明一种电流电压频率计算方法流程图；图2为本发明一种电流电压频率计算电路图；图3为本发明的第一类型波形图；图4为本发明的第二类型波形图；图5为本发明的第三类型波形图；图6为本发明的第四类型波形图。
具体实施方式
19.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
20.本发明实施例提供的一种电流电压频率计算方法，包括以下过程：通过对电流或电压数据进行等时间间隔采样，形成采样数据，将采样数据从模拟量信号转换为数字量信号。
21.读取采样数据数字量信号的最高位，判断为上升沿或下降沿；依据当前时刻上升沿或下降沿与秒脉冲到达时间的间隔，与上一时刻上升沿或下降沿与秒脉冲到达时间的间隔进行比较，依据比较结果结合上升沿和下降沿的计数，计算得到频率值。
22.本发明将频率值的计算分成了不同的类型，针对每种类型选择相应的计算公式得到最终的频率值。本发明的计算方法仅仅利用现有采样数据中的一个数据位来进行处理，计算得到频率值，该方法消耗资源少，并且不需要高精度的ad芯片，对采样位数也没要求，成本低；本发明通过对上升沿和下降沿的计数，以及上升沿和下降沿到秒脉冲的时间来完成频率值的运算，运算量小。
23.实施例如图1所示，本发明实施例提供的一种电流电压频率计算方法，包括以下步骤：步骤1、对采集到的电流或电压信号进行等时间间隔采样，形成采样数据，将采样数据从模拟量信号转换为数字量信号ad[15:0]。
[0024]
等时间间隔采样的采样率一般为10khz、50khz、100khz。
[0025]
步骤2、读取采样数据数字量信号的最高位ad[15]，如果采样数据数字量信号的最高位ad[15]从1到0，则判断为一个上升沿，如果采样数据数字量信号的最高位ad[15]从0到1，则判断为一个下降沿。
[0026]
步骤3、如果为下降沿，则将下降沿计数器cnt_n进行加1，并将秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2清零，重新开始计算。
[0027]
如果为上升沿，则将上升沿计数器cnt_p进行加1，并将秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2清零，重新开始计算。
[0028]
步骤4、在秒脉冲到来的时刻，记录当前时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2、当前时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2、上升沿计数值n1和下降沿计数值n2，并将下降沿计数器cnt_n和上升沿计数器cnt_p清零。
[0029]
步骤5、如果上一时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn1小于上一时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp1，并且当前时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2小于当前时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2，则频率值为，对应如图3所示的第一类型波形图。
[0030]
如果上一时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn1大于上一时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp1，并且当前时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2大于当前时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2，则频率值为，对应如图4所示的第二类型波形图。
[0031]
如果上一时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn1小于上一时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp1，并且当前时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2大于当前时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2，则频率值为，对应如图5所示的第三类型波形图。
[0032]
如果上一时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn1大于上一时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp1，并且当前时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2小于当前时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2，则频率值为，对应如图6所示的第四类型波形图。
[0033]
步骤6、将当前时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2的值赋给上一时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn1，将当前时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2的值赋给上一时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp1，用于下一次的频率计算。
[0034]
本发明实施例中仅为1秒钟的计数，得到的频率值位数有限，本发明的方法还可以扩展到多秒的计数，这样可以大大的提高频率值的位数，如1秒计数50个，频率为50hz，小数部分只能通过上述公式得到，如果10秒502个，则频率为50.2hz，更小位数的再通过公式得到，这样有效位数就增加了1位。
[0035]
本发明通过对电流或电压数据进行等时间间隔采样，将模拟量信号转换为数字
量；利用数字量的最高位，来生成上升沿和下降沿信号；通过判断上升沿和下降沿与秒脉冲的时间间隔，将频率值的计算分成4种不同的类型；针对每种类型选择相应的计算公式得到最终的频率值，具有计算量小、消耗资源少、可扩展性强的特点。
[0036]
如图2所示，本发明实施例还提供一种电流电压频率计算电路，包括ad芯片、fpga和晶振；ad芯片的输入端接收电流或电压信号，ad芯片的输出端与所述fpga的输入端数据交互连接；fpga控制ad芯片进行等时间间隔采样，ad芯片将模拟量信号转换为数字量信号，晶振为fpga提供时钟信号；fpga读取采样数据数字量信号的最高位，生成上升沿和下降沿信号；通过判断上升沿和下降沿与秒脉冲的时间间隔，计算得到频率值。

技术特征：
1.一种电流电压频率计算方法，其特征在于，包括，对电力系统运行过程中的电流或电压数据进行等时间间隔采样，形成采样数据，将采样数据从模拟量信号转换为数字量信号；读取采样数据数字量信号的最高位，根据最高位的变化情况判断采样数据数字量信号为上升沿或下降沿；依据当前时刻的上升沿或下降沿与秒脉冲到达时间的间隔，与上一时刻对应的上升沿或下降沿与对应的秒脉冲到达时间的间隔进行比较，依据比较结果结合上升沿和下降沿的计数，计算得到频率值。2.根据权利要求1所述的一种电流电压频率计算方法，其特征在于，当采样数据数字量信号的最高位从1变0时，则判断为一个上升沿，如果采样数据数字量信号的最高位从0变1时，则判断为一个下降沿。3.根据权利要求1所述的一种电流电压频率计算方法，其特征在于，如果为下降沿时，则将下降沿计数器cnt_n进行加1，并将秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2清零，重新开始计算；如果为上升沿时，则将上升沿计数器cnt_p进行加1，并将秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2清零，重新开始计算；在秒脉冲到来的时刻，记录当前时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2、当前时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2、上升沿计数值n1和下降沿计数值n2，并将下降沿计数器cnt_n和上升沿计数器cnt_p清零；比较上一时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn1与上一时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp1，以及当前时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2与当前时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2，依据比较结果进行计算得到频率值。4.根据权利要求3所述的一种电流电压频率计算方法，其特征在于，当tn1小于tp1，并且tn2小于tp2时，则频率值f公式为：。5.根据权利要求3所述的一种电流电压频率计算方法，其特征在于，当tn1大于tp1，并且tn2大于tp2时，则频率值f公式为：。6.根据权利要求3所述的一种电流电压频率计算方法，其特征在于，当tn1小于tp1，并且tn2大于tp2时，则频率值f公式为： 。7.根据权利要求3所述的一种电流电压频率计算方法，其特征在于，当tn1大于tp1，并且tn2小于tp2时，则频率值f公式为：
。8.根据权利要求3所述的一种电流电压频率计算方法，其特征在于，将当前时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn2的值赋给上一时刻秒脉冲到下降沿时间计数器的值tn1，将当前时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp2的值赋给上一时刻秒脉冲到上升沿时间计数器的值tp1，用于下一次的频率计算。9.根据权利要求1所述的一种电流电压频率计算方法，其特征在于，等时间间隔采样的采样率为10khz、50khz或100khz。10.一种电流电压频率计算电路，其特征在于，包括ad芯片和fpga；所述ad芯片的输入端接收电流或电压信号，所述ad芯片的输出端与所述fpga的输入端数据交互连接；所述fpga控制ad芯片进行等时间间隔采样，所述ad芯片将电流或电压信号的模拟量信号转换为数字量信号；所述fpga读取采样数据数字量信号的最高位，判断为上升沿或下降沿；依据当前时刻上升沿或下降沿与秒脉冲到达时间的间隔，与上一时刻上升沿或下降沿与秒脉冲到达时间的间隔进行比较，依据比较结果结合上升沿和下降沿的计数，计算得到频率值。

技术总结
本发明公开了一种电流电压频率计算电路和方法，属于电力测量技术领域，包括，对电力系统运行过程中的电流或电压数据进行等时间间隔采样，形成采样数据，将采样数据从模拟量信号转换为数字量信号；读取采样数据数字量信号的最高位，判断为上升沿或下降沿；依据当前时刻上升沿或下降沿与秒脉冲到达时间的间隔，与上一时刻上升沿或下降沿与秒脉冲到达时间的间隔进行比较，依据比较结果结合上升沿和下降沿的计数，计算得到频率值。用于解决现有频率计算方法中计算量大，计算结果准确性受数据量大小影响的问题。本发明仅利用现有采样数据中的一个数据位来进行处理，计算得到频率值，消耗资源少，不需要高精度的AD芯片，对采样位数没要求，成本低。成本低。成本低。


技术研发人员：王传川 李毅 刘剑 孙玉晨 陶斐 侯彦杰 闫飞
受保护的技术使用者：中国西电电气股份有限公司
技术研发日：2023.09.13
技术公布日：2023/10/20