一种发电机频率信号同源装置的制作方法

本发明涉及发电机电气量测量技术领域，具体涉及一种具有测量精度高、输出响应快的发电机频率信号同源装置。

背景技术

发电机输出电压频率的精确测量是电力系统稳定运行和控制的基础。目前很多火电机组因一次调频响应电网负荷的不足经常造成大范围考核事件发生，其中调频负荷响应不同步、电网调度考核采用的频率信号和火电机组调节采用的频率测量信号不同源是其主要原因之一。电网要求火电机组调频死区为2r/min，同时电网调度考核采用的电网频率信号变化趋势理论上要提前于火电机组的转速信号。但目前不少火电机组转速测量采用磁阻探头且设计齿数一般为60齿，在火电机组一次调频实际响应中经常出现调频幅值不足和迟滞问题，造成实际转速反馈偏差较大且迟延时间较长。同时频率信号经常因为干扰出现偏差。因此，需要一种具有测量精度高、输出响应快的发电机频率信号同源装置，以解决上述不足。

目前市场上有单独测频的数字频率变送器，但这些变送器大多数在信号调理单元采用a/d采样电路，并结合相应的数据处理算法计算出采样信号的频率。这种方法受a/d转换器转换精度、采样速率等的限制，其频率测量精度不高、响应时间长，无法满足高精度、快响应的发电机频率信号同源需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有测量精度高、响应速度快的发电机频率信号同源装置。该装置采用了半波信号频率快速精确测量新方法，不仅能够有效滤除电网谐波，而且具有频率信号测量精度高(测频精度0.001hz)、输出响应时间短(小于40ms)、抗干扰能力强的特点。实现了发电机输出电压频率信号快速、准确的测量与变送。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

一种发电机频率信号同源装置，包括频率信号调理模块、信号采样与处理模块、输入输出模块以及人机交互模块；

所述的频率信号调理模块包括输入信号掉线切换电路、二阶低通滤波电路、电压限幅电路、过零迟滞比较电路和光耦隔离电路，用于将发电机输出的正弦电压信号滤除高次谐波，调理为相位相差180度的两路方波信号，供信号采样与处理模块使用；

所述信号采样与处理模块结合主控芯片stm32f767高速的双通道输入捕获功能和改进的滤波系数自适应的一阶滤波算法，精确、快速的测量出发电机组的输出频率；

所述输入输出模块将主控芯片stm32f767频率信号输出的0-3.3v电压作为输入信号通过瞬态抑制二极管送入该模块，对应输出相应的4-20ma电流信号供发电机自动调节系统和调度系统使用，为电厂调频提供精确、可靠的频率测量结果；

所述人机交互模块用于装置和用户之间进行信息交换，包含测量结果显示、系统参数设定、测量校准。

作为本发明进一步的方案，所述频率信号调理模块的输入信号掉线切换电路包含信号隔离电路、两路单刀双掷继电器和相应的驱动电路，单刀双掷继电器分别接入两路不同的发电机机端电压，通过主控芯片发出的控制信号将其中一路信号送入二阶低通滤波电路，实现频率输入信号掉线可切换功能。

作为本发明进一步的方案，所述频率信号调理模块的二阶低通滤波电路用于滤除输入信号中的高次谐波干扰。

作为本发明进一步的方案，所述频率信号调理模块的电压限幅电路和过零迟滞比较电路将输入的正弦电压信号转化为相位相差180度的两路方波信号，输出的方波信号的周期和过零点高精度的等同于输入的正弦电压信号的周期和过零点。

作为本发明进一步的方案，所述频率信号调理模块的光耦隔离电路将过零迟滞比较电路输出的方波信号隔离放大，输出可供主控芯片stm32f767捕获的两路高低电平信号。

作为本发明进一步的方案，信号采样与处理模块中的频率测量数据处理算法采用改进的滤波系数自适应的一阶滤波算法，可根据前3次历史数据和当前数据自动计算灵敏度系数。

作为本发明进一步的方案，所述输入输出模块的信号输入与输出端具有电磁隔离功能。

作为本发明进一步的方案，所述人机交互模块由tft液晶彩屏、指示灯和按键组成。

一种发电机频率信号同源装置，改进的滤波系数自适应的一阶滤波算法，在进行调整之前，先进行以下判断：

a)当前数据的前3次变化是否朝向同一个方向；

b)当前数据的前3次变化是否较快；

改进的滤波系数自适应的一阶滤波算法实现了：

a)当数据快速变化时，滤波结果能及时跟进(灵敏度优先)；并且数据变化越快，灵敏度应该越高；

b)当数据趋于稳定，并在一个固定的点上下振荡时，滤波结果能趋于平稳(平稳度优先)。

本发明的有益效果是：(1)本发明的装置设计了单相电压波形调理电路、有效滤除电网谐波的二阶低通滤波电路、电压限幅电路和过零迟滞比较电路，将正弦波调理为相位相差180度的两路方波信号，并结合stm32f767高速的双通道输入捕获能力，将测频响应时间缩短了10ms，保证了发电机组输出频率测量的快速性。

(2)本发明的装置频率测量数据处理算法采用改进的滤波系数自适应的一阶滤波算法，在保证频率测量结果稳定性和灵敏性的同时，使频率测量精度达到了0.001hz，保证了频率测量的准确性，使频率变送输出具有非常高的工业实用价值。

(3)本发明的装置具有频率输入信号掉线可切换功能，频率输入信号掉线后自动识别、判断并切换至另一路输入信号，同时发出输入信号掉线报警信息，提高了装置频率测量的可靠性。

附图说明

图1为本发明的发电机频率信号同源装置结构图；

图2为本发明的单相电压波形调理电路图；

图3为本发明的频率信号掉线判别逻辑图；

图4为本发明的频率测量数据处理算法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的阐述。

如图1-2所示，一种发电机频率信号同源装置，包括频率信号调理模块、信号采样与处理模块、输入输出模块以及人机交互模块；

所述的频率信号调理模块包括输入信号掉线切换电路、二阶低通滤波电路、电压限幅电路、过零迟滞比较电路和光耦隔离电路，用于将发电机输出的正弦电压信号滤除高次谐波，调理为相位相差180度的两路方波信号，供信号采样与处理模块使用；

所述信号采样与处理模块结合主控芯片stm32f767高速的双通道输入捕获功能和改进的滤波系数自适应的一阶滤波算法，精确、快速的测量出发电机组的输出频率；

所述输入输出模块将主控芯片stm32f767频率信号输出的0-3.3v电压作为输入信号通过瞬态抑制二极管送入该模块，对应输出相应的4-20ma电流信号供发电机自动调节系统和调度系统使用，为电厂调频提供精确、可靠的频率测量结果；

所述人机交互模块用于装置和用户之间进行信息交换，包含测量结果显示、系统参数设定、测量校准。

所述频率信号调理模块的输入信号掉线切换电路包含信号隔离电路、两路单刀双掷继电器和相应的驱动电路，单刀双掷继电器分别接入两路不同的发电机机端电压，通过主控芯片发出的控制信号将其中一路信号送入二阶低通滤波电路，实现频率输入信号掉线可切换功能。提高了装置频率测量的可靠性。

所述频率信号调理模块的二阶低通滤波电路用于滤除输入信号中的高次谐波干扰。所述频率信号调理模块的电压限幅电路和过零迟滞比较电路将输入的正弦电压信号转化为相位相差180度的两路方波信号，输出的方波信号的周期和过零点高精度的等同于输入的正弦电压信号的周期和过零点。

所述频率信号调理模块的光耦隔离电路将过零迟滞比较电路输出的方波信号隔离放大，输出可供主控芯片stm32f767捕获的两路高低电平信号。

信号采样与处理模块中的频率测量数据处理算法采用改进的滤波系数自适应的一阶滤波算法，可根据前3次历史数据和当前数据自动计算灵敏度系数。既保证了在频率快速变化时，频率信号输出具有较高的灵敏度，又使频率在小范围波动时，频率信号输出具有较好的稳定性，保证了频率测量的准确性，使该装置测频精度达到了0.001hz。

所述输入输出模块的信号输入与输出端具有电磁隔离功能。所述人机交互模块由tft液晶彩屏、指示灯和按键组成。

如图3所示，为本发明的频率信号掉线判别逻辑图，主控芯片通过输入的发电机机端电压信号实现频率输入信号掉线可切换功能，实现了装置在一路输入信号故障后，装置自动识别、跳线和报警，仍能正确的输出频率测量信号，提高了装置频率测量的可靠性。

如图4所示，本发明的频率测量数据处理算法流程图，频率测量数据处理算法结合装置测频信号处理的工程实际需要，采用改进的滤波系数自适应的一阶滤波算法，可根据前3次历史数据和当前数据自动计算灵敏度系数。在进行调整之前，先进行以下判断：

a)当前数据的前3次变化是否朝向同一个方向；

b)当前数据的前3次变化是否较快；

改进的滤波系数自适应的一阶滤波算法实现了：

a)当数据快速变化时，滤波结果能及时跟进(灵敏度优先)；并且数据变化越快，灵敏度应该越高；

b)当数据趋于稳定，并在一个固定的点上下振荡时，滤波结果能趋于平稳(平稳度优先)。

因此，该系数自适应的一阶滤波算法即保证了在频率快速变化时，频率信号输出具有较高的灵敏度，又使频率在小范围波动时，频率信号输出具有较好的稳定性。通过实践证明，该算法使测频精度达到了0.001hz，保证了频率测量的准确性，具有非常高的工业实用价值与创新性。

综上所述，本发明的发电机频率信号同源装置，首先将输入的两路不同的发电机机端电压送入输入信号掉线切换电路，将其中一路信号作为输出送入二阶低通滤波电路。滤除谐波后，将基波分量送入电压限幅电路和双通道过零迟滞比较电路，输出相位相差180度的两路方波信号。两路方波信号经放大后送入高速光耦隔离电路，输出可供stm32f7识别的高低电平信号。通过主控芯片armf767高速的双通道输入捕获和硬件滤波功能，分别计算出两路相位相差180度的方波信号的周期，间隔10ms输出一个频率信号测量数据。频率测量数据经改进的滤波系数自适应的一阶滤波算法滤波后，即为频率信号测量结果。输入输出模块将频率信号测量结果转化为对应的4-20ma电流信号信号，供发电机自动调节系统使用，为电厂调频提供精确、可靠的频率测量结果。人机交互模块用于显示测量结果等装置和用户之间的信息交换。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。