一種基于直流負反饋原理的梯形-矩形加權數(shù)字積分器的制造方法
【專利摘要】一種基于直流負反饋原理的梯形-矩形加權數(shù)字積分器，數(shù)字積分器包括A/D轉(zhuǎn)換器、梯形-矩形加權數(shù)字積分算法、Butterworth低通濾波器和PID單元，數(shù)字積分器首先將梯形-矩形加權數(shù)字積分后的信號進行低通濾波，采用Butterworth低通濾波器，提取出其中的直流分量；然后將該直流分量通過PID調(diào)整之后，反饋至梯形-矩形加權數(shù)字積分的輸入端，將輸入信號中的直流分量減去，使得數(shù)字積分器的誤差大大降低，且穩(wěn)定性比模擬積分器更好。
【專利說明】-種基于直流負反饋原理的梯形-矩形加權數(shù)字積分器
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及電氣測量中的信號處理領域，具體設及一種基于直流負反饋原理的梯 形-矩形加權數(shù)字積分器。
【背景技術】
[0002] 隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增加和電網(wǎng)運行等級的逐步提高，傳統(tǒng)互感器暴露出越 來越多的缺點，如體積大、重量重、易產(chǎn)生鐵磁諧振、動態(tài)范圍小等。而電子式互感器由于測 量原理新穎、絕緣性能良好、動態(tài)范圍大等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。目前電 子式電流互感器中應用較多的為基于Rogowski線圈的電子式電流互感器，而電子式電壓 互感器中應用較多的為基于同軸電容的直測電容電流型電子式電壓互感器。上述兩種電子 式互感器，其輸出信號均為被測信號的微分，Rogowski線圈的輸出電壓為通過其中一次電 流的微分，同軸電容的輸出電流為其兩端一次電壓的微分。
[0003] 當輸出信號與被測一次電流/電壓成微分關系時，輸出信號的大小將隨著被測 一次電流/電壓頻率的波動而變化。由于電網(wǎng)的頻率不是一成不變的，而是一直在小范 圍內(nèi)波動，導致Rogowski線圈或同軸電容的輸出會受到頻率變化的影響。國家標準GB/T 15945-2008《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》中規(guī)定，電力系統(tǒng)正常運行條件下允許頻率偏差 范圍為±0. 2Hz，當系統(tǒng)容量較小時，偏差范圍可W放寬到±0.甜Z。當額定頻率為50化，被 測電流的頻率如果變?yōu)?9. 5化，則頻率變化引起的誤差為（49. 5-50)/50 = -1 %，可見如果 不消除頻率的影響，輸出信號會隨著電網(wǎng)頻率的波動而一直變化，且受影響的程度較大。因 此需要接積分電路對Rogowski線圈和同軸電容的輸出進行還原，W消除頻率波動的影響。 目前，常用的積分方式有模擬積分方式和數(shù)字積分方式兩種。
[0004] 模擬積分器一般由電阻、電容、運算放大器等元件構成，由于該些元件具有分散 性，且存在溫度漂移、時間漂移等問題，模擬積分器的長期工作性能一般不穩(wěn)定。為了改進 該種情況，不少研究人員進行了改進。專利號為化:201020144000. 6的專利中提到了一種 基于現(xiàn)場可編程口陣列的長時間低零漂數(shù)字積分器，該積分器的時間漂移大大減小，但在 10分鐘內(nèi)仍然有接近lOmv的漂移。對于額定輸出4V的互感器來說，其影響量可達0.25%， 而常用互感器的準確度為0. 2%，可見該種積分器的長期穩(wěn)定性無法滿足互感器的準確度 要求。
[0005] 數(shù)字積分器是模擬積分器的一種替代方案，常用的數(shù)字積分器有矩形積分、梯形 積分和Simpson積分，然而該些數(shù)字積分器高頻時的誤差較大，且易受信號中直流分量等 因素的影響。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 為了解決該些問題，本發(fā)明提供一種基于直流負反饋原理的梯形-矩形加權數(shù)字 積分器，在FPGA中W軟件的形式實現(xiàn)，克服了模擬積分器存在的漂移問題。該數(shù)字積分器 通過負反饋的方式消除數(shù)字積分輸入信號中的不變直流分量，從而減小數(shù)字積分的誤差。 與現(xiàn)有的數(shù)字積分器相比，本發(fā)明的數(shù)字積分器更接近理想積分器，其準確度更高。
[0007] 本發(fā)明的采取的技術方案如下；
[000引一種基于直流負反饋原理的梯形-矩形加權數(shù)字積分器，該數(shù)字積分器包括A/D 轉(zhuǎn)換器、梯形-矩形加權數(shù)字積分單元、Butterworth低通濾波器和PID單元。該數(shù)字積分器 首先將梯形-矩形加權數(shù)字積分單元積分后的信號采用Butterworth低通濾波器進行低通 濾波，提取出其中的直流分量；然后將該直流分量通過PID單元調(diào)整之后，反饋至梯形-矩 形加權數(shù)字積分單元的輸入端，將輸入信號中的直流分量減去；梯形-矩形加權數(shù)字積分 單元積分算法W FPGA作為算法實現(xiàn)的硬件平臺，數(shù)字積分算法利用VHDL語言編程并下載 至FPGA中，利用FPGA來實現(xiàn)數(shù)字積分功能。
[0009] 所述梯形-矩形加權數(shù)字積分單元積分算法的傳遞函數(shù)為
【權利要求】
1. 一種基于直流負反饋原理的梯形-矩形加權數(shù)字積分器，其特征在于，該數(shù)字積分 器包括A/D轉(zhuǎn)換器、梯形-矩形加權數(shù)字積分單元、低通濾波器和PID單元，該數(shù)字積分器 首先將梯形-矩形加權數(shù)字積分單元積分后的信號采用低通濾波器進行低通濾波，提取出 其中的直流分量；然后將該直流分量通過PID單元調(diào)整之后，反饋至梯形-矩形加權數(shù)字積 分單元的輸入端，將輸入信號中的直流分量減去；梯形-矩形加權數(shù)字積分單元積分算法 以FPGA作為算法實現(xiàn)的硬件平臺，數(shù)字積分算法利用VHDL語言編程并下載至FPGA中，利 用FPGA來實現(xiàn)數(shù)字積分功能。
2. 根據(jù)權利要求1所述一種基于直流負反饋原理的梯形-矩形加權數(shù) 字積分器，其特征在于，梯形-矩形加權數(shù)字積分單元積分算法的傳遞函數(shù)為
3. 根據(jù)權利要求1所述一種基于直流負反饋原理的梯形-矩形加權數(shù)字積分器，其特 征在于，所述低通濾波器為Butterworth低通濾波器。
4. 根據(jù)權利要求1所述一種基于直流負反饋原理的梯形-矩形加權數(shù)字積分器，其特 征在于，所述A/D轉(zhuǎn)換器直接與Rogowski線圈或者同軸電容的二次輸出相連，將二次輸出 的模擬量微分信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。
5. 采用如權利要求1?4任意一種基于直流負反饋原理的梯形-矩形加權數(shù)字積分 器的積分方法，其特征在于，Rogowski線圈或者同軸電容輸出的模擬量微分信號，首先通過 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，然后進入FPGA中進行數(shù)字積分，在FPGA內(nèi)實現(xiàn)數(shù)字積分之 后，然后輸出給后續(xù)的設備。
6. 采用如權利要求1?4任意一種基于直流負反饋原理的梯形-矩形加權數(shù)字積分器 的積分方法，其特征在于，采用負反饋的方式消除數(shù)字積分輸入信號中的不變直流分量。
【文檔編號】G05B19/042GK104503294SQ201410673371
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月21日 優(yōu)先權日:2014年11月21日
【發(fā)明者】李振華, 閆蘇紅, 李振興, 胡蔚中, 邱立, 邾玢鑫 申請人:三峽大學