一种基于高斯算法的高精度数字积分器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统测量领域，具体涉及一种基于高斯算法的高精度数字积分 器，可以有效抵抗频率波动和谐波干扰。
【背景技术】
[0002] 随着电力系统不断向超高压、大容量方向发展，在电力系统处于短路等故障下时， 电子式电流互感器中可能通过远大于额定电流的短路电流，保护用电流互感器应保证一定 准确度，确保继电保护装置正确动作，这就要求电子式电流互感器的复合误差满足GB/ T20840.8中对继电保护用电子式电流互感器"复合误差"规定:稳定状态下二次电流的瞬时 值与一次电流瞬时值之差的有效值，包括一次电流和二次电流中出现的高次谐波，这一概 念综合反映了比差与角差等互感器重要性能数据。同时，作为信号处理部分的关键环节，积 分器的准确度关系着整个系统的准确度。积分器广泛应用于电力系统测量及控制领域中， 空心线圈电子式电流互感器或者直测电容电流型电子式电压互感器，其二次侧输出是一次 电流或电压的微分，要恢复与一次电流/电压成正比例的信号，就必须有相应的积分环节， 而复合误差的计算需要对其二次侧输出进行积分后再进行数据处理，因此高精度积分环节 的设计是确保电子式互感器复合误差计算准确度的关键。
[0003] 相关文献已指出，数字积分器仅适用于工频信号下的短时测量。这是由于在理想 情况下虽然数字积分算法的仿真精度较高，但实际系统中由于频率波动(非理想工频50Hz) 和谐波干扰等原因，复化矩形、梯形、辛普森等积分算法难以保证精度，当发生以上两种干 扰时，复合误差急剧增大，这是复化矩形、梯形、辛普森公式在实际检测中难以采用的主要 原因。另外一方面，采样频率的大小也是影响以上算法精度的重要原因，增加采样频率往往 会增加硬件使用成本，同时增加运算量和时间延迟，而降低采样频率则无法满足相关精度 要求。事实上，在数学原理中，梯形公式与辛普森公式是最基本的积分近似公式。但它们的 精度较差。当用不等距节点进行计算时，常用高斯型求积公式计算，它在节点数目相同情况 下，准确程度较高，稳定性好。因此，高斯公式高精度的特性使得其足以抵抗频率波动与谐 波干扰，也无需要求过高的采样频率。本文以高斯算法两点公式为基础，设计出一种高精度 数字积分器，比现有数字积分器在相同采样点数目时拥有更高的精度，同时更适合复杂环 境的工程现场需要。
【发明内容】
[0004] 针对目前数字积分器存在的问题，本发明提供了一种基于高斯算法的高精度数字 积分器。根据高斯算法重新设计了采样方式以抵抗频率波动和高次谐波带来的干扰，理论 分析和仿真实验表明，设计一周期采样80点，当信号频率在49.5~50.5Hz波动时，所设计的 数字积分器复合误差仅为8ΧΠΓ 7左右，即使在基频电流上叠加2~13次谐波，复合误差也可 以控制在0.13%以内，相对梯形以及辛普森数字积分器性能要优良的多，在保护用电子式 电流互感器的使用上有着相当大的优势，也可根据测量用电子式电流互感器的精度要求适 当改变采样点数，同时适用于测量用电子式电流互感器。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：
[0006] -种基于高斯算法的高精度数字积分器，包括高通滤波器、模数转换器、微处理 器、高精度时钟、数模转换器，高精度时钟发出时钟信号给微处理器，微处理器按照已标记 时刻发送触发命令给模数转换器，控制模数转换器进行采样，高通滤波器用于提取并消除 微分信号中的直流干扰，之后经过模数转换器转为数字信号后，送入微处理器，当获得所设 定的一个周期内N个采样点进行计算后微处理器控制高精度时钟清零，进入下一周期进行 继续采样或者停止，并将计算后输出的信号送入数模转换器转换为模拟信号，输出结果。
[0007] 使用高精度时钟来产生时间信号，时间信号送入微处理器中。微处理器根据一周 期内所设置的采样点数N重新生成采样时刻，在采样时刻将触发命令发送给模数转换器，当 在一周期内获得足够采样点后可以控制高精度时钟清零。
[0008] 在微处理器中设计的新型传递函数为：
，该传递函数根据高斯算法 中两点公式设计，结构比辛普森传递函数简单，但在同样采样点数下最后输出结果精度又 高于梯形与辛普森公式。
[0009] 模数转换器按照微处理器中的触发命令采样，属于非等间隔采样，但在计算中采 样间隔T按照一个周期的时间0.02s与采样点数N之比的固定值计算。
[0010] 该积分器可以根据测量或者保护用互感器的要求，设置不同的单位周期采样点数 N以满足需要，但其精度又远高于同样采样点数的梯形或辛普森数字积分器。
[0011] 该积分器存在2~13次谐波干扰时，所设计的数字积分器复合误差最高不超过 0.13%，足以满足现场复杂的工程环境需要。
[0012] 该积分器在系统信号频率±0.5Hz小范围波动时，所设计的数字积分器复合误差 仅为8 X10_7左右，可以忽略不计。
[0013] 本发明涉及一种基于高斯算法的高精度数字积分器，技术效果如下：
[0014] 1 )、针对目前数字积分器缺乏抵抗谐波干扰与频率波动干扰的能力，精度受采样 频率影响较大等问题，本发明提出了一种基于高斯算法的高精度数字积分器，通过采样非 等间隔节点获取一次电压信号，可以在相对较少的单位周期采样点数下实现高精度积分还 原功能，同时可以有效抵抗频率波动与谐波干扰，比现有的梯形、辛普森数字积分器性能要 优良的多。
[0015] 2)、由于所设计的传递函数类似于矩形传递函数，所以相对辛普森传递函数计算 量要少的多，但在一周期内同样采样点数下，其复合误差又远小于辛普森与梯形传递函数， 传递函数结构相对于辛普森公式更简单更容易设计。
[0016] 3)、在工程中，当被测信号为标准正弦信号且采样频率较高时，选用梯形或辛普森 算法都能实现较好的积分还原功能，但当信号频率小范围内波动或者信号出现谐波分量 时，如图3和图4所示，所设计的数字积分器性能要优越的多，这一点对于保护用电子式电流 互感器至关重要，尤其是在现场环境复杂且干扰较大时。
[0017] 4)、对于测量用电子式电流互感器，如果要满足0.2S或0.05级要求，就必须使用辛 普森算法或者采用较高采样频率，增加运算量或使用高性能的模数转换器等硬件，而使用 高斯算法设计的数字积分器完全可以做到低采样频率高精度，降低成本减少计算量。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的原理框图。
[0019] 图2为本发明的软件流程图。
[0020] 图3为存在谐波时梯形与高斯算法的复合误差对数图。
[0021 ]图4为频率波动时梯形算法与高斯算法的复合误差图。
[0022]图5为仿真实验结果：
[0023]图5(a)为存在3、5、7次谐波时所设计的积分器仿