一种基于直流负反馈原理的梯形-矩形加权数字积分器的制造方法
【专利摘要】一种基于直流负反馈原理的梯形-矩形加权数字积分器，数字积分器包括A/D转换器、梯形-矩形加权数字积分算法、Butterworth低通滤波器和PID单元，数字积分器首先将梯形-矩形加权数字积分后的信号进行低通滤波，采用Butterworth低通滤波器，提取出其中的直流分量；然后将该直流分量通过PID调整之后，反馈至梯形-矩形加权数字积分的输入端，将输入信号中的直流分量减去，使得数字积分器的误差大大降低，且稳定性比模拟积分器更好。
【专利说明】-种基于直流负反馈原理的梯形-矩形加权数字积分器
【技术领域】
[0001] 本发明设及电气测量中的信号处理领域，具体设及一种基于直流负反馈原理的梯 形-矩形加权数字积分器。
【背景技术】
[0002] 随着电力系统容量的不断增加和电网运行等级的逐步提高，传统互感器暴露出越 来越多的缺点，如体积大、重量重、易产生铁磁谐振、动态范围小等。而电子式互感器由于测 量原理新颖、绝缘性能良好、动态范围大等优点，在电力系统中得到了广泛的应用。目前电 子式电流互感器中应用较多的为基于Rogowski线圈的电子式电流互感器，而电子式电压 互感器中应用较多的为基于同轴电容的直测电容电流型电子式电压互感器。上述两种电子 式互感器，其输出信号均为被测信号的微分，Rogowski线圈的输出电压为通过其中一次电 流的微分，同轴电容的输出电流为其两端一次电压的微分。
[0003] 当输出信号与被测一次电流/电压成微分关系时，输出信号的大小将随着被测 一次电流/电压频率的波动而变化。由于电网的频率不是一成不变的，而是一直在小范 围内波动，导致Rogowski线圈或同轴电容的输出会受到频率变化的影响。国家标准GB/T 15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》中规定，电力系统正常运行条件下允许频率偏差 范围为±0. 2Hz，当系统容量较小时，偏差范围可W放宽到±0.甜Z。当额定频率为50化，被 测电流的频率如果变为49. 5化，则频率变化引起的误差为（49. 5-50)/50 = -1 %，可见如果 不消除频率的影响，输出信号会随着电网频率的波动而一直变化，且受影响的程度较大。因 此需要接积分电路对Rogowski线圈和同轴电容的输出进行还原，W消除频率波动的影响。 目前，常用的积分方式有模拟积分方式和数字积分方式两种。
[0004] 模拟积分器一般由电阻、电容、运算放大器等元件构成，由于该些元件具有分散 性，且存在温度漂移、时间漂移等问题，模拟积分器的长期工作性能一般不稳定。为了改进 该种情况，不少研究人员进行了改进。专利号为化:201020144000. 6的专利中提到了一种 基于现场可编程口阵列的长时间低零漂数字积分器，该积分器的时间漂移大大减小，但在 10分钟内仍然有接近lOmv的漂移。对于额定输出4V的互感器来说，其影响量可达0.25%， 而常用互感器的准确度为0. 2%，可见该种积分器的长期稳定性无法满足互感器的准确度 要求。
[0005] 数字积分器是模拟积分器的一种替代方案，常用的数字积分器有矩形积分、梯形 积分和Simpson积分，然而该些数字积分器高频时的误差较大，且易受信号中直流分量等 因素的影响。
【发明内容】
[0006] 为了解决该些问题，本发明提供一种基于直流负反馈原理的梯形-矩形加权数字 积分器，在FPGA中W软件的形式实现，克服了模拟积分器存在的漂移问题。该数字积分器 通过负反馈的方式消除数字积分输入信号中的不变直流分量，从而减小数字积分的误差。 与现有的数字积分器相比，本发明的数字积分器更接近理想积分器，其准确度更高。
[0007] 本发明的采取的技术方案如下；
[000引一种基于直流负反馈原理的梯形-矩形加权数字积分器，该数字积分器包括A/D 转换器、梯形-矩形加权数字积分单元、Butterworth低通滤波器和PID单元。该数字积分器 首先将梯形-矩形加权数字积分单元积分后的信号采用Butterworth低通滤波器进行低通 滤波，提取出其中的直流分量；然后将该直流分量通过PID单元调整之后，反馈至梯形-矩 形加权数字积分单元的输入端，将输入信号中的直流分量减去；梯形-矩形加权数字积分 单元积分算法W FPGA作为算法实现的硬件平台，数字积分算法利用VHDL语言编程并下载 至FPGA中，利用FPGA来实现数字积分功能。
[0009] 所述梯形-矩形加权数字积分单元积分算法的传递函数为
【权利要求】
1. 一种基于直流负反馈原理的梯形-矩形加权数字积分器，其特征在于，该数字积分 器包括A/D转换器、梯形-矩形加权数字积分单元、低通滤波器和PID单元，该数字积分器 首先将梯形-矩形加权数字积分单元积分后的信号采用低通滤波器进行低通滤波，提取出 其中的直流分量；然后将该直流分量通过PID单元调整之后，反馈至梯形-矩形加权数字积 分单元的输入端，将输入信号中的直流分量减去；梯形-矩形加权数字积分单元积分算法 以FPGA作为算法实现的硬件平台，数字积分算法利用VHDL语言编程并下载至FPGA中，利 用FPGA来实现数字积分功能。
2. 根据权利要求1所述一种基于直流负反馈原理的梯形-矩形加权数 字积分器，其特征在于，梯形-矩形加权数字积分单元积分算法的传递函数为
3. 根据权利要求1所述一种基于直流负反馈原理的梯形-矩形加权数字积分器，其特 征在于，所述低通滤波器为Butterworth低通滤波器。
4. 根据权利要求1所述一种基于直流负反馈原理的梯形-矩形加权数字积分器，其特 征在于，所述A/D转换器直接与Rogowski线圈或者同轴电容的二次输出相连，将二次输出 的模拟量微分信号转换为数字量。
5. 采用如权利要求1?4任意一种基于直流负反馈原理的梯形-矩形加权数字积分 器的积分方法，其特征在于，Rogowski线圈或者同轴电容输出的模拟量微分信号，首先通过 A/D转换器转换成为数字信号，然后进入FPGA中进行数字积分，在FPGA内实现数字积分之 后，然后输出给后续的设备。
6. 采用如权利要求1?4任意一种基于直流负反馈原理的梯形-矩形加权数字积分器 的积分方法，其特征在于，采用负反馈的方式消除数字积分输入信号中的不变直流分量。
【文档编号】G05B19/042GK104503294SQ201410673371
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】李振华, 闫苏红, 李振兴, 胡蔚中, 邱立, 邾玢鑫 申请人:三峡大学