适用于罗氏线圈的数字积分方法及装置与流程

本技术涉及电气测量中的信号处理，特别涉及一种适用于罗氏线圈的数字积分方法及装置。

背景技术：

1、本部分旨在为权利要求书中陈述的本技术的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是已被公开的现有技术。

2、在包括电力系统在内的电气工程中，电流互感器(ct)传统上一直用于保护和测量应用，主要原因是它们能够产生高功率输出。然而，基于微处理器的设备的出现使得高功率输出变得不必要，并引入了其它测量技术。罗氏(rogowski)线圈换能器是一种这样的测量设备，具有许多优于ct的优点。

3、rogowski线圈通常用于整个行业和研究中的测量和保护系统，其“空芯”特性提供了优于铁芯测量装置的优势。由于rogowski线圈具有精度高、线性度好、动态范围宽、频带宽、无磁饱和等优点，可替代ct用于一般电流测量领域的保护、计量和控制用途。rogowski线圈传感器相对于传统电流传感器的优势，将使其在未来得到更广泛的应用。

4、根据法拉第电磁感应定律的原理，rogowski线圈产生与电流信号的导数成正比的电压输出信号为：

5、

6、其中v(t)是电流i(t)通过rogowski线圈的感应电压，需要积分器从rogowski线圈传感器感应的电压信号中恢复测得的交流(ac)电流波形。借助精心设计的积分器，rogowski线圈可实现比传统ct更高的精度和更好的线性度等卓越性能。因此，高性能的积分器是保证rogowski线圈传感器高测量精度的关键。

7、输出信号是所谓的传输信号，它与初级电流的导数成正比。输入和输出信号之间的相移为-90度。可以通过将输出电压积分为以下形式来再现原始电流信号：

8、

9、模拟和数字方法都可以实现罗氏线圈的积分部分。模拟积分器通常由放大器、电阻器和电容器等惯性元件组成。目前，模拟积分器一般位于罗氏线圈的末端，用于变换输入电流的幅值和相位。然而，模拟器件的温度和老化不稳定，这可能会导致模拟器件出现漏电、容量损失和零漂移等问题。此外，模拟积分器的反馈和补偿设计相对不灵活。模拟设备中存在的所有这些因素都可能导致积分性能误差。

10、由于模拟积分器固有的易受温度、时间漂移、元件离散等缺点难以克服，因此数字积分器得到了广泛的应用。数字积分器具有克服模拟积分器固有弱点的突出特点。它基于数字信号处理算法，直接对信号进行采样，然后通过数值积分的方法还原出原始电流信号。此外，可以完全避免经典模拟积分器的缺点，例如热稳定性和时间稳定性。数字积分器具有更高的精度和稳定性、良好的相位响应性能以及灵活的结构，目前广泛应用于罗氏线圈传感器中。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种适用于罗氏线圈的数字积分方法及装置，可以优化数字积分器的参数选择以用来对幅频响应误差最小化。

2、本技术公开了一种适用于罗氏线圈的数字积分方法，包括：

3、对罗氏线圈感应器输出的电流微分信号进行模数转换为数字信号，并对所述数字信号进行高通滤波；

4、数字积分器采用参数化的z变换传输函数h(ξ,z)对滤波后的数字信号进行数字积分，其中ξ为参数或参数组，z＝ejω，ω为角频率值；

5、定义所述数字积分的误差函数为其中，0≤ω0＜ω1＜π，ω0、ω1定义了感兴趣的频率范围，a为归一化常数，n为2或趋于无穷大；以及

6、对于不同阶数的数字积分器的误差函数，根据最小数字积分误差值的选择确定所述参数或参数组。

7、在一个优选例中，对于二阶数字积分器，所述z变换传输函数为其中，ξ＝[a，b]，a为归一化参数，b决定所述数字积分器的频率响应，所述数字积分器的频率响应为所述数字积分的误差函数采用均方值其中n为2。

8、在一个优选例中，当采样频率为12800hz，(ω0，ω1)分别对应于10hz和2250hz，a的最优参数为aopt＝0.3446，b的最优参数为bopt＝1.9018。

9、在一个优选例中，对于三阶数字积分器，所述z变换传输函数为其中，ξ＝[a，b]，a为归一化参数，b决定所述数字积分器的频率响应，所述数字积分器的频率响应为所述数字积分的误差函数采用均方值其中n为2。

10、在一个优选例中，当采样频率为12800hz，(ω0，ω1)分别对应于10hz和2250hz，a的最优参数为aopt＝0.3959，b的最优参数为bopt＝2.7894。

11、在一个优选例中，对于四阶数字积分器，所述z变换传输函数为其中，ξ＝[a，b，c]，a为归一化参数，b和c决定所述数字积分器的频率响应，所述数字积分器的频率响应为所述数字积分的误差函数采用均方值其中n为2；对于梯形规则，b＝2，c＝1；对于辛普森1/3规则：b＝4，c＝1；对于布尔规则：

12、在一个优选例中，当采样频率为12800hz，(ω0，ω1)分别对应于10hz和2250hz，对于布尔规则，a的最优参数为aopt＝0.3292，a的最优参数为bopt＝4.1222，c的最优参数为copt＝0.9526。

13、在一个优选例中，所述高通滤波采用一阶高通滤波器，其传输函数为：其中0＜α＜1。

14、本技术还公开了一种适用于罗氏线圈的数字积分装置，包括：

15、数模转换器，用于对罗氏线圈感应器输出的电流微分信号进行模数转换为数字信号；

16、高通滤波器，用于对所述数字信号进行高通滤波；以及

17、数字积分器，用于采用参数化的z变换传输函数h(ξ，z)对滤波后的数字信号进行数字积分，其中ξ为参数或参数组，z＝ejω，ω为角频率值，其中定义所述数字积分的误差函数为其中0≤ω0＜ω1＜π，ω0、ω1定义了感兴趣的频率范围，a为归一化常数，n为2或趋于无穷大，并且，对于不同阶数的数字积分器的误差函数，根据最小数字积分误差值的选择确定所述参数或参数组。

18、本技术实施方式中，基于参数化的数字积分器，解决目前数字积分器存在的精度有限、结构复杂、难以实现以及对硬件要求较高的问题。优化参数的选择可以用来满足不同的幅频响应要求，而在同等硬件复杂程度条件下，性能更优。

19、本技术的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本技术所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本技术上述
技术实现要素：
中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均应该视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征a+b+c，在另一个例子中公开了特征a+b+d+e，而特征c和d是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征e技术上可以与特征c相组合，则，a+b+c+d的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而a+b+c+e的方案应当视为已经被记载。