一種基于高斯算法的高精度數字積分器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電力系統測量領域，具體涉及一種基于高斯算法的高精度數字積分 器，可以有效抵抗頻率波動和諧波干擾。
【背景技術】
[0002] 隨著電力系統不斷向超高壓、大容量方向發展，在電力系統處于短路等故障下時， 電子式電流互感器中可能通過遠大于額定電流的短路電流，保護用電流互感器應保證一定 準確度，確保繼電保護裝置正確動作，這就要求電子式電流互感器的復合誤差滿足GB/ T20840.8中對繼電保護用電子式電流互感器"復合誤差"規定:穩定狀態下二次電流的瞬時 值與一次電流瞬時值之差的有效值，包括一次電流和二次電流中出現的高次諧波，這一概 念綜合反映了比差與角差等互感器重要性能數據。同時，作為信號處理部分的關鍵環節，積 分器的準確度關系著整個系統的準確度。積分器廣泛應用于電力系統測量及控制領域中， 空心線圈電子式電流互感器或者直測電容電流型電子式電壓互感器，其二次側輸出是一次 電流或電壓的微分，要恢復與一次電流/電壓成正比例的信號，就必須有相應的積分環節， 而復合誤差的計算需要對其二次側輸出進行積分后再進行數據處理，因此高精度積分環節 的設計是確保電子式互感器復合誤差計算準確度的關鍵。
[0003] 相關文獻已指出，數字積分器僅適用于工頻信號下的短時測量。這是由于在理想 情況下雖然數字積分算法的仿真精度較高，但實際系統中由于頻率波動(非理想工頻50Hz) 和諧波干擾等原因，復化矩形、梯形、辛普森等積分算法難以保證精度，當發生以上兩種干 擾時，復合誤差急劇增大，這是復化矩形、梯形、辛普森公式在實際檢測中難以采用的主要 原因。另外一方面，采樣頻率的大小也是影響以上算法精度的重要原因，增加采樣頻率往往 會增加硬件使用成本，同時增加運算量和時間延遲，而降低采樣頻率則無法滿足相關精度 要求。事實上，在數學原理中，梯形公式與辛普森公式是最基本的積分近似公式。但它們的 精度較差。當用不等距節點進行計算時，常用高斯型求積公式計算，它在節點數目相同情況 下，準確程度較高，穩定性好。因此，高斯公式高精度的特性使得其足以抵抗頻率波動與諧 波干擾，也無需要求過高的采樣頻率。本文以高斯算法兩點公式為基礎，設計出一種高精度 數字積分器，比現有數字積分器在相同采樣點數目時擁有更高的精度，同時更適合復雜環 境的工程現場需要。
【發明內容】
[0004] 針對目前數字積分器存在的問題，本發明提供了一種基于高斯算法的高精度數字 積分器。根據高斯算法重新設計了采樣方式以抵抗頻率波動和高次諧波帶來的干擾，理論 分析和仿真實驗表明，設計一周期采樣80點，當信號頻率在49.5~50.5Hz波動時，所設計的 數字積分器復合誤差僅為8ΧΠΓ 7左右，即使在基頻電流上疊加2~13次諧波，復合誤差也可 以控制在0.13%以內，相對梯形以及辛普森數字積分器性能要優良的多，在保護用電子式 電流互感器的使用上有著相當大的優勢，也可根據測量用電子式電流互感器的精度要求適 當改變采樣點數，同時適用于測量用電子式電流互感器。
[0005] 本發明所采用的技術方案是：
[0006] -種基于高斯算法的高精度數字積分器，包括高通濾波器、模數轉換器、微處理 器、高精度時鐘、數模轉換器，高精度時鐘發出時鐘信號給微處理器，微處理器按照已標記 時刻發送觸發命令給模數轉換器，控制模數轉換器進行采樣，高通濾波器用于提取并消除 微分信號中的直流干擾，之后經過模數轉換器轉為數字信號后，送入微處理器，當獲得所設 定的一個周期內N個采樣點進行計算后微處理器控制高精度時鐘清零，進入下一周期進行 繼續采樣或者停止，并將計算后輸出的信號送入數模轉換器轉換為模擬信號，輸出結果。
[0007] 使用高精度時鐘來產生時間信號，時間信號送入微處理器中。微處理器根據一周 期內所設置的采樣點數N重新生成采樣時刻，在采樣時刻將觸發命令發送給模數轉換器，當 在一周期內獲得足夠采樣點后可以控制高精度時鐘清零。
[0008] 在微處理器中設計的新型傳遞函數為：
，該傳遞函數根據高斯算法 中兩點公式設計，結構比辛普森傳遞函數簡單，但在同樣采樣點數下最后輸出結果精度又 高于梯形與辛普森公式。
[0009] 模數轉換器按照微處理器中的觸發命令采樣，屬于非等間隔采樣，但在計算中采 樣間隔T按照一個周期的時間0.02s與采樣點數N之比的固定值計算。
[0010] 該積分器可以根據測量或者保護用互感器的要求，設置不同的單位周期采樣點數 N以滿足需要，但其精度又遠高于同樣采樣點數的梯形或辛普森數字積分器。
[0011] 該積分器存在2~13次諧波干擾時，所設計的數字積分器復合誤差最高不超過 0.13%，足以滿足現場復雜的工程環境需要。
[0012] 該積分器在系統信號頻率±0.5Hz小范圍波動時，所設計的數字積分器復合誤差 僅為8 X10_7左右，可以忽略不計。
[0013] 本發明涉及一種基于高斯算法的高精度數字積分器，技術效果如下：
[0014] 1 )、針對目前數字積分器缺乏抵抗諧波干擾與頻率波動干擾的能力，精度受采樣 頻率影響較大等問題，本發明提出了一種基于高斯算法的高精度數字積分器，通過采樣非 等間隔節點獲取一次電壓信號，可以在相對較少的單位周期采樣點數下實現高精度積分還 原功能，同時可以有效抵抗頻率波動與諧波干擾，比現有的梯形、辛普森數字積分器性能要 優良的多。
[0015] 2)、由于所設計的傳遞函數類似于矩形傳遞函數，所以相對辛普森傳遞函數計算 量要少的多，但在一周期內同樣采樣點數下，其復合誤差又遠小于辛普森與梯形傳遞函數， 傳遞函數結構相對于辛普森公式更簡單更容易設計。
[0016] 3)、在工程中，當被測信號為標準正弦信號且采樣頻率較高時，選用梯形或辛普森 算法都能實現較好的積分還原功能，但當信號頻率小范圍內波動或者信號出現諧波分量 時，如圖3和圖4所示，所設計的數字積分器性能要優越的多，這一點對于保護用電子式電流 互感器至關重要，尤其是在現場環境復雜且干擾較大時。
[0017] 4)、對于測量用電子式電流互感器，如果要滿足0.2S或0.05級要求，就必須使用辛 普森算法或者采用較高采樣頻率，增加運算量或使用高性能的模數轉換器等硬件，而使用 高斯算法設計的數字積分器完全可以做到低采樣頻率高精度，降低成本減少計算量。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明的原理框圖。
[0019] 圖2為本發明的軟件流程圖。
[0020] 圖3為存在諧波時梯形與高斯算法的復合誤差對數圖。
[0021 ]圖4為頻率波動時梯形算法與高斯算法的復合誤差圖。
[0022]圖5為仿真實驗結果：
[0023]圖5(a)為存在3、5、7次諧波時所設計的積分器仿