張萌萌，張長勝，李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院,云南 昆明 650500)

針對目前電壓等級不斷提高以及電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，傳統(tǒng)電磁式電壓互感器已不能滿足當前智能電網的要求[1-2]。而以絕緣性能好、抗干擾能力強、動態(tài)范圍大等為優(yōu)點的電子式電壓互感器(EVT)正在逐步取代傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器，EVT中以電容分壓型電子式電壓互感器(ECVT)最為常用[3]。作為信號處理的關鍵環(huán)節(jié)，積分電路同模數轉換器一樣處在數字信號處理器的關鍵位置[4]；積分電路是實現信號還原的重要環(huán)節(jié)，其精度直接關系到整個系統(tǒng)的精度[5]。目前常用的積分器有模擬積分器和數字積分器兩種，相比之下，數字積分器具有穩(wěn)定性、可靠性和重復性高的優(yōu)點；受環(huán)境濕度、溫度、電磁場、噪聲的干擾和影響較小，得到越來越多的應用[6-8]。

本文主要從模擬積分器和數字積分器的研究出發(fā)，通過建立模型、仿真以及實測比較兩者對信號處理的優(yōu)劣，從而得出數字積分器相比于模擬積分器能更精確地還原被測信號。

1 模擬積分器

1.1 典型模擬積分器

典型模擬積分器主要分為無源和有緣積分器兩種[9-10]。

圖1 理想無源和有源積分電路

圖1為典型無源和有源積分電路，其傳遞函數分別為

(1)

H=U2/U1=1/sCR1

(2)

1.2 改進模擬積分器

為降低積分漂移的影響，在電路中添加慣性環(huán)節(jié)，即在積分電容兩側并聯(lián)一個反饋電阻R3。電路如圖2所示，積分漂移電壓緩慢增加，再經反饋電阻R3釋放，本方法降低積分漂移影響的效果顯著[11]。

圖2 改進的有源積分電路

根據電路，可得

(3)

可得傳遞函數

(4)

當R3C1s≈1時，U2≈-U1/sC1R1，表明電壓的輸出與輸入呈近似的積分關系，且可滿足積分要求。

1.3 混合模擬積分器

由于運算放大器高頻特性不足，現在一般在ECVT電路中混合使用無源積分器和有源積分器，如圖3。通過這種方法來還原微分信號，其中在有源積分器之前，高頻信號首先通過無源積分電路進行積分，隨后低頻信號再由有源積分器積分，最后輸出的采樣信號和一次信號的相位相同[11-12]。

圖3 ECVT改進后的混合積分器電路原理圖

圖4為ECVT經過混合積分器和增加濾波器后的仿真電路圖。

圖4 ECVT改進后的積分器仿真電路圖

圖5 ECVT改進后的積分器輸入輸出電壓波形圖

由圖5可看出，經過該混合積分器和濾波后，輸出能夠較好的還原輸入信號，但在實際應用中，由于溫度、濕度以及磁場等對元器件的影響，其積分輸出會存在很大誤差。

2 數字積分器

數字積分器主要是通過各種算法完成對信號的處理，常用的有高斯算法、牛頓科茨積分算法、龍貝格算法等。其中，牛頓科茨積分算法中矩形公式、梯形公式、Simpson公式已得到深入研究和推廣[13-16]。圖6為其幅頻和相頻特性圖。

圖6 不同數字積分算法的幅值和相位響應

圖7 基于數字積分器的ECVT工作原理圖

圖7中一次轉換器環(huán)節(jié)的數字積分器和直流負反饋環(huán)節(jié)為本次研究和設計的重點。該數字積分器是基于Al-Alaoui提出的一種Al-Alaoui數字積分算法，通過將矩形積分和梯形積分的傳遞函數按1：3的權重重新組合，并加入延時因子[15-17]的基礎上，通過設置多個衰減系數J和K，構造出新的改進的Al-Alaoui數字積分器，其表達式如下

(5)

在前置環(huán)節(jié)中加低通濾波器濾除高頻干擾信號，加高通濾波器以及采用直流負反饋構成閉環(huán)回路來消除直流分量的影響。在此結構中，通過調整衰減系數J和K的值，可獲得較小的誤差及調節(jié)時間，達到較理想的積分效果。

3 改進數字積分器仿真

改進的Al-Alaoui數字積分器的仿真是借助Simulink中的Altera DSP Builder模塊編譯VHSIC Hardware Description Language(VHDL)代碼，然后通過Altera Quartus II 軟件下載至FPGA微處理器中[15]。為比較模擬積分器、Al-Alaoui積分器和改進Al-Alaoui積分器之間的區(qū)別，進行了如圖8的仿真。

圖8 各種積分器的幅頻和相頻響應

由圖8可得，改進Al-Alaoui數字積分器能較好地抑制信號中直流分量的影響，其直流響應趨向于0。在頻率>0.6 Hz時，其頻率響應較原Al-Alaoui數字積分器相同。而模擬積分器要到約為20 Hz。通過相頻特性可以看出，改進的Al-Alaoui數字積分器較模擬積分器有更小的相位誤差，測量誤差也就越小。

4 測試實驗

本次試驗是為了比較模擬積分器和改進的Al-Alaoui數字積分器在穩(wěn)態(tài)和溫度變化時其輸出信號的變化，驗證其傳輸信號的精度。本實驗針對10 kV標準ECVT進行相關測試，由于實驗條件的限制，只測試在穩(wěn)態(tài)和溫度下的影響。

4.1 穩(wěn)態(tài)誤差測試

穩(wěn)態(tài)誤差測試實驗在云南電網有限責任公司電力科學研究院進行，測試結果如表1所示。

表1 電壓試驗數據

由表1可看出，采用模擬積分器只能達到0.2級標準，而采用改進的Al-Alaoui數字積分器則能達到0.02級標準，而且有盈余，保證了ECVT的輸出準確度要求。

4.2 溫度影響測試

該溫度測試模擬外界溫度劇烈的變化，在一個可控溫的環(huán)境中進行測試，主要測試幾個溫度點。如常溫25 ℃、最高溫度80 ℃以及最低溫度-40 ℃等。

如圖9所示，根據測試曲線說明，ECVT采用模擬積分器，由于元器件受溫度變化影響較大，誤差很大；而采用本設計改進的Al-Alaoui數字積分器及其結構，能夠較好地克服溫度變化的影響，準確度更高。

圖9 溫度測試實驗

5 結束語

本文針對模擬積分器中許多元器件易受外界環(huán)境的影響、可靠性和準確度較低出發(fā)，通過對傳統(tǒng)數字積分算法的分析研究，最終在前人研究的基礎上，提出一種改進的Al-Alaoui數字積分器并對其進行各種準確性測試。得出設計的數字積分器較模擬積分器以及傳統(tǒng)的Al-Alaoui數字積分器有更高的精度，達到了0.02級，滿足實驗的需要。