基于JYC61型高壓電力設(shè)備絕緣參數(shù)測試儀的數(shù)字低通濾波器的設(shè)計

1、基于JYC61型高壓電力設(shè)備絕緣參數(shù)測試儀的數(shù)字低通濾波器的設(shè)計摘要高壓輸變電設(shè)備的安全運行是影響電力系統(tǒng)安全,穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運行的重要因素,高壓電力設(shè)備發(fā)生的絕緣事故不僅會造成設(shè)備本身的損壞，而且會造成多方面的損失。JYC61型絕緣參數(shù)測試儀對電氣設(shè)備的介質(zhì)損耗角，流過介質(zhì)的電流,介質(zhì)電容量,設(shè)備接地電阻，以及接入電氣設(shè)備的三相交流電的ABC三相電壓,三相電流,功率因素進(jìn)行在線測量，并存儲于測量裝置的RAM中。當(dāng)通信計算機(jī)有數(shù)據(jù)請求時，測量裝置將根據(jù)數(shù)據(jù)采集器請求進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)答，并通過CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議進(jìn)行回應(yīng)。通信計算機(jī)將每隔一定的時間實時進(jìn)行數(shù)據(jù)請求，如果接收到電氣設(shè)備的介質(zhì)損耗角,流過

2、介質(zhì)的電流和介質(zhì)電容量三個參數(shù)中有一個參數(shù)超過了設(shè)備的臨界值，那么通信計算機(jī)將對應(yīng)的電氣設(shè)備號及對應(yīng)的參數(shù)值通過TCP/IP數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送到主控計算機(jī)。關(guān)鍵詞:絕緣參數(shù) 數(shù)字低通濾波器 介質(zhì)損耗 JYC61 high voltage electrical equipment insulation parameters tester based digital low-pass filter designAbstractThe safe operation of the high voltage transmission and distribution equipment important f

3、actors to affect power system security, stability and economic operation， the insulation of high voltage electrical equipment accidents not only cause damage to the device itself， but will also cause many losses。 JYC61 insulation parameters tester flow through the dielectric loss angle of electrical

4、 equipment， medium current， medium power capacity， equipment grounding resistance, as well as access to electrical equipment ABC threephase threephase AC voltage， threephase current， power factoronline measurement, the measuring device and stored in the RAM. When the communications computer when a d

5、ata request， the measurement device according to the data acquisition request data response， and respond through the CAN bus data link layer protocol。 Communication computer at certain time intervals in real time， the data request, if the dielectric loss angle of the received electrical equipment, f

6、lowing through a parameter exceeds the threshold value of the device current of the medium and medium power capacity of the three parameters， then the communication computerthe electrical equipment corresponding to the number and the corresponding parameter value is transmitted via TCP / IP data lin

7、k to the master computer.Keywords: insulation parameters of digital low-pass filter dielectric loss0 引 言JYC61型絕緣參數(shù)測試儀的技術(shù)指標(biāo)有：介質(zhì)損耗角的測量準(zhǔn)確度、高壓電力設(shè)備接地漏電地漏電流測量準(zhǔn)確度、介質(zhì)電容量測量的準(zhǔn)確度、漏電流測量準(zhǔn)確度、接地電阻測量準(zhǔn)確度等。其中介質(zhì)損耗角的準(zhǔn)確度對JYC61型絕緣參數(shù)測試儀的測量結(jié)果有很大影響,因此我們必須設(shè)計合理的參數(shù)來確定的大小，以便降低JYC61型絕緣參數(shù)測試儀的測量誤差。由介質(zhì)損耗角的計算公式：（1）其中電流信號為：（2）電流的大小可通

8、過選擇適當(dāng)?shù)慕刂诡l率和衰減倍數(shù)的數(shù)字低通濾波器，濾除其函數(shù)函數(shù)中的諧波即可得到確定的相關(guān)電參數(shù)。測量方法誤差是由經(jīng)過數(shù)字濾波后中所含的諧波分量引起的。因此,測量方法誤差的研究就轉(zhuǎn)化為對IIR數(shù)字低通濾波器穩(wěn)定性和幅頻特性的研究。1 數(shù)字低通濾波器設(shè)計的主要技術(shù)指標(biāo)1。1 數(shù)字低通濾波器通帶誤差和阻帶誤差進(jìn)行工頻(50HZ)有功功率測量，為方便測量方法誤差分析，其測量方法誤差主要是數(shù)字低通濾波器的通帶誤差，所以當(dāng)測量方法誤差是0。02時,其通帶內(nèi)的準(zhǔn)確度應(yīng)為而阻帶內(nèi)的頻率對測量精度的影響,應(yīng)為通帶測量準(zhǔn)確度的高階無窮小,即阻帶以外的衰減至少應(yīng)為 （3）1。2 數(shù)字低通濾波器的過渡時間由于工頻電功

9、率測量是實時測量，國家標(biāo)準(zhǔn)對電功率測量的穩(wěn)定響應(yīng)時間有著嚴(yán)格的規(guī)定,本測量方法穩(wěn)定響應(yīng)時間主要取決于數(shù)字低通濾波器的穩(wěn)定建立時間,所以根據(jù)國家GB13340對電功率測量過度時間的要求，低通數(shù)字濾波器的過程時間應(yīng)為 （4）根據(jù)以上給出的指標(biāo)，只要確定了數(shù)字低通濾波器的類型、通帶截止頻率、數(shù)字低通濾波器階數(shù)，就可以確定濾波器的傳遞函數(shù)，再根據(jù)一定的方法確定其濾波器的結(jié)構(gòu),這樣IIR數(shù)字低通濾波器就可以完成設(shè)計。為了一下分析方便，定義為模擬頻率，為模擬角頻率,則(5）定義為數(shù)字角頻率,由于A/D轉(zhuǎn)換器AD73360最小完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間為26，所以可以確定數(shù)字濾波器的采樣率為4KHZ，則與、與的關(guān)系分

10、別為 （6） （7）2 IIR數(shù)字低通濾波器的設(shè)計2.1 數(shù)字低通濾波器的類型由于理想低通濾波器不可能實現(xiàn)，只能用一種函數(shù)的幅頻特性曲線去逼近理想濾波器的幅頻特性曲線，這樣選擇何種類型函數(shù)對濾波器的通帶誤差的大小就顯得很重要.圖2-1為實際的濾波器幅頻特性，其中為通帶；測量誤差.圖2-1 實際的數(shù)字低通濾波器幅頻特性通帶內(nèi)有 （8）由于N階Butterworth低通濾波器在N=0處的幅度平方函數(shù)的前2N1階的導(dǎo)數(shù)為零，也就是Butterworth濾波器在通帶內(nèi)有最平坦的幅度特性，符合本工頻電功率測量方法提出的測量方法誤差，所以選用Butterworth低通濾波器作為電功率測量用濾波器。Butt

11、erworth濾波器的幅度平方函數(shù)為 （9）式中，N為濾波器階數(shù)，為模擬通帶截止頻率。如圖21所示，阻帶內(nèi)的值隨著頻率的升高單調(diào)下降，所以濾波器的特征完全由階數(shù)N決定。當(dāng)N增加時，通帶更為平坦，更接近于理想低通濾波器的特征，更能保證對進(jìn)行濾波時，滿足測量準(zhǔn)確度的要求。所以在其他條件已確定時，測量精度取決于濾波器的階數(shù)。（數(shù)字角頻率）為阻帶頻率，在阻帶內(nèi)幅度響應(yīng)的誤差趨近于0,所以測量方法誤差對阻帶處諧波的幅度響應(yīng)可以忽略不計。2.2 數(shù)字低通濾波器截止頻率的選擇當(dāng)進(jìn)行工頻電功率測量時,用數(shù)字低通濾波器對進(jìn)行數(shù)字低通濾波時，如何選擇數(shù)字低通濾波器的截止頻率是一個直接影響測量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵性問題.由

12、式（6）得中最小諧波的模擬角頻率應(yīng)為，得其對應(yīng)的數(shù)字頻率，如用理想數(shù)字濾波器對進(jìn)行低通濾波，只要濾波器通帶的數(shù)字截止頻率設(shè)在中的任一點,就能濾掉中的諧波，獲得直流F0(即有功功率等電參數(shù))。但是在實際應(yīng)用中，由于理想濾波器不可能實現(xiàn),只能用一種函數(shù)去逼近理想濾波器的幅頻特性，這樣濾波器通帶數(shù)字截止頻率的選擇原則就是在不影響測量準(zhǔn)確度的情況下，必須保證數(shù)字都通濾波器的穩(wěn)定.越小，測量準(zhǔn)確度越高,但是小，濾波器很難做到穩(wěn)定。通過大量仿真實驗證明，當(dāng)時，濾波器是穩(wěn)定的.在濾波器穩(wěn)定的前提下，為了保證測量準(zhǔn)確度，有兩個選擇的原則：（1） 在保證濾波器穩(wěn)定的前提下,越小越好即盡可能地接近于6/400。（

13、2） 應(yīng)盡量保留一定的過渡帶,使濾波器的幅頻特性在階數(shù)不是很高的情況下,從通帶過渡到阻帶，以提高濾波器的響應(yīng)時間。當(dāng)=7/400時,濾波器傳遞函數(shù)的極點都在園內(nèi)，濾波器是穩(wěn)定的.所以數(shù)字低通濾波器的通帶截止頻率選為=7/4002。3 數(shù)字低通IIR濾波器階數(shù)N的選擇由式(8）可知,阻帶截止頻率的響應(yīng)時間為 (10）由式（9)Butterworth濾波器的幅度平方公式得,阻帶截止頻率的響應(yīng)為 (11）由以上兩式得 （12）即 （13)由于N必須為正整數(shù),所以N=8。由此得出濾波器是IIR數(shù)字低通八階Butterworth濾波器。3 確定IIR數(shù)字低通濾波器的傳遞函數(shù)及其仿真結(jié)果3.1 確定數(shù)字低

14、通濾波器的傳遞函數(shù)由于已確定了濾波器的類型、截止頻率、濾波器函數(shù)的階數(shù)。所以可借助MATLAB數(shù)字信號處理工具箱中的Butterworth數(shù)字濾波器設(shè)計函數(shù),求出濾波器的分子、分母系數(shù)。由函數(shù)b，a=Butterworth（)確定數(shù)字濾波器系數(shù)，n=2為濾波器階數(shù)，數(shù)字濾波器截止頻率為=7/400。濾波器分子、分母系數(shù)分別為b=0.0007 0。0015 0。0007， a=1.0000 1。9223 0。9252將系數(shù)代入函數(shù)地單元濾波器的傳遞函數(shù)為 (14）由于本八階IIR數(shù)字Butterworth型數(shù)字低通濾波器采用四個具有相同傳遞函數(shù)的二階IIR數(shù)字Butterworth型數(shù)字低通濾波

15、器級聯(lián)的結(jié)構(gòu),故濾波器的傳遞函數(shù)為 (15）3.2 對濾波器進(jìn)行MATLAB仿真及其實驗結(jié)果用MATLAB軟件的數(shù)字信號處理工具箱，根據(jù)式（15）分別畫出本數(shù)字低通濾波器的零、極點分布圖和幅頻響應(yīng)圖，程序為：clc；clear all；num=0。0007 0.0015 0。0007；den=1 -1。9223 0.9252;pzmap（num，den)；rlocus(num，den）;其根軌跡如圖31所示。圖31 數(shù)字濾波器的零、極點分布圖由圖可知，所有的極點分布在單位圓內(nèi)，所以濾波器是穩(wěn)定的。根據(jù)bode（num,den）畫出其幅頻響應(yīng)曲線,由圖32可見，在處,幅值響應(yīng)大約是100dB,滿足設(shè)計要求。經(jīng)數(shù)字濾波器的仿真得到過渡時間大約為100ms,滿足國際標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于過渡時間(大約為400ms）的技術(shù)指標(biāo).由此可得出本濾波器的傳遞函數(shù)是合理的。3-2 數(shù)字濾波器幅頻響應(yīng)圖參考文獻(xiàn)1 蔡國雄，胡兆明，王建民.1995.介質(zhì)損耗測量的過零點電壓比較法J。電網(wǎng)技術(shù)。2 陳三運,譚洪恩,江志剛。2004。輸變電設(shè)備的狀態(tài)檢修M。北京:中國電力出版社.3 陳維榮,宋永華,孫錦鑫.2000。電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的概念及現(xiàn)狀J。電