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

1、.基于JYC61型高壓電力設(shè)備絕緣參數(shù)測(cè)試儀的數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)摘要高壓輸變電設(shè)備的平安運(yùn)行是影響電力系統(tǒng)平安，穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素，高壓電力設(shè)備發(fā)生的絕緣事故不僅會(huì)造成設(shè)備本身的損壞，而且會(huì)造成多方面的損失。JYC61型絕緣參數(shù)測(cè)試儀對(duì)電氣設(shè)備的介質(zhì)損耗角，流過(guò)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)展在線測(cè)量，并存儲(chǔ)于測(cè)量裝置的RAM中。當(dāng)通信計(jì)算機(jī)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，測(cè)量裝置將根據(jù)數(shù)據(jù)采集器請(qǐng)求進(jìn)展數(shù)據(jù)應(yīng)答，并通過(guò)CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議進(jìn)展回應(yīng)。通信計(jì)算機(jī)將每隔一定的時(shí)間實(shí)時(shí)進(jìn)展數(shù)據(jù)請(qǐng)求，如果接收到電氣設(shè)備的介質(zhì)損耗角，流

2、過(guò)介質(zhì)的電流和介質(zhì)電容量三個(gè)參數(shù)中有一個(gè)參數(shù)超過(guò)了設(shè)備的臨界值，那么通信計(jì)算機(jī)將對(duì)應(yīng)的電氣設(shè)備號(hào)及對(duì)應(yīng)的參數(shù)值通過(guò)TCP/IP數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送到主控計(jì)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

3、factors 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 electrica

4、l equipment, medium current, medium power capacity, equipment grounding resistance, as well as access to electrical equipment ABC three-phase three-phase AC voltage, three-phase current, power factoronline measurement, the measuring device and stored in the RAM. When the munications puter when a dat

5、a request, the measurement device according to the data acquisition request data response, and respond through the CAN bus data link layer protocol. munication puter at certain time intervals in real time, the data request, if the dielectric loss angle of the received electrical equipment, flowing t

6、hrough a parameter exceeds the threshold value of the device current of the medium and medium power capacity of the three parameters, then the munication puterthe electrical equipment corresponding to the number and the corresponding parameter value is transmitted via TCP / IP data link to the maste

7、r puter.Keywords: insulation parameters of digital low-pass filter dielectric loss0 引 言JYC61型絕緣參數(shù)測(cè)試儀的技術(shù)指標(biāo)有：介質(zhì)損耗角的測(cè)量準(zhǔn)確度、高壓電力設(shè)備接地漏電地漏電流測(cè)量準(zhǔn)確度、介質(zhì)電容量測(cè)量的準(zhǔn)確度、漏電流測(cè)量準(zhǔn)確度、接地電阻測(cè)量準(zhǔn)確度等。其中介質(zhì)損耗角的準(zhǔn)確度對(duì)JYC61型絕緣參數(shù)測(cè)試儀的測(cè)量結(jié)果有很大影響，因此我們必須設(shè)計(jì)合理的參數(shù)來(lái)確定的大小，以便降低JYC61型絕緣參數(shù)測(cè)試儀的測(cè)量誤差。由介質(zhì)損耗角的計(jì)算公式：1其中電流信號(hào)為：2電流的大小可通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)慕刂诡l率和衰減倍數(shù)的數(shù)字低通濾

8、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(cè)量方法誤差是由經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后中所含的諧波分量引起的。因此，測(cè)量方法誤差的研究就轉(zhuǎn)化為對(duì)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(jì)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)展工頻50HZ有功功率測(cè)量，為方便測(cè)量方法誤差分析，其測(cè)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(cè)量方法誤差是0.02%時(shí)，其通帶內(nèi)的準(zhǔn)確度應(yīng)為而阻帶內(nèi)的頻率對(duì)測(cè)量精度的影響，應(yīng)為通帶測(cè)量準(zhǔn)確度的高階無(wú)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(guò)渡時(shí)間由于工頻電功率測(cè)量是實(shí)時(shí)測(cè)量，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電功率測(cè)量的穩(wěn)定

9、響應(yīng)時(shí)間有著嚴(yán)格的規(guī)定，本測(cè)量方法穩(wěn)定響應(yīng)時(shí)間主要取決于數(shù)字低通濾波器的穩(wěn)定建立時(shí)間，所以根據(jù)國(guó)家GB13340對(duì)電功率測(cè)量過(guò)度時(shí)間的要求，低通數(shù)字濾波器的過(guò)程時(shí)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構(gòu)造，這樣IIR數(shù)字低通濾波器就可以完成設(shè)計(jì)。為了一下分析方便，定義為模擬頻率，為模擬角頻率，那么(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(shí)間為26，所以可以確定數(shù)字濾波器的采樣率為4KHZ，那么與、與的關(guān)系分別為 (6) (7)2 IIR數(shù)字低通濾

10、波器的設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)濾波器的通帶誤差的大小就顯得很重要。圖2-1為實(shí)際的濾波器幅頻特性，其中為通帶；測(cè)量誤差。圖2-1 實(shí)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2N-1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(cè)量方法提出的測(cè)量方法誤差，所以選用Butterworth低通濾波器作為電功率測(cè)量用濾波器。Butterworth濾波器的幅度平方函數(shù)為 9式

11、中，N為濾波器階數(shù)，為模擬通帶截止頻率。如圖2-1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(shí)，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(duì)進(jìn)展濾波時(shí)，滿足測(cè)量準(zhǔn)確度的要求。所以在其他條件已確定時(shí)，測(cè)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(cè)量方法誤差對(duì)阻帶處諧波的幅度響應(yīng)可以忽略不計(jì)。2.2 數(shù)字低通濾波器截止頻率的選擇當(dāng)進(jìn)展工頻電功率測(cè)量時(shí)，用數(shù)字低通濾波器對(duì)進(jìn)展數(shù)字低通濾波時(shí)，如何選擇數(shù)字低通濾波器的截止頻率是一個(gè)直接影響測(cè)量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵性問(wèn)題。由式6得中最小諧波的模擬角頻率應(yīng)為，得其對(duì)應(yīng)的數(shù)字

12、頻率，如用理想數(shù)字濾波器對(duì)進(jìn)展低通濾波，只要濾波器通帶的數(shù)字截止頻率設(shè)在中的任一點(diǎn)，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(shí)際應(yīng)用中，由于理想濾波器不可能實(shí)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那么就是在不影響測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度越高，但是小，濾波器很難做到穩(wěn)定。通過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)時(shí)，濾波器是穩(wěn)定的。在濾波器穩(wěn)定的前提下，為了保證測(cè)量準(zhǔn)確度，有兩個(gè)選擇的原那么：（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。（2） 應(yīng)盡量保存一定的過(guò)渡帶，使濾波器的幅頻特性在階

13、數(shù)不是很高的情況下，從通帶過(guò)渡到阻帶，以提高濾波器的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)=7/400時(shí)，濾波器傳遞函數(shù)的極點(diǎn)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(shí)間為 10由式9Butterworth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

14、可借助MATLAB數(shù)字信號(hào)處理工具箱中的Butterworth數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)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(gè)具有一樣傳遞函數(shù)的二階IIR數(shù)字Butterworth型數(shù)字低通濾波器級(jí)聯(lián)的構(gòu)造，故濾波器的傳遞函數(shù)為 153.2 對(duì)濾波器進(jìn)展MATLAB仿真及

15、其實(shí)驗(yàn)結(jié)果用MATLAB軟件的數(shù)字信號(hào)處理工具箱，根據(jù)式15分別畫(huà)出本數(shù)字低通濾波器的零、極點(diǎn)分布圖和幅頻響應(yīng)圖，程序?yàn)椋篶lc;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3-1所示。圖3-1 數(shù)字濾波器的零、極點(diǎn)分布圖由圖可知，所有的極點(diǎn)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(huà)出其幅頻響應(yīng)曲線，由圖3-2可見(jiàn)，在處，幅值響應(yīng)大約是100dB，滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)數(shù)字濾波器的仿真得到過(guò)渡時(shí)間大約為100ms，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于過(guò)渡時(shí)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(guó)雄,胡兆明，王建民.1995.介質(zhì)損耗測(cè)量的過(guò)零點(diǎn)電壓比擬法J.電網(wǎng)技術(shù).2 陳三運(yùn)，譚洪恩，江志剛.2004.輸變電設(shè)備的狀態(tài)檢修M.:中國(guó)電力.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(cè)的概念