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

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

2、質損耗角tan，流過介質的電流lx和介質電容量C三個參數(shù)中有一個參數(shù)超過了設備的臨界值，那么通信計算機將對應的電氣設備號及對應的參數(shù)值通過TCP/lP數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送到主控計算機。關鍵詞：絕緣參數(shù)數(shù)字低通濾波器介質損耗JYC61highvoltageelectricalequipmentinsulationparameterstesterbaseddigitallow-passfilterdesignAbstractThesafeoperationofthehighvoltagetransmissionanddistributionequipmentimportantfactorstoaffect

3、powersystemsecurity,stabilityandeconomicoperation,theinsulationofhighvoltageelectricalequipmentaccidentsnotonlycausedamagetothedeviceitself,butwillalsocausemanylosses.JYC61insulationparameterstesterflowthroughthedielectriclossangleofelectricalequipment,mediumcurrent,mediumpowercapacity,equipmentgrou

4、ndingresistance,aswellasaccesstoelectricalequipmentABCthree-phasethree-phaseACvoltage,three-phasecurrent,powerfactoronlinemeasurement,themeasuringdeviceandstoredintheRAM.Whenthecommunicationscomputerwhenadatarequest,themeasurementdeviceaccordingtothedataacquisitionrequestdataresponse,andrespondthrou

5、ghtheCANbusdatalinklayerprotocol.Communicationcomputeratcertaintimeintervalsinrealtime,thedatarequest,ifthedielectriclossangleofthereceivedelectricalequipment,flowingthroughaparameterexceedsthethresholdvalueofthedevicecurrentofthemediumandmediumpowercapacityofthethreeparameters,thenthecommunicationc

6、omputertheelectricalequipmentcorrespondingtothenumberandthecorrespondingparametervalueistransmittedviaTCP/IPdatalinktothemastercomputer.Keywords:insulationparametersofdigitallow-passfilterdielectricloss0引言JYC61型絕緣參數(shù)測試儀的技術指標有：介質損耗角tan的測量準確度、高壓電力設備接地漏電地漏電流測量準確度、介質電容量C測量的準確度、漏電流測量準確度、接地電阻測量準確度等。其中介質損耗角

7、tan的準確度對JYC61型絕緣參數(shù)測試儀的測量結果有很大影響，因此我們必須設計合理的參數(shù)來確定tan的大小，以便降低JYC61型絕緣參數(shù)測試儀的測量誤差。由介質損耗角的計算公式：tan=S（1）IC其中電流信號Ix為：Ix,|RIc2（2）電流Ix的大小可通過選擇適當?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)f（n）函數(shù)中的諧波即可得到確定的相關電參數(shù)。測量方法誤差是由經(jīng)過數(shù)字濾波后f（n）中所含的諧波分量引起的。因此，測量方法誤差的研究就轉化為對IIR數(shù)字低通濾波器穩(wěn)定性和幅頻特性的研究。1數(shù)字低通濾波器設計的主要技術指標1.1數(shù)字低通濾波器通帶誤差和阻帶誤差進行工頻（50HZ有功功

8、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，所以當測量方法誤差是0.02%時，其通帶內的準確度應為I0.0002而阻帶內的頻率對測量精度的影響，應為通帶測量準確度的高階無窮小，即阻帶以外的衰減至少應為101.2數(shù)字低通濾波器的過渡時間由于工頻電功率測量是實時測量，國家標準對電功率測量的穩(wěn)定響應時間有著嚴格的規(guī)定，本測量方法穩(wěn)定響應時間主要取決于數(shù)字低通濾波器的穩(wěn)定建立時間，所以根據(jù)國家GB1334C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ts應為ts400ms(4)根據(jù)以上給出的指標，只要確定了數(shù)字低通濾波器的類型、通帶截止頻率wc、數(shù)字低通濾波器

9、階數(shù)n,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構，這樣IIR數(shù)字低通濾波器就可以完成設計。為了一下分析方便，定義f為模擬頻率，為模擬角頻率，則2f定義w為數(shù)字角頻率，由于A/D轉換器AD73360最小完成數(shù)據(jù)轉換時間為26us，所以可以確定數(shù)字濾波器的采樣率fs為4KHZ，則w與、w與f的關系分別為w-fs40002ffw-fs20002IIR數(shù)字低通濾波器的設計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(

10、0,wj為通帶；測量誤差精品文檔通帶內有1H(ejw)1(8)2由于N階Butterworth低通濾波器在N=0處的幅度平方函數(shù)|Ha(jn)的前2N-1階的導數(shù)為零，也就是Butterworth濾波器在通帶內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。Butterworth濾波器的幅度平方函數(shù)為2IHa(jn).(9)idjc式中，N為濾波器階數(shù)，c為模擬通帶截止頻率。如圖2-1所示，阻帶內的值Ha(jn)2隨著頻率的升高單調下降，所以濾波器的特征完全由階數(shù)N決定。當N增加時，通帶更為平坦，更接近于理想低通濾

11、波器的特征，更能保證對fn進行濾波時，F(xiàn)。滿足測量準確度的要求。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)N。ws(數(shù)字角頻率)為阻帶頻率，在阻帶內幅度響應的誤差趨近于0,所以測量方法誤差對阻帶處諧波的幅度響應可以忽略不計。當進行工頻電功率測量時，用數(shù)字低通濾波器對fn進行數(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確度的關鍵性問題。由式（6）得fn中最小諧波的模擬角頻率應為100rad/s，得其對應的數(shù)字頻率w/40,如用理想數(shù)字濾波器對fn進行低通濾波，只要濾波器通帶的數(shù)字截止頻率wc設在0wcp/40中的任一點，就能濾掉fn中的諧波，獲得直流Fo（即有功功

12、率等電參數(shù)）。但是在實際應用中，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wc的選擇原則就是在不影響測量準確度的情況下，必須保證數(shù)字都通濾波器的穩(wěn)定。wc越小，測量準確度越高，但是wc小，濾波器很難做到穩(wěn)定。通過大量仿真實驗證明，當wcf時，濾波器是穩(wěn)定的。400在濾波器穩(wěn)定的前提下，為了保證測量準確度，有兩個選擇Wc的原則：（1）在保證濾波器穩(wěn)定的前提下，wc越小越好即wc盡可能地接近于6/400。（2）應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時間。當wc=7/400時，濾波器傳

13、遞函數(shù)的極點都在園內，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wc=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100rad/s的響應時間為Haj100105(10)精品文檔由式（9）Butterworth濾波器的幅度平方公式得，阻帶截止頻率100rad/s的響應為Haj1002N12(11)由以上兩式得2N101052（20.00070.0015z0.0007z2(13)由于N必須為正整數(shù)，所以N=&由此得出濾波器是IIR數(shù)字低通八階7.667Butterworth濾波器。3確定IIR數(shù)字低通濾波器的傳遞函數(shù)及其仿真結果3.1確定數(shù)字低通濾

14、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)字濾波器設計函數(shù)，求出濾波器的分子、分母系數(shù)。由函數(shù)b,a=Butterworth（n,wj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wc=7/400。濾波器分子、分母系數(shù)分別為b=0.00070.00150.0007,a=1.0000-1.92230.9252將系數(shù)代入函數(shù)地單元濾波器的傳遞函數(shù)為Hiz11.9223z0.9252z(14)精品文檔由于本八階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

15、數(shù)字Butterworth型數(shù)字低通濾波器級聯(lián)的結構，故濾波器的傳遞函數(shù)為0.00070.0015z0.0007z11.9223z0.9252z(15)圖3-1數(shù)字濾波器的零、極點分布圖3.2對濾波器進行MATLAB仿真及其實驗結果用MATLAB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圖，程序為：clc;clearall;num=0.00070.00150.0007;den=1-1.92230.9252;pzmap(num,den);rlocus(num,den);其根軌跡如圖3-1所示。-251L1ra1Lu彳TnrjtRootLocus-1-

16、0.501RealAxis(seconds)0.515ao501.5由圖可知，所有的極點分布在單位圓內，所以濾波器是穩(wěn)定的精品文檔根據(jù)bode(num,den)畫出其幅頻響應曲線，由圖3-2可見，在1000.025處，幅值響應大約是100dB,滿足設計要求。經(jīng)數(shù)字濾波器400040的仿真得到過渡時間大約為100ms，滿足國際標準關于過渡時間(大約為400ms)的技術指標。由此可得出本濾波器的傳遞函數(shù)是合理的)Dnr'er二-ncoyMBodeDiagram-110010Frequency(rad/s)1101052七3七2OooO187623-2數(shù)字濾波器幅頻響應圖參考文獻1 蔡國雄，胡兆明，王建民.1995.介質損耗測量的過零點電壓比較法J.電網(wǎng)技術.2 陳三運，譚洪恩，江志剛.2004.輸變電設備的狀態(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)設備狀態(tài)