微機(jī)保護(hù)數(shù)字濾波器仿真設(shè)計(修改稿)

1、微機(jī)保護(hù)數(shù)字濾波器仿真設(shè)計The Digital Filter Simulation Design of Microcomputer protection 總計 畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 頁 表 格 0 個插 圖 6 幅摘 要隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對繼電保護(hù)性能的要求也越來越高。因此，微機(jī)保護(hù)受到了人們的廣泛關(guān)注。然而，數(shù)字濾波器是微機(jī)保護(hù)中最重要的組成部分之一。本文首先對數(shù)字濾波器的背景意義、發(fā)展趨勢、實現(xiàn)方法進(jìn)行了介紹；并介紹了可用于開發(fā)數(shù)字濾波器的設(shè)計仿真平臺MATLAB，包括MATLAB的主要功能、用戶界面設(shè)計以及濾波器在設(shè)計仿真中的應(yīng)用；然后通過簡要介紹數(shù)字濾波器的一些相關(guān)知識，

2、引出了差分濾波器和加法濾波器；最后比較了這兩個濾波器的濾波特性。  關(guān)鍵詞：微機(jī)保護(hù) 數(shù)字濾波 仿真設(shè)計 濾波特性AbstractWith the development of power system, the relay protection performance requirements are also getting higher and higher. Therefore, microcomputer protection has been widespread concern. However, the digital filter in microcomp

3、uter protection is one of the most important parts. In this thesis, the background and meaning of digital filter, trend of development, implementation methods are introduced; and introduced can be used for the development of the digital filter design and Simulation Platform - MATLAB, including the m

4、ain functions of MATLAB, the design of user interface and filter in the design application in the simulation of digital filter; then through a brief introduction of some related knowledge, led differential filter and adding filter; finally the comparison between the two filter characteristics. 

5、Key Words: relay protection; digital filter; simulation design; filter characteristics目 錄摘要IABSTRACTII第一章 微機(jī)保護(hù)概述11.1 微機(jī)保護(hù)的運行原理11.2 微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成11.3 微機(jī)保護(hù)的特點21.4 數(shù)字濾波器在微機(jī)保護(hù)中的作用2第二章 數(shù)字濾波器42.1 數(shù)字濾波器的基本知識42.2 差分濾波器62.3 加法濾波器7第三章 基于MATLAB的仿真設(shè)計93.1 MATLAB的概述93.2 差分濾波器的仿真設(shè)計113.3 加法濾波器的仿真設(shè)計143.4 兩種濾波器的比較及應(yīng)用17結(jié)語

6、24參考文獻(xiàn)25附錄 差分濾波器程序19第一章 微機(jī)保護(hù)概述第一章 微機(jī)保護(hù)概述微機(jī)保護(hù)是用微型計算機(jī)構(gòu)成的繼電保護(hù)，是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的發(fā)展方向（現(xiàn)已基本實現(xiàn)，尚需發(fā)展），它具有高可靠性，高選擇性，高靈敏度。微機(jī)保護(hù)裝置硬件包括微處理器（單片機(jī)）為核心，配以輸入、輸出通道，人機(jī)接口和通訊接口等.該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力、石化、礦山冶煉、鐵路以及民用建筑等。微機(jī)的硬件是通用的，而保護(hù)的性能和功能是由軟件決定。1.1微機(jī)保護(hù)的運行原理微機(jī)保護(hù)裝置的數(shù)字核心一般由CPU、存儲器、定時器/計數(shù)器、Watchdog等組成。目前數(shù)字核心的主流為嵌入式微控制器（MCU），即通常所說的單片機(jī);輸入輸出通道包括模

7、擬量輸入通道（模擬量輸入變換回路（將CT、PT所測量的量轉(zhuǎn)換成更低的適合內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的電壓量，±2.5V、±5V或±10V）、低通濾波器及采樣、A/D轉(zhuǎn)換）和數(shù)字量輸入輸出通道（人機(jī)接口和各種告警信號、跳閘信號及電度脈沖等）。1.2微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成微機(jī)保護(hù)各部分結(jié)構(gòu)及功能如下：（1）模擬量輸入系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ）微機(jī)系統(tǒng)只能識別數(shù)字量，保護(hù)所反應(yīng)的電流、電壓等模擬信號需轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的微機(jī)系統(tǒng)能接受的數(shù)字信號。（2）數(shù)據(jù)處理單元(CPU系統(tǒng) )CPU主系統(tǒng)包括微處理器CPU，只讀存儲器（EPROM）、隨機(jī)存取存儲器（RAM）及定時器（TIMER）等 。CPU執(zhí)行

8、存放在EPROM中的程序，對由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至RAM區(qū)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并與存放于E2PROM中的定值比較，以完成各種保護(hù)功能用來分析計算電力系統(tǒng)的有關(guān)電量和判定系統(tǒng)是否發(fā)生故障，然后按照既定的程序動作。這是微機(jī)保護(hù)裝置的核心，一般包括：微處理器(CPU)、存儲器、定時器等。CPU是微機(jī)系統(tǒng)自動工作的指揮中樞；存儲器是用于保存程序和數(shù)據(jù)；定時器用于觸發(fā)采樣信號，在V/F變換中，是頻率信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的關(guān)鍵部件。 （3）開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng) 由并行口、光電耦合電路及有接點的中間繼電器等組成，以完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號指示及外部接點輸入等工作。輸入系統(tǒng)用于采集有接點的量（如瓦斯保護(hù)、

9、溫度信號等）作為開關(guān)量輸入；執(zhí)行通過開關(guān)量輸出，起動信號、跳閘繼電器等，完成保護(hù)各種功能。 （4）人機(jī)對話接口 包括打印、顯示、鍵盤、各種面板開關(guān)等，其主要功能用于人機(jī)對話，如調(diào)試、定值調(diào)整等。用于調(diào)試、定值整定、工作方式設(shè)定、動作行為記錄、與系統(tǒng)通信等。包括：打印、顯示、鍵盤及信號燈、音響或語言告警等。（5）通訊接口用于保護(hù)之間通訊及遠(yuǎn)動。（6）電源 電源是微機(jī)保護(hù)裝置重要組成部分，通常采用逆變穩(wěn)壓電源。1.3 微機(jī)保護(hù)的特點(1)調(diào)試維護(hù)方便在微機(jī)保護(hù)應(yīng)用之前，整流型或晶體管型繼電保護(hù)裝置的調(diào)試工作量很大，原因是這類保護(hù)裝置都是布線邏輯的，保護(hù)的功能完全依賴硬件來實現(xiàn)。微機(jī)保護(hù)則不同，除了

10、硬件外，各種復(fù)雜的功能均由相應(yīng)的軟件(程序)來實現(xiàn)。 (2)高可靠性微機(jī)保護(hù)可對其硬件和軟件連續(xù)自檢，有極強(qiáng)的綜合分析和判斷能力。它能夠自動檢測出其自身硬件的異常，并配合多重化措施，可以有效地防止拒動；同時，軟件也具有自檢功能，對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行校錯和糾錯，即自動地識別和排除干擾，因此可靠性很高。目前，國內(nèi)設(shè)計與制造的微機(jī)保護(hù)均按照國際標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容試驗(EMC，Electromagnetic Compatibility)來考核，進(jìn)一步保證了裝置的可靠性。(3)易于獲得附加功能傳統(tǒng)保護(hù)裝置的功能單一，僅限于保護(hù)功能，而微機(jī)保護(hù)裝置除了提供傳統(tǒng)保護(hù)功能外，還可以提供一些附加功能。例如，保護(hù)動作時間

11、和各部分的動作順序記錄，故障類型和相別及故障前后電壓和電流的波形記錄等。對于線路保護(hù)，還可以提供故障點的位置(測距)，這將有助于運行部門對事故的分析和處理。(4)靈活性由于微機(jī)保護(hù)的特性主要由軟件決定，因此替換或改變軟件就可以改變保護(hù)的特性和功能，且軟件可實現(xiàn)自適應(yīng)性，依靠運行狀態(tài)自動改變整定值和特性，從而可靈活地適應(yīng)電力系統(tǒng)運行方式的變化。(5)改善保護(hù)性能由于微機(jī)的應(yīng)用，可以采用一些新原理，解決一些傳統(tǒng)保護(hù)難以解決的問題。例如，利用模糊識別原理判斷振蕩過程中的短路故障，對接地距離保護(hù)的允許過渡電阻的能力，大型變壓器差動保護(hù)如何識別勵磁涌流和內(nèi)部故障，采用自適應(yīng)原理改善保護(hù)的性能等。(6)簡

12、便化、網(wǎng)絡(luò)化微機(jī)保護(hù)裝置本身消耗功率低，降低了對電流、電壓互感器的要求，而正在研究的數(shù)字式電流、電壓互感器更易于實現(xiàn)與微機(jī)保護(hù)的接口。同時，微機(jī)保護(hù)具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信能力，可適應(yīng)無人或少人值守的自動化變電站。1.4 數(shù)字濾波器在微機(jī)保護(hù)中的作用由于電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，信號中不僅含有工頻分量，而且含有衰減直流分量和多種頻率成分的諧波分量，而微機(jī)保護(hù)的許多算法是基于工頻信號的，因此必須用數(shù)字濾波器將工頻信號濾出。 有一些保護(hù)的原理就是基于某些特殊頻率成分的信號，例如，在變壓器保護(hù)中，為了識別勵磁涌流，需用到二次諧波分量，為防止變壓器過激磁時差動保護(hù)誤動，采用五次諧波制動。在發(fā)電機(jī)定子繞組接地保護(hù)中

13、，利用三次諧波可保護(hù)靠近中性點范圍的接地故障等。第二章 數(shù)字濾波器第二章 數(shù)字濾波器2.1 數(shù)字濾波器的基本知識所謂數(shù)字濾波器通常是指一種程序或算法，在微機(jī)保護(hù)子系統(tǒng)中，數(shù)字濾波器的運算過程可用下述系數(shù)線性差分方程來描述，即 (2-1) 式中 x（n）、y（n）-濾波器的輸入值和輸出值序列； 、-濾波器系數(shù)。 2.1.1遞歸型與非遞歸型數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器根據(jù)其輸出與輸入信號之間的關(guān)系可以劃分為兩類，即遞歸型和非遞歸型。兩者各有優(yōu)缺點。遞歸型數(shù)字濾波器的輸出信號不僅與輸入信號有關(guān)，還與前幾次的輸出值有關(guān)。遞歸濾波器由于有了遞歸（或稱反饋），就有了記憶作用，所以除了個別特例外，都是無限沖擊響應(yīng)濾

14、波器，簡稱IIR。在式中，若系數(shù)不全部為0，即過去的輸出對現(xiàn)在的輸出有直接影響。非遞歸型數(shù)字濾波器是將輸入信號和濾波器的單位沖擊響應(yīng)作卷積而實現(xiàn)的一類濾波器，它的輸出信號僅與輸入信號有關(guān)。用非遞歸方式實現(xiàn)濾波器，其單位沖擊響應(yīng)必須是有限長的，否則意味著無限的運算量。非遞歸濾波器必定是有限沖擊響應(yīng)濾波器，簡稱FIR。在式中，系數(shù)均全部為0時，稱之為非遞歸型濾波器。此時，當(dāng)前的輸出y（n）只是過去和當(dāng)前的輸入值x（n-k）的函數(shù)，而過去的輸出值y（n-k）無關(guān)。兩種型式的濾波器各有優(yōu)點，選擇哪一種型式，在很大程度上取決于應(yīng)用場合的不同。就微機(jī)保護(hù)來說，不同的保護(hù)原理、不同的算法、不同的軟件安排等都

15、會對濾波器有不同的選擇。此外，在濾波器的選型和濾波器特性的設(shè)計時，還應(yīng)充分考慮后續(xù)所使用的參數(shù)計算算法的基本特點和要求。不同的參數(shù)計算方法，對濾波器的要求也會有所不同，兩者應(yīng)綜合考慮。繼電保護(hù)是實時系統(tǒng)，要求保護(hù)能快速對被保護(hù)對象的故障作出反應(yīng)，就這一點來說，非遞歸型好，因為它是有限沖擊響應(yīng)的，而且它的設(shè)計比較靈活，易于在頻率特性和沖擊響應(yīng)之間，也就是濾波效果和響應(yīng)時間之間作出權(quán)衡；但是另一方面，由于繼電保護(hù)是實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集單元將按照采樣速率源源不斷地向微機(jī)系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)，微機(jī)處理的速度必須跟上這一實時節(jié)拍，否則將要造成數(shù)據(jù)積壓，無法正常工作，就這一點來說，用遞歸型較好，因為它的運算

16、量要小得多。2.1.2 數(shù)字濾波器的濾波特性數(shù)字濾波器的濾波特性通?？捎盟念l率響應(yīng)特性來表征，包括幅頻特性和相頻特性。幅頻特性反映的是不同頻率的輸入信號經(jīng)過濾波計算后，引起幅值的變化情況。而相頻特性反映的則是輸入和輸出信號之間的相位的變化 大小。例如，頻率f1、幅值和相位分別為Xm和x的正弦函數(shù)輸入序列x（n），經(jīng)過上事所示的線性濾波計算后，輸出序列y（n）仍為正弦函數(shù)序列。并且頻率與輸入信號頻率相同，只是幅值行為發(fā)生了變化。假設(shè)輸出序列y（n）的幅值為Ym，相位為y，則濾波器的幅頻特性定義為 (2-2) 相頻特性定義為 (2-3)在實例應(yīng)用中，數(shù)字濾波器的響應(yīng)特性通常是采用頻域上的頻率響應(yīng)

17、曲線來描述。該曲線直觀反應(yīng)了濾波器對不同頻率的信號的濾波能力。對于大多數(shù)的微機(jī)保護(hù)來說，由于保護(hù)原理只用到基波或某次諧波，因此，最關(guān)心的是濾波器的幅頻特性，即使需要進(jìn)行比相，只要參加比相的各量采用相同的濾波器，它們的相對相位總是不變的，因此，對濾波器的相頻特性一般不作特殊要求，只有在某些特殊場合，才考慮相頻特性的影響。電力系統(tǒng)作為一具體的特定系統(tǒng)，其信號的變化有著自身的特點，有些傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計方法并不完全適用。微機(jī)保護(hù)作為實時性要求較高的自動裝置，對濾波器的性能也有一些特殊要求。在非遞歸型的濾波器中，最簡單的兩種常用濾波器是所謂的差分（相減）濾波器和加法濾波器。2.2 差分濾波器在計算機(jī)中實

18、現(xiàn)差法濾波的計算公式，即差分方程為 （2-4） 式中，表示輸入信號；表示輸出信號；和表示相隔個采樣間隔的采樣值；稱為差分步長，。令 （2-5） 幅頻特性為 （2-6） 相頻特性為 （2-7） 式中 -信號頻率 -采樣周期 -采樣頻率 -基波頻率令 （2-8）即 （2-9）當(dāng)時，無論、取何值，可見差分濾波器一定能濾除直流分量。2.3 加法濾波器在計算機(jī)中實現(xiàn)加法濾波的公式為 （2-10） 令 （2-11）幅頻特性為 （2-12）相頻特性為 （2-13）令即 （2-14）從而有 （2-15）可見，無論P取何值時，M都不為零，即加法濾波器不能濾除直流分量。第三章 基于MATLAB的仿真設(shè)計 第三章

19、基于MATLAB的仿真設(shè)計3.1 MATLAB的概述MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案

20、，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以

21、用。MATLAB的圖形用戶界面（Graphical User Interface，簡稱 GUI，又稱圖形用戶接口）是指采用圖形方式顯示的計算機(jī)操作用戶界面。與早期計算機(jī)使用的命令行界面相比，圖形界面對于用戶來說在視覺上更易于接受。GUI 即人機(jī)交互圖形化用戶界面設(shè)計?？v觀國際相關(guān)產(chǎn)業(yè)在圖形化用戶界面設(shè)計方面的發(fā)展現(xiàn)狀，許多國際知名公司早已意識到 GUI 在產(chǎn)品方面產(chǎn)生的強(qiáng)大增值功能，以及帶動的巨大市場價值，因此在公司內(nèi)部設(shè)立了相關(guān)部門專門從事 GUI 的研究與設(shè)計，同業(yè)間也成立了若干機(jī)構(gòu)，以互相交流 GUI 設(shè)計理論與經(jīng)驗為目的。隨著中國 IT 產(chǎn)業(yè)，移動通訊產(chǎn)業(yè)，家電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，在產(chǎn)品的

22、人機(jī)交互界面設(shè)計水平發(fā)展上日顯滯后，這對于提高產(chǎn)業(yè)綜合素質(zhì)，提升與國際同等業(yè)者的競爭能力等等方面無疑起了制約的作用。3.1.1 GUI的特點GUI的廣泛應(yīng)用是當(dāng)今計算機(jī)發(fā)展的重大成就之一，它極大地方便了非專業(yè)用戶的使用。人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是可以通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地進(jìn)行操作。而嵌入式GUI具有下面幾個方面的基本要求：輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點。3.1.2 GUI界面的組成GUI界面由桌面、視窗、單一文件界面、多文件界面、標(biāo)簽、菜單、圖標(biāo)、按鈕組成界面：在啟動時顯示，也是界面中最底層，有時也指代包括窗口、文件瀏覽器在內(nèi)的“桌

23、面環(huán)境”。在桌面上由于可以重疊顯示窗口，因此可以實現(xiàn)多任務(wù)化。一般的界面中，桌面上放有各種應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)的圖標(biāo)，用戶可以依此開始工作。桌面與既存的文件夾構(gòu)成里面相違背，所以要以特殊位置的文件夾的參照形式來定義內(nèi)容。視窗：應(yīng)用程序為使用數(shù)據(jù)而在圖形用戶界面中設(shè)置的基本單元。應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)在窗口內(nèi)實現(xiàn)一體化。在窗口中，用戶可以在窗口中操作應(yīng)用程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理、生成和編輯。通常在窗口四周設(shè)有菜單、圖標(biāo)，數(shù)據(jù)放在中央。單一文件界面：在窗口中，一個數(shù)據(jù)在一個窗口內(nèi)完成的方式。在這種情況下，數(shù)據(jù)和顯示窗口的數(shù)量是一樣的。若要在其他應(yīng)用程序的窗口使用數(shù)據(jù)，將相應(yīng)生成新的窗口。因此窗口數(shù)量多，管理復(fù)雜。多

24、文件界面：在一個窗口之內(nèi)進(jìn)行多個數(shù)據(jù)管理的方式。這種情況下，窗口的管理簡單化，但是操作變?yōu)殡p重管理。標(biāo)簽：多文件界面的數(shù)據(jù)管理方式中使用的一種界面，將數(shù)據(jù)的標(biāo)題在窗口中并排，通過選擇標(biāo)簽標(biāo)題顯示必要的數(shù)據(jù)，這樣使得接入數(shù)據(jù)方式變得更為便捷。菜單：將系統(tǒng)可以執(zhí)行的命令以階層的方式顯示出來的一個界面。一般置于畫面的最上方或者最下方，應(yīng)用程序能使用的所有命令幾乎全部都能放入。重要程度一般是從左到右，越往右重要度越低。命定的層次根據(jù)應(yīng)用程序的不同而不同，一般重視文件的操作、編輯功能，因此放在最左邊，然后往右有各種設(shè)置等操作，最右邊往往設(shè)有幫助。一般使用鼠標(biāo)的第一按鈕進(jìn)行操作。圖標(biāo)：顯示在管理數(shù)據(jù)的應(yīng)用

25、程序中的數(shù)據(jù)，或者顯示應(yīng)用程序本身。按鈕：菜單中，利用程度高的命令用圖形表示出來，配置在應(yīng)用程序中，成為按鈕。3.2差分濾波器的仿真設(shè)計在MATLAB中打開GUIDE新建GUI界面，創(chuàng)建如圖31所示界面。圖31 GUI仿真界面用MATLAB設(shè)計的M文件如下:t1=(0:1/f1/N:0.04);%定義時間范圍0到0.04，步長為基波周期/Nm=size(t1);%模擬輸入?yún)?shù)Va=A*sin(2*pi*f1*t1+B); %基波電壓Val=Z+A*sin(2*pi*f1*t1+B)+30*sin(2*N/k*pi*f1*t1);%疊加直流分量和需要濾除的諧波分量for jj=k+1:m(2)Y

26、(jj)=(Val(jj)-Val(jj-k)/2*sin(pi*k/N); %采用差分濾波器濾除諧波endplot(t1,Va,'-ro',t1,Val,'-bs',t1,Y,'-g*',t1,Z,'-k+'); xlabel('t/s');ylabel('y(t)');grid on %輸出波形運行這個M文件，可以得到此濾波器的濾波效果仿真波形如圖32所示。圖32 濾波效果仿真波形圖中，帶圓圈紅色標(biāo)記為基波Va，帶方框藍(lán)色標(biāo)記的為疊加直流和所想濾除諧波分量Va1，帶星號綠色標(biāo)記的為經(jīng)過濾波后的輸

27、出波形。顯然已經(jīng)濾除了直流和高次諧波。當(dāng)然程序設(shè)計的是人機(jī)界面GUI，即可以通過改變界面中的數(shù)值來濾除其他次諧波。用MATLAB設(shè)計M文件如下：f=linspace(0,6*pi,500);%從0到6*pi，均勻產(chǎn)生500個數(shù)據(jù)，賦值給tb1=sin(f*pi*k/N);%產(chǎn)生正弦波H1=abs(b1);%輸出正弦波為正值plot(f,H1)xlabel('f/f1');ylabel('H1');grid on %輸出波形運行這個M程序單擊，可以得到濾波器的幅頻特性如圖33所示。圖33 濾波器的幅頻特性同樣改變界面中的采樣頻率和步長，可以達(dá)到相應(yīng)的波形圖。3.3

28、 加法濾波器的仿真設(shè)計用MATLAB設(shè)計的M文件如下:t1=(0:1/f1/N:0.04);m=size(t1);Va=A*cos(2*pi*f1*t1+B);Val=Z+Va+V2+V3+V4+V5+V6+V7+V8+V9;m=size(t1);for jj=K+1:m(2)Y(jj)=(Val(jj)+Val(jj-K)/abs(2*cos(pi*K/N);endplot(t1,Va,'-ro',t1,Val,'-bs',t1,V2,'-k.',t1,V3,'-k.',t1,V4,'b:*',t1,V5,

29、9;r:*',t1,V6,'g:*',t1,V7,'b:*',t1,V8,'k:*',t1,V9,'c:*',t1,Y,'-g*',t1,Z,'-m+');xlabel('t/s');ylabel('y(t)');grid on運行這個M文件，可以得到此濾波器的濾波效果仿真波形如圖3-5所示。圖3-5所示為當(dāng)基波信號頻率為50Hz，基波頻率幅值為200，直流幅值為0，基波相角為0度，采樣頻率為24，采樣步長為4，根據(jù)計算可得出這種情況下課濾除三的奇次倍諧波，圖

30、示為加入3次和9次諧波而濾波器驗證可以濾除。圖3-4 濾波效果仿真波形而如果加入的諧波次數(shù)不為三的奇數(shù)倍時則濾除后的波形通過圖3-5可以得出結(jié)論。 圖3-5 濾波效果仿真波形通過這種方法可以直觀的看出信號頻率中含有多少次諧波，而濾波器能濾除多少次諧波。用MATLAB設(shè)計M文件如下：f=linspace(0,6*pi,500);b1=cos(f*pi/N*k);H1=abs(b1);plot(f,H1)xlabel('f/f1');ylabel('H1');grid on運行這個M程序單擊，可以得到濾波器的幅頻特性如圖3-6所示。圖3-6 濾波器的幅頻特性改變界面

31、中的采樣頻率和步長，同樣可以得出相應(yīng)的波形圖。3.4 兩種濾波器的比較及應(yīng)用通過觀察波形圖可以看出，當(dāng)選擇K值后，差分濾波器能濾除m次及m的整倍數(shù)次諧波。當(dāng)m=1時（KN），能消除基波及各次諧波(包括直流)，若輸入信號中含有直流、基波及基波的整倍數(shù)次諧波，則在穩(wěn)態(tài)輸入時，濾波器的輸出為0。這一特點在保護(hù)中常被用作增量元件。在電力系統(tǒng)正常時或故障進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，濾波器的輸出為0，在故障后的KTs時間內(nèi)，濾波器有輸出，此時輸出的是故障后的參數(shù)與故障前的負(fù)荷參數(shù)之差，這就是故障分量。當(dāng)采用差分濾波器濾除短路電流中的諧波分量時，必須在短路發(fā)生后，經(jīng)過KTs的時間才開始正確反映短路后的電流，在此之前，X（n

32、TsKTs）反映的是短路前的狀態(tài)。因此，該濾波器有KTs的延時，K值越大(Ts已定)，延時越長，即數(shù)據(jù)窗延時越長。故在選擇濾波器時，在保證濾波效果的同時，應(yīng)盡量減小數(shù)據(jù)窗長度。差分濾波器只需做減法，因此算法簡單，運算工作量小。在變電站綜合自動化系統(tǒng)中，差分濾波器主要用于:（1）抑制故障信號中的衰減直流分量的影響。差分濾波器的突出優(yōu)點之一是完全濾除輸入信號中的恒定直流分量，同時，對于衰減的直流分量也有良好的抑制作用。為減少算法的數(shù)據(jù)窗，加快計算速度通常K1。但需要指出的是，圖中差分濾波器的幅頻特性差分濾波器對故障信號中的某些高頻分量有一定的放大作用。因此，一般不能單獨使用，需于其他如傅氏算法相配

33、合，以保證在故障信號中同時含有衰減直流分量和其他高頻分量時，仍具有良好的綜合濾波效果。（2）提取故障信號中的故障分量。當(dāng)m=1時（KN），能消除基波及各次諧波(包括直流)，若輸入信號中含有直流、基波及基波的整倍數(shù)次諧波，則在穩(wěn)態(tài)輸入時，濾波器的輸出為0。這一特點在保護(hù)中常被用作增量元件。在電力系統(tǒng)正常時或故障進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，濾波器的輸出為0，在故障后的KTs時間內(nèi)，濾波器有輸出，此時輸出的是故障后的參數(shù)與故障前的負(fù)荷參數(shù)之差，這就是故障分量。加法濾波器有如下特點:(1)與差分濾波器比較，數(shù)據(jù)窗短，為差分濾波器的一半。(2)因是前后兩個采樣值相加，故不能消除直流分量，這是它的一大缺點(3)加法濾波器

34、只進(jìn)行加法運算，故簡單，工作量小。附錄 差分濾波器程序附錄 差分濾波器程序function varargout = m(varargin)% M MATLAB code for m.fig% M, by itself, creates a new M or raises the existing% singleton*.% H = M returns the handle to a new M or the handle to% the existing singleton*.% M('CALLBACK',hObject,eventData,handles,.) calls t

35、he local% function named CALLBACK in M.M with the given input arguments.% M('Property','Value',.) creates a new M or raises the% existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are% applied to the GUI before m_OpeningFcn gets called. An% unrecognized property name o

36、r invalid value makes property application% stop. All inputs are passed to m_OpeningFcn via varargin.% *See GUI Options on GUIDE's Tools menu. Choose "GUI allows only one% instance to run (singleton)".% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES % Edit the above text to modify the response t

37、o help m % Last Modified by GUIDE v2.5 13-Jun-2012 02:13:31 % Begin initialization code - DO NOT EDITgui_Singleton = 1;gui_State = struct('gui_Name', mfilename, . 'gui_Singleton', gui_Singleton, . 'gui_OpeningFcn', m_OpeningFcn, . 'gui_OutputFcn', m_OutputFcn, . '

38、gui_LayoutFcn', , . 'gui_Callback', );if nargin && ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1);end if nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);end% End initialization code - DO NOT EDIT % - Executes j

39、ust before m is made visible.function m_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)% This function has no output args, see OutputFcn.% hObject handle to figure% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)% varargi

40、n command line arguments to m (see VARARGIN) % Choose default command line output for mhandles.output = hObject; % Update handles structureguidata(hObject, handles); % UIWAIT makes m wait for user response (see UIRESUME)% uiwait(handles.figure1); % - Outputs from this function are returned to the co

41、mmand line.function varargout = m_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) % varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT);% hObject handle to figure% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Get def

42、ault command line output from handles structurevarargout1 = handles.output; function edit1_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to edit1 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints:

43、get(hObject,'String') returns contents of edit1 as text% str2double(get(hObject,'String') returns contents of edit1 as a double % - Executes during object creation, after setting all properties.function edit1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to edit1 (see GCBO)%

44、 eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: edit controls usually have a white background on Windows.% See ISPC and COMPUTER.if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,&

45、#39;defaultUicontrolBackgroundColor') set(hObject,'BackgroundColor','white');end % - Executes on button press in pushbutton1.function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)f1=str2num(get(handles.edit3,'string');A=str2num(get(handles.edit4,'string');N=st

46、r2num(get(handles.edit2,'string');Z=str2num(get(handles.edit5,'string');K=str2num(get(handles.edit1,'string');B=str2num(get(handles.edit6,'string');h2=get(handles.checkbox1,'value');h3=get(handles.checkbox2,'value');h4=get(handles.checkbox3,'value&

47、#39;);h5=get(handles.checkbox4,'value');h6=get(handles.checkbox5,'value');h7=get(handles.checkbox6,'value');h8=get(handles.checkbox7,'value');h9=get(handles.checkbox8,'value');t1=(0:1/f1/N:0.04);m=size(t1);V2=h2*A*0.4*sin(2*N/K*pi*f1*t1);V3=h3*A*0.09*sin(2*N/K

48、*pi*f1*t1);V4=h4*A*0.08*sin(2*N/K*pi*f1*t1);V5=h5*A*0.07*sin(2*N/K*pi*f1*t1);V6=h6*A*0.06*sin(2*N/K*pi*f1*t1);V7=h7*A*0.05*sin(2*N/K*pi*f1*t1);V8=h8*A*0.04*sin(2*N/K*pi*f1*t1);V9=h9*A*0.03*sin(2*N/K*pi*f1*t1);Va=A*sin(2*pi*f1*t1+B);Val=Z+Va+V2+V3+V4+V5+V6+V7+V8+V9;m=size(t1);for jj=K+1:m(2)Y(jj)=(Va

49、l(jj)-Val(jj-K)/abs(2*sin(pi*K/N);endplot(t1,Va,'-ro',t1,Val,'-bs',t1,V2,'-k.',t1,V3,'-k.',t1,Y,'-g*',t1,Z,'-m+');xlabel('t/s');ylabel('y(t)');grid on% hObject handle to pushbutton1 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a fu

50、ture version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) function edit2_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to edit2 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) %

51、Hints: get(hObject,'String') returns contents of edit2 as text% str2double(get(hObject,'String') returns contents of edit2 as a double % - Executes during object creation, after setting all properties.function edit2_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to edit2 (see

52、 GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: edit controls usually have a white background on Windows.% See ISPC and COMPUTER.if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),

53、get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor') set(hObject,'BackgroundColor','white');end function edit3_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to edit3 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,'String') returns contents of edit3 as text% str2double(get(hObject,'String') returns contents of edit3 as a double % - Executes during object creation, after setting all properties.function edit3_CreateFcn(hObj