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tan,流過介質(zhì)的電流Ix，介質(zhì)電容量C，設(shè)備接地電阻R,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

2、質(zhì)損耗角tan，流過介質(zhì)的電流lx和介質(zhì)電容量C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/lP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(shù)指標(biāo)有：介質(zhì)損耗角tan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C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

7、tan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(zhì)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(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)f（n）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(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

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(dāng)測量方法誤差是0.02%時，其通帶內(nèi)的準(zhǔn)確度應(yīng)為I0.0002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(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(yīng)為ts400ms(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(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(zhuǎn)換器AD73360最小完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(guān)系分別為w-fs40002ffw-fs20002IIR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(

10、0,wj為通帶；測量誤差精品文檔通帶內(nèi)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(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。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(nèi)的值Ha(jn)2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

11、波器的特征，更能保證對fn進(jìn)行濾波時，F(xiàn)。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)N。ws(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。當(dāng)進(jìn)行工頻電功率測量時，用數(shù)字低通濾波器對fn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。由式（6）得fn中最小諧波的模擬角頻率應(yīng)為100rad/s，得其對應(yīng)的數(shù)字頻率w/40,如用理想數(shù)字濾波器對fn進(jìn)行低通濾波，只要濾波器通帶的數(shù)字截止頻率wc設(shè)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(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wc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。wc越小，測量準(zhǔn)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(dāng)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(zhǔn)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(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)wc=7/400時，濾波器傳

13、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(yīng)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(yīng)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(jié)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(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（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(jié)構(gòu)，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(jìn)行MATLAB仿真及其實驗結(jié)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(yīng)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(nèi)，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(yīng)曲線，由圖3-2可見，在1000.025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400040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)Dnr'er二-ncoyMBodeDiagram-110010Frequency(rad/s)1101052七3七2OooO187623-2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)