基于JYC61型高压电力设备绝缘参数测试仪的数字低通滤波器的设计

基于JYC61型高压电力设备绝缘参数测试仪的数字低通滤波器的设计摘要高压输变电设备的安全运行是影响电力系统安全，稳定和经济运行的重要因素，高压电力设备发生的绝缘事故不仅会造成设备本身的损坏，而且会造成多方面的损失。JYC61型绝缘参数测试仪对电气设备的介质损耗角tan，流过介质的电流xI，介质电容量C，设备接地电阻R,以及接入电气设备的三相交流电的ABC三相电压，三相电流，功率因素进行在线测量，并存储于测量装置的RAM中。当通信计算机有数据请求时，测量装置将根据数据采集器请求进行数据应答，并通过CAN总线数据链路层协议进行回应。通信计算机将每隔一定的时间实时进行数据请求，如果接收到电气设备的介质损耗角tan，流过介质的电流xI和介质电容量C三个参数中有一个参数超过了设备的临界值，那么通信计算机将对应的电气设备号及对应的参数值通过TCP/IP数据链路发送到主控计算机。关键词：绝缘参数数字低通滤波器介质损耗JYC61highvoltageelectricalequipmentinsulationparameterstesterbaseddigitallow-passfilterdesignAbstractThesafeoperationofthehighvoltagetransmissionanddistributionequipmentimportantfactorstoaffectpowersystemsecurity,stabilityandeconomicoperation,theinsulationofhighvoltageelectricalequipmentaccidentsnotonlycausedamagetothedeviceitself,butwillalsocausemanylosses.JYC61insulationparameterstesterflowthroughthedielectriclossangleofelectricalequipment,mediumcurrent,mediumpowercapacity,equipmentgroundingresistance,aswellasaccesstoelectricalequipmentABCthree-phasethree-phaseACvoltage,three-phasecurrent,powerfactoronlinemeasurement,themeasuringdeviceandstoredintheRAM.Whenthecommunicationscomputerwhenadatarequest,themeasurementdeviceaccordingtothedataacquisitionrequestdataresponse,andrespondthroughtheCANbusdatalinklayerprotocol.Communicationcomputeratcertaintimeintervalsinrealtime,thedatarequest,ifthedielectriclossangleofthereceivedelectricalequipment,flowingthroughaparameterexceedsthethresholdvalueofthedevicecurrentofthemediumandmediumpowercapacityofthethreeparameters,thenthecommunicationcomputertheelectricalequipmentcorrespondingtothenumberandthecorrespondingparametervalueistransmittedviaTCP/IPdatalinktothemastercomputer.Keywords:insulationparametersofdigitallow-passfilterdielectricloss0引言JYC61型绝缘参数测试仪的技术指标有：介质损耗角tan的测量准确度、高压电力设备接地漏电地漏电流测量准确度、介质电容量C测量的准确度、漏电流测量准确度、接地电阻测量准确度等。其中介质损耗角tan的准确度对JYC61型绝缘参数测试仪的测量结果有很大影响，因此我们必须设计合理的参数来确定tan的大小，以便降低JYC61型绝缘参数测试仪的测量误差。由介质损耗角的计算公式：tan=RCII（1）其中电流信号xI为：22xRCIII（2）电流xI的大小可通过选择适当的截止频率和衰减倍数的数字低通滤波器，滤除其函数()fn函数中的谐波即可得到确定的相关电参数。测量方法误差是由经过数字滤波后()fn中所含的谐波分量引起的。因此，测量方法误差的研究就转化为对IIR数字低通滤波器稳定性和幅频特性的研究。1数字低通滤波器设计的主要技术指标1.1数字低通滤波器通带误差和阻带误差进行工频（50HZ）有功功率测量，为方便测量方法误差分析，其测量方法误差主要是数字低通滤波器的通带误差，所以当测量方法误差是0.02%时，其通带内的准确度应为0.0002I而阻带内的频率对测量精度的影响，应为通带测量准确度的高阶无穷小，即阻带以外的衰减至少应为510s(3)1.2数字低通滤波器的过渡时间由于工频电功率测量是实时测量，国家标准对电功率测量的稳定响应时间有着严格的规定，本测量方法稳定响应时间主要取决于数字低通滤波器的稳定建立时间，所以根据国家GB13340对电功率测量过度时间的要求，低通数字滤波器的过程时间st应为400msst(4)根据以上给出的指标，只要确定了数字低通滤波器的类型、通带截止频率cw、数字低通滤波器阶数n，就可以确定滤波器的传递函数，再根据一定的方法确定其滤波器的结构，这样IIR数字低通滤波器就可以完成设计。为了一下分析方便，定义f为模拟频率，为模拟角频率，则2f(5)定义w为数字角频率，由于A/D转换器AD73360最小完成数据转换时间为26us，所以可以确定数字滤波器的采样率sf为4KHZ，则w与、w与f的关系分别为4000swf(6)22000sffwf(7)2IIR数字低通滤波器的设计2.1数字低通滤波器的类型由于理想低通滤波器不可能实现,只能用一种函数的幅频特性曲线去逼近理想滤波器的幅频特性曲线,这样选择何种类型函数对滤波器的通带误差的大小就显得很重要。图2-1为实际的滤波器幅频特性，其中(0,)cw为通带；测量误差。通带过渡带阻带H(ejw)1-cs图2-1实际的数字低通滤波器幅频特性通带内有1()1jwHe（8）由于N阶Butterworth低通滤波器在N=0处的幅度平方函数2()aHjn的前2N-1阶的导数为零，也就是Butterworth滤波器在通带内有最平坦的幅度特性，符合本工频电功率测量方法提出的测量方法误差，所以选用Butterworth低通滤波器作为电功率测量用滤波器。Butterworth滤波器的幅度平方函数为221()1()aNcHjnjj（9）式中，N为滤波器阶数，c为模拟通带截止频率。如图2-1所示，阻带内的值2()aHjn随着频率的升高单调下降，所以滤波器的特征完全由阶数N决定。当N增加时，通带更为平坦，更接近于理想低通滤波器的特征，更能保证对fn进行滤波时，0F满足测量准确度的要求。所以在其他条件已确定时，测量精度取决于滤波器的阶数N。sw（数字角频率）为阻带频率，在阻带内幅度响应的误差趋近于0，所以测量方法误差对阻带处谐波的幅度响应可以忽略不计。2.2数字低通滤波器截止频率的选择当进行工频电功率测量时，用数字低通滤波器对fn进行数字低通滤波时，如何选择数字低通滤波器的截止频率是一个直接影响测量准确度的关键性问题。由式（6）得fn中最小谐波的模拟角频率应为100/rads，得其对应的数字频率/40w，如用理想数字滤波器对fn进行低通滤波，只要滤波器通带的数字截止频率cw设在0/40cw中的任一点，就能滤掉fn中的谐波，获得直流F0（即有功功率等电参数）。但是在实际应用中，由于理想滤波器不可能实现，只能用一种函数去逼近理想滤波器的幅频特性，这样滤波器通带数字截止频率cw的选择原则就是在不影响测量准确度的情况下，必须保证数字都通滤波器的稳定。cw越小，测量准确度越高，但是cw小，滤波器很难做到稳定。通过大量仿真实验证明，当6400cw时，滤波器是稳定的。在滤波器稳定的前提下，为了保证测量准确度，有两个选择cw的原则：（1）在保证滤波器稳定的前提下，cw越小越好即cw尽可能地接近于6/400。（2）应尽量保留一定的过渡带，使滤波器的幅频特性在阶数不是很高的情况下，从通带过渡到阻带，以提高滤波器的响应时间。当cw=7/400时，滤波器传递函数的极点都在园内，滤波器是稳定的。所以数字低通滤波器的通带截止频率选为cw=7/4002.3数字低通IIR滤波器阶数N的选择由式（8）可知，阻带截止频率100/rads的响应时间为510010aHj（10）由式（9）Butterworth滤波器的幅度平方公式得，阻带截止频率100/rads的响应为2211001017aNHj（11）由以上两式得2521101017N（12）即557.66731.4lg7N（13）由于N必须为正整数，所以N=8。由此得出滤波器是IIR数字低通八阶Butterworth滤波器。3确定IIR数字低通滤波器的传递函数及其仿真结果3.1确定数字低通滤波器的传递函数由于已确定了滤波器的类型、截止频率、滤波器函数的阶数。所以可借助MATLAB数字信号处理工具箱中的Butterworth数字滤波器设计函数，求出滤波器的分子、分母系数。由函数[b,a]=Butterworth(,cnw)确定数字滤波器系数，n=2为滤波器阶数，数字滤波器截止频率为cw=7/400。滤波器分子、分母系数分别为b=[0.00070.00150.0007],a=[1.0000-1.92230.9252]将系数代入函数地单元滤波器的传递函数为12120.00070.00150.000711.92230.9252izzHzzz（14）由于本八阶IIR数字Butterworth型数字低通滤波器采用四个具有相同传递函数的二阶IIR数字Butterworth型数字低通滤波器级联的结构，故滤波器的传递函数为412120.00070.00150.000711.92230.9252zzHzzz（15）3.2对滤波器进行MATLAB仿真及其实验结果用MATLAB软件的数字信号处理工具箱，根据式（15）分别画出本数字低通滤波器的零、极点分布图和幅频响应图，程序为：clc;clearall;num=[0.00070.00150.0007];den=[1-1.92230.9252];pzmap(num,den);rlocus(num,den);其根轨迹如图3-1所示。-2-1.5-1-0.500.511.5-1.5-1-0.500.511.5RootLocusRealAxis(seconds-1)ImaginaryAxis(seconds-1)图3-1数字滤波器的零、极点分布图由图可知，所有的极点分布在单位圆内，所以滤波器是稳定的。根据bode(num,den)画出其幅频响应曲线，由图3-2可见，在1000.025400040处，幅值响应大约是100dB，满足设计要求。经数字滤波器的仿真得到过渡时间大约为100ms，满足国际标准关于过渡时间（大约为400ms）的技术指标。由此可得出本滤波器的传递函数是合理的。-63.5-63-62.5-62Magnitude(dB)10-210-1100