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

1、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，流过介质的电流，介质电容量，设备接地电阻,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，流

2、过介质的电流和介质电容量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 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 communications computer when

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

6、t, flowing through a parameter exceeds the threshold value of the device current of the medium and medium power capacity of the three parameters, then the communication computerthe electrical equipment corresponding to the number and the corresponding parameter value is transmitted via TCP / IP data

7、 link to the master computer.Keywords: insulation parameters of digital low-pass filter dielectric loss0 引 言JYC61型绝缘参数测试仪的技术指标有：介质损耗角的测量准确度、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： （1）其中电流信号为： （2）电

8、流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 (3) 1.2 数字低通滤波器的过渡

9、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应为 (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、数字低通滤波器阶数，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，定义为模拟频率，为模拟角频率，则 (5)定义为数字角频率，由于A/D转换器AD73360最小完成数据转换时间为26，所以可以确定数字滤波器的采样率为4KH

10、Z，则与、与的关系分别为 (6) (7) 2 IIR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，其中为通带；测量误差。图2-1 实际的数字低通滤波器幅频特性通带内有 （8）由于N阶Butterworth低通滤波器在N=0处的幅度平方函数的前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

11、率测量用滤波器。Butterworth滤波器的幅度平方函数为 （9）式中，N为滤波器阶数，为模拟通带截止频率。如图2-1所示，阻带内的值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，更能保证对进行滤波时，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。（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

12、测量准确度的关键性问题。由式（6）得中最小谐波的模拟角频率应为，得其对应的数字频率，如用理想数字滤波器对进行低通滤波，只要滤波器通带的数字截止频率设在中的任一点，就能滤掉中的谐波，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。越小，测量准确度越高，但是小，滤波器很难做到稳定。通过大量仿真实验证明，当时，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，有两个选择的原则：（1） 在保证滤波器稳定的前提下，越小越好即尽

13、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=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=7/4002.3 数字低通IIR滤波器阶数N的选择由式（8）可知，阻带截止频率的响应时间为 （10）由式（9）Butterworth滤波器的幅度平方公式得，阻带截止频率的响应为 （11）由以上两式得 （12）即 （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

14、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()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=7/400。滤波器分子、分母系数分别为b=0.0007 0.0015 0.0007, a=1.0000 -1.9223 0.9252将系数代入函数地单元滤波器的传递函数为 （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Butt

15、erworth型数字低通滤波器级联的结构，故滤波器的传递函数为 （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;clear all;num=0.0007 0.0015 0.0007;den=1 -1.9223 0.9252;pzmap(num,den);rlocus(num,den);其根轨迹如图3-1所示。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。3-2 数字滤波器幅频响应图参考文献1 蔡国雄,胡兆明，王建民.1995.介质损耗测量的过零点电压比较法J.电网技术.2 陈三运，谭洪恩，江志刚.2004.输变电设备的状态检修M.北京:中国电力出版社.3 陈维荣，宋永华，孙锦鑫.2000.电力系统设备状态监测的概念及现状J.