電力數(shù)據(jù)采集終端中濾波方法研究*

全 菲，謝富強(qiáng)，李正國(guó)，徐玉姣，朱飛輝

（1.南華大學(xué)，湖南衡陽(yáng)421000；2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東深圳518055）

電力數(shù)據(jù)采集終端中濾波方法研究*

全 菲1，2，謝富強(qiáng)1，李正國(guó)2，徐玉姣1，朱飛輝1

（1.南華大學(xué)，湖南衡陽(yáng)421000；2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東深圳518055）

在電力數(shù)據(jù)采集終端中濾波器常用來(lái)濾除耦合在電力信號(hào)傳輸線路上的高頻諧波、抑制干擾，以確保有效地采集電力線上的電壓和電流信號(hào)，提高系統(tǒng)的采樣精度．本文提出一種新的混合濾波方案，即采用二階壓控電壓源低通濾波電路的硬件濾波和去極值平均濾波與維納濾波相結(jié)合的數(shù)字濾波方案，采用硬件濾波濾除采集信號(hào)中的高頻分量，通過(guò)軟件濾波抑制低頻分量中的干擾．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種方案可行且能達(dá)到預(yù)期的效果．

壓控電壓源低通濾波；去極值平均濾波；維納濾波

濾波是抑制干擾最有效的手段之一，特別是對(duì)耦合到信號(hào)傳輸線的噪聲，它是一種廣泛采用的方法．電力數(shù)據(jù)采集終端在數(shù)據(jù)采集、處理過(guò)程中的濾波方式有2種：一是硬件濾波，即用電子元件組成的電路進(jìn)行濾波；二是數(shù)字濾波，即用軟件算法實(shí)現(xiàn)濾波．

電力數(shù)據(jù)采集終端對(duì)電力線上的電信號(hào)進(jìn)行取樣，取樣信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換前，受采樣頻率的限制，須通過(guò)濾波電路先除去高頻信號(hào)，使被采集的信號(hào)有一個(gè)滿意的截止區(qū)．否則根據(jù)香農(nóng)定理，還原信號(hào)時(shí)，頻譜會(huì)發(fā)生混疊．由于電力數(shù)據(jù)采集終端的工作環(huán)境大都比較惡劣，干擾源多，且采集終端內(nèi)部各種電子器件產(chǎn)生的固有噪聲．為了改善信號(hào)質(zhì)量，在數(shù)據(jù)處理前要對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波．硬件濾波電路為了濾除高次諧波則需要設(shè)計(jì)低通濾波電路．算數(shù)平均值濾波[1]適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波，但是脈沖干擾時(shí)濾波效果不理想．去極值平均濾波采用中值濾波原理濾掉由于脈沖引起的干擾，再把剩下的采樣值進(jìn)行算數(shù)平均，是對(duì)算數(shù)平均濾波算法的改進(jìn)．但去極值平均濾波仍然受采樣點(diǎn)數(shù)限制，降噪值（NRR）難以達(dá)到最?。S納濾波基于最優(yōu)估計(jì)準(zhǔn)則[2]，在最小均方誤差[MMSE]意義上有優(yōu)越性，但是實(shí)際應(yīng)用中長(zhǎng)度的選擇不能過(guò)大．為此，本設(shè)計(jì)提出了二階壓控電壓源低通濾波電路和極值濾波與維納濾波結(jié)合的數(shù)字濾波方案．

1 硬件濾波設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的硬件濾波電路主要是為了得到A/D轉(zhuǎn)換所需的電信號(hào)，并濾去其高頻成分．目前電網(wǎng)中存在的諧波以低次諧波（2～25次）為主（本設(shè)計(jì)濾掉31次以上諧波）．依據(jù)采樣定理知采樣頻率要大于等于信號(hào)最高頻率的2倍，采樣之后的信號(hào)才能完整保留原始信號(hào)的信息．在工程實(shí)際工程采樣中，采樣頻率往往取3～4倍的信號(hào)最高頻率[3]．本設(shè)計(jì)中濾波電路的截止頻率為fc=3*32*50Hz=4800 Hz．

在電力數(shù)據(jù)采集濾波中濾波電路采用有源二階壓控電壓源低通濾波電路[4]，如圖1所示（該電路由R1、R2、C1、C2組成的二階RC濾波電路和運(yùn)放組成．其中RC濾波電路的作用是確定電路的截止頻率；運(yùn)放的作用是提高濾波電路的放大倍數(shù)和提高帶負(fù)載能力）：

圖1 二階壓控電壓源低通濾波電路

2 數(shù)字濾波設(shè)計(jì)

假設(shè)疊加有噪音的電力信號(hào)為：

式中，)(in為噪聲信號(hào)，該噪聲信號(hào)可以看做均值為0，方差為的高斯白噪聲; )(is與 n(i )不相關(guān)．

對(duì)此信號(hào)采用混合數(shù)字濾波，即去極值平均濾波和維納濾波相結(jié)合的方法濾除干擾．濾波的基本框圖如圖2所示．

2.1去極值平均濾波

去極值平均濾波的原理是先將采集到的N個(gè)數(shù)據(jù)按冒泡法依從大到小順序排列，然后再去掉最大值和最小值點(diǎn)，剩下的數(shù)取算數(shù)平均值；雖然去極值平均濾波具有很好的防脈沖干擾濾波效果，但是由去極值平均濾波的特性知濾波后的噪聲比濾波前噪聲方差下降1/(N-2)，可見(jiàn)N增大可以減小噪聲影響，但是N增大，相應(yīng)濾波器的通帶會(huì)減小，有用的信號(hào)可能被濾除．此設(shè)計(jì)中N選取6，將極大極小值點(diǎn)去掉后，剩余4個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均濾波

2.2維納濾波[5-7]

維納濾波是在最小均方誤差準(zhǔn)則[2]下通過(guò)求解維納—霍夫方程來(lái)解決線性最優(yōu)濾波的問(wèn)題．維納濾波的輸入信號(hào)

式中，v(i)為疊加的噪聲信號(hào)，該噪聲信號(hào)可以看做均值為0，方差為的高斯白噪聲; 假設(shè)輸入信號(hào)的均值為uz(i)，方差為；q(i)為期望得到的信號(hào)，q(i)與v(i)不相關(guān)．

q(i)信號(hào)的估計(jì)值即為z(i)信號(hào)經(jīng)過(guò)維納濾波后的輸出值即

均方誤差為

均方誤差最小可以得到

式中，)(krzq為輸入信號(hào))(iz與期望輸出)(iq的互相關(guān)函數(shù)，)(krzz為輸入信號(hào))(iz的自相關(guān)函數(shù)．

z(i)與q(i)的互相關(guān)函數(shù)

式（6和（7） 聯(lián)立，在頻域表示為

信號(hào)與噪聲不相關(guān)則

濾波器輸出為

TP273

A

1672-0318（2014）01-0016-04

2013-07-09

*項(xiàng)目來(lái)源：深圳市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（JCYJ20130331152422011）

全菲（1987-），女，河南淅川人，碩士研究生，主要研究方向：先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)與智能儀器儀表．

*通訊作者：李正國(guó)（1972-），男，湖南汨羅人，博士，副教授，主要研究方向：電力電子技術(shù)．