SubFilter虛擬濾波器在低壓電器測試系統中的應用

曾作欽 蘇金州 蘇雄斌

（福建省產品質量檢驗研究院，福州 350002）

由于低壓電器試驗現場存在著各種無法預測的干擾，導致采集的試驗信號中夾雜著大量的復雜噪聲，淹沒了真實信號，即便在檢測設備的硬件部分添加了抗干擾部件，也只能在一定程度上減少干擾或降低噪聲[1]。因此，為了使采集到的信號能反映真實的信號原型，便于后續對試驗結果的分析處理，對產品性能的評價，在完成信號采集和初步處理后，還必須進行有效的去噪處理。

為了達到最佳的去噪效果，不但要選取合適的信號去噪工具，比如數字濾波器[2]、小波變換[3]或SVD[4]等，還要確定所選去噪工具中的最佳去噪配置，比如合理設置Butterworth數字濾波器中的高、低截止頻率及階數等，這些參數值的選擇會直接影響最終的信號去噪效果。因此，如何在最大限度去除噪聲的同時保留信號的原特征是去噪過程中的一個難點，比如數字濾波器的低截止頻率設置太高，會消噪不足，使信號中較弱的特征成分被噪聲淹沒；設置太低，則消噪過度，將信號中較弱的特征成分誤認為是噪聲被濾除[2]。因此，長期以來，低壓電器檢測工作者一直在尋求一種功能全面的去噪工具，以滿足不同試驗現場對所采集信號的去噪需要。正是基于此目的，引入一種綜合型虛擬濾波器SubFilter，并結合實際的應用需求，展開對該濾波器及其在低壓電器測試系統中應用的研究和討論。

1 SubFilter與信噪比

LabVIEW是一種圖形化的編程軟件，它提供了技術人員和工程師們熟悉的圖標，使得過去繁復的軟件開發變得簡單、方便，利用它進行儀器系統的設計與研究，可以在很大程度上避開繁冗的程序代碼編寫和硬件電路的設計，大大縮短了設計周期。該軟件的外觀和操作類似于真實的物理儀器，又被稱為虛擬儀器，可用于實現各種測量和控制。因此，被廣泛地被應用于工業界、學術界和實驗室研究，并視其為標準的數據采集和儀器控制軟件[1-5]。

而在LabVIEW中就有一種綜合型數字濾波器，即SubFilter，其程序面板如圖1所示，這種濾波器能根據實際情況的需要選擇合理的濾波器類型、拓樸結構、抽頭數、截止頻率和階數等。該濾波器不是在函數面板的Signal Processing/Filters目錄下，而是在Express/Signal Analysis目錄下，因此常常會被人們忽視。

圖1 SubFilter的程序面板

使用SubFilter時，首先進行濾波器類型的選擇，并設置截止頻率，而只有選擇帶通及帶阻型濾波器時才需要同時設置高、低截止頻率；接著進行沖激響應類型的選擇，當選擇FIR濾波器時，還要選擇恰當的抽頭數，而選擇 IIR濾波器時，則要根據所采集信號及其所含噪聲的情況，選擇合適拓撲結構的濾波器，并配以恰當的階數；對于平滑濾波器，則需要選擇移動加權窗及設置對應的移動半寬，才能實現對信號的最佳去噪。另外，它還有錯誤反饋功能，錯誤輸出包含錯誤信息，默認無錯誤。如果錯誤輸入表明在函數運行前已發生錯誤，它將把錯誤輸入值傳遞至錯誤輸出，并且輸出相同的錯誤信息，否則，表明函數中表現為錯誤狀態。

而對信號的質量、信號被噪聲污染的嚴重程度或信號的去噪效果不能只是單純地憑借直覺進行簡單、感觀地評價和描述，必需用定量指標來評價。信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）是常用的評價噪聲量度的有效工具[6]，即

式中，f(n)為原始信號，θ(n)為含噪或去噪后的信號。若某信號的信噪比越大，表明該信號的噪聲含量越小或去噪效果越好，與原始信號近似度越高，該信號的質量就越好。

2 SubFilter的去噪效果研究

某斷路器進行最大短時耐受電流下的短路分斷能力（0.1s）附加試驗時，利用SATURN數據采集系統采集到電流信號Ia，如圖2（a）所示。為了能全面分析SubFilter的去噪效果，人為地給電流信號Ia加上隨機噪聲，結果如圖2（b）所示，此時該含噪信號的信噪比為24.58dB。

從圖2（b）中可見，該信號噪聲很大，與未加噪聲之前的信號相比，出現了明顯的畸變，而對這類信號肯定無法進行電流值、通電時間及焦耳積分等關鍵試驗參數的計算。

圖2 短時耐受電流信號

隨機選用 SubFilter中的 Butterworth濾波器、Bessel濾波器、橢圓濾波器及平滑濾波器對圖2（b）所示的電流噪聲信號進行去噪處理，得到的處理效果如圖3所示。可以清楚看到，圖3（a）中Butterworth濾波器處理后的信號，電流中的噪聲已基本得到去除，由式（1）計算得到此時圖 3（a）信號的信噪比為57.15dB，是圖2（b）所示信號的2.33倍，信號的質量得到明顯的提升；圖3（b）為Bessel濾波器處理后的信號，其信噪比為 52.29dB，去噪效果比圖3（a）稍微差一點；圖3（c）為橢圓濾波器處理后的信號，其效果看似與圖 3（a） 相當，但其信噪比卻只有 46.75dB，出現較大幅度的下降；而圖3（d）為平滑濾波器處理后的信號，很明顯第一個波谷的峰值較大，倒數第三個波峰也出現一定程度的變形，其信噪比為 42.81dB，去噪效果較差。可見，處理類似圖2（b）所示的信號，采用Butterworth濾波器的去噪效果最佳。

圖3 幾種濾波器的去噪結果

傳統的硬件濾波方法存在著體積大、成本高、更新不方便等缺點，而這些在SubFilter中是不存在的，且操作簡單、功能全面，在實際應用中，可以根據實際場合的使用需求，選擇當中合適的濾波器對信號進行去噪處理。

3 小容量開關元件測試系統

小容量開關元件的接通與分斷能力試驗現場存在著各種干擾，容易導致采集到的信號中存在著各種噪聲，所以，對所采集的信號進行有效去噪是非常重要的。這里將利用上節介紹的SubFilter來設計合適的測試系統，并實現對這類信號的最佳去噪。

小容量開關元件測試系統用于實現對該類型元件在正常、非正常條件下進行接通與分斷能力試驗時重要參數的自動采集、分析和測量等。圖4所示為系統軟件的總體框圖，可以看到，該系統軟件主要分為控制與信號采集、信號去噪、波形分析處理、數據存儲和示波圖生成等幾個重要部分。下面主要討論系統中的信號去噪部分，包括它的程序框圖、去噪效果等。

圖4 軟件部分總框圖

程序框圖決定了函數的運行方式，連線將輸入、顯示控件與各函數相互連接，數據從輸入控件流向各函數，最后流向顯示控件。本系統去噪部分的主要程序框圖主要部分如圖5所示，系統首先將采集到的試驗信號進行數據比例還原的處理，然后通過輸入端傳送到所選擇的SubFilter中的恰當濾波器進行處理，最后通過輸出端傳遞到顯示控件。

圖5 去噪程序框圖的核心部分

圖6所示為小容量開關元件的接通與分斷能力試驗控制采集中心，由試驗控制臺、測試系統等組成。試驗時，電流由電流傳感器模塊測量，電源電壓和斷口電壓直接連接到電壓測量模塊測量；然后，將所有二次側信號傳送到的上位機；最后，由測試系統進行去噪、分析和計算等處理。

圖6 控制采集中心

現以 CJX2型繼電器在正常條件下的接通與分斷能力試驗為例展開分析討論，試驗時直接采集到的信號如圖7（a）所示。從圖中可見，電壓、電流信號都帶有非常明顯的噪聲，包括毛刺、高頻和明顯的脈沖信號，淹沒了含有重要信息的真實信號，這樣是無法對電壓值、電流值和時間常數展開測量的。因此，應該先進行有效的去噪處理，保證信號的波形變得光滑清晰的同時保留好重要信息，以便進行后續的測量分析。

圖7 繼電器的試驗信號

接著，使用研發的小容量開關元件測試系統進行去噪處理。經過多次分析比較，發現對該類信號選用橢圓濾波器進行去噪，能得到最佳的去噪效果。那么，利用橢圓濾波器去噪后得到的波形如圖7（b）所示，可以看到，去噪后，所有信號波形中的噪聲都得到有效的去除，波形變得光滑清晰，真實信號得以顯現，特別是在斷口電壓通道，波形的突變部分得到有效保留。而這些突變往往含有電弧電壓、過電壓等的暫態信息，能真實反映斷口電壓的變化情況，能用于初步鑒別被試繼電器的性能狀況。

此外，可以發現處理類似圖7（a）所示信號效果最佳的橢圓濾波器在處理類似圖2（b）所示的信號時，去噪效果卻是一般而非最佳。這不是偶然現象，在一種電容放電試驗測試系統的研發中也采用了 SubFilter[7]，而此時卻是選用圖 3中去噪效果最差的平滑濾波器才能達到最佳的去噪效果。

綜上可見，根據實際使用場合需求，選擇合適的濾波器進行去噪，以達到最佳的去噪效果，這是普通濾波器不能完全具備的能力，而SubFilter卻可以實現，并且它的可靠性和有效性也在上面的實例中得到有很好的驗證。

4 結論

為了實現對不同低壓電器試驗場合所采集信號進行有效去噪，便于后續對信號的計算分析和產品性能的評價，引入并結合實例研究了一種綜合型去噪工具SubFilter的去噪效果。根據不同使用場合的需求，選擇SubFilter中不同類型的濾波器，作為信號去噪模塊的核心部分應用到小容量開關元件測試系統和電容放電測試系統上位機系統的開發中，通過對實際試驗信號的去噪處理，驗證了該濾波器可靠、有效的去噪效果和全面的去噪能力，同時也解決了傳統硬件濾波器存在的體積大、成本高、更新不方便等問題。

[1] 蘇金州, 許志紅. 基于LabVIEW軟件的電磁電器測試系統軟件設計[J]. 電工電氣, 2010(3): 55-59.

[2] Boggess A, Narcowich F J. 小波與傅里葉分析基礎[M]. 北京: 電子工業出版社, 2004.

[3] 谷文靜, 金濤. 基于小波變換的電力系統諧波分析研究[J]. 電氣技術, 2012(8): 36-40.

[4] 趙學智, 葉邦彥. 分量形成方式對奇異值分解信號處理效果的影響[J]. 上海交通大學學報, 2011, 45(3):368-374.

[5] 劉春. 基于 VI的 ECT在線監測系統[J]. 電氣技術,2010(11): 39-42, 50.

[6] 陳強, 黃聲享, 王韋. 小波去噪效果評價的另一指標[J]. 測繪信息與工程, 2008, 33(5): 13-14.

[7] 蘇金州, 鄭立新, 陳金汕, 等. 基于 GB/T 15576—2008標準的放電試驗檢測設備設計[J]. 電工電氣,2011(11): 53-56.