接地電阻測試系統(tǒng)中數(shù)字濾波技術(shù)研究

石震，梁慧媛，周琦，李偉，孫二杰

（1.山東建筑大學(xué)，濟(jì)南250101；2.國網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司，濟(jì)南250001）

·試驗研究·

接地電阻測試系統(tǒng)中數(shù)字濾波技術(shù)研究

石震1，梁慧媛2，周琦2，李偉1，孫二杰1

（1.山東建筑大學(xué)，濟(jì)南250101；2.國網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司，濟(jì)南250001）

基于對數(shù)字濾波技術(shù)的討論，分析采用數(shù)字濾波消除隨機干擾的優(yōu)點，并提出一種新型的數(shù)字濾波方法，通過應(yīng)用于桿塔接地電阻測試系統(tǒng)對其可行性進(jìn)行驗證。該算法運算量小，對消除尖峰脈沖干擾效果明顯，為信息采集提供了一種處理工具。

隨機干擾；信號采集；數(shù)字濾波；接地電阻

0 引言

在桿塔接地電阻測試過程中，往往有一些噪聲和干擾伴隨測量信號輸入到測試系統(tǒng)中，這些隨機干擾頻譜范圍特別廣，比如一個尖峰脈沖干擾的頻譜范圍理論上是無窮的，所以通用的硬件濾波電路無法完全消除這類信號的干擾，從而使測量數(shù)據(jù)存在一定誤差。為了使得測量值誤差變小，通常在進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)用之前進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波就是通過編寫計算程序，從時域上對信號進(jìn)行處理，從而減少干擾信號的在測量信號中的比重，盡可能地還原信號的真實值，為測試系統(tǒng)提供精確的數(shù)據(jù)支撐［1］。

相比于硬件濾波，軟件濾波有很多不可比擬的優(yōu)勢。

1）從設(shè)計周期與成本上說，數(shù)字濾波無需增加外圍設(shè)備，從而加快了外圍電路的設(shè)計速度，也大大降低了設(shè)計成本。

2）從復(fù)用率上說，硬件濾波通常只服務(wù)于一個通道，而數(shù)字濾波器可隨意調(diào)用［1］。

3）電路越復(fù)雜，電磁干擾就會越多，因此單純從硬件入手又會帶來新的問題，而利用數(shù)字濾波方法有效避免了這個問題。

4）從濾波范圍上說，硬件濾波受限于元件參數(shù)，濾波頻率不可能太低，導(dǎo)致濾波范圍有限，而軟件濾波可以通過調(diào)節(jié)程序參數(shù)來改變?yōu)V波范圍，靈活性好，功能性強［2］。

1 常用數(shù)字濾波器算法

模擬信號都必須經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換之后才能被處理器使用，轉(zhuǎn)換過程中干擾信號也混入其中，為了提高數(shù)據(jù)的可靠性，通常系統(tǒng)要進(jìn)行高速連續(xù)采樣，得到一組采樣序列，通過對此序列進(jìn)行篩選得到比較可靠的結(jié)果［3］，這種數(shù)據(jù)篩選算法稱為數(shù)字濾波器算法。常用的數(shù)字濾波器算法有算術(shù)平均濾波法、中位值濾波法、限幅濾波法、消抖濾波法、一階滯后濾波法、遞推平均濾波法，有時可以把2種或2種以上不同濾波功能的數(shù)字濾波器組合起來，組成復(fù)合數(shù)字濾波器［4］。

2 新型數(shù)字濾波算法在桿塔接地電阻測試系統(tǒng)中的嘗試

本算法是基于山東建筑大學(xué)機器人技術(shù)與智能系統(tǒng)研究院的桿塔接地電阻測試系統(tǒng)而研發(fā)的一種新算法，首先對桿塔接地電阻測試系統(tǒng)做一下簡述。測試系統(tǒng)采用互感原理，將電壓互感器和電流互感器分別接在桿塔的引下線上，由電壓互感器感應(yīng)至被測桿塔接地引下線上一個特定的電壓信號，同時由電流互感器感應(yīng)引下線中的電流，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入MCU單元，最終通過特定的計算方法，得到被測桿塔的接地電阻阻值?，F(xiàn)以超高壓輸電線路桿塔接地引下線測試數(shù)據(jù)做新算法嘗試。在桿塔接地電阻測試環(huán)境下，主要的干擾信號頻率在110 Hz左右，按奈奎斯特定理，取A／D采樣頻率為400 Hz。截取其中414個原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波試驗，原始信號波形如圖1所示。

從圖1可以看出未經(jīng)處理的波形很不穩(wěn)定，受干擾情況比較嚴(yán)重，偶爾受到一個干擾它的輸出值就能達(dá)到1 170 mV，而且這種干擾波動很寬，隨機性強，所以這種純粹的不經(jīng)過任何處理的原始數(shù)據(jù)在桿塔接地電阻測試系統(tǒng)中己經(jīng)不能用了，否則將很有可能造成誤判，埋下安全隱患。

圖1 原始信號波形

本文論述的新型數(shù)字濾波算法主要借鑒算術(shù)平均值濾波與限幅濾波法，在原有的功能基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，實現(xiàn)盡可能精確的濾波。新型數(shù)字濾波算法的主要流程是先建立一個數(shù)據(jù)隊列，在進(jìn)行數(shù)字濾波時首先確定濾波級數(shù)L，然后調(diào)用L次濾波子程序，就能輸出一個經(jīng)過L級濾波后的數(shù)據(jù)，通過多次試驗總結(jié)L的取值對有效信號的干涉作用，最后尋找最佳的濾波級數(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)中。濾波子程序的流程是首先計算數(shù)據(jù)隊列的算數(shù)平均值A(chǔ)VE，并找出數(shù)據(jù)隊列中偏離平均值最大的數(shù)據(jù)項MAX，取MAX與AVE之差的絕對值的一部分作為異常判定因子b，然后對數(shù)據(jù)隊列中的每個數(shù)據(jù)與算術(shù)平均值做差，取絕對值后與異常判定因子b進(jìn)行比較，如果大于或等于判定因子b則將本數(shù)據(jù)修正為算數(shù)平均值，小于判定因子b則保持不變。同時由于采樣的離散性，無法確定要修正的項的相鄰項是否受到干擾，在此算法中一并將其修正為算術(shù)平均值。所有數(shù)據(jù)經(jīng)逐一判定后生成新的序列。新型數(shù)字濾波算法的原理如圖2所示。

圖2 新算法原理框圖

這里影響濾波效果的主要因素是濾波級數(shù)L和異常判定因子b，b的選取方法為

濾波效果的優(yōu)劣關(guān)鍵在于d的選取，d為異常系數(shù)，d決定b的大小。首先如果d選取過大，異常判定因子b就相應(yīng)變大，計算時只有少量偏離平均值比較大的數(shù)據(jù)才會被判定為修正項，這樣濾波力度就會過小，從而漏判很多干擾數(shù)據(jù)，各種干擾信號將乘虛而入，使系統(tǒng)誤差增大；同樣的，如果d過小，濾波力度也會過大，很多真實值也會誤判為干擾，原始信號便會失真，因此d的選取決定著濾波算法的優(yōu)劣。再者濾波級數(shù)對濾波效果也有很大的影響，L如果很小，信號經(jīng)濾波后只能把部分干擾項濾除，信號總體有可能不會太平穩(wěn)；L如果過大，信號經(jīng)過L級濾波后有可能總體已經(jīng)偏離了原始信號，失真情況就會出現(xiàn)，同時計算速度也會變慢。通過試驗方法總結(jié)兩個參量的選取方式。

2.1 異常系數(shù)d取值試驗

首先選取L=1，d=0.3來進(jìn)行濾波效果驗證。濾波結(jié)果如圖3所示。圖中紅色線為濾波后的數(shù)據(jù)曲線，可以明顯看出濾波后的信號相比于原始信號大大消弱了尖峰脈沖干擾信號，同時保持了波動較小的信號。

圖3 L=1，d=0.3濾波效果

再加大濾波強度進(jìn)行試驗。選取L=1，d=0.2來進(jìn)行濾波效果驗證。濾波結(jié)果如圖4所示。

圖4 L=1，d=0.2濾波效果

圖中紅色線為濾波后的數(shù)據(jù)曲線，相比于第一次的試驗結(jié)果，可以明顯看出算法加大濾波強度后，波動較大的干擾全部消除，波動較小一些的干擾也消除了一部分。

2.2 濾波級數(shù)試驗

選取L=2，d=0.3來進(jìn)行濾波效果驗證。濾波結(jié)果如圖5所示。圖中紅色線為濾波后的數(shù)據(jù)曲線，與第一次試驗結(jié)果相比，可以明顯看出經(jīng)過兩級濾波后，雖然信號波形趨于穩(wěn)定，但是信號總體已經(jīng)出現(xiàn)了失真，這樣的數(shù)據(jù)如果被系統(tǒng)使用可能會帶來未知的誤差。

圖5 L=2，d=0.3濾波效果

選取L=2，d=0.2來進(jìn)行濾波效果驗證。濾波結(jié)果如圖6所示。

圖6 L=2，d=0.2濾波效果

圖中紅色線為濾波后的數(shù)據(jù)曲線，與第三次結(jié)果相比可以明顯看出強度大的濾波算法經(jīng)兩級濾波后信號基本變成均值信號。

3 結(jié)果分析

通過試驗可以發(fā)現(xiàn)，只要通過多次試驗，觀察試驗結(jié)果后獲得最佳參數(shù)d和L值，就能獲得良好的濾波效果，新型的數(shù)字濾波算法可以應(yīng)用于桿塔接地電阻測試系統(tǒng)中，此濾波算法是可行的。為了兼顧濾波效果與計算機資源，本算法中d和L的取值方法還有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)語

在傳統(tǒng)的數(shù)字濾波算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，研究一種新型數(shù)字濾波算法，通過在桿塔接地電阻測試系統(tǒng)中的應(yīng)用，證明了其可行性，并由此得到啟發(fā)：在實際的應(yīng)用中，不一定要拘泥于傳統(tǒng)的濾波算法，數(shù)字濾波算法要靈活靈用，才能真正適用于所應(yīng)用的系統(tǒng)中。

［1］王幸之，王雷，翟成，等.單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

［2］任克強，劉暉.微機控制系統(tǒng)的數(shù)字濾波算法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，3（11）：15-18.

［3］武優(yōu)西，李建滿，米少華，等.一種新的自適應(yīng)數(shù)字濾波方法的研究［J］.計算機工程與應(yīng)用，2012，48（2）：145-147.

［4］鄭濤，石秀華，許暉.數(shù)字濾波新方法嘗試與驗證［J］.測控技術(shù)，2004，23（4）：19-20.

Research on Digital Filter in the Testing System of Earthing Resistance

SHI Zhen1，LIANG Huiyuan2，ZHOU Qi2，LI Wei1，SUN Erjie1
（1.Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.State Grid Shandong Energy Saving Service co.，Ltd，Jinan 250001，China）

The advantages of using digital filter to eliminate random interference are summarized based on the discussion on digital filter technology.Also，a new method of digital filter is proposed，the effectiveness and feasibility of which are verified in test system of grounding resistance.This algorithm has an advantage in that it takes relatively small amount of computation and it is obviously effective in the elimination of random interference.This study provides a processing tool for information acquisition.

random interference；signal acquisition；digital filter；earthing resistance

TP301.6

A

1007－9904（2015）04－0001－03

2015-01-23

石震（1990），男，碩士研究生，主要研究方向為超高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)。

山東省信息產(chǎn)業(yè)專項發(fā)展資金項目（2012X0107）；濟(jì)南市科技發(fā)展重大專項（201305160）；國網(wǎng)山東省電力公司2014年科技綜合服務(wù)項目（SD14－GC－ZB004－ZH－KJ（1））