基于數(shù)字濾波的電力檢測(cè)設(shè)備去噪設(shè)計(jì)

曹冬梅，王燦田

（1.江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

本文設(shè)計(jì)了一種感應(yīng)式帶電檢測(cè)設(shè)備，通過(guò)感應(yīng)電原理檢測(cè)附近的電信號(hào)。由于空間中的磁場(chǎng)均可在感應(yīng)設(shè)備上產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，從而導(dǎo)致周?chē)淖儔浩骰蛘咄ㄐ旁O(shè)備均可在感應(yīng)器上產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，造成設(shè)備誤判，因此可以使用濾波器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，還原有用信號(hào)頻段，提高信噪比，將無(wú)用信號(hào)過(guò)濾，準(zhǔn)確測(cè)量是否有50 Hz的交流電，并屏蔽變壓器等電磁干擾帶來(lái)的干擾信號(hào)造成的誤報(bào)[1-3]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1所示為本系統(tǒng)所述的系統(tǒng)架構(gòu)。本系統(tǒng)采用硬件電路對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行放大，并使用數(shù)字濾波器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波，過(guò)濾60 Hz以上的頻段[4-5]。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

單片機(jī)將采集的信號(hào)處理后，對(duì)信號(hào)做二次處理判斷，并通過(guò)指示燈判斷其是否帶電。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 放大電路

圖2所示是本系統(tǒng)所使用的放大電路，該放大電路為共射集放大電路，采用兩級(jí)放大電路串聯(lián)實(shí)現(xiàn)感應(yīng)信號(hào)的放大，可將信號(hào)放大到0～5 V電壓范圍。

圖2 放大電路

為保證放大后的信號(hào)不產(chǎn)生較嚴(yán)重的失真，影響信號(hào)的采集和識(shí)別，因此使用一級(jí)跟隨電路作為信號(hào)的保護(hù)級(jí)。

2.2 單片機(jī)模塊

本系統(tǒng)中使用了STC8A8K32S系列單片機(jī)，其工作主頻為24 MHz。系統(tǒng)中使用了一路12位ADC采集引腳和一路I/O口作為指示燈驅(qū)動(dòng)引腳。由于該款單片機(jī)內(nèi)部集成晶振電路并將復(fù)位引腳內(nèi)部上拉，因此在外圍電路設(shè)計(jì)時(shí)，僅需提供供電電路即可使用[6-7]。MCU電路如圖3所示。

圖3 MCU電路

3 濾波算法設(shè)計(jì)

3.1 濾波算法選擇

在本系統(tǒng)中有用信號(hào)為50 Hz的交流信號(hào)，而干擾信號(hào)主要為高頻信號(hào)，因此使用一個(gè)低通濾波器即可實(shí)現(xiàn)大部分噪聲的過(guò)濾。

目前常用的經(jīng)典濾波算法有巴特沃斯算法、切比雪夫算法、貝塞爾算法。這三種濾波算法的濾波效果各不相同，其信噪比不同帶來(lái)的濾波效果也不相同，因此在本系統(tǒng)中選用了幅值相對(duì)平緩的巴特沃斯算法。巴特沃斯低通濾波算法幅值響應(yīng)曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 幅值響應(yīng)曲線(xiàn)

如圖4所示，在200 Hz時(shí)，幅值已達(dá)到了-60 dB的濾波效果，因此可以有效過(guò)濾高頻干擾信號(hào)。

3.2 巴特沃斯濾波算法

巴特沃斯的系統(tǒng)函數(shù)如下所示：

由于該公式中包含z變換因式，不便于計(jì)算機(jī)計(jì)算，因此將系統(tǒng)函數(shù)變?yōu)榫€(xiàn)性差分方程，以方便計(jì)算。

巴特沃斯的線(xiàn)性差分方程如下所示：

從公式中可看出，當(dāng)前濾波后數(shù)據(jù)與當(dāng)前采樣值和前n次的采樣值有關(guān)，n為該濾波器的階數(shù)。

為了得到較好的濾波效果，需選擇合適的階數(shù)才可將雜波有效濾除?？紤]到計(jì)算的復(fù)雜度和運(yùn)算量以及濾波效果，選擇濾波器的階數(shù)為6階[8-9]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖5所示，黑色波形為濾波前波形，紅色波形為濾波后波形。

圖5 濾波效果

由圖中可看出，原始波形中50 Hz以上的諧波分量均得到了有效濾除，留下的50 Hz諧波分量幾乎不含雜質(zhì)信號(hào)。

需要注意的是，由于該濾波器為線(xiàn)性濾波器，因此在輸入時(shí)需要一段時(shí)間的振蕩才會(huì)歸于平穩(wěn)?？梢钥吹?，起始的第一個(gè)周期中，有較大的尖波出現(xiàn)，在程序?yàn)V波時(shí)，需要注意將一個(gè)周期的波形截取才可以得到平穩(wěn)的波形信號(hào)。由于該算法本身固有的特性，會(huì)造成波形的相位漂移，因此濾波后的波形會(huì)向后相位漂移一定的角度[10]。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)介紹了通過(guò)STC8A8K32S系列單片機(jī)，配合放大電路和程序?yàn)V波算法實(shí)現(xiàn)的電力設(shè)備帶電檢測(cè)裝置。該款裝置可以有效實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)的過(guò)濾，擁有較強(qiáng)的抗干擾性，可防止設(shè)備誤報(bào)，因此可廣泛應(yīng)用于一些條件惡劣的場(chǎng)所，對(duì)電力設(shè)備的帶電狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該設(shè)備工作可靠，可準(zhǔn)確測(cè)量并對(duì)干擾信號(hào)有較強(qiáng)的抵御能力。