电力数据采集终端中滤波方法研究*

2014-01-18 07:26谢富强李正国徐玉姣朱飞辉

深圳职业技术学院学报 2014年1期

关键词：数字滤波压控维纳滤波

全菲，谢富强，李正国，徐玉姣，朱飞辉

（1.南华大学，湖南衡阳421000；2.深圳职业技术学院，广东深圳518055）

电力数据采集终端中滤波方法研究*

全菲1，2，谢富强1，李正国2，徐玉姣1，朱飞辉1

（1.南华大学，湖南衡阳421000；2.深圳职业技术学院，广东深圳518055）

在电力数据采集终端中滤波器常用来滤除耦合在电力信号传输线路上的高频谐波、抑制干扰，以确保有效地采集电力线上的电压和电流信号，提高系统的采样精度．本文提出一种新的混合滤波方案，即采用二阶压控电压源低通滤波电路的硬件滤波和去极值平均滤波与维纳滤波相结合的数字滤波方案，采用硬件滤波滤除采集信号中的高频分量，通过软件滤波抑制低频分量中的干扰．实验结果表明，这种方案可行且能达到预期的效果．

压控电压源低通滤波；去极值平均滤波；维纳滤波

滤波是抑制干扰最有效的手段之一，特别是对耦合到信号传输线的噪声，它是一种广泛采用的方法．电力数据采集终端在数据采集、处理过程中的滤波方式有2种：一是硬件滤波，即用电子元件组成的电路进行滤波；二是数字滤波，即用软件算法实现滤波．

电力数据采集终端对电力线上的电信号进行取样，取样信号进入A/D转换前，受采样频率的限制，须通过滤波电路先除去高频信号，使被采集的信号有一个满意的截止区．否则根据香农定理，还原信号时，频谱会发生混叠．由于电力数据采集终端的工作环境大都比较恶劣，干扰源多，且采集终端内部各种电子器件产生的固有噪声．为了改善信号质量，在数据处理前要对采样值进行数字滤波．硬件滤波电路为了滤除高次谐波则需要设计低通滤波电路．算数平均值滤波[1]适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，但是脉冲干扰时滤波效果不理想．去极值平均滤波采用中值滤波原理滤掉由于脉冲引起的干扰，再把剩下的采样值进行算数平均，是对算数平均滤波算法的改进．但去极值平均滤波仍然受采样点数限制，降噪值（NRR）难以达到最小．维纳滤波基于最优估计准则[2]，在最小均方误差[MMSE]意义上有优越性，但是实际应用中长度的选择不能过大．为此，本设计提出了二阶压控电压源低通滤波电路和极值滤波与维纳滤波结合的数字滤波方案．

1 硬件滤波设计

本文设计的硬件滤波电路主要是为了得到A/D转换所需的电信号，并滤去其高频成分．目前电网中存在的谐波以低次谐波（2～25次）为主（本设计滤掉31次以上谐波）．依据采样定理知采样频率要大于等于信号最高频率的2倍，采样之后的信号才能完整保留原始信号的信息．在工程实际工程采样中，采样频率往往取3～4倍的信号最高频率[3]．本设计中滤波电路的截止频率为fc=3*32*50Hz=4800 Hz．

在电力数据采集滤波中滤波电路采用有源二阶压控电压源低通滤波电路[4]，如图1所示（该电路由R1、R2、C1、C2组成的二阶RC滤波电路和运放组成．其中RC滤波电路的作用是确定电路的截止频率；运放的作用是提高滤波电路的放大倍数和提高带负载能力）：

图1 二阶压控电压源低通滤波电路

2 数字滤波设计

假设叠加有噪音的电力信号为：

式中，)(in为噪声信号，该噪声信号可以看做均值为0，方差为的高斯白噪声; )(is与 n(i )不相关．

对此信号采用混合数字滤波，即去极值平均滤波和维纳滤波相结合的方法滤除干扰．滤波的基本框图如图2所示．

2.1去极值平均滤波

去极值平均滤波的原理是先将采集到的N个数据按冒泡法依从大到小顺序排列，然后再去掉最大值和最小值点，剩下的数取算数平均值；虽然去极值平均滤波具有很好的防脉冲干扰滤波效果，但是由去极值平均滤波的特性知滤波后的噪声比滤波前噪声方差下降1/(N-2)，可见N增大可以减小噪声影响，但是N增大，相应滤波器的通带会减小，有用的信号可能被滤除．此设计中N选取6，将极大极小值点去掉后，剩余4个采样值进行算术平均滤波