基于數字濾波的電力檢測設備去噪設計

曹冬梅，王燦田

（1.江蘇農牧科技職業學院，江蘇 泰州 225300；2.江蘇聯合職業技術學院南京分院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

本文設計了一種感應式帶電檢測設備，通過感應電原理檢測附近的電信號。由于空間中的磁場均可在感應設備上產生感應信號，從而導致周圍的變壓器或者通信設備均可在感應器上產生感應信號，造成設備誤判，因此可以使用濾波器對采集的信號進行過濾，還原有用信號頻段，提高信噪比，將無用信號過濾，準確測量是否有50 Hz的交流電，并屏蔽變壓器等電磁干擾帶來的干擾信號造成的誤報[1-3]。

1 系統架構

圖1所示為本系統所述的系統架構。本系統采用硬件電路對采集的信號進行放大，并使用數字濾波器對采集的信號進行濾波，過濾60 Hz以上的頻段[4-5]。

圖1 系統架構

單片機將采集的信號處理后，對信號做二次處理判斷，并通過指示燈判斷其是否帶電。

2 硬件設計

2.1 放大電路

圖2所示是本系統所使用的放大電路，該放大電路為共射集放大電路，采用兩級放大電路串聯實現感應信號的放大，可將信號放大到0～5 V電壓范圍。

圖2 放大電路

為保證放大后的信號不產生較嚴重的失真，影響信號的采集和識別，因此使用一級跟隨電路作為信號的保護級。

2.2 單片機模塊

本系統中使用了STC8A8K32S系列單片機，其工作主頻為24 MHz。系統中使用了一路12位ADC采集引腳和一路I/O口作為指示燈驅動引腳。由于該款單片機內部集成晶振電路并將復位引腳內部上拉，因此在外圍電路設計時，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 濾波算法設計

3.1 濾波算法選擇

在本系統中有用信號為50 Hz的交流信號，而干擾信號主要為高頻信號，因此使用一個低通濾波器即可實現大部分噪聲的過濾。

目前常用的經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，其信噪比不同帶來的濾波效果也不相同，因此在本系統中選用了幅值相對平緩的巴特沃斯算法。巴特沃斯低通濾波算法幅值響應曲線如圖4所示。

圖4 幅值響應曲線

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

3.2 巴特沃斯濾波算法

巴特沃斯的系統函數如下所示：

由于該公式中包含z變換因式，不便于計算機計算，因此將系統函數變為線性差分方程，以方便計算。

巴特沃斯的線性差分方程如下所示：

從公式中可看出，當前濾波后數據與當前采樣值和前n次的采樣值有關，n為該濾波器的階數。

為了得到較好的濾波效果，需選擇合適的階數才可將雜波有效濾除。考慮到計算的復雜度和運算量以及濾波效果，選擇濾波器的階數為6階[8-9]。

4 實驗結果

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信號。

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

5 結 語

本系統介紹了通過STC8A8K32S系列單片機，配合放大電路和程序濾波算法實現的電力設備帶電檢測裝置。該款裝置可以有效實現干擾信號的過濾，擁有較強的抗干擾性，可防止設備誤報，因此可廣泛應用于一些條件惡劣的場所，對電力設備的帶電狀態進行檢測。

經過實際測試，該設備工作可靠，可準確測量并對干擾信號有較強的抵御能力。