CN105763170A - 一种电力信号数字滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力信号数字滤波方法，该方法包括以下步骤：步骤1：获取保护级采样值WS1、采样波动限定值Wk、采样额定值W、采样波动连续超限次数上限J1、采样连续超额次数上限J2、和测量级采样值WS2；步骤2：对保护级采样值WS1进行分析：结合步骤1给定的参数，对检测到采样波动和采样超额进行计数来滤除偶然干扰；根据分析结果选择保护级采样值WS1或者测量级采样值WS2作为本次滤波采样值；步骤3：将步骤2获得的滤波采样值进行累加、求平均计算，得出累加平均值，作为测量输出值。

Description

一种电力信号数字滤波方法

技术领域

本发明涉及电力系统中的电力信号的处理技术，具体涉及一种具备测量级准确度与保护级动态范围的电力信号数字滤波方法。

背景技术

随着现代化工业的不断发展，电力需求越来越大，电力输送的稳定性越来越重要，人们对电力信号监控的测量精度、响应时间、干扰滤波提出了更高要求。

本发明中提及的数字滤波主要针对电力系统中信号采样值在输出前进行的处理。通常而言，在电力信号的变送输出中，系统稳定、测量精度、响应时间和干扰滤波并重是目前解决的核心和难点。电力信号的一般数字滤波中，电信号被采样电路转化成采样值后，将连续N次转化所得采样值组成一个采样值队列，对采样值队列进行累加平均计算，用这个计算值相对上次输出值的波动被均分为平均了波动幅度，但对测量输出的动态响应和准确性并无作用，抗干扰能力也有待提高。

在分布式发电系统中，有需要测量准确性的监控要求，有需要很好的动态响应保证实时性的场合，也有同时兼顾准确度和动态响应以适应高要求的环境，这样就需要一种即保证测量级准确度又保证保护级动态响应的测量装置。因此，本文提出了一种具备测量级准确度与保护级动态范围的电力信号数字滤波方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具备测量级准确度与保护级动态范围的电力信号数字滤波方法，其利用对检测到采样波动和采样超额进行计数来滤除偶然干扰。另外将相应的参数都作为可配置量，来适应不同的应用中对环境的适应性。

为达到以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种电力信号数字滤波方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：获取保护级采样值WS1、采样波动限定值Wk、采样额定值W、采样波动连续超限次数上限J1、采样连续超额次数上限J2、和测量级采样值WS2；

步骤2：对保护级采样值WS1进行分析，结合步骤1给定的参数，对检测到采样波动和采样超额进行计数来滤除偶然干扰；根据分析结果选择保护级采样值WS1或者测量级采样值WS2作为本次滤波采样值；也就是说，按分析结果选择保护级采样值WS1或者测量级采样值WS2作为有效的滤波采样值，并将有效的滤波采样值替换采样队列的最旧值；

步骤3：将步骤2获得的滤波采样值进行累加、求平均计算，得出累加平均值，作为测量输出值，将测量输出值记为WP_n。然后重复步骤1-3，获得下一次的测量输出值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过各项可配置参数的分析，选择是测量级采样值参数或者保护级采样值参数进入采样队列，再进行算术平均滤波并输出。

进一步的，步骤1具体包括，通过保护级传感器和测量级传感器获取电力信号，并将该信号调制为一定范围的弱电信号，经过换算得到本次采样的保护级采样值WS1和测量级采样值WS2；同时设置好各项参考量：采样波动限定值Wk、采样额定值W、采样波动连续超限次数上限J1、采样连续超额次数上限J2，获取上一次测量输出值WP_n。

进一步的，步骤2中，本步骤根据步骤1给定的参数分析，判断出我们需要的是保护级采样值还是测量级采样值作为本次滤波采样值，或者丢弃采样值。具体的，步骤2包括如下过程：

步骤(2.A)：如果|W₁-WP_n|≥Wk成立，则计算|W₁-WP_n|超出采样波动限定值Wk的次数M1；如果M1≥J1，即本次WS1波动大于采样波动限定值Wk次数足够多，排除偶然的脉冲干扰，由于一般保护级测量的动态范围更大，取WS1作为本次滤波采样值W_n+1；如果M1<J1，即本次WS1波动大于采样波动限定值Wk次数还少，可能是偶然的脉冲干扰，丢弃当前电力实时采样值WS1、WS2；

步骤(2.B)：如果|W₁-WP_n|≥Wk不成立，继而判断W₁≥W是否成立，如果成立则计算WS1超出采样额定值W的次数M2；如果M2≥J2，本次WS1大于采样额定值W次数足够多，排除偶然的脉冲干扰，由于一般保护级测量的动态范围更大，取WS1为本次滤波采样值W_n+1；如果M2<J2，本次WS1大于采样额定值W次数很少，可能是偶然的脉冲干扰，由于测量级测量的准确度好，动态范围小，取WS2作为本次滤波采样值W_n+1；

步骤(2.C)：如果|W₁-WP_n|≥Wk不成立，继而当W₁≥W也不成立时，说明此时测量采样值处于稳态，并在采样额定值W之内，此时取测量准确度高的WS2作为本次滤波采样值W_n+1。

进一步的，步骤3是进行滑动累加平均计算。其具体包括如下过程：将步骤2获得的本次滤波采样值记为W_n+1，将W_n+1加入长度为N的采样值信号队列[W₁,W₂,W₃…W_n-1,W_n]，信号队列变成[W_n+1,W₂,W₃…W_n-1,W_n]，然后计算出累加平均值Wp_n+1作为输出信号。N可配置，其大小决定滑动累加平均的速度。N＝1的时候，采样值直接作为测量输出值，响应实时快速。

本发明的有益效果在于：本发明所述的方法，利用保护级采样值WS1，采样波动限定值Wk，采样额定值W，采样波动连续超限次数上限J1，采样连续超额次数上限J2，测量级采样值WS2和采样值信号队列长度N，调整测量输出信号的平滑度、响应速度和准确度，改进了普通的数字滤波方法单一的滤波方式，进一步提高了滤波的灵活性。这对于电力信号各种不同环境的应用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的处理流程示意图；

图2是本发明的信号流图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

作为一个具体的实施例，图1为本发明的处理流程示意图，图2为信号流图，首先获取保护级采样值WS1，采样波动限定值Wk，采样额定值W，采样波动连续超限次数上限J1，采样连续超额次数上限J2，测量级采样值WS2；然后对WS1参考各设置参数分析，选择合适的采样值(保护级采样值WS1或者测量级采样值WS2)作为本次滤波采样值；然后将获得的多次滤波采样值进行累加、求平均计算，得出累加平均值，作为测量输出值。具体的，参见图1和图2，该电力信号的数字滤波方法包括四个步骤：

步骤1、电力信号中，最基本的就是电流电压功率信号。通过传感器获取实时电压电流信号Vt和It，模型Vt＝A1*sin(ω1t+δ1)，It＝A2*sin(ω2t+δ2)，将该信号在时间t经过采样电路的电压调制为一定范围的弱电信号Vt和It，此信号输入到芯片采样脚，经过计算得出的实时功率Pt为一个采样点。从而在数字芯片中利用一个周期所有采样点的均方根得到本次功率采样信号Wt。在此过程中，一个周波的采样分为256个点，256个点的均方根值作为本次采样的有效值。当Wst经过一个周期256个点的采集[P1,P2,P3…P255,P256]，经过均方根计算得出被采集功率的有效值W_n。下一个采样点替换256点采样点中最旧值，新的采集点[P2,P3…P256,P257]采样信号有效值W_n+1。这一步延时约为采集时间为f在市电频率频率50hz时延时t为0.078125ms。这个采样值就作为保护级的采样值WS1， $WS1=\sqrt{\left(\underset{t=1}{\overset{t=256}{\&Sigma;}}\right(Pt*Pt)-P1*P1+P257*P257))*\frac{1}{256}}.$ 测量级的采样值WS2一般有高精度的电能计量专用集成芯片获得。根据实际应用设置好的保护级采样值WS1，采样波动限定值Wk，采样额定值W，采样波动连续超限次数上限J1，采样连续超额次数上限J2，测量级采样值WS2，采样值队列长度N。在本次采样前已有上次输出测量值WP_n。

步骤2、电力信号采样信号有效值前64次的数据存入长度为64的RAM中，此队列标记为[W₁,W₂…W₆₃,W₆₄]，其累加平均值是上一次的输出信号WP_n，即 计算本次保护级采样值和上次测量,输出值的差值|W₁-WP_n|，用这个差值的绝对值|W₁-WP_n|代表本次采样的波动值，并对此波动值进行判断，是否超过采样波动限定值Wk。判断公式是同时，根据需要判断本次滤波采样值是否超过采样额定值W，即W₁≥W。同时对于和W₁≥W的判断成功计数M1和M2，对M1和M2各自判断波动超限次数上限M1≥J1和额定超限次数上限M2≥J2，根据这四个判断标准有以下的情形：

判断公式成立，计算超出采样波动限定值Wk的次数M1，在M1≥J1的情况下，即本次WS1波动大于采样波动限定值Wk次数足够多，排除偶然的脉冲干扰，由于一般保护级测量的动态范围更大，采用测量采样值WS1作为滤波采样值，组合判断公式判断公式成立，计算WS1超出采样波动限定值Wk的次数M1，在M1<J1的情况下，即本次WS1波动大于采样波动限定值Wk次数少，可能是偶然的脉冲干扰，丢弃当前电力实时采样值WS1、WS2，直接按原测量值输出，组合判断公式为判断不成立，继而判断W₁≥W成立，则计算WS1超出采样额定值W的次数M2，在M2≥J2的情况下，本次WS1大于采样额定值W次数足够多，排除偶然的脉冲干扰，取动态范围大的保护级WS1值，组合判断公式 $\left(\right|W_1-\frac{1}{64}*\underset{n=1}{\overset{64}{\&Sigma;}}{W}_n|<W_n)\&cup;(W_1\&GreaterEqual;W)\&cup;(M2\&GreaterEqual;J2);$ 判断不成立，继而判断W₁≥W成立，则计算WS1超出采样额定值W的次数M2，在M2<J2的情况下，本次WS1大于采样额定值W次数很少，可能是偶然的脉冲干扰，由于测量级测量的准确度好，动态范围小，取WS2作为本次滤波采样值，组合判断公式为 $\left(\right|W_1-\frac{1}{64}*\underset{n=1}{\overset{64}{\&Sigma;}}{W}_n|<Wk)\&cup;(W_1\&GreaterEqual;W)\&cup;(M2<J2);$ 判断不成立，继而判断W₁≥W也不成立，这就是保护级采样值判断到波动较小，也没有超过采样额定值，则取测量级采样值WS2为滤波采样值，可保证滤波采样值取得的精确度和稳定度，组合判断公式为 $\left(\right|W_1-\frac{1}{64}*\underset{n=1}{\overset{64}{\&Sigma;}}{W}_n|<Wk)\&cup;(W_1<W).$

步骤3、上一步是丢弃采样值WS1和WS2时，将上一次的输出信号WP_n作为本次的输出信号WP_n+1，这样偶然的脉冲干扰被滤除，电力信号变送输出稳定，记WP_n+1＝WP_n。在采用WS1或WS2作为滤波采样值时，本次采样值为有效数据，将本次滤波采样值W_n+1替换RAM中长度为64的采样信号队列[W₁,W₂…W₆₅,W₆₄]中的最旧值WS1，第一次替换，即用W₆₅替换W₁，最旧值的位置随着采样次数K变化为变化；将这个采样值队[W₂…W₆₃,W₆₄,W₆₅]做累加平均计算，得出本次输出信号 这一步中，采样信号队列长度64，采样波动限定值Wk，采样额定值W，采样波动连续超限次数上限J1，采样连续超额次数上限J2，存在ROM中，一般都在E²PROM中。配置的参数大小可决定真实的数据经过多少判断再反应到测量输出值。这一步的求和、除法运算，耗费一定的数字芯片时钟周期，根据不同的求和次数，时钟周期的消耗时间不能确定。按10000个时钟周期计算，在100M的芯片速率下，仅有0.1ms，延时时间在采样时间以内，忽略不计。在实际的应用环境中，输出的情况具体为以下三种：

1)稳态即 $\left(\right|W_1-\frac{1}{64}*\underset{n=1}{\overset{64}{\&Sigma;}}{W}_n|<Wk)\&cup;(W_1<W).$

最终输出信号比平滑较稳定。

2)丢弃偶然脉冲即最终输出WP_(n+1)＝WP_n。

3)超额功率电力信号上升较大，即最终输出经过几次循环，WP_n+1接近稳定，并达到的稳态条件。在以上过程中，有M1从0增长到J1的过程，有M2从0增长到J2的过程，有更新长度为N的采样值队列的过程，此过程丢弃部分采样值，不能及时响应有效的采样值，造成响应延时。因为响应实时性要求高时，首先将J1、J2、N设置的更小。

步骤4、本次的输出信号WP_n+1，常见的一种是，在数字芯片中作为PWM波输出，再经过数模转换电路，变送输出为4-20mA的电路。当信号WP_n+1为0，对应输出4mA电流；当信号WP_n+1到一个规定的满度值，对应输出20mA电流。

本发明说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知知识。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电力信号数字滤波方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：获取保护级采样值WS1、采样波动限定值Wk、采样额定值W、采样波动连续超限次数上限J1、采样连续超额次数上限J2、和测量级采样值WS2；

步骤2：对保护级采样值WS1进行分析：结合步骤1给定的参数，对检测到采样波动和采样超额进行计数来滤除偶然干扰；根据分析结果选择保护级采样值WS1或者测量级采样值WS2作为本次滤波采样值；

步骤3：将步骤2获得的滤波采样值进行累加、求平均计算，得出累加平均值，作为测量输出值WP_n。

2.根据权利要求1所述的一种电力信号数字滤波方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下过程：

如果|W₁-WP_n|≥Wk成立，则计算|W₁-WP_n|超出采样波动限定值Wk的次数M1；

如果M1≥J1，则取WS1作为本次滤波采样值W_n+1；如果M1<J1，则丢弃当前电力实时采样值WS1、WS2；

如果|W₁-WP_n|≥Wk不成立，同时W1≥W成立，则计算WS1超出采样额定值W的次数M2；如果M2≥J2，则取WS1为本次滤波采样值W_n+1；如果M2<J2，则取WS2作为本次滤波采样值W_n+1；

如果|W₁-WP_n|≥Wk不成立，同时当W1≥W也不成立时，则取测量准确度高的WS2作为本次滤波采样值W_n+1。

3.根据权利要求1或2所述的一种电力信号数字滤波方法，其特征在于，所述步骤1具体包括，通过保护级传感器和测量级传感器获取电力信号，并将该信号调制为一定范围的弱电信号，经过换算得到本次采样的保护级采样值WS1和测量级采样值WS2；获取上一次测量输出值WP_n；同时设置好各项参考量：采样波动限定值Wk、采样额定值W、采样波动连续超限次数上限J1和采样连续超额次数上限J2。

4.根据权利要求1或2所述的一种电力信号数字滤波方法，其特征在于：所述步骤3是进行滑动累加平均计算。

5.根据权利要求4所述的一种电力信号数字滤波方法，其特征在于：步骤3具体包括如下过程：将步骤2获得的本次滤波采样值记为W_n+1，将W_n+1加入长度为N的采样值信号队列[W₁,W₂,W₃…W_n-1,W_n]，信号队列变成[W_n+1,W₂,W₃…W_n-1,W_n]，然后计算出累加平均值WP_n+1作为输出信号。