CN202978844U

CN202978844U - 用于电力装置信号滤波的带通滤波器

Info

Publication number: CN202978844U
Application number: CN 201220748353
Authority: CN
Inventors: 白晓民; 董伟杰; 朱宁辉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2022-12-28

Abstract

本实用新型提供了一种用于电力装置信号滤波的带通滤波器。该用于电力装置信号滤波的带通滤波器包括第一二阶带通滤波器和第二二阶带通滤波器，第一二阶带通滤波器和第二二阶带通滤波器的通带中心频率均为50Hz，其中，第一二阶带通滤波器包括第一放大器，第一放大器的第一输入端连接电压输入信号，第一放大器的第二输入端接地；第二二阶带通滤波器包括第二放大器；第二放大器的第一输入端连接第一放大器的输出端，第二放大器的第二输入端接地，第二放大器的输出端输出滤波后的电压信号。本实用新型的电路具有成本低、电路简单，实用性强、有效减轻微处理器运算压力等多种优点，为电力装置信号处理系统提供了可靠的信号保证。

Description

用于电力装置信号滤波的带通滤波器

技术领域

本实用新型涉及电力领域，具体而言，涉及一种用于电力装置信号滤波的带通滤波器。

背景技术

在电力领域，需要采集大量的电力信号。例如电力系统测量装置、电能计量装置、电力系统继电保护装置、可控无功补偿装置（如可控串补装置、并补装置、混合补装置等），无功发生器（Static Var Generator，SVG），有源电力滤波（各类并联型、串联型、混合型Active powerfilter，APF）等电力装置都需要采集电压或电流信号以进行数据分析处理。这些电压或电流信号一般通过互感器减小幅值后，通过一系列的调制电路，送入采样器件进行数据采集。

对于以上电力信号，一般为交流信号。然而周期性函数在满足狄利克雷条件的情况下，该函数的傅立叶级数收敛，即一个周期性非正弦信号可通过傅立叶级数分解，可以得到：

由此，周期性信号y(t)可以表示为0到无限大频率的信号的组合。电力系统中电压和电流信号基本满足这个条件。

在电力系统电力装置的信号采集过程中，所采集的信号除了我们所需要的50Hz电力基波信号，还包括各个频率段的干扰信号，干扰是不可避免的，原因也是多方面的，从来源进行区分，可以主要分为外部因素和内部因素。

其中，外部因素包括：互感器和采集电路的误差、外部空间干扰等。其中，电压和电流的传感器或互感器由于制造上的原因，或多或少的存在磁饱和或磁泄露或者其它一些物理缺陷，致使传感器或互感器所转换的电压或电流信号存在一定的非线性和误差。采集电路所使用的二极管，三级管，开关电源，放大器等，也都存在一定的非线性和误差。外界工频或高频电磁波耦合进采集信号传输线，致使从传感器到电路的信号存在一定的干扰和杂波。

内部因素主要来源于电网本身信号中存在的非线性信号。电网本身就存在着谐波，电网中的谐波主要由各种大容量的电力设备和用电变流器以及其它非线性负载产生，这些非线性负载包括电弧加热设备，感应加热设备，家用电器，交流整流器和变频器等。电网谐波导致的后果是电网电压并不是完整的正弦波形，而是有一定杂波和干扰，甚至是有“塌陷”的正弦波形。

然而大量电力装置所要完成的电量计量、测量、无功检测及补偿、谐波检测及补偿都依赖于信号采样滤波电路的性能，针对不同的电力设备需要的信号类型也不同，有些具体应用需要使用电压信号的基波信号，有些需要同时使用电压和电流信号。

如果信号存在干扰，会对信号处理造成一定的难度，进而对系统本身造成一定的危害。例如对一个带有很大谐波干扰的信号进行处理时，本来电网主信号没有谐波，但处理器接收的信号存在谐波干扰，经过运算，控制谐波补偿设备开始补偿，导致没有谐波的电网变得有了谐波。无功补偿设备的道理也一样。所以如果信号存在干扰，会导致处理器给出错误的控制指令，小则影响补偿效果，大则有可能导致系统崩溃。对于测量或计量设备，则可能导致误差偏大，影响数据的准确性。

而且电力装置所要完成的电量计量、测量、无功/谐波检测和补偿控制，都需要准确的电压过零点。在部分设置有锁相环电路的电力装置中，也需要准确的电压过零点。谐波也会导致过零点检测不准。

为了在以上信号中滤除谐波，提取处50Hz基波信号，就需要用带通滤波器，但是现有技术中的滤波器都会造成相位延迟，出现信号失真进而导致处理器计算出的无功功率、谐波或者其它所需要的电量结果存在误差。

针对现有技术中的滤波器的相位延迟影响基波信号的正确采集的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种用于电力装置信号滤波的带通滤波器，以解决现有技术中滤波器的相位延迟影响基波信号的正确采集的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于电力装置信号滤波的带通滤波器。该用于电力装置信号滤波的带通滤波器包括第一二阶带通滤波器和第二二阶带通滤波器，第一二阶带通滤波器和第二二阶带通滤波器的通带中心频率均为50Hz，其中，第一二阶带通滤波器包括第一放大器，第一放大器的第一输入端连接电压输入信号，第一放大器的第二输入端接地；第二二阶带通滤波器包括第二放大器；第二放大器的第一输入端连接第一放大器的输出端，第二放大器的第二输入端接地，第二放大器的输出端输出滤波后的电压信号。

进一步地，第一二阶带通滤波器还包括第一电容，第一放大器的第一输入端通过该第一电容连接电压输入信号，其中，第一电容的第一端连接电压输入信号，第一电容的第二端连接第一放大器的第一输入端；第二二阶带通滤波器还包括第二电容，第二放大器的第一输入端通过该第二电容连接第一放大器的输出端，其中第二电容的第一端连接第一放大器的输出端，第二电容的第二端连接第二放大器的第一输入端。

进一步地，第一电容和第二电容均为精密电容。

进一步地，第一二阶带通滤波器还包括第一电阻，第一电阻的第一端与第一放大器的第一端连接，第一电阻的第二端与第一放大器的输出端连接；第二二阶带通滤波器还包括第二电阻，第二电阻的第一端与第二放大器的第一端连接，第二电阻的第二端与第二放大器的输出端连接。

进一步地，第一电阻和第二电阻均为精密电阻。

进一步地，第一二阶带通滤波器还包括第三电阻，第三电阻的第一端与地连接，第三电阻的第二端与第一电容的第一端连接；第二二阶带通滤波器还包括第四电阻，第四电阻的第一端与地连接，第四电阻的第二端与第二电容的第一端连接。

进一步地，第三电阻为可调电阻；第四电阻为可调电阻或精密电阻。

进一步地，第一二阶带通滤波器还包括第三电容，第三电容的第一端与第一电容的第一端连接，第三电容的第二端与第一放大器的输出端连接；第二二阶带通滤波器还包括第四电容，第四电容的第一端与第二电容的第一端连接，第四电容的第二端与第二放大器的输出端连接，其中第三电容和第四电容均为精密电容。

进一步地，本发明提供的用于电力装置信号滤波的带通滤波器还包括第五电阻和第六电阻，其中，第五电阻设置在电压输入信号和第一电容的第一端之间，其中，第六电阻设置在电压输入信号和第二电容的第一端之间，第五电阻和第六电阻均为精密电阻。

进一步地，第一二阶带通滤波器和第二二阶带通滤波器中的电阻的阻值和电容的容值根据通带增益、通带带宽、和转折频率衰减值设定。

应用本实用新型的技术方案，使用两级级联的带通滤波器，具体包括放大器、电容、固定电阻和可调电阻。具体电路通过连接于输入与放大器间、放大器与放大器间、放大器与输出之间、输入与输出间的电容和电阻组成。具体的电阻和电容的规格根据通带中心频率、通带增益、通带带宽、以及转折频率衰减值等使用专用软件设计，再用电路中的可调部件来调节相位和幅值，使得输出信号较输入信号相位相同，幅值不衰减，最终搭建硬件电路。本实用新型采用硬件滤波的解决方案，具有成本低、电路简单，实用性强、有效减轻微处理器运算压力等多种优点，为电力装置信号处理系统实现快速检测、测量、计量、控制算法提供了可靠的信号保证。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型第一实施例的用于电力装置信号滤波的带通滤波器结构示意图；

图2是根据本实施例的用于电力装置信号滤波的带通滤波器电路图；

图3是根据本实施例的用于电力装置信号滤波的带通滤波器的优选的具体电路的示意图；

图4是根据本实施例的用于电力装置信号滤波的带通滤波器的优选的具体电路的相频响应曲线；

图5是根据本实施例的用于电力装置信号滤波的带通滤波器的优选的具体电路的仿真结果。

在图中，11为第一二阶带通滤波器，12为第二二阶带通滤波器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

本实用新型实施例提供了用于电力装置信号滤波的带通滤波器，图1是本实用新型第一实施例的用于电力装置信号滤波的带通滤波器结构示意图，如图1所示，该用于电力装置信号滤波的带通滤波器包括：包括第一二阶带通滤波器11和第二二阶带通滤波器，第一二阶带通滤波器11和第二二阶带通滤波器的通带中心频率均为50Hz，其中，第一二阶带通滤波器11包括第一放大器O1，第一放大器O1的第一输入端连接电压输入信号，第一放大器O1的第二输入端接地；第二二阶带通滤波器12包括第二放大器O2；第二放大器O2的第一输入端连接第一放大器O1的输出端，第二放大器O2的第二输入端接地，第二放大器O2的输出端输出滤波后的电压信号。

以上用于电力装置信号滤波的带通滤波器使用两级级联的带通滤波器，具体包括放大器，电容，固定电阻和可调电阻。具体通过连接于输入与放大器间、放大器与放大器间、放大器与输出之间、输入与输出间的电容和电阻组成。具体的电阻和电容的规格的设计过程为：根据通带中心频率、通带增益、通带带宽、以及转折频率衰减值等，用专用软件设计出合适的滤波器中电阻、电容参数，再用电路中的可调部件来调节相位和幅值，使得输出信号较输入信号相位相同，幅值不衰减，最后搭建硬件电路。本实用新型采用硬件滤波的解决方案，具有成本低、电路简单，实用性强、有效减轻微处理器运算压力等多种优点，为电力装置信号处理系统实现快速检测、测量、计量、控制算法提供了可靠的信号保证。

电压输入信号通过本实用新型的带通滤波器后，滤波后的电压信号基波分量，相位相同，幅值相同。上述第一放大器O1和第二放大器O2均使用正负电源同时供电，供电电压幅值依据元器件范围而定，电路中的固定电阻数量不固定，可调电阻的数量至少一个，甚至可以全部电阻都是可调电阻。输出信号的幅值和相位的调节均可以通过可调电阻来调节。

电路中各元器件的参数根据通带中心频率、通带增益、通带带宽、以及转折频率衰减值通过专用软件进行初步设置，并且通过可调电阻进行微调至无衰减、无相位差滤波。

通过本实施例的带通滤波器，将电网电压、电流信号的干扰和谐波信号过滤，仅剩基波信号，并且满足幅值不衰减、相位无延迟的要求，供无功补偿或谐波补偿装置的处理器计算之用。该滤波器不需要过多的元器件，调试难度小，占面积不大，简单实用。

图2是根据本实施例的用于电力装置信号滤波的带通滤波器电路图，下面结合附图2，对本实施例的用于电力装置信号滤波的带通滤波器电路结构进行详细说明：

第一二阶带通滤波器11和第二二阶带通滤波器12还可以分别包括第一电容C1和第二电容C2，第一放大器O1的第一输入端通过该第一电容C1连接电压输入信号，第二放大器O2的第一输入端通过该第二电容C2连接第一放大器O1的输出端，具体地，第一电容C1的第一端连接电压输入信号，第一电容C1的第二端连接第一放大器O1的第一输入端，第二电容C2的第一端连接第一放大器O1的输出端，第二电容C2的第二端连接第二放大器O2的第一输入端。优选地，第一电容C1和第二电容C2均为精密电容以保证精度。

第一二阶带通滤波器11和第二二阶带通滤波器12还可以分别包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的第一端与第一放大器O1的第一端连接，第一电阻R1的第二端与第一放大器O1的输出端连接；第二二阶带通滤波器12还可以包括第二电阻R2，第二电阻R2的第一端与第二放大器O2的第一端连接，第二电阻R2的第二端与第二放大器O2的输出端连接。优选地，第一电阻R1和第二电阻R2均为精密电阻以保证精度。

第一二阶带通滤波器11和第二二阶带通滤波器12还可以分别包括第三电阻R3和第四电阻R4，第三电阻R3的第一端与地连接，第三电阻R3的第二端与第一电容C1的第一端连接；第四电阻R4的第一端与地连接，第四电阻R4的第二端与第二电容C2的第一端连接。优选地，第三电阻R3为可调电阻；第四电阻R4为可调电阻或精密电阻。电路调试时，通过调节第三电阻R3的阻值实现输出信号与输入信号之间基波无相位差。

第一二阶带通滤波器11和第二二阶带通滤波器12还可以分别包括第三电容C3和第四电容C4，第三电容C3的第一端与第一电容C1的第一端连接，第三电容C3的第二端与第一放大器O1的输出端连接，第四电容C4的第一端与第二电容C2的第一端连接，第四电容C4的第二端与第二放大器O2的输出端连接，优选地，第三电容C3和第四电容C4均为精密电容以保证精度。

本实施例中的用于电力装置信号滤波的带通滤波器还包括第五电阻R5和第六电阻R6，其中，第五电阻R5设置在电压输入信号和第一电容C1的第一端之间，其中，第六电阻R6设置在电压输入信号和第二电容C2的第一端之间，第五电阻R5和第六电阻R6均为精密电阻。

上述电路中出现的电阻的阻值和电容的容值均根据通带增益、通带带宽、和转折频率衰减值设定。

以下以通带中心频率50Hz，通带增益为1，通带带宽20Hz，转折频率衰减-3dB的2阶带通滤波器为例进行说明。图3是根据本实施例的用于电力装置信号滤波的带通滤波器的优选的具体电路的示意图，该具体的带通滤波器参数由Texas Instruments所提供的专用软件FilterPro进行初步设计，参数值为第一电容C1=1μF，第二电容C2=1μF，第三电容C3=1μF，第四电容C4=1μF，第一电阻R1=15.8kΩ，第二电阻R2=15.8kΩ，第三电阻R3为阻值范围为0至1kΩ的可调电阻，第四电阻R4=680Ω，第五电阻R5=7.87kΩ，第六电阻R6=7.87kΩ。

图4是根据本实施例的用于电力装置信号滤波的带通滤波器的优选的具体电路的相频响应曲线。以上电路的仿真可以使用Proteus软件，在用于电力装置信号滤波的带通滤波器的输入端施加单位正弦，再叠加幅值0.1，频率2kHz的干扰，即：

Ui＝1×sin（2×π×50）＋0.1sin（2×π×2000）

调节所述的可调电阻R3，使输出Uo的相位与Ui的相位相同，幅值相同，仿真结果如图5所示。

以上仿真结果中，曲线L1为实际相位，曲线L2为实际增益。通过仿真结果可以看出，本实施例的用于电力装置信号滤波的带通滤波器达到了将采集信号经过带通滤波器后基波无相移，增益为1的效果，为电力装置处理运算提供了无失真的基波信号。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。以上第一第二的标号仅为说明部件之间的连接关系，并不存在结构上的次序。

应用本实用新型的技术方案，使用两级级联的带通滤波器，具体包括放大器、电容、固定电阻和可调电阻。具体电路通过连接于输入与放大器间、放大器与放大器间、放大器与输出之间、输入与输出间的电容和电阻组成。具体的电阻和电容的规格根据通带中心频率、通带增益、通带带宽、以及转折频率衰减值等，用专用软件设计，再用电路中的可调部件来调节相位和幅值，使得输出信号较输入信号相位相同，幅值不衰减，最终搭建硬件电路。本实用新型采用硬件滤波的解决方案，具有成本低、电路简单，实用性强、有效减轻微处理器运算压力等多种优点，为电力装置信号处理系统实现快速检测、测量、计量、控制算法提供了可靠的信号保证。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种用于电力装置信号滤波的带通滤波器，其特征在于，包括第一二阶带通滤波器和第二二阶带通滤波器，所述第一二阶带通滤波器和第二二阶带通滤波器的通带中心频率均为50Hz，其中，

所述第一二阶带通滤波器包括第一放大器，所述第一放大器的第一输入端连接电压输入信号，所述第一放大器的第二输入端接地；

所述第二二阶带通滤波器包括第二放大器；所述第二放大器的第一输入端连接所述第一放大器的输出端，所述第二放大器的第二输入端接地，所述第二放大器的输出端输出滤波后的电压信号。

2.根据权利要求1所述的用于电力装置信号滤波的带通滤波器，其特征在于，

所述第一二阶带通滤波器还包括第一电容，所述第一放大器的第一输入端通过该第一电容连接电压输入信号，其中，所述第一电容的第一端连接电压输入信号，所述第一电容的第二端连接所述第一放大器的第一输入端；

所述第二二阶带通滤波器还包括第二电容，所述第二放大器的第一输入端通过该第二电容连接所述第一放大器的输出端，其中所述第二电容的第一端连接所述第一放大器的输出端，所述第二电容的第二端连接所述第二放大器的第一输入端。

3.根据权利要求2所述的用于电力装置信号滤波的带通滤波器，其特征在于，

所述第一电容和第二电容均为精密电容。

4.根据权利要求2所述的用于电力装置信号滤波的带通滤波器，其特征在于，

所述第一二阶带通滤波器还包括第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述第一放大器的第一端连接，所述第一电阻的第二端与所述第一放大器的输出端连接；

所述第二二阶带通滤波器还包括第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述第二放大器的第一端连接，所述第二电阻的第二端与所述第二放大器的输出端连接。

5.根据权利要求4所述的用于电力装置信号滤波的带通滤波器，其特征在于，

所述第一电阻和第二电阻均为精密电阻。

6.根据权利要求2所述的用于电力装置信号滤波的带通滤波器，其特征在于，

所述第一二阶带通滤波器还包括第三电阻，所述第三电阻的第一端与地连接，所述第三电阻的第二端与所述第一电容的第一端连接；

所述第二二阶带通滤波器还包括第四电阻，所述第四电阻的第一端与地连接，所述第四电阻的第二端与所述第二电容的第一端连接。

7.根据权利要求6所述的用于电力装置信号滤波的带通滤波器，其特征在于，

所述第三电阻为可调电阻；所述第四电阻为可调电阻或精密电阻。

8.根据权利要求2所述的用于电力装置信号滤波的带通滤波器，其特征在于，

所述第一二阶带通滤波器还包括第三电容，所述第三电容的第一端与所述第一电容的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述第一放大器的输出端连接；

所述第二二阶带通滤波器还包括第四电容，所述第四电容的第一端与所述第二电容的第一端连接，所述第四电容的第二端与所述第二放大器的输出端连接，其中所述第三电容和第四电容均为精密电容。

9.根据权利要求2所述的用于电力装置信号滤波的带通滤波器，其特征在于，还包括第五电阻和第六电阻，其中，所述第五电阻设置在电压输入信号和所述第一电容的第一端之间，其中，所述第六电阻设置在电压输入信号和所述第二电容的第一端之间，所述第五电阻和第六电阻均为精密电阻。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的用于电力装置信号滤波的带通滤波器，其特征在于，所述第一二阶带通滤波器和第二二阶带通滤波器中的电阻的阻值和电容的容值根据通带增益、通带带宽、和转折频率衰减值设定。