[發(fā)明專利]用于智能變電站數(shù)字化保護(hù)的低通濾波器設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610139675.3
• 申請(qǐng)日: 2016-03-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105811919B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉益青;高偉聰;孫天德
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 濟(jì)南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H03H17/00
• 分類(lèi)號(hào): H03H17/00
• 代理公司: 濟(jì)南譽(yù)豐專利代理事務(wù)所(普通合伙企業(yè))37240
• 代理人: 李茜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于智能變電站繼電保護(hù)的數(shù)字低通濾波器設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

智能變電站的信息采集實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，合并單元作為數(shù)據(jù)源，提供給數(shù)字化保護(hù)的采樣值序列一般固定為4 kHz采樣率，保護(hù)裝置需要對(duì)其降采樣至所需采樣率，因此設(shè)置有降采樣率環(huán)節(jié)。降采樣的處理過(guò)程中包含插值和抽取運(yùn)算，為防止插值、抽取過(guò)程的頻率混疊，在采樣值序列進(jìn)入降采樣環(huán)節(jié)前，需要借助數(shù)字低通濾波器來(lái)限制原始信號(hào)頻帶。

此外，數(shù)字化保護(hù)中基于正弦信號(hào)模型的相量快速提取算法和直接使用采樣值判據(jù)的保護(hù)算法也需要使用數(shù)字低通濾波器，以消除高次諧波的影響。

數(shù)字低通濾波器可分為無(wú)限沖激響應(yīng)（IIR）和有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器兩種。

IIR濾波器通常是依據(jù)成熟的模擬濾波器模型（例如巴特沃斯、切比雪夫、橢圓濾波器），采用沖激響應(yīng)不變法或雙線性變換法直接設(shè)計(jì)得到。IIR濾波器的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、成熟，濾波性能優(yōu)良，但是IIR濾波器采用遞歸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，且在Z平面上分布有極點(diǎn)，存在穩(wěn)定性問(wèn)題，不適于對(duì)濾波器有絕對(duì)穩(wěn)定性要求的繼電保護(hù)應(yīng)用。

FIR濾波器在Z平面上不存在極點(diǎn)，是絕對(duì)穩(wěn)定的，因此智能變電站繼電保護(hù)中使用的低通濾波器絕大部分都是FIR濾波器。FIR濾波器通常采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)得到，常用的窗函數(shù)包括矩形窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗等。窗函數(shù)對(duì)濾波器性能的影響主要體現(xiàn)在過(guò)渡帶陡峭度和紋波水平等指標(biāo)上。

下面簡(jiǎn)述在數(shù)字化保護(hù)領(lǐng)域中，選取Tukey窗函數(shù)，設(shè)計(jì)FIR低通濾波器的方法和步驟，具體過(guò)程如下：

設(shè)定Tukey窗函數(shù)的時(shí)域?qū)挾葹?T_c，并取f_c=1/T_c，f_c為濾波器的截止頻率，則Tukey窗函數(shù)的時(shí)域表達(dá)式可表示為：

(1)。

將公式(1)視為濾波器的時(shí)域單位沖激響應(yīng)函數(shù)，則可以通過(guò)對(duì)h(t)采樣得到數(shù)字濾波器單位沖激響應(yīng)序列h(n)，得到：

(2)

其中，T_s為采樣時(shí)間間隔；f_s為采樣頻率，且有f_s=1/T_s；n的取值為1≤n≤M，此范圍以外的n取h(n)=0；M為濾波器長(zhǎng)度，M=2f_s/f_c。

在給定的采樣頻率f_s下，給定濾波器長(zhǎng)度M，從而確定f_c=2f_s/M，也就得到了Tukey窗函數(shù)的時(shí)域?qū)挾?T_c=2/f_c，最終得到所設(shè)計(jì)的濾波器的系數(shù)為：

(3)。

明確濾波器群延遲和暫態(tài)時(shí)延的概念。定義濾波器的群延遲為：τ_g= - dφ(ω)/dω，其中ω為數(shù)字角頻率，φ(ω)為濾波器的相頻響應(yīng)函數(shù)；群延遲反映的是輸出信號(hào)包絡(luò)線的延遲，即濾波器的穩(wěn)態(tài)輸出延遲。濾波器的暫態(tài)時(shí)延T_d是指從輸入信號(hào)發(fā)生躍變到獲得穩(wěn)定的濾波器輸出之間的時(shí)間延遲。在T_d時(shí)間內(nèi)濾波器輸出處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中。

按照前述方法設(shè)計(jì)得到的基于Tukey窗函數(shù)的數(shù)字低通濾波器，其系數(shù)是偶對(duì)稱的，滿足線性相位條件。具有線性相位的濾波器，其群延遲與濾波器長(zhǎng)度N的關(guān)系為τ_g= (M-1) / 2，濾波器長(zhǎng)度也稱為濾波器階數(shù)。