接地电阻测试系统中数字滤波技术研究

石震，梁慧媛，周琦，李伟，孙二杰

（1.山东建筑大学，济南250101；2.国网山东节能服务有限公司，济南250001）

·试验研究·

接地电阻测试系统中数字滤波技术研究

石震1，梁慧媛2，周琦2，李伟1，孙二杰1

（1.山东建筑大学，济南250101；2.国网山东节能服务有限公司，济南250001）

基于对数字滤波技术的讨论，分析采用数字滤波消除随机干扰的优点，并提出一种新型的数字滤波方法，通过应用于杆塔接地电阻测试系统对其可行性进行验证。该算法运算量小，对消除尖峰脉冲干扰效果明显，为信息采集提供了一种处理工具。

随机干扰；信号采集；数字滤波；接地电阻

0 引言

在杆塔接地电阻测试过程中，往往有一些噪声和干扰伴随测量信号输入到测试系统中，这些随机干扰频谱范围特别广，比如一个尖峰脉冲干扰的频谱范围理论上是无穷的，所以通用的硬件滤波电路无法完全消除这类信号的干扰，从而使测量数据存在一定误差。为了使得测量值误差变小，通常在进行数据应用之前进行数字滤波。数字滤波就是通过编写计算程序，从时域上对信号进行处理，从而减少干扰信号的在测量信号中的比重，尽可能地还原信号的真实值，为测试系统提供精确的数据支撑［1］。

相比于硬件滤波，软件滤波有很多不可比拟的优势。

1）从设计周期与成本上说，数字滤波无需增加外围设备，从而加快了外围电路的设计速度，也大大降低了设计成本。

2）从复用率上说，硬件滤波通常只服务于一个通道，而数字滤波器可随意调用［1］。

3）电路越复杂，电磁干扰就会越多，因此单纯从硬件入手又会带来新的问题，而利用数字滤波方法有效避免了这个问题。

4）从滤波范围上说，硬件滤波受限于元件参数，滤波频率不可能太低，导致滤波范围有限，而软件滤波可以通过调节程序参数来改变滤波范围，灵活性好，功能性强［2］。

1 常用数字滤波器算法

模拟信号都必须经过A／D转换之后才能被处理器使用，转换过程中干扰信号也混入其中，为了提高数据的可靠性，通常系统要进行高速连续采样，得到一组采样序列，通过对此序列进行筛选得到比较可靠的结果［3］，这种数据筛选算法称为数字滤波器算法。常用的数字滤波器算法有算术平均滤波法、中位值滤波法、限幅滤波法、消抖滤波法、一阶滞后滤波法、递推平均滤波法，有时可以把2种或2种以上不同滤波功能的数字滤波器组合起来，组成复合数字滤波器［4］。

2 新型数字滤波算法在杆塔接地电阻测试系统中的尝试

本算法是基于山东建筑大学机器人技术与智能系统研究院的杆塔接地电阻测试系统而研发的一种新算法，首先对杆塔接地电阻测试系统做一下简述。测试系统采用互感原理，将电压互感器和电流互感器分别接在杆塔的引下线上，由电压互感器感应至被测杆塔接地引下线上一个特定的电压信号，同时由电流互感器感应引下线中的电流，经过A／D转换为数字量送入MCU单元，最终通过特定的计算方法，得到被测杆塔的接地电阻阻值。现以超高压输电线路杆塔接地引下线测试数据做新算法尝试。在杆塔接地电阻测试环境下，主要的干扰信号频率在110 Hz左右，按奈奎斯特定理，取A／D采样频率为400 Hz。截取其中414个原始数据进行滤波试验，原始信号波形如图1所示。

从图1可以看出未经处理的波形很不稳定，受干扰情况比较严重，偶尔受到一个干扰它的输出值就能达到1 170 mV，而且这种干扰波动很宽，随机性强，所以这种纯粹的不经过任何处理的原始数据在杆塔接地电阻测试系统中己经不能用了，否则将很有可能造成误判，埋下安全隐患。

图1 原始信号波形

本文论述的新型数字滤波算法主要借鉴算术平均值滤波与限幅滤波法，在原有的功能基础上进行了改进，实现尽可能精确的滤波。新型数字滤波算法的主要流程是先建立一个数据队列，在进行数字滤波时首先确定滤波级数L，然后调用L次滤波子程序，就能输出一个经过L级滤波后的数据，通过多次试验总结L的取值对有效信号的干涉作用，最后寻找最佳的滤波级数应用于系统中。滤波子程序的流程是首先计算数据队列的算数平均值AVE，并找出数据队列中偏离平均值最大的数据项MAX，取MAX与AVE之差的绝对值的一部分作为异常判定因子b，然后对数据队列中的每个数据与算术平均值做差，取绝对值后与异常判定因子b进行比较，如果大于或等于判定因子b则将本数据修正为算数平均值，小于判定因子b则保持不变。同时由于采样的离散性，无法确定要修正的项的相邻项是否受到干扰，在此算法中一并将其修正为算术平均值。所有数据经逐一判定后生成新的序列。新型数字滤波算法的原理如图2所示。

图2 新算法原理框图

这里影响滤波效果的主要因素是滤波级数L和异常判定因子b，b的选取方法为

滤波效果的优劣关键在于d的选取，d为异常系数，d决定b的大小。首先如果d选取过大，异常判定因子b就相应变大，计算时只有少量偏离平均值比较大的数据才会被判定为修正项，这样滤波力度就会过小，从而漏判很多干扰数据，各种干扰信号将乘虚而入，使系统误差增大；同样的，如果d过小，滤波力度也会过大，很多真实值也会误判为干扰，原始信号便会失真，因此d的选取决定着滤波算法的优劣。再者滤波级数对滤波效果也有很大的影响，L如果很小，信号经滤波后只能把部分干扰项滤除，信号总体有可能不会太平稳；L如果过大，信号经过L级滤波后有可能总体已经偏离了原始信号，失真情况就会出现，同时计算速度也会变慢。通过试验方法总结两个参量的选取方式。

2.1 异常系数d取值试验

首先选取L=1，d=0.3来进行滤波效果验证。滤波结果如图3所示。图中红色线为滤波后的数据曲线，可以明显看出滤波后的信号相比于原始信号大大消弱了尖峰脉冲干扰信号，同时保持了波动较小的信号。

图3 L=1，d=0.3滤波效果

再加大滤波强度进行试验。选取L=1，d=0.2来进行滤波效果验证。滤波结果如图4所示。

图4 L=1，d=0.2滤波效果

图中红色线为滤波后的数据曲线，相比于第一次的试验结果，可以明显看出算法加大滤波强度后，波动较大的干扰全部消除，波动较小一些的干扰也消除了一部分。

2.2 滤波级数试验

选取L=2，d=0.3来进行滤波效果验证。滤波结果如图5所示。图中红色线为滤波后的数据曲线，与第一次试验结果相比，可以明显看出经过两级滤波后，虽然信号波形趋于稳定，但是信号总体已经出现了失真，这样的数据如果被系统使用可能会带来未知的误差。

图5 L=2，d=0.3滤波效果

选取L=2，d=0.2来进行滤波效果验证。滤波结果如图6所示。

图6 L=2，d=0.2滤波效果

图中红色线为滤波后的数据曲线，与第三次结果相比可以明显看出强度大的滤波算法经两级滤波后信号基本变成均值信号。

3 结果分析

通过试验可以发现，只要通过多次试验，观察试验结果后获得最佳参数d和L值，就能获得良好的滤波效果，新型的数字滤波算法可以应用于杆塔接地电阻测试系统中，此滤波算法是可行的。为了兼顾滤波效果与计算机资源，本算法中d和L的取值方法还有待进一步深入研究。

4 结语

在传统的数字滤波算法的基础上进行改进，研究一种新型数字滤波算法，通过在杆塔接地电阻测试系统中的应用，证明了其可行性，并由此得到启发：在实际的应用中，不一定要拘泥于传统的滤波算法，数字滤波算法要灵活灵用，才能真正适用于所应用的系统中。

［1］王幸之，王雷，翟成，等.单片机应用系统抗干扰技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2000.

［2］任克强，刘晖.微机控制系统的数字滤波算法［J］.现代电子技术，2003，3（11）：15-18.

［3］武优西，李建满，米少华，等.一种新的自适应数字滤波方法的研究［J］.计算机工程与应用，2012，48（2）：145-147.

［4］郑涛，石秀华，许晖.数字滤波新方法尝试与验证［J］.测控技术，2004，23（4）：19-20.

Research on Digital Filter in the Testing System of Earthing Resistance

SHI Zhen1，LIANG Huiyuan2，ZHOU Qi2，LI Wei1，SUN Erjie1
（1.Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.State Grid Shandong Energy Saving Service co.，Ltd，Jinan 250001，China）

The advantages of using digital filter to eliminate random interference are summarized based on the discussion on digital filter technology.Also，a new method of digital filter is proposed，the effectiveness and feasibility of which are verified in test system of grounding resistance.This algorithm has an advantage in that it takes relatively small amount of computation and it is obviously effective in the elimination of random interference.This study provides a processing tool for information acquisition.

random interference；signal acquisition；digital filter；earthing resistance

TP301.6

A

1007－9904（2015）04－0001－03

2015-01-23

石震（1990），男，硕士研究生，主要研究方向为超高压输电线路在线监测系统。

山东省信息产业专项发展资金项目（2012X0107）；济南市科技发展重大专项（201305160）；国网山东省电力公司2014年科技综合服务项目（SD14－GC－ZB004－ZH－KJ（1））