曾作欽 蘇金州 蘇雄斌

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福州 350002）

由于低壓電器試驗(yàn)現(xiàn)場存在著各種無法預(yù)測(cè)的干擾，導(dǎo)致采集的試驗(yàn)信號(hào)中夾雜著大量的復(fù)雜噪聲，淹沒了真實(shí)信號(hào)，即便在檢測(cè)設(shè)備的硬件部分添加了抗干擾部件，也只能在一定程度上減少干擾或降低噪聲[1]。因此，為了使采集到的信號(hào)能反映真實(shí)的信號(hào)原型，便于后續(xù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析處理，對(duì)產(chǎn)品性能的評(píng)價(jià)，在完成信號(hào)采集和初步處理后，還必須進(jìn)行有效的去噪處理。

為了達(dá)到最佳的去噪效果，不但要選取合適的信號(hào)去噪工具，比如數(shù)字濾波器[2]、小波變換[3]或SVD[4]等，還要確定所選去噪工具中的最佳去噪配置，比如合理設(shè)置Butterworth數(shù)字濾波器中的高、低截止頻率及階數(shù)等，這些參數(shù)值的選擇會(huì)直接影響最終的信號(hào)去噪效果。因此，如何在最大限度去除噪聲的同時(shí)保留信號(hào)的原特征是去噪過程中的一個(gè)難點(diǎn)，比如數(shù)字濾波器的低截止頻率設(shè)置太高，會(huì)消噪不足，使信號(hào)中較弱的特征成分被噪聲淹沒；設(shè)置太低，則消噪過度，將信號(hào)中較弱的特征成分誤認(rèn)為是噪聲被濾除[2]。因此，長期以來，低壓電器檢測(cè)工作者一直在尋求一種功能全面的去噪工具，以滿足不同試驗(yàn)現(xiàn)場對(duì)所采集信號(hào)的去噪需要。正是基于此目的，引入一種綜合型虛擬濾波器SubFilter，并結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用需求，展開對(duì)該濾波器及其在低壓電器測(cè)試系統(tǒng)中應(yīng)用的研究和討論。

1 SubFilter與信噪比

LabVIEW是一種圖形化的編程軟件，它提供了技術(shù)人員和工程師們熟悉的圖標(biāo)，使得過去繁復(fù)的軟件開發(fā)變得簡單、方便，利用它進(jìn)行儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，可以在很大程度上避開繁冗的程序代碼編寫和硬件電路的設(shè)計(jì)，大大縮短了設(shè)計(jì)周期。該軟件的外觀和操作類似于真實(shí)的物理儀器，又被稱為虛擬儀器，可用于實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量和控制。因此，被廣泛地被應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和實(shí)驗(yàn)室研究，并視其為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[1-5]。

而在LabVIEW中就有一種綜合型數(shù)字濾波器，即SubFilter，其程序面板如圖1所示，這種濾波器能根據(jù)實(shí)際情況的需要選擇合理的濾波器類型、拓樸結(jié)構(gòu)、抽頭數(shù)、截止頻率和階數(shù)等。該濾波器不是在函數(shù)面板的Signal Processing/Filters目錄下，而是在Express/Signal Analysis目錄下，因此常常會(huì)被人們忽視。

圖1 SubFilter的程序面板

使用SubFilter時(shí)，首先進(jìn)行濾波器類型的選擇，并設(shè)置截止頻率，而只有選擇帶通及帶阻型濾波器時(shí)才需要同時(shí)設(shè)置高、低截止頻率；接著進(jìn)行沖激響應(yīng)類型的選擇，當(dāng)選擇FIR濾波器時(shí)，還要選擇恰當(dāng)?shù)某轭^數(shù)，而選擇 IIR濾波器時(shí)，則要根據(jù)所采集信號(hào)及其所含噪聲的情況，選擇合適拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的濾波器，并配以恰當(dāng)?shù)碾A數(shù)；對(duì)于平滑濾波器，則需要選擇移動(dòng)加權(quán)窗及設(shè)置對(duì)應(yīng)的移動(dòng)半寬，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的最佳去噪。另外，它還有錯(cuò)誤反饋功能，錯(cuò)誤輸出包含錯(cuò)誤信息，默認(rèn)無錯(cuò)誤。如果錯(cuò)誤輸入表明在函數(shù)運(yùn)行前已發(fā)生錯(cuò)誤，它將把錯(cuò)誤輸入值傳遞至錯(cuò)誤輸出，并且輸出相同的錯(cuò)誤信息，否則，表明函數(shù)中表現(xiàn)為錯(cuò)誤狀態(tài)。

而對(duì)信號(hào)的質(zhì)量、信號(hào)被噪聲污染的嚴(yán)重程度或信號(hào)的去噪效果不能只是單純地憑借直覺進(jìn)行簡單、感觀地評(píng)價(jià)和描述，必需用定量指標(biāo)來評(píng)價(jià)。信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）是常用的評(píng)價(jià)噪聲量度的有效工具[6]，即

式中，f(n)為原始信號(hào)，θ(n)為含噪或去噪后的信號(hào)。若某信號(hào)的信噪比越大，表明該信號(hào)的噪聲含量越小或去噪效果越好，與原始信號(hào)近似度越高，該信號(hào)的質(zhì)量就越好。

2 SubFilter的去噪效果研究

某斷路器進(jìn)行最大短時(shí)耐受電流下的短路分?jǐn)嗄芰Γ?.1s）附加試驗(yàn)時(shí)，利用SATURN數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到電流信號(hào)Ia，如圖2（a）所示。為了能全面分析SubFilter的去噪效果，人為地給電流信號(hào)Ia加上隨機(jī)噪聲，結(jié)果如圖2（b）所示，此時(shí)該含噪信號(hào)的信噪比為24.58dB。

從圖2（b）中可見，該信號(hào)噪聲很大，與未加噪聲之前的信號(hào)相比，出現(xiàn)了明顯的畸變，而對(duì)這類信號(hào)肯定無法進(jìn)行電流值、通電時(shí)間及焦耳積分等關(guān)鍵試驗(yàn)參數(shù)的計(jì)算。

圖2 短時(shí)耐受電流信號(hào)

隨機(jī)選用 SubFilter中的 Butterworth濾波器、Bessel濾波器、橢圓濾波器及平滑濾波器對(duì)圖2（b）所示的電流噪聲信號(hào)進(jìn)行去噪處理，得到的處理效果如圖3所示?？梢郧宄吹?，圖3（a）中Butterworth濾波器處理后的信號(hào)，電流中的噪聲已基本得到去除，由式（1）計(jì)算得到此時(shí)圖 3（a）信號(hào)的信噪比為57.15dB，是圖2（b）所示信號(hào)的2.33倍，信號(hào)的質(zhì)量得到明顯的提升；圖3（b）為Bessel濾波器處理后的信號(hào)，其信噪比為 52.29dB，去噪效果比圖3（a）稍微差一點(diǎn)；圖3（c）為橢圓濾波器處理后的信號(hào)，其效果看似與圖 3（a） 相當(dāng)，但其信噪比卻只有 46.75dB，出現(xiàn)較大幅度的下降；而圖3（d）為平滑濾波器處理后的信號(hào)，很明顯第一個(gè)波谷的峰值較大，倒數(shù)第三個(gè)波峰也出現(xiàn)一定程度的變形，其信噪比為 42.81dB，去噪效果較差。可見，處理類似圖2（b）所示的信號(hào)，采用Butterworth濾波器的去噪效果最佳。

圖3 幾種濾波器的去噪結(jié)果

傳統(tǒng)的硬件濾波方法存在著體積大、成本高、更新不方便等缺點(diǎn)，而這些在SubFilter中是不存在的，且操作簡單、功能全面，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際場合的使用需求，選擇當(dāng)中合適的濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪處理。

3 小容量開關(guān)元件測(cè)試系統(tǒng)

小容量開關(guān)元件的接通與分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)現(xiàn)場存在著各種干擾，容易導(dǎo)致采集到的信號(hào)中存在著各種噪聲，所以，對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行有效去噪是非常重要的。這里將利用上節(jié)介紹的SubFilter來設(shè)計(jì)合適的測(cè)試系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)這類信號(hào)的最佳去噪。

小容量開關(guān)元件測(cè)試系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)該類型元件在正常、非正常條件下進(jìn)行接通與分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)時(shí)重要參數(shù)的自動(dòng)采集、分析和測(cè)量等。圖4所示為系統(tǒng)軟件的總體框圖，可以看到，該系統(tǒng)軟件主要分為控制與信號(hào)采集、信號(hào)去噪、波形分析處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和示波圖生成等幾個(gè)重要部分。下面主要討論系統(tǒng)中的信號(hào)去噪部分，包括它的程序框圖、去噪效果等。

圖4 軟件部分總框圖

程序框圖決定了函數(shù)的運(yùn)行方式，連線將輸入、顯示控件與各函數(shù)相互連接，數(shù)據(jù)從輸入控件流向各函數(shù)，最后流向顯示控件。本系統(tǒng)去噪部分的主要程序框圖主要部分如圖5所示，系統(tǒng)首先將采集到的試驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)比例還原的處理，然后通過輸入端傳送到所選擇的SubFilter中的恰當(dāng)濾波器進(jìn)行處理，最后通過輸出端傳遞到顯示控件。

圖5 去噪程序框圖的核心部分

圖6所示為小容量開關(guān)元件的接通與分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)控制采集中心，由試驗(yàn)控制臺(tái)、測(cè)試系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)時(shí)，電流由電流傳感器模塊測(cè)量，電源電壓和斷口電壓直接連接到電壓測(cè)量模塊測(cè)量；然后，將所有二次側(cè)信號(hào)傳送到的上位機(jī)；最后，由測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行去噪、分析和計(jì)算等處理。

圖6 控制采集中心

現(xiàn)以 CJX2型繼電器在正常條件下的接通與分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)為例展開分析討論，試驗(yàn)時(shí)直接采集到的信號(hào)如圖7（a）所示。從圖中可見，電壓、電流信號(hào)都帶有非常明顯的噪聲，包括毛刺、高頻和明顯的脈沖信號(hào)，淹沒了含有重要信息的真實(shí)信號(hào)，這樣是無法對(duì)電壓值、電流值和時(shí)間常數(shù)展開測(cè)量的。因此，應(yīng)該先進(jìn)行有效的去噪處理，保證信號(hào)的波形變得光滑清晰的同時(shí)保留好重要信息，以便進(jìn)行后續(xù)的測(cè)量分析。

圖7 繼電器的試驗(yàn)信號(hào)

接著，使用研發(fā)的小容量開關(guān)元件測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行去噪處理。經(jīng)過多次分析比較，發(fā)現(xiàn)對(duì)該類信號(hào)選用橢圓濾波器進(jìn)行去噪，能得到最佳的去噪效果。那么，利用橢圓濾波器去噪后得到的波形如圖7（b）所示，可以看到，去噪后，所有信號(hào)波形中的噪聲都得到有效的去除，波形變得光滑清晰，真實(shí)信號(hào)得以顯現(xiàn)，特別是在斷口電壓通道，波形的突變部分得到有效保留。而這些突變往往含有電弧電壓、過電壓等的暫態(tài)信息，能真實(shí)反映斷口電壓的變化情況，能用于初步鑒別被試?yán)^電器的性能狀況。

此外，可以發(fā)現(xiàn)處理類似圖7（a）所示信號(hào)效果最佳的橢圓濾波器在處理類似圖2（b）所示的信號(hào)時(shí)，去噪效果卻是一般而非最佳。這不是偶然現(xiàn)象，在一種電容放電試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)中也采用了 SubFilter[7]，而此時(shí)卻是選用圖 3中去噪效果最差的平滑濾波器才能達(dá)到最佳的去噪效果。

綜上可見，根據(jù)實(shí)際使用場合需求，選擇合適的濾波器進(jìn)行去噪，以達(dá)到最佳的去噪效果，這是普通濾波器不能完全具備的能力，而SubFilter卻可以實(shí)現(xiàn)，并且它的可靠性和有效性也在上面的實(shí)例中得到有很好的驗(yàn)證。

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同低壓電器試驗(yàn)場合所采集信號(hào)進(jìn)行有效去噪，便于后續(xù)對(duì)信號(hào)的計(jì)算分析和產(chǎn)品性能的評(píng)價(jià)，引入并結(jié)合實(shí)例研究了一種綜合型去噪工具SubFilter的去噪效果。根據(jù)不同使用場合的需求，選擇SubFilter中不同類型的濾波器，作為信號(hào)去噪模塊的核心部分應(yīng)用到小容量開關(guān)元件測(cè)試系統(tǒng)和電容放電測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)中，通過對(duì)實(shí)際試驗(yàn)信號(hào)的去噪處理，驗(yàn)證了該濾波器可靠、有效的去噪效果和全面的去噪能力，同時(shí)也解決了傳統(tǒng)硬件濾波器存在的體積大、成本高、更新不方便等問題。

[1] 蘇金州, 許志紅. 基于LabVIEW軟件的電磁電器測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J]. 電工電氣, 2010(3): 55-59.

[2] Boggess A, Narcowich F J. 小波與傅里葉分析基礎(chǔ)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.

[3] 谷文靜, 金濤. 基于小波變換的電力系統(tǒng)諧波分析研究[J]. 電氣技術(shù), 2012(8): 36-40.

[4] 趙學(xué)智, 葉邦彥. 分量形成方式對(duì)奇異值分解信號(hào)處理效果的影響[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 45(3):368-374.

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[6] 陳強(qiáng), 黃聲享, 王韋. 小波去噪效果評(píng)價(jià)的另一指標(biāo)[J]. 測(cè)繪信息與工程, 2008, 33(5): 13-14.

[7] 蘇金州, 鄭立新, 陳金汕, 等. 基于 GB/T 15576—2008標(biāo)準(zhǔn)的放電試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)[J]. 電工電氣,2011(11): 53-56.