线路工频参数测量软件中数字滤波器的Delphi实现
余锐
（成都电业局，四川成都　610016）　　　数字滤波技术是数字信号处理中应用广泛的一种线性系统环节。相对于传统的模拟滤波器，数字滤波器有滤波精度高、稳定性高和灵活性高的优点。数字滤波器按单位脉冲响应的不同可分为无限长单位脉冲响应（IIR）滤波器和有限长单位脉冲响应（FIR）滤波器。其中，FIR滤波器可以在幅度特性随意设定的情况下，保证精确严格的线性相位特性，且不存在不稳定问题。
　　现今数字滤波技术在电力系统中应用广泛，如微机保护中故障信号的处理，在线监测中的抗干扰措施等都可能采用数字滤波器。笔者曾参与研制与开发基于PC机的电力线路在线参数测量软件及其实用装置。该系统多在变电站和线路中使用，其周围电磁环境复杂，且试验电源中也可能含有谐波分量，为了测得准确的线路工频参数，滤波是必要的抗干扰措施之一。考虑到数字滤波器的上述优越性，故采用数字滤波器。
　　在线参数测量软件工作的实时性要求不太高，因此没有必要采用专用的DSP（Digitalsignalprocessor）芯片来实现数字滤波。同时，系统对外设的控制没有特殊要求，考虑到人机界面问题、对参数测量资料数据库的管理问题、软件的升级与维护问题，测量软件基于PC实现，而未采用常见智能仪表的单片机模式。其实现软件的硬件装置结构如图1示：
　　二次电流、电压经变送器电平转换、隔离、屏蔽和模拟低通滤波后进入后台PC，软件实现数字滤波算法。考虑到FIR滤波器能保证严格的线性相位，适合计算机实现，本装置中用窗函数法实现50Hz±5Hz带通FIR滤波器。为减小滤波器的截断效应，选择海明窗函数。
　　N阶FIR滤波器用下述差分方程描述，设计滤波器的任务即是找出一组合适的系数bi使滤波器性能满足设计要求。

窗函数法设计FIR滤波器的步骤为：
　　①根据技术要求即滤波器的理想频响确定待求滤波器的理想单位取样响应。
②选择窗函数，并估计窗口长度。
③计算滤波器的单位取样响应，即系数bi。
④验算技术指标是否符合要求。必要时重复步骤②～④。

1　数字滤波器的Delphi实现
　　Delphi是Inprise（原Borland）公司推出的一种基于ObjectPascal语言的面向对象的软件开发工具，采用控件的形式，可以快速、直观地进行Windows应用程序开发。
　　在线参数测量软件要求人机界面友好，支持测量结果的入库、查询和报表打印。选择Delphi作为软件开发工具是合适的。对于A／D的底层驱动编程，可以用Delphi的嵌入式汇编实现，这不是本文的重点。下文将说明用Delphi编程实现数字滤波器。
　　根据FIR的实现方法，设计TFirFilter类，在Del－phi中的定义如下。




　　其中，TComplex是为了方便处理复数而自定义的复数记录类型。
　　TFirfilter的私有变量封装了窗函数长度，理想带通滤波器的截止上、下频率，采样周期等变量以及实现FIR滤波器过程中产生的海明窗函数序列、理想滤波器单位脉冲响应序列、经窗函数截断处理后得到的滤波器单位脉冲序列，即（1）式中滤波器的系数序列。私有方法中实现上述各序列的产生过程。窗函数法是经典的FIR滤波器的设计方法，编程实现也很容易。因篇幅限制，这里不列出过程的具体代码。TFir－filter类的公有部分提供外部接口，构造过程Create根据生成对象实例时提供的滤波器的相应参数初始化类变量，GetPulseRespArray过程封装了滤波器系数的产生过程，并通过局部数组变量返回滤波器的设计结果，即系数序列｛bi｝，i＝0，1．．．n。GetDFTArray过程在需要时，用离散傅立叶变换（长度由ADFTSize决定）对滤波器进行谱分析，返回相应的频域复序列，由此可检验滤波器的频域指标是否符合技术要求。
　　在参数测量装置中，拟实现50Hz±5Hz的工频带通滤波器，采样频率为每工频周波16个点，经反复试验，滤波器的长度可考虑选取31阶。因此，在Del－p

　　由于采用面向对象的设计方法，TFirFilter类很容易扩展功能，如要使其适用于低通、带通、带阻、高通滤波器，或适用于不同的窗函数，只需增加相应的滤波器参数变量，如FilterType，WinType，并重载相应的实现过程。曾将上述TFirFilter的代码扩展重用以实现±150Hz的低通滤波器，用于变电站蓄电池巡检装置的数字滤波处理，效果良好，工作量很小。
2　数字滤波器实现方法性能的分析
　　从以下几个方面对前述用Delphi实现的数字滤波器的方法进行简单的评述。
　　（1）数字滤波器在Delphi中实现时，需自定义滤波器的设计过程，要求有一定的关于数字信号处理的基础。
　　（2）用Delphi实现时，可动态改变滤波器的参数，实现灵活的人机交互。
　　下面，列出设计所得的滤波器的频谱，借以验证Delphi中TFirfilter类的正确性。DFT的长度选为512，即Delphi的谱分析过程中ADFTSize赋值为512。
　　在Delphi中可利用第三方提供的共享控件sp＿XYLine，sp＿XYPlot，sp＿Spectrlines绘制相应的滤波器幅频特性，如图2示。
3　结论
　　在电力线路工频参数测量装置中，采用数字滤波技术作为抗谐波干扰的措施之一。阐述了分别利用Delphi中自定义的类来实现上述数字滤波器的方法，并对该方法进行了分析。
　　在线参数测量软件中，设计实现滤波器的计算量并不大，而且用户也不要求对滤波器进行在线的谱分析，因此，采用Delphi设计的数字滤波器已能满足用
户的需求。最后发布给用户中软件使用Delphi方法实现数字滤波器，经实验室仿真和现场测试，抗谐波干扰的效果良好。
参考文献
［1］　陈树德．计算机继电保护原理与技术［M］．北京：水利电力出版社．
［2］　SteveTeixeira、XavierPacheco著，任旭钧等译．Delphi5开发人员指南［M］．北京：机械工业出版社．
［3］　陶德元．数字信号处理原理及其应用［M］．成都：四川大学出版社．　　
四川电力技术