解决方案︱SubFilter虚拟滤波器在低压电器测试系统中的应用
福建省产品质量检验研究院的研究人员曾作钦、苏金州、苏雄斌，在2015年第9期《电气技术》杂志上撰文指出，低压电器产品试验现场存在着各种无法预测的干扰，为使所采集到的信号能反映出真实的信号原型，便于展开后续的分析评价，需要根据试验场合选择合适的去噪工具进行去噪。因此，引入一种综合型虚拟滤波器SubFilter，结合实例展开对该滤波器去噪能力的研究。然后，将该滤波器应用到一种小容量开关元件测试系统的上位机软件中，并对实际试验信号进行去噪处理，结果表明，该滤波器的去噪效果可靠、有效，为更好地开展低压电器产品检测提供了保障。
由于低压电器试验现场存在着各种无法预测的干扰，导致采集的试验信号中夹杂着大量的复杂噪声，淹没了真实信号，即便在检测设备的硬件部分添加了抗干扰部件，也只能在一定程度上减少干扰或降低噪声[1]。因此，为了使采集到的信号能反映真实的信号原型，便于后续对试验结果的分析处理，对产品性能的评价，在完成信号采集和初步处理后，还必须进行有效的去噪处理。
为了达到最佳的去噪效果，不但要选取合适的信号去噪工具，比如数字滤波器[2]、小波变换[3]或SVD[4]等，还要确定所选去噪工具中的最佳去噪配置，比如合理设置Butterworth数字滤波器中的高、低截止频率及阶数等，这些参数值的选择会直接影响最终的信号去噪效果。
因此，如何在最大限度去除噪声的同时保留信号的原特征是去噪过程中的一个难点，比如数字滤波器的低截止频率设置太高，会消噪不足，使信号中较弱的特征成分被噪声淹没；设置太低，则消噪过度，将信号中较弱的特征成分误认为是噪声被滤除[2]。
因此，长期以来，低压电器检测工作者一直在寻求一种功能全面的去噪工具，以满足不同试验现场对所采集信号的去噪需要。正是基于此目的，引入一种综合型虚拟滤波器SubFilter，并结合实际的应用需求，展开对该滤波器及其在低压电器测试系统中应用的研究和讨论。
1 SubFilter与信噪比
LabVIEW是一种图形化的编程软件，它提供了技术人员和工程师们熟悉的图标，使得过去繁复的软件开发变得简单、方便，利用它进行仪器系统的设计与研究，可以在很大程度上避开繁冗的程序代码编写和硬件电路的设计，大大缩短了设计周期。该软件的外观和操作类似于真实的物理仪器，又被称为虚拟仪器，可用于实现各种测量和控制。因此，被广泛地被应用于工业界、学术界和实验室研究，并视其为标准的数据采集和仪器控制软件[1,5]。
而在LabVIEW中就有一种综合型数字滤波器，即SubFilter，其程序面板如图1所示，这种滤波器能根据实际情况的需要选择合理的滤波器类型、拓朴结构、抽头数、截止频率和阶数等。该滤波器不是在函数面板的Signal Processing/ Filters目录下，而是在Express/Signal Analysis目录下，因此常常会被人们忽视。
图1 SubFilter的程序面板
使用SubFilter时，首先进行滤波器类型的选择，并设置截止频率，而只有选择带通及带阻型滤波器时才需要同时设置高、低截止频率；接着进行冲激响应类型的选择，当选择FIR滤波器时，还要选择恰当的抽头数，而选择IIR滤波器时，则要根据所采集信号及其所含噪声的情况，选择合适拓扑结构的滤波器，并配以恰当的阶数；对于平滑滤波器，则需要选择移动加权窗及设置对应的移动半宽，才能实现对信号的最佳去噪。
另外，它还有错误反馈功能，错误输出包含错误信息，默认无错误。如果错误输入表明在函数运行前已发生错误，它将把错误输入值传递至错误输出，并且输出相同的错误信息，否则，表明函数中表现为错误状态。
而对信号的质量、信号被噪声污染的严重程度或信号的去噪效果不能只是单纯地凭借直觉进行简单、感观地评价和描述，必需用定量指标来评价。
信噪比(Signal Noise Ratio, SNR)是常用的评价噪声量度的有效工具[6]，即
其中，f(n)为原始信号，θ(n)为含噪或去噪后的信号。若某信号的信噪比越大，表明该信号的噪声含量越小或去噪效果越好，与原始信号近似度越高，该信号的质量就越好。
2 SubFilter的去噪效果研究
某断路器进行最大短时耐受电流下的短路分断能力（0.1s）附加试验时，利用SATURN数据采集系统采集到电流信号Ia，如图2(a)所示。为了能全面分析SubFilter的去噪效果，人为地给电流信号Ia加上随机噪声，结果如图2(b)所示，此时该含噪信号的信噪比为24.58dB。
从图2(b)中可见，该信号噪声很大，与未加噪声之前的信号相比，出现了明显的畸变，而对这类信号肯定无法进行电流值、通电时间及焦耳积分等关键试验参数的计算。
图2 短时耐受电流信号
随机选用SubFilter中的Butterworth滤波器、Bessel滤波器、椭圆滤波器及平滑滤波器对图2(b)所示的电流噪声信号进行去噪处理，得到的处理效果分别如图3(a)~3(d)所示。
可以清楚看到，图3(a)中Butterworth滤波器处理后的信号，电流中的噪声已基本得到去除，由式(1)计算得到此时图3(a)信号的信噪比为57.15dB，是图2(b)所示信号的2.33倍，信号的质量得到明显的提升；图3(b)为Bessel滤波器处理后的信号，其信噪比为52.29dB，去噪效果比图3(a)稍微差一点；图3(c)为椭圆滤波器处理后的信号，其效果看似与图3(a) 相当，但其信噪比却只有46.75dB，出现较大幅度的下降；而图3(d)为平滑滤波器处理后的信号，很明显第一个波谷的峰值较大，倒数第三个波峰也出现一定程度的变形，其信噪比为42.81dB，去噪效果较差。
可见，处理类似图2(b)所示的信号，采用Butterworth滤波器的去噪效果最佳。
图3 几种滤波器的去噪结果
传统的硬件滤波方法存在着体积大、成本高、更新不方便等缺点，而这些在SubFilter中是不存在的，且操作简单、功能全面，在实际应用中，可以根据实际场合的使用需求，选择当中合适的滤波器对信号进行去噪处理。
3 小容量开关元件测试系统
小容量开关元件的接通与分断能力试验现场存在着各种干扰，容易导致采集到的信号中存在着各种噪声，所以，对所采集的信号进行有效去噪是非常重要的。这里将利用上节介绍的SubFilter来设计合适的测试系统，并实现对这类信号的最佳去噪。
小容量开关元件测试系统用于实现对该类型元件在正常、非正常条件下进行接通与分断能力试验时重要参数的自动采集、分析和测量等。图4所示为系统软件的总体框图，可以看到，该系统软件主要分为控制与信号采集、信号去噪、波形分析处理、数据存储和示波图生成等几个重要部分。下面主要讨论系统中的信号去噪部分，包括它的程序框图、去噪效果等。
图4 软件部分总框图
程序框图决定了函数的运行方式，连线将输入、显示控件与各函数相互连接，数据从输入控件流向各函数，最后流向显示控件。本系统去噪部分的主要程序框图主要部分如图5所示，系统首先将采集到的试验信号进行数据比例还原的处理，然后通过输入端传送到所选择的SubFilter中的恰当滤波器进行处理，最后通过输出端传递到显示控件。
图5 去噪程序框图的核心部分
图6所示为小容量开关元件的接通与分断能力试验控制采集中心，由试验控制台、测试系统等组成。试验时，电流由电流传感器模块测量，电源电压和断口电压直接连接到电压测量模块测量；然后，将所有二次侧信号传送到的上位机；最后，由测试系统进行去噪、分析和计算等处理。
图6 控制采集中心
现以CJX2型继电器在正常条件下的接通与分断能力试验为例展开分析讨论，试验时直接采集到的信号如图7(a)所示。从图中可见，电压、电流信号都带有非常明显的噪声，包括毛刺、高频和明显的脉冲信号，淹没了含有重要信息的真实信号，这样是无法对电压值、电流值和时间常数展开测量的。因此，应该先进行有效的去噪处理，保证信号的波形变得光滑清晰的同时保留好重要信息，以便进行后续的测量分析。
接着，使用研发的小容量开关元件测试系统进行去噪处理。经过多次分析比较，发现对该类信号选用椭圆滤波器进行去噪，能得到最佳的去噪效果。那么，利用椭圆滤波器去噪后得到的波形如图7(b)所示，可以看到，去噪后，所有信号波形中的噪声都得到有效的去除，波形变得光滑清晰，真实信号得以显现，特别是在断口电压通道，波形的突变部分得到有效保留。而这些突变往往含有电弧电压、过电压等的暂态信息，能真实反映断口电压的变化情况，能用于初步鉴别被试继电器的性能状况。
图7 继电器的试验信号
此外，可以发现处理类似图7(a)所示信号效果最佳的椭圆滤波器在处理类似图2(b)所示的信号时，去噪效果却是一般而非最佳。这不是偶然现象，在一种电容放电试验测试系统的研发中也采用了SubFilter[7]，而此时却是选用图3中去噪效果最差的平滑滤波器才能达到最佳的去噪效果。
综上可见，根据实际使用场合需求，选择合适的滤波器进行去噪，以达到最佳的去噪效果，这是普通滤波器不能完全具备的能力，而SubFilter却可以实现，并且它的可靠性和有效性也在上面的实例中得到有很好的验证。
4 结论
为了实现对不同低压电器试验场合所采集信号进行有效去噪，便于后续对信号的计算分析和产品性能的评价，引入并结合实例研究了一种综合型去噪工具SubFilter的去噪效果。根据不同使用场合的需求，选择SubFilter中不同类型的滤波器，作为信号去噪模块的核心部分应用到小容量开关元件测试系统和电容放电测试系统上位机系统的开发中，通过对实际试验信号的去噪处理，验证了该滤波器可靠、有效的去噪效果和全面的去噪能力，同时也解决了传统硬件滤波器存在的体积大、成本高、更新不方便等问题。
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