一种基于数字滤波与人工神经网络的低压SPD智能在线检测装置制造方法及图纸

一种基于数字信号滤波与人工神经网络的低压电源浪涌保护器（SPD）智能在线检测装置，所述装置系统能对SPD的漏电流进行在线检测，应用数字信号滤波来滤去检测信号中的噪声，用人工神经网络处理检测数据，从而提供检测精度，节省硬件成本。节省硬件成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字滤波与人工神经网络的低压SPD智能在线检测装置


[0001]本专利技术属于低压电源(交流1000V以下)的浪涌保护器(Surge Protective Device:SPD)的实时在线检测领域，涉及一种少用或不用硬件电路来消除噪声，而用数字信号处理的方法来消除噪声的装置。

技术介绍

[0002]低压电源浪涌保护器(以下简称低压SPD)俗称避雷器，是电信、移动通信、铁路系统、军用探测、气象探测等重要部门的电源系统必备的浪涌电压保护器，低压SPD以低压压敏电阻为核心功能元件。低压压敏电阻在合格状态时漏电流非常小，一般小于20微安。当低压压敏电阻劣化后后漏电流增大，会积热升温，有产生电弧或燃烧的危险，给被保护电路带来附加的威胁，因此劣化的低压SPD必须从电路中断开(即脱扣)。自低压SPD自上世纪80年代末至90年代初模块化生产以来，国内外产品至今一直是应用基于极限状态状态的物理脱扣技术，也就是利用劣化的低压压敏电阻的温升使低压SPD端子的低温焊锡软化，从而利用弹簧使低压SPD的端子断开(因而叫脱扣)。这种脱扣方式是不精确的，脱扣动作具有较长的操作延时，给雷电保护带来失效的风险时间，雷电流冲击导致的误脱扣也常有发生。要实现对劣化的低压SPD精确和及时的脱扣，就需要实时在线检测低压压敏电阻的漏电流，从而准确地判断低压SPD的性能。由于压敏电阻的漏电流非常小，相对于电源系统的噪声以及检测电路的噪声是微弱信号，常规的方法是难以精确检测的。这也是防雷业界长期应用物理脱扣的方法制造低压SPD的原因。
[0003]2012年的专利技术《一种低压电源的智能脱扣方法：ZL201210131802.7》应用两个电流互感器(CT)和差分放大电路来实现低压SPD漏电流的差分检测，其后不久，又有基于吉尔伯特乘法器的调制解调降噪方法。这在应用时遇到了很大的困难。首先，仪用电流互感器的准确级有0.01级、0.02级，以及0.5级，误差最小的0.01级CT，测量数据换算成一次侧的电流值，误差为
±
0.01％,若电源负载的额定电流为10A，则测量结果误差为1mA,而低压压敏电阻的劣化漏电流最小值为20微安，即0.02mA,显然，现有技术只能等低压压敏电阻进一步劣化，漏电流增大达到毫安级才能精确检测。进一步，用基尔伯特乘法器电路降噪来提高精度，由于集成电路技术的发展，MC1495,MC1496等乘法器产品逐渐被淘汰而停产，因而需要专利技术新的方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种应用微程序器(MPU)或数字信号处理器(DSP)对差分检测的结果进行数字滤波，进一步用BP神经网络处理数据的低压SPD智能在线检测装置。被测信号是低压SPD的漏电流，其模拟频率f
h
为50Hz,数字滤波器的取样频率f
s
不应小于200Hz,被测信号数字频率ω
h
为2πf
h
/f
s
,选用相位FIR数字低通滤波器的理想通带截止频率ω
p
＝0.25π，理想阻带截止频率ω
j
＝0.4π，理想通带最大衰减A
p
＝1dB，理想阻带最小衰减A
j
＝50dB。根
据测量对象的特点采用窗函数法设计相位FIR数字低通滤波器，设定所述相位FIR数字低通滤波器的通带截止频率，阻带截止频率，通带最大衰减，阻带最小衰减，从而设定窗函数来计算实际滤波器的频率响应，验证指标是否满足。进一步，用BP神经网络处理经过相位FIR数字低通滤波器的滤波的检测信号，从而消除电流互感器的系统误差。
[0005]采用数字滤波的方法节省了降噪电路硬件的成本，同时提高了检测的精度，使得检测的灵敏度不再受限于电流互感器的精度。更进一步，电流互感器产生误差的主要原因是铁芯励磁损耗，包括涡流损耗和漏磁损耗，频率越高，励磁损耗越大，这对于硬件电路检测是系统误差，这是硬件电路检测难以消除的。采用数字信号处理方法检测，设计BP神经网络处理则可以对误差进行补偿。本专利技术设计了BP神经网络，以与实际负载电路相仿的对比电路模拟负载电流的变化，测试对比电路的实际电流值，对神经网络进行训练，以训练好的神经网络处理检测数据，使检测数据回归真实值。
附图说明：
图1为漏电流感测电路图2为差分放大电路图3为检测系统功能框图图4为轮询检测程序流程图图5为数字滤波器窗函数设计图图6为数字滤波器冲激响应图图7为数字滤波器频率响应波特图图8为神经网络模型结构图图9为实施例2的差分放大电路。
[0007]具体实施例1：结合附图来说明具体的实施例，图1是经过改进的漏电流感测电路，以两个电感器CT1，CT2感测电源的负载电流，使低压SPD的漏电流为两者之差，CT1,CT2绕制成完成相同的电流互感器，铁芯选用镍铁合金，增大铁芯的截面积与孔径的比值，从而减少误差，二次侧的取样电阻R1＝R2,根据低压SPD漏电流小的特点，R1,R2阻值比标准电流互感器要大，以增大取样电压的分辨率。二次侧的电压通过电容耦合，以相同的两个隔离变压器T1,T2转换成差分放大器合适的输入电压，Rs1,Rs2代表差分放大器的输入电阻，输出端口V1，V2为负载电流对应的电压值，输出端口DGND信号输出电路的数字地，与差分放大电路的地相连。
[0008]图2所示是所述的差分放大电路，由两级差分放大器组成，输入级U50为TI公司的INA2143,由两个完全相同的差分放大器集成，U50的输入电压范围为
±
18V,优选值为
±
12V。如图2所示，U50的增益设为1/11,约为0.1，如此把V1,V2转换成差分输出级INA333的适合的输入电压，INA的合适输入电压范围为
±
2.75V，根据计算，要使INA333的输出电压达到毫伏级时，增益要设为60dB，图2中RG＝100.1欧姆，即设定INA333的增益为60dB。把图1与图2所示电路连接成差分检测模块。差分检测模块的输出V
ad
为差分检测数据，输出到带浮点运算单元(FPU)与数字信号处理(DSP)功能的微程序器(MPU)或数字信号处理器(DSP)，经过MPU内部集成的模数转换器(ADC)转换成数字信号，然后由MPU进行数字滤波与神经网络处理。
[0009]图3为检测系统功能框图，图中微程序器(MPU)选用ST公司的STM32F373XXXX,带有浮点运算单元(FPU)和数字信号处理功能DSP,带有多输入通道的12位ADC和16位ADC,可输入多路检测数据，根据低压SPD的应用需要，可配置为输入1
‑
4路所述的差分检测模块的输出数据。进一步，对MPU输入电源电压以及电源的负载电流数据，作为后续数据处理的输入条件。
[0010]如图4所示，差分检测信号数V
ad
、电源电压值V、电源负载电流值I
F
等检测数据按设定顺序接入所述MPU的I/O引脚，每个检测数据就有一个存储地址，所述MPU采用轮询读数和比较本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字滤波与人工神经网络数据处理的低压电源SPD漏电流的智能在线检测装置，其技术特征在于应用微程序器(MPU)或数字信号处理器(DSP)设计低通数字滤波器对低压电源SPD进行漏电流在线检测并对检测数据进行数字滤波，以低通数字滤波器取代硬件降噪电路，并用BP神经网络进一步处理检测数据，消除电流互感器所产生的误差。2.根据权利要求1所述的低通数字滤波器，采用海明窗设计低通数字滤波器，低通数字滤波器的通带截止频率为0.325π，实际过渡带宽Δω＝0.15π，阻带最小衰减为50dB，所述海明窗的长度N＝45,频率响应为对H
d
(e
jω
)进行IDTFT可以得到理想低通滤波器的单位冲激响应：海明窗函数如下式：数字低通滤波器单位冲激响应为：h(n)＝h
d
(n)
·
w(n)。3.根据权利要求1所述BP神经网络的运算模型如附图8所示，所述BP神经网络以自然指数函数模拟误差的非线性变化，其输入信号数据为经差分检测与数字滤波所获得的漏电流检测信号V
d
、电源电压值V以及电源负载电路I
F
，预处理层按式4
‑‑
式8将{V
d
,V,I
F
}转成隐含层的输入数据{V
11
,V
22
,V
33
,V
12
},H1＝V/V
m
‑
1(其中Vm为低压SPD的压敏电压)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式4)V
22
＝V
d
G
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式6)V
33
＝H2＝I
F
η
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏瑜，沈睿，郑佳乐，张欣，
申请(专利权)人：沈睿，
类型：发明
国别省市：