一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于水利工程中的水位測量方法，特別是一種用于水利工程中的 基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法。
【背景技術】
[0002] 在水利工程中，水位測量一直都是關注的重點，它直接關系到水輪機組的調控精 度，而且在遇到洪水、臺風等異常天氣狀況下，如果沒有一個穩定可靠的水位監測系統進行 預警，這很容易釀成重大災難，給國家和人民生命財產帶來巨大的損失。
[0003] 目前用于水位測量的傳感器有很多，但是絕大部分的傳感器直接測得的水位值中 存在著較大的波動，精確度不理想。為了測得更精確的水位值，現在普遍使用數字濾波的 方法；絕大部分的數字濾波采用的是均值濾波、中值濾波和滑動均值濾波等簡單方法，雖然 這些方法都能在一定程度上起到平滑測量數據和削弱干擾的作用，但實際濾波效果都不理 想、濾波結果的平滑度不理想且對隨機干擾濾波效果差。
[0004] 因此，現有的水位測量方法存在著測量值精確度不理想、濾波效果不理想、濾波結 果的平滑度不理想和不適用于隨機干擾的濾波的問題。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于，提供一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法。本發 明不僅具有精確度高、濾波效果好和濾波結果平滑度高的優點，而且適用于隨機干擾的濾 波。
[0006] 本發明的技術方案：一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法，包括下述 步驟：
[0007] a、使用一種基于雙靜壓傳感器的水位計進行采樣測量，測得實時水位深度數字信 息量；
[0008] b、根據自定義的通訊協議對實時水位深度數字信息量的數據格式進行校驗，若格 式正確，提取實測水位值，得Bl和B2值，若格式錯誤，返回步驟a ;
[0009] c、對BI、B2值分別做限幅濾波處理，得Cl和C2值；
[0010] d、使用巴特沃斯低通濾波器并依據二階巴特沃斯數字低通濾波算法對CU C2值 分別進行數字低通濾波處理，得Dl和D2值；
[0011] e、對Dl值進行偏差率補償，得E值；
[0012] f、對E值進行尚程補償，得F值；
[0013] g、對F值進行水位預警處理，當F值大于或等于所設警戒值的時候，顯示預警信息 和水位信息并存儲，當F值小于預警值的時候，只顯示水位信息并存儲。
[0014] 前述的一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法中，所述步驟a中的一種 基于雙靜壓傳感器的水位計包括上路靜壓傳感器和下路靜壓傳感器；實時水位深度數字信 息量包括上、下兩路靜壓傳感器所測得水位信息、水位計編號和循環冗余校驗碼。
[0015] 前述的一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法中，所述步驟b中的BI值 為水位計的下路靜壓傳感器測得的實測水位值，B2值為水位計的上路靜壓傳感器測得的實 測水位值。
[0016] 前述的一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法中，所述步驟c中的限幅 濾波處理為，限制后一個數據相對于前一個數據的變化幅度，當變化幅度小于或等于規定 值時不對數據進行改變，當變化幅度大于規定值時，后一個值的大小等于前一個值加上或 減去規定值，且后一個值與前一個值的大小關系在變化前后保持不變。
[0017] 前述的一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法中，所述步驟d中 的巴特沃斯低通濾波器的技術指標為阻帶下限頻率Fstop = 0.2Hz，濾波器阻帶最 小衰減Astop = 60dB，采樣頻率為Fs = ls，通帶上限頻率Fpass = 0· 005Hz，濾 波器通帶最大衰減Apass = IdB;二階巴特沃斯數字低通濾波算法的離散方程為
【主權項】
1. 一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法，其特征在于，包括下述步驟： a、 使用一種基于雙靜壓傳感器的水位計進行采樣測量，測得實時水位深度數字信息 量； b、 根據自定義的通訊協議對實時水位深度數字信息量的數據格式進行校驗，若格式正 確，提取實測水位值，得Bl和B2值，若格式錯誤，返回步驟a ; c、 對BI、B2值分別做限幅濾波處理，得Cl和C2值； d、 使用巴特沃斯低通濾波器并依據二階巴特沃斯數字低通濾波算法對CU C2值分別 進行數字低通濾波處理，得Dl和D2值； e、 對Dl值進行偏差率補償，得E值； f、 對E值進行尚程補償，得F值； g、 對F值進行水位預警處理，當F值大于或等于所設警戒值的時候，顯示預警信息和水 位信息并存儲，當F值小于預警值的時候，只顯示水位信息并存儲。
2. 根據權利要求1所述的一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法，其特征在 于：所述步驟a中的一種基于雙靜壓傳感器的水位計包括上路靜壓傳感器和下路靜壓傳感 器；實時水位深度數字信息量包括上、下兩路靜壓傳感器所測得水位信息、水位計編號和循 環冗余校驗碼。
3. 根據權利要求1所述的一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法，其特征在 于：所述步驟b中的Bl值為水位計的下路靜壓傳感器測得的實測水位值，B2值為水位計的 上路靜壓傳感器測得的實測水位值。
4. 根據權利要求1所述的一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法，其特征在 于：所述步驟c中的限幅濾波處理為，限制后一個數據相對于前一個數據的變化幅度，當變 化幅度小于或等于規定值時不對數據進行改變，當變化幅度大于規定值時，后一個值的大 小等于前一個值加上或減去規定值，且后一個值與前一個值的大小關系在變化前后保持不 變。
5. 根據權利要求1所述的一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法，其 特征在于：所述步驟d中的巴特沃斯低通濾波器的技術指標為阻帶下限頻率Fstop = 0. 2Hz，濾波器阻帶最小衰減Astop = 60dB，采樣頻率為Fs = ls，通帶上限頻率Fpass = 0. 005Hz，濾波器通帶最大衰減Apass = IdB ;二階巴特沃斯數字低通濾波算法的離散方 程為％y(n) = -Σ『=13，(η -j) + E?=〇biU(ii-i)，其中，y(n)為當前采樣所需 低通濾波輸出的Dl或D2值，y(n-j)為當前采樣前第j個低通濾波輸出的Dl或D2值， u(n-i)為當前采樣前第i個低通濾波輸入的Cl或C2值，系數aO、al、a2、bO、bl和b2 分別為 1.000000000000000e+00、-1.937740918625988e+00、9.396213619136620e-01、 4. 701108219185550e-04、9. 402216438371100e-04 和 4. 701108219185550e-04 ;特別地，對 于第一個輸入值u(0),其輸出y(0) = (ba+bi+t^-aa-aXO),對于第二個輸入值u(l),其 輸出 y (I) = -a# (0) -ap (0) +IdciU ⑴ +Id1U (0) +Id1U (0)。
6. 根據權利要求1所述的一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法，其特征在 于：所述步驟e中的對Dl值進行偏差率補償為，E值等于Dl值乘以偏差率，偏差率的值為 上、下兩路靜壓傳感器的安裝高程差除以一小時內Dl值和D2值之差的平均值。
7.根據權利要求1、2、3、4、5或6所述的一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方 法，其特征在于：所述步驟f中的高程補償為，F值等于E值與下路靜壓傳感器的安裝高程 之和。
【專利摘要】本發明公開了一種基于巴特沃斯數字低通濾波的水位測量方法，該方法先使用一種基于雙靜壓傳感器的水位計測得實時水位深度數字信息量，再提取實測水位值，然后做限幅濾波處理，并使用巴特沃斯低通濾波器進行低通濾波，接著進行偏差率補償和高程補償，最后進行水位預警處理、顯示和存儲。本發明不僅具有精確度高、濾波效果好和平滑度高的優點，而且適用于隨機干擾的濾波。
【IPC分類】G01F23-14
【公開號】CN104634414
【申請號】CN201510043457
【發明人】林宗泉, 俞宏群, 莊瑞玉, 馬俊奇, 沈潤杰, 成相軍, 汪瑋, 錢巨林, 張鑫, 孫杰, 泮凱翔, 鄭葉尚, 彭禮平, 馮俊
【申請人】國家電網公司, 國網新源控股有限公司, 國網新源水電有限公司富春江水力發電廠, 同濟大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月28日