一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于水利工程中的水位测量方法，特别是一种用于水利工程中的 基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法。
【背景技术】
[0002] 在水利工程中，水位测量一直都是关注的重点，它直接关系到水轮机组的调控精 度，而且在遇到洪水、台风等异常天气状况下，如果没有一个稳定可靠的水位监测系统进行 预警，这很容易酿成重大灾难，给国家和人民生命财产带来巨大的损失。
[0003] 目前用于水位测量的传感器有很多，但是绝大部分的传感器直接测得的水位值中 存在着较大的波动，精确度不理想。为了测得更精确的水位值，现在普遍使用数字滤波的 方法；绝大部分的数字滤波采用的是均值滤波、中值滤波和滑动均值滤波等简单方法，虽然 这些方法都能在一定程度上起到平滑测量数据和削弱干扰的作用，但实际滤波效果都不理 想、滤波结果的平滑度不理想且对随机干扰滤波效果差。
[0004] 因此，现有的水位测量方法存在着测量值精确度不理想、滤波效果不理想、滤波结 果的平滑度不理想和不适用于随机干扰的滤波的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，提供一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法。本发 明不仅具有精确度高、滤波效果好和滤波结果平滑度高的优点，而且适用于随机干扰的滤 波。
[0006] 本发明的技术方案：一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法，包括下述 步骤：
[0007] a、使用一种基于双静压传感器的水位计进行采样测量，测得实时水位深度数字信 息量；
[0008] b、根据自定义的通讯协议对实时水位深度数字信息量的数据格式进行校验，若格 式正确，提取实测水位值，得Bl和B2值，若格式错误，返回步骤a ;
[0009] c、对BI、B2值分别做限幅滤波处理，得Cl和C2值；
[0010] d、使用巴特沃斯低通滤波器并依据二阶巴特沃斯数字低通滤波算法对CU C2值 分别进行数字低通滤波处理，得Dl和D2值；
[0011] e、对Dl值进行偏差率补偿，得E值；
[0012] f、对E值进行尚程补偿，得F值；
[0013] g、对F值进行水位预警处理，当F值大于或等于所设警戒值的时候，显示预警信息 和水位信息并存储，当F值小于预警值的时候，只显示水位信息并存储。
[0014] 前述的一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法中，所述步骤a中的一种 基于双静压传感器的水位计包括上路静压传感器和下路静压传感器；实时水位深度数字信 息量包括上、下两路静压传感器所测得水位信息、水位计编号和循环冗余校验码。
[0015] 前述的一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法中，所述步骤b中的BI值 为水位计的下路静压传感器测得的实测水位值，B2值为水位计的上路静压传感器测得的实 测水位值。
[0016] 前述的一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法中，所述步骤c中的限幅 滤波处理为，限制后一个数据相对于前一个数据的变化幅度，当变化幅度小于或等于规定 值时不对数据进行改变，当变化幅度大于规定值时，后一个值的大小等于前一个值加上或 减去规定值，且后一个值与前一个值的大小关系在变化前后保持不变。
[0017] 前述的一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法中，所述步骤d中 的巴特沃斯低通滤波器的技术指标为阻带下限频率Fstop = 0.2Hz，滤波器阻带最 小衰减Astop = 60dB，采样频率为Fs = ls，通带上限频率Fpass = 0· 005Hz，滤 波器通带最大衰减Apass = IdB;二阶巴特沃斯数字低通滤波算法的离散方程为
【主权项】
1. 一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法，其特征在于，包括下述步骤： a、 使用一种基于双静压传感器的水位计进行采样测量，测得实时水位深度数字信息 量； b、 根据自定义的通讯协议对实时水位深度数字信息量的数据格式进行校验，若格式正 确，提取实测水位值，得Bl和B2值，若格式错误，返回步骤a ; c、 对BI、B2值分别做限幅滤波处理，得Cl和C2值； d、 使用巴特沃斯低通滤波器并依据二阶巴特沃斯数字低通滤波算法对CU C2值分别 进行数字低通滤波处理，得Dl和D2值； e、 对Dl值进行偏差率补偿，得E值； f、 对E值进行尚程补偿，得F值； g、 对F值进行水位预警处理，当F值大于或等于所设警戒值的时候，显示预警信息和水 位信息并存储，当F值小于预警值的时候，只显示水位信息并存储。
2. 根据权利要求1所述的一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法，其特征在 于：所述步骤a中的一种基于双静压传感器的水位计包括上路静压传感器和下路静压传感 器；实时水位深度数字信息量包括上、下两路静压传感器所测得水位信息、水位计编号和循 环冗余校验码。
3. 根据权利要求1所述的一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法，其特征在 于：所述步骤b中的Bl值为水位计的下路静压传感器测得的实测水位值，B2值为水位计的 上路静压传感器测得的实测水位值。
4. 根据权利要求1所述的一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法，其特征在 于：所述步骤c中的限幅滤波处理为，限制后一个数据相对于前一个数据的变化幅度，当变 化幅度小于或等于规定值时不对数据进行改变，当变化幅度大于规定值时，后一个值的大 小等于前一个值加上或减去规定值，且后一个值与前一个值的大小关系在变化前后保持不 变。
5. 根据权利要求1所述的一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法，其 特征在于：所述步骤d中的巴特沃斯低通滤波器的技术指标为阻带下限频率Fstop = 0. 2Hz，滤波器阻带最小衰减Astop = 60dB，采样频率为Fs = ls，通带上限频率Fpass = 0. 005Hz，滤波器通带最大衰减Apass = IdB ;二阶巴特沃斯数字低通滤波算法的离散方 程为％y(n) = -Σ『=13，(η -j) + E?=〇biU(ii-i)，其中，y(n)为当前采样所需 低通滤波输出的Dl或D2值，y(n-j)为当前采样前第j个低通滤波输出的Dl或D2值， u(n-i)为当前采样前第i个低通滤波输入的Cl或C2值，系数aO、al、a2、bO、bl和b2 分别为 1.000000000000000e+00、-1.937740918625988e+00、9.396213619136620e-01、 4. 701108219185550e-04、9. 402216438371100e-04 和 4. 701108219185550e-04 ;特别地，对 于第一个输入值u(0),其输出y(0) = (ba+bi+t^-aa-aXO),对于第二个输入值u(l),其 输出 y (I) = -a# (0) -ap (0) +IdciU ⑴ +Id1U (0) +Id1U (0)。
6. 根据权利要求1所述的一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法，其特征在 于：所述步骤e中的对Dl值进行偏差率补偿为，E值等于Dl值乘以偏差率，偏差率的值为 上、下两路静压传感器的安装高程差除以一小时内Dl值和D2值之差的平均值。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方 法，其特征在于：所述步骤f中的高程补偿为，F值等于E值与下路静压传感器的安装高程 之和。
【专利摘要】本发明公开了一种基于巴特沃斯数字低通滤波的水位测量方法，该方法先使用一种基于双静压传感器的水位计测得实时水位深度数字信息量，再提取实测水位值，然后做限幅滤波处理，并使用巴特沃斯低通滤波器进行低通滤波，接着进行偏差率补偿和高程补偿，最后进行水位预警处理、显示和存储。本发明不仅具有精确度高、滤波效果好和平滑度高的优点，而且适用于随机干扰的滤波。
【IPC分类】G01F23-14
【公开号】CN104634414
【申请号】CN201510043457
【发明人】林宗泉, 俞宏群, 庄瑞玉, 马俊奇, 沈润杰, 成相军, 汪玮, 钱巨林, 张鑫, 孙杰, 泮凯翔, 郑叶尚, 彭礼平, 冯俊
【申请人】国家电网公司, 国网新源控股有限公司, 国网新源水电有限公司富春江水力发电厂, 同济大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月28日