基于數(shù)字信號處理的遠方保護設備

0 引 言

隨著電力工業(yè)迅猛發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模日益擴大，當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，線路兩端的繼電保護裝置所產(chǎn)生的命令信號借助保護設備并經(jīng)PLC(電力線載波)、光纖等通信通道，把跳閘命令信號傳送到遠端保護屏，用以跳閘、切機或切除負荷，起到故障保護作用，因此，保護命令信號的可靠傳輸對于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行起著至關重要的作用。

采用PLC通道傳輸保護命令信號，因可靠性高且成本低而被廣泛使用。由于PLC信道(線路)傳輸特性是隨時間、地點不斷變化的，為了在信道低信噪比條件下實現(xiàn)安全、可靠、快速傳輸保護命令，須重視對數(shù)據(jù)或信號的處理，尤其是單頻信號的產(chǎn)生和單頻信號的快速、準確檢測。

1 遠方保護設備的性能要求

遠方保護的工作方式可分為閉鎖式、允許跳閘式、直接跳閘式3種。

PLC復用遠方保護設備是利用電力載波機電路實現(xiàn)保護信息的遠距離傳輸，保護命令信號設備為了在PLC中通信，需將保護命令系統(tǒng)的命令信息變換成0 kHz～4 kHz頻率范圍的音頻信號，與話音及遠動等信號復用在電力線上傳輸。

保護命令信號設備系統(tǒng)性能主要有傳輸時間、安全性、可信賴性3項。這3項指標是相互關聯(lián)的，用相同的信號處理方法，若提高安全性，則會降低可信賴性；若提高安全性和可信賴性，則傳輸時間變長，即傳輸速度變慢。

安全性是指未發(fā)命令信號情況下，遠方保護抗御干擾和噪聲、接收端不出現(xiàn)命令狀態(tài)的能力。安全性為：1-Puc。其中，Puc為虛假命令概率。虛假命令是指未發(fā)命令情況下接收端輸出超過規(guī)定持續(xù)時間的命令。

可信賴性是指存在于擾和噪聲的情況下有效地發(fā)出并接收命令的能力。可信賴性為：1-Pmc。其中，Pmc為丟失命令概率。

各種遠方保護系統(tǒng)性能指標如表1所示。

2 命令信號產(chǎn)生

遠方復用保護設備可傳輸1～4個保護命令，命令信號傳輸方式有"2+2"或"3+1"兩種。

遠方保護設備在靜態(tài)時將監(jiān)護音頻率信號(監(jiān)頻)發(fā)送到電力載波機音頻匯接接口，監(jiān)頻信號和語音信號、遠動信號及導頻復用后一起在電力線上傳輸；需發(fā)命令信號時切斷監(jiān)護信號，發(fā)命令音頻率信號及提升信號到電力載波機，PLC將語音信號和遠動信號切斷，并提升功率，通道以滿功率發(fā)命令信號。

監(jiān)護音頻率和命令音頻率采用滿足ITU-T的R.35、R.37和R.38要求的標準頻率，為與不同的電力載波設備配合使用，遠方保護設備提供幾十個頻率供選擇。遠方保護設備有效頻帶300 Hz～3 850 Hz，發(fā)送頻率品種有監(jiān)護音頻率信號、命令音頻率信號(根據(jù)工作模式，最多7個命令音頻率信號)。遠方保護工作方式為直接跳閘時，可對命令信號進行編碼，提高遠方保護設備傳輸?shù)陌踩?，非編碼信號常用于傳輸快速保護命令，如允許跳信號或閉鎖信號。為編碼方式時，根據(jù)要求編碼選用2個命令音頻率進行FSK調制。

單頻信號的產(chǎn)生可采用DSP函數(shù)查表法。在Flash存儲器中預置一個正弦函數(shù)表，每個命令信號和監(jiān)護信號控制DSP對函數(shù)表進行查找，產(chǎn)生相應的單頻信號采樣脈沖，再通過模擬低通濾波器平滑濾波產(chǎn)生單頻正弦信號。

考慮函數(shù)表大小時，取頻率分辯率為1 Hz，采樣率為8 000 Hz，通過對信噪比的計算，8位數(shù)據(jù)可滿足需要，即一個配置8 k×8 bit的函數(shù)表。

單頻信號的產(chǎn)生如圖1所示。

3 信號接收及檢測

遠方保護設備接收支路對從電力載波機送入的信號，先進行非線性處理(通過一組低通濾波器)，再對信號進行數(shù)字化處理。對信號頻譜進行判決，判別是命令信號、監(jiān)護信號還是虛假命令信號。若為FSK調制信號，則進行FSK解調，得到編碼，再判別是哪個命令信號。當連續(xù)一段時間(30 ms～500 ins)接收不到命令信號或監(jiān)護信號，或者再在一段時間(30ms～500 ms)內接收到不止一個命令信號或監(jiān)護信號，接收器閉鎖，同時發(fā)出相應的告警。

其中信號判別是否有漏判或誤判，取決于對接收信號的數(shù)字化處理深度，即信號檢測，下面用幾種常見信號檢測算法對單頻信號進行檢測，并用MATLAB仿真比較。

3.1 能量計算法

采用這種方法，對PLC通道傳輸來的有噪聲的模擬單頻信號進行采樣變換后，形成采樣脈沖信號，通過并接在接收端的數(shù)字橢圓窄帶濾波器后，相應的濾波器將輸出濾除帶外噪聲的單頻信號脈沖，然后將脈沖逐點存人移位寄存器，同時對脈沖進行逐點能量計算，然后對能量進行判決，檢測是否存在相應的單頻信號。如圖2所示。

用MATLAB進行仿真，采樣頻率Fs=10 000 Hz，加上噪聲，信噪比為-6 dB，輸入信號x=sin(0.4πn)+sqrt(2)rand(1，N)，仿真圖如圖3所示。

通過理論計算和MATLAB仿真可知，數(shù)字濾波器其實質是一個移位寄存器，因而進入濾波器的脈沖必須經(jīng)過一段時延后方可穩(wěn)定輸出，時延較大。同時，此算法抗噪性能較差，對較低信噪比的輸入信號無法檢測，會出現(xiàn)虛假信號。

3.2 離散傅里葉變換法

進行離散傅里葉變換運算前先使信號通過一組帶通濾波器，再進行運算。流程圖見圖4。

信號采樣進來后，先通過這一組濾波器，對通過濾波器的信號再進行離散傅里葉變換運算。有命令來時，對應該命令濾波器輸出的信號經(jīng)離散傅里葉變換的值將產(chǎn)生一個尖峰。離散傅里葉變換分析的頻域，對濾波器的時延并不敏感，所以很快就可以判別信號。

但是當信噪比低時，由于取的離散傅里葉變換點數(shù)太少，不能很好地體現(xiàn)噪聲的功率譜，所以噪聲大時會出現(xiàn)漏報和虛報。

輸入信號為x=sin(0.4πn)+sqrt(2)rand(1，80)，信噪比為-6 dB時，仿真圖見圖5。

3.3 功率譜估計法

信號功率譜分析法是現(xiàn)代信號檢測的主要方法之一，采用Multitaper法，運用正交窗口獲得相互獨立的譜估計，然后組合生成最終的譜估計，通過仿真分析，這種方法的抗寬譜噪聲性能優(yōu)于能量法和離散傅里葉變換法。

仿真結果如下：采樣樣頻率為Fs=40 000 Hz，時間長度取10 ms，輸入信噪比為-6 dB，輸入信號為x=sin(2π×781.25t)+sqrt(2)rand(size(t))時，結果見圖6。從圖中可以看出在781 Hz處有的功率譜比其他頻點的功率譜要高出2 dB以上，可以檢測出信號。

這種算法的優(yōu)點是抗白噪聲性能好。這種算法的缺點是運算量大，算法實現(xiàn)非常復雜。通過計算，做一次功率譜分析需要DSP執(zhí)行1萬～2萬次運算。每采樣一塊數(shù)據(jù)后進行一次分析運算。設取的一塊100個數(shù)據(jù)，兩塊數(shù)據(jù)的間隔為2.5 ms，DSP芯片的運算速度為120MFLOPS(百萬次浮點運算每秒)、60MIPS(百萬條指令每秒)，在2.5 ms內可以執(zhí)行0.3MFLOPS或0.15 MIPS。所以處理時間上是足夠的。

遠方保護設備從載波機采集的信號并不是完全的白噪聲或脈沖干擾信號，而是還包含有正常語音信號和數(shù)據(jù)信號的復合信號。尤其是語音信號的能量有可能集中在某一頻帶內，在這種情況下，功率譜估計會在某個頻點形成一個極大值，從而引起系統(tǒng)的誤判。

為了解決低信噪比時功率譜估計法的誤判問題，對其先進行類似離散傅里葉變換法的改進，即在運算前先通過帶通濾波器，即4個命令的7個音頻率信號及監(jiān)護音頻率濾波器。具體流程圖如圖7所示。

功率譜估計方法是對頻域分析，所以對濾波器的延時并不敏感，加上一組濾波器后仍在10 ms內檢測出信號，同時誤報率性能得到了明顯改善。-6 dB信噪比條件下，語音信號進行功率譜分析的結果見圖8。

4 結束語

用DSP產(chǎn)生監(jiān)護音頻率信號和保護命令信號，通過PLC通道發(fā)送到遠端；從電力載波機接收到的信號，用功率譜估計法檢測，對檢測時間、抗噪聲能力、運算量這幾個方面進行比較后，明顯優(yōu)于其他兩種方法，滿足系統(tǒng)安全性和可信賴性的要求，同時滿足傳輸時間的要求。但隨著電網(wǎng)的不斷擴大，電網(wǎng)的結構日趨復雜，對遠方保護系統(tǒng)的要求會更高，要進一步提高安全性、可信賴性及傳輸速度需要更深入的研究探討。