基于數字信號處理的遠方保護設備

0 引 言

隨著(zhù)電力工業(yè)迅猛發(fā)展，電網(wǎng)規模日益擴大，當電力系統發(fā)生故障時(shí)，線(xiàn)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(xiàn)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)安全穩定運行起著(zhù)至關(guān)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(xiàn)路)傳輸特性是隨時(shí)間、地點(diǎn)不斷變化的，為了在信道低信噪比條件下實(shí)現安全、可靠、快速傳輸保護命令，須重視對數據或信號的處理，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(shí)現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，需將保護命令系統的命令信息變換成0 kHz～4 kHz頻率范圍的音頻信號，與話(huà)音及遠動(dòng)等信號復用在電力線(xiàn)上傳輸。

保護命令信號設備系統性能主要有傳輸時(shí)間、安全性、可信賴(lài)性3項。這3項指標是相互關(guān)聯(lián)的，用相同的信號處理方法，若提高安全性，則會(huì )降低可信賴(lài)性；若提高安全性和可信賴(lài)性，則傳輸時(shí)間變長(cháng)，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(guò)規定持續時(shí)間的命令。

可信賴(lài)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?？尚刨?lài)性為：1-Pmc。其中，Pmc為丟失命令概率。

各種遠方保護系統性能指標如表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(gè)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(shí)將監護音頻率信號(監頻)發(fā)送到電力載波機音頻匯接接口，監頻信號和語(yǔ)音信號、遠動(dòng)信號及導頻復用后一起在電力線(xiàn)上傳輸；需發(fā)命令信號時(shí)切斷監護信號，發(fā)命令音頻率信號及提升信號到電力載波機，PLC將語(yǔ)音信號和遠動(dòng)信號切斷，并提升功率，通道以滿(mǎn)功率發(fā)命令信號。

監護音頻率和命令音頻率采用滿(mǎn)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(gè)頻率供選擇。遠方保護設備有效頻帶300 Hz～3 850 Hz，發(fā)送頻率品種有監護音頻率信號、命令音頻率信號(根據工作模式，最多7個(gè)命令音頻率信號)。遠方保護工作方式為直接跳閘時(shí)，可對命令信號進(jìn)行編碼，提高遠方保護設備傳輸的安全性，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(shí)，根據要求編碼選用2個(gè)命令音頻率進(jìn)行FSK調制。

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

考慮函數表大小時(shí)，取頻率分辯率為1 Hz，采樣率為8 000 Hz，通過(guò)對信噪比的計算，8位數據可滿(mǎn)足需要，即一個(gè)配置8 k×8 bit的函數表。

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(jìn)行非線(xiàn)性處理(通過(guò)一組低通濾波器)，再對信號進(jìn)行數字化處理。對信號頻譜進(jìn)行判決，判別是命令信號、監護信號還是虛假命令信號。若為FSK調制信號，則進(jìn)行FSK解調，得到編碼，再判別是哪個(gè)命令信號。當連續一段時(shí)間(30 ms～500 ins)接收不到命令信號或監護信號，或者再在一段時(shí)間(30ms～500 ms)內接收到不止一個(gè)命令信號或監護信號，接收器閉鎖，同時(shí)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字化處理深度，即信號檢測，下面用幾種常見(jiàn)信號檢測算法對單頻信號進(jìn)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(lái)的有噪聲的模擬單頻信號進(jìn)行采樣變換后，形成采樣脈沖信號，通過(guò)并接在接收端的數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(diǎn)存人移位寄存器，同時(shí)對脈沖進(jìn)行逐點(diǎn)能量計算，然后對能量進(jìn)行判決，檢測是否存在相應的單頻信號。如圖2所示。

用MATLAB進(jìn)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(guò)理論計算和MATLAB仿真可知，數字濾波器其實(shí)質(zhì)是一個(gè)移位寄存器，因而進(jìn)入濾波器的脈沖必須經(jīng)過(guò)一段時(shí)延后方可穩定輸出，時(shí)延較大。同時(shí)，此算法抗噪性能較差，對較低信噪比的輸入信號無(wú)法檢測，會(huì )出現虛假信號。

3.2 離散傅里葉變換法

進(jìn)行離散傅里葉變換運算前先使信號通過(guò)一組帶通濾波器，再進(jìn)行運算。流程圖見(jiàn)圖4。

信號采樣進(jìn)來(lái)后，先通過(guò)這一組濾波器，對通過(guò)濾波器的信號再進(jìn)行離散傅里葉變換運算。有命令來(lái)時(shí)，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(gè)尖峰。離散傅里葉變換分析的頻域，對濾波器的時(shí)延并不敏感，所以很快就可以判別信號。

但是當信噪比低時(shí)，由于取的離散傅里葉變換點(diǎn)數太少，不能很好地體現噪聲的功率譜，所以噪聲大時(shí)會(huì )出現漏報和虛報。

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

3.3 功率譜估計法

信號功率譜分析法是現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(guò)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(shí)間長(cháng)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(shí)，結果見(jiàn)圖6。從圖中可以看出在781 Hz處有的功率譜比其他頻點(diǎn)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(diǎn)是抗白噪聲性能好。這種算法的缺點(diǎn)是運算量大，算法實(shí)現非常復雜。通過(guò)計算，做一次功率譜分析需要DSP執行1萬(wàn)～2萬(wàn)次運算。每采樣一塊數據后進(jìn)行一次分析運算。設取的一塊100個(gè)數據，兩塊數據的間隔為2.5 ms，DSP芯片的運算速度為120MFLOPS(百萬(wàn)次浮點(diǎn)運算每秒)、60MIPS(百萬(wàn)條指令每秒)，在2.5 ms內可以執行0.3MFLOPS或0.15 MIPS。所以處理時(shí)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(yǔ)音信號和數據信號的復合信號。尤其是語(yǔ)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(huì )在某個(gè)頻點(diǎn)形成一個(gè)極大值，從而引起系統的誤判。

為了解決低信噪比時(shí)功率譜估計法的誤判問(wèn)題，對其先進(jìn)行類(lèi)似離散傅里葉變換法的改進(jìn)，即在運算前先通過(guò)帶通濾波器，即4個(gè)命令的7個(gè)音頻率信號及監護音頻率濾波器。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(shí)并不敏感，加上一組濾波器后仍在10 ms內檢測出信號，同時(shí)誤報率性能得到了明顯改善。-6 dB信噪比條件下，語(yǔ)音信號進(jìn)行功率譜分析的結果見(jiàn)圖8。

4 結束語(yǔ)

用DSP產(chǎn)生監護音頻率信號和保護命令信號，通過(guò)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(shí)間、抗噪聲能力、運算量這幾個(gè)方面進(jìn)行比較后，明顯優(yōu)于其他兩種方法，滿(mǎn)足系統安全性和可信賴(lài)性的要求，同時(shí)滿(mǎn)足傳輸時(shí)間的要求。但隨著(zhù)電網(wǎng)的不斷擴大，電網(wǎng)的結構日趨復雜，對遠方保護系統的要求會(huì )更高，要進(jìn)一步提高安全性、可信賴(lài)性及傳輸速度需要更深入的研究探討。