基于數(shù)字信號處理的遠(yuǎn)方保護(hù)設(shè)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(kuò)大，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，線路兩端的繼電保護(hù)裝置所產(chǎn)生的命令信號借助保護(hù)設(shè)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(yuǎn)端保護(hù)屏，用以跳閘、切機或切除負(fù)荷，起到故障保護(hù)作用，因此，保護(hù)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(guān)重要的作用。

采用PLC通道傳輸保護(hù)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(hù)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(zhǔn)確檢測。

1 遠(yuǎn)方保護(hù)設(shè)備的性能要求

遠(yuǎn)方保護(hù)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(fù)用遠(yuǎn)方保護(hù)設(shè)備是利用電力載波機電路實現(xiàn)保護(hù)信息的遠(yuǎn)距離傳輸，保護(hù)命令信號設(shè)備為了在PLC中通信，需將保護(hù)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(yuǎn)動等信號復(fù)用在電力線上傳輸。

保護(hù)命令信號設(shè)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(biāo)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(yuǎn)方保護(hù)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?？尚刨囆詾椋?-Pmc。其中，Pmc為丟失命令概率。

各種遠(yuǎn)方保護(hù)系統(tǒng)性能指標(biāo)如表1所示。

2 命令信號產(chǎn)生

遠(yuǎn)方復(fù)用保護(hù)設(shè)備可傳輸1～4個保護(hù)命令，命令信號傳輸方式有"2+2"或"3+1"兩種。

遠(yuǎn)方保護(hù)設(shè)備在靜態(tài)時將監(jiān)護(hù)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(yuǎn)動信號及導(dǎo)頻復(fù)用后一起在電力線上傳輸；需發(fā)命令信號時切斷監(jiān)護(hù)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(yuǎn)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)頻率，為與不同的電力載波設(shè)備配合使用，遠(yuǎn)方保護(hù)設(shè)備提供幾十個頻率供選擇。遠(yuǎn)方保護(hù)設(shè)備有效頻帶300 Hz～3 850 Hz，發(fā)送頻率品種有監(jiān)護(hù)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(yuǎn)方保護(hù)工作方式為直接跳閘時，可對命令信號進(jìn)行編碼，提高遠(yuǎn)方保護(hù)設(shè)備傳輸?shù)陌踩?，非編碼信號常用于傳輸快速保護(hù)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(jìn)行FSK調(diào)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(yù)置一個正弦函數(shù)表，每個命令信號和監(jiān)護(hù)信號控制DSP對函數(shù)表進(jìn)行查找，產(chǎn)生相應(yīng)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(yuǎn)方保護(hù)設(shè)備接收支路對從電力載波機送入的信號，先進(jìn)行非線性處理(通過一組低通濾波器)，再對信號進(jìn)行數(shù)字化處理。對信號頻譜進(jìn)行判決，判別是命令信號、監(jiān)護(hù)信號還是虛假命令信號。若為FSK調(diào)制信號，則進(jìn)行FSK解調(diào)，得到編碼，再判別是哪個命令信號。當(dāng)連續(xù)一段時間(30 ms～500 ins)接收不到命令信號或監(jiān)護(hù)信號，或者再在一段時間(30ms～500 ms)內(nèi)接收到不止一個命令信號或監(jiān)護(hù)信號，接收器閉鎖，同時發(fā)出相應(yīng)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(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，通過并接在接收端的數(shù)字橢圓窄帶濾波器后，相應(yīng)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(jìn)行逐點能量計算，然后對能量進(jìn)行判決，檢測是否存在相應(yīng)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。

通過理論計算和MATLAB仿真可知，數(shù)字濾波器其實質(zhì)是一個移位寄存器，因而進(jìn)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(jìn)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(jìn)行運算。流程圖見圖4。

信號采樣進(jìn)來后，先通過這一組濾波器，對通過濾波器的信號再進(jìn)行離散傅里葉變換運算。有命令來時，對應(yīng)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(dāng)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(jié)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(jié)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(fù)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(jìn)行一次分析運算。設(shè)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(nèi)可以執(zhí)行0.3MFLOPS或0.15 MIPS。所以處理時間上是足夠的。

遠(yuǎn)方保護(hù)設(shè)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(fù)合信號。尤其是語音信號的能量有可能集中在某一頻帶內(nèi)，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(jìn)行類似離散傅里葉變換法的改進(jìn)，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(hù)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(nèi)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(jìn)行功率譜分析的結(jié)果見圖8。

4 結(jié)束語

用DSP產(chǎn)生監(jiān)護(hù)音頻率信號和保護(hù)命令信號，通過PLC通道發(fā)送到遠(yuǎn)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(jìn)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(kuò)大，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，對遠(yuǎn)方保護(hù)系統(tǒng)的要求會更高，要進(jìn)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。