基于數(shù)字信號(hào)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(shí)，線路兩端的繼電保護(hù)裝置所產(chǎn)生的命令信號(hào)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(hào)傳送到遠(yuǎn)端保護(hù)屏，用以跳閘、切機(jī)或切除負(fù)荷，起到故障保護(hù)作用，因此，保護(hù)命令信號(hào)的可靠傳輸對(duì)于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(hào)，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(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(xiàn)安全、可靠、快速傳輸保護(hù)命令，須重視對(duì)數(shù)據(jù)或信號(hào)的處理，尤其是單頻信號(hào)的產(chǎn)生和單頻信號(hào)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(jī)電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)信息的遠(yuǎn)距離傳輸，保護(hù)命令信號(hào)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(hào)，與話音及遠(yuǎn)動(dòng)等信號(hào)復(fù)用在電力線上傳輸。

保護(hù)命令信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)性能主要有傳輸時(shí)間、安全性、可信賴性3項(xiàng)。這3項(xiàng)指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，用相同的信號(hào)處理方法，若提高安全性，則會(huì)降低可信賴性；若提高安全性和可信賴性，則傳輸時(shí)間變長，即傳輸速度變慢。

安全性是指未發(fā)命令信號(hào)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(shí)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(hào)產(chǎn)生

遠(yuǎn)方復(fù)用保護(hù)設(shè)備可傳輸1～4個(gè)保護(hù)命令，命令信號(hào)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(shí)將監(jiān)護(hù)音頻率信號(hào)(監(jiān)頻)發(fā)送到電力載波機(jī)音頻匯接接口，監(jiān)頻信號(hào)和語音信號(hào)、遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)及導(dǎo)頻復(fù)用后一起在電力線上傳輸；需發(fā)命令信號(hào)時(shí)切斷監(jiān)護(hù)信號(hào)，發(fā)命令音頻率信號(hào)及提升信號(hào)到電力載波機(jī)，PLC將語音信號(hào)和遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)切斷，并提升功率，通道以滿功率發(fā)命令信號(hào)。

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(gè)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(hào)、命令音頻率信號(hào)(根據(jù)工作模式，最多7個(gè)命令音頻率信號(hào))。遠(yuǎn)方保護(hù)工作方式為直接跳閘時(shí)，可對(duì)命令信號(hào)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(hào)常用于傳輸快速保護(hù)命令，如允許跳信號(hào)或閉鎖信號(hào)。為編碼方式時(shí)，根據(jù)要求編碼選用2個(gè)命令音頻率進(jìn)行FSK調(diào)制。

單頻信號(hào)的產(chǎn)生可采用DSP函數(shù)查表法。在Flash存儲(chǔ)器中預(yù)置一個(gè)正弦函數(shù)表，每個(gè)命令信號(hào)和監(jiān)護(hù)信號(hào)控制DSP對(duì)函數(shù)表進(jìn)行查找，產(chǎn)生相應(yīng)的單頻信號(hào)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(hào)。

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

單頻信號(hào)的產(chǎn)生如圖1所示。

3 信號(hào)接收及檢測

遠(yuǎn)方保護(hù)設(shè)備接收支路對(duì)從電力載波機(jī)送入的信號(hào)，先進(jìn)行非線性處理(通過一組低通濾波器)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行判決，判別是命令信號(hào)、監(jiān)護(hù)信號(hào)還是虛假命令信號(hào)。若為FSK調(diào)制信號(hào)，則進(jìn)行FSK解調(diào)，得到編碼，再判別是哪個(gè)命令信號(hào)。當(dāng)連續(xù)一段時(shí)間(30 ms～500 ins)接收不到命令信號(hào)或監(jiān)護(hù)信號(hào)，或者再在一段時(shí)間(30ms～500 ms)內(nèi)接收到不止一個(gè)命令信號(hào)或監(jiān)護(hù)信號(hào)，接收器閉鎖，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的告警。

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

3.1 能量計(jì)算法

采用這種方法，對(duì)PLC通道傳輸來的有噪聲的模擬單頻信號(hào)進(jìn)行采樣變換后，形成采樣脈沖信號(hào)，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(hào)脈沖，然后將脈沖逐點(diǎn)存人移位寄存器，同時(shí)對(duì)脈沖進(jìn)行逐點(diǎn)能量計(jì)算，然后對(duì)能量進(jìn)行判決，檢測是否存在相應(yīng)的單頻信號(hào)。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(hào)x=sin(0.4πn)+sqrt(2)rand(1，N)，仿真圖如圖3所示。

通過理論計(jì)算和MATLAB仿真可知，數(shù)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)過一段時(shí)延后方可穩(wěn)定輸出，時(shí)延較大。同時(shí)，此算法抗噪性能較差，對(duì)較低信噪比的輸入信號(hào)無法檢測，會(huì)出現(xiàn)虛假信號(hào)。

3.2 離散傅里葉變換法

進(jìn)行離散傅里葉變換運(yùn)算前先使信號(hào)通過一組帶通濾波器，再進(jìn)行運(yùn)算。流程圖見圖4。

信號(hào)采樣進(jìn)來后，先通過這一組濾波器，對(duì)通過濾波器的信號(hào)再進(jìn)行離散傅里葉變換運(yùn)算。有命令來時(shí)，對(duì)應(yīng)該命令濾波器輸出的信號(hào)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(duì)濾波器的時(shí)延并不敏感，所以很快就可以判別信號(hào)。

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

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

3.3 功率譜估計(jì)法

信號(hào)功率譜分析法是現(xiàn)代信號(hào)檢測的主要方法之一，采用Multitaper法，運(yùn)用正交窗口獲得相互獨(dú)立的譜估計(jì)，然后組合生成最終的譜估計(jì)，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(shí)間長度取10 ms，輸入信噪比為-6 dB，輸入信號(hào)為x=sin(2π×781.25t)+sqrt(2)rand(size(t))時(shí)，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(diǎn)的功率譜要高出2 dB以上，可以檢測出信號(hào)。

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(yùn)算量大，算法實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜。通過計(jì)算，做一次功率譜分析需要DSP執(zhí)行1萬～2萬次運(yùn)算。每采樣一塊數(shù)據(jù)后進(jìn)行一次分析運(yùn)算。設(shè)取的一塊100個(gè)數(shù)據(jù)，兩塊數(shù)據(jù)的間隔為2.5 ms，DSP芯片的運(yùn)算速度為120MFLOPS(百萬次浮點(diǎn)運(yùn)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(shí)間上是足夠的。

遠(yuǎn)方保護(hù)設(shè)備從載波機(jī)采集的信號(hào)并不是完全的白噪聲或脈沖干擾信號(hào)，而是還包含有正常語音信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的復(fù)合信號(hào)。尤其是語音信號(hào)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(jì)會(huì)在某個(gè)頻點(diǎn)形成一個(gè)極大值，從而引起系統(tǒng)的誤判。

為了解決低信噪比時(shí)功率譜估計(jì)法的誤判問題，對(duì)其先進(jìn)行類似離散傅里葉變換法的改進(jìn)，即在運(yùn)算前先通過帶通濾波器，即4個(gè)命令的7個(gè)音頻率信號(hào)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(jì)方法是對(duì)頻域分析，所以對(duì)濾波器的延時(shí)并不敏感，加上一組濾波器后仍在10 ms內(nèi)檢測出信號(hào)，同時(shí)誤報(bào)率性能得到了明顯改善。-6 dB信噪比條件下，語音信號(hào)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(hào)和保護(hù)命令信號(hào)，通過PLC通道發(fā)送到遠(yuǎn)端；從電力載波機(jī)接收到的信號(hào)，用功率譜估計(jì)法檢測，對(duì)檢測時(shí)間、抗噪聲能力、運(yùn)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，滿足系統(tǒng)安全性和可信賴性的要求，同時(shí)滿足傳輸時(shí)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(duì)遠(yuǎn)方保護(hù)系統(tǒng)的要求會(huì)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。