基于数字信号处理的远方保护设备

　　0 引 言

　　随着电力工业迅猛发展，电网规模日益扩大，当电力系统发生故障时，线路两端的继电保护装置所产生的命令信号借助保护设备并经PLC(电力线载波)、光纤等通信通道，把跳闸命令信号传送到远端保护屏，用以跳闸、切机或切除负荷，起到故障保护作用，因此，保护命令信号的可靠传输对于电网安全稳定运行起着至关重要的作用。

　　采用PLC通道传输保护命令信号，因可靠性高且成本低而被广泛使用。由于PLC信道(线路)传输特性是随时间、地点不断变化的，为了在信道低信噪比条件下实现安全、可靠、快速传输保护命令，须重视对数据或信号的处理，尤其是单频信号的产生和单频信号的快速、准确检测。

　　1 远方保护设备的性能要求

　　远方保护的工作方式可分为闭锁式、允许跳闸式、直接跳闸式3种。

　　PLC复用远方保护设备是利用电力载波机电路实现保护信息的远距离传输，保护命令信号设备为了在PLC中通信，需将保护命令系统的命令信息变换成0 kHz～4 kHz频率范围的音频信号，与话音及远动等信号复用在电力线上传输。

　　保护命令信号设备系统性能主要有传输时间、安全性、可信赖性3项。这3项指标是相互关联的，用相同的信号处理方法，若提高安全性，则会降低可信赖性；若提高安全性和可信赖性，则传输时间变长，即传输速度变慢。

　　安全性是指未发命令信号情况下，远方保护抗御干扰和噪声、接收端不出现命令状态的能力。安全性为：1-Puc。其中，Puc为虚假命令概率。虚假命令是指未发命令情况下接收端输出超过规定持续时间的命令。

　　可信赖性是指存在于扰和噪声的情况下有效地发出并接收命令的能力。可信赖性为：1-Pmc。其中，Pmc为丢失命令概率。

　　各种远方保护系统性能指标如表1所示。

　　2 命令信号产生

　　远方复用保护设备可传输1～4个保护命令，命令信号传输方式有"2+2"或"3+1"两种。

　　远方保护设备在静态时将监护音频率信号(监频)发送到电力载波机音频汇接接口，监频信号和语音信号、远动信号及导频复用后一起在电力线上传输；需发命令信号时切断监护信号，发命令音频率信号及提升信号到电力载波机，PLC将语音信号和远动信号切断，并提升功率，通道以满功率发命令信号。

　　监护音频率和命令音频率采用满足ITU-T的R.35、R.37和R.38要求的标准频率，为与不同的电力载波设备配合使用，远方保护设备提供几十个频率供选择。远方保护设备有效频带300 Hz～3 850 Hz，发送频率品种有监护音频率信号、命令音频率信号(根据工作模式，最多7个命令音频率信号)。远方保护工作方式为直接跳闸时，可对命令信号进行编码，提高远方保护设备传输的安全性，非编码信号常用于传输快速保护命令，如允许跳信号或闭锁信号。为编码方式时，根据要求编码选用2个命令音频率进行FSK调制。

　　单频信号的产生可采用DSP函数查表法。在Flash存储器中预置一个正弦函数表，每个命令信号和监护信号控制DSP对函数表进行查找，产生相应的单频信号采样脉冲，再通过模拟低通滤波器平滑滤波产生单频正弦信号。

　　考虑函数表大小时，取频率分辩率为1 Hz，采样率为8 000 Hz，通过对信噪比的计算，8位数据可满足需要，即一个配置8 k×8 bit的函数表。

　　单频信号的产生如图1所示。

　　3 信号接收及检测

　　远方保护设备接收支路对从电力载波机送入的信号，先进行非线性处理(通过一组低通滤波器)，再对信号进行数字化处理。对信号频谱进行判决，判别是命令信号、监护信号还是虚假命令信号。若为FSK调制信号，则进行FSK解调，得到编码，再判别是哪个命令信号。当连续一段时间(30 ms～500 ins)接收不到命令信号或监护信号，或者再在一段时间(30ms～500 ms)内接收到不止一个命令信号或监护信号，接收器闭锁，同时发出相应的告警。

　　其中信号判别是否有漏判或误判，取决于对接收信号的数字化处理深度，即信号检测，下面用几种常见信号检测算法对单频信号进行检测，并用MATLAB仿真比较。

　　3.1 能量计算法

　　采用这种方法，对PLC通道传输来的有噪声的模拟单频信号进行采样变换后，形成采样脉冲信号，通过并接在接收端的数字椭圆窄带滤波器后，相应的滤波器将输出滤除带外噪声的单频信号脉冲，然后将脉冲逐点存人移位寄存器，同时对脉冲进行逐点能量计算，然后对能量进行判决，检测是否存在相应的单频信号。如图2所示。

　　用MATLAB进行仿真，采样频率Fs=10 000 Hz，加上噪声，信噪比为-6 dB，输入信号x=sin(0.4πn)+sqrt(2)rand(1，N)，仿真图如图3所示。

　　通过理论计算和MATLAB仿真可知，数字滤波器其实质是一个移位寄存器，因而进入滤波器的脉冲必须经过一段时延后方可稳定输出，时延较大。同时，此算法抗噪性能较差，对较低信噪比的输入信号无法检测，会出现虚假信号。

　　3.2 离散傅里叶变换法

　　进行离散傅里叶变换运算前先使信号通过一组带通滤波器，再进行运算。流程图见图4。

　　信号采样进来后，先通过这一组滤波器，对通过滤波器的信号再进行离散傅里叶变换运算。有命令来时，对应该命令滤波器输出的信号经离散傅里叶变换的值将产生一个尖峰。离散傅里叶变换分析的频域，对滤波器的时延并不敏感，所以很快就可以判别信号。

　　但是当信噪比低时，由于取的离散傅里叶变换点数太少，不能很好地体现噪声的功率谱，所以噪声大时会出现漏报和虚报。

　　输入信号为x=sin(0.4πn)+sqrt(2)rand(1，80)，信噪比为-6 dB时，仿真图见图5。

　　3.3 功率谱估计法

　　信号功率谱分析法是现代信号检测的主要方法之一，采用Multitaper法，运用正交窗口获得相互独立的谱估计，然后组合生成最终的谱估计，通过仿真分析，这种方法的抗宽谱噪声性能优于能量法和离散傅里叶变换法。

　　仿真结果如下：采样样频率为Fs=40 000 Hz，时间长度取10 ms，输入信噪比为-6 dB，输入信号为x=sin(2π×781.25t)+sqrt(2)rand(size(t))时，结果见图6。从图中可以看出在781 Hz处有的功率谱比其他频点的功率谱要高出2 dB以上，可以检测出信号。

　　这种算法的优点是抗白噪声性能好。这种算法的缺点是运算量大，算法实现非常复杂。通过计算，做一次功率谱分析需要DSP执行1万～2万次运算。每采样一块数据后进行一次分析运算。设取的一块100个数据，两块数据的间隔为2.5 ms，DSP芯片的运算速度为120MFLOPS(百万次浮点运算每秒)、60MIPS(百万条指令每秒)，在2.5 ms内可以执行0.3MFLOPS或0.15 MIPS。所以处理时间上是足够的。

　　远方保护设备从载波机采集的信号并不是完全的白噪声或脉冲干扰信号，而是还包含有正常语音信号和数据信号的复合信号。尤其是语音信号的能量有可能集中在某一频带内，在这种情况下，功率谱估计会在某个频点形成一个极大值，从而引起系统的误判。

　　为了解决低信噪比时功率谱估计法的误判问题，对其先进行类似离散傅里叶变换法的改进，即在运算前先通过带通滤波器，即4个命令的7个音频率信号及监护音频率滤波器。具体流程图如图7所示。

　　功率谱估计方法是对频域分析，所以对滤波器的延时并不敏感，加上一组滤波器后仍在10 ms内检测出信号，同时误报率性能得到了明显改善。-6 dB信噪比条件下，语音信号进行功率谱分析的结果见图8。

　　4 结束语

　　用DSP产生监护音频率信号和保护命令信号，通过PLC通道发送到远端；从电力载波机接收到的信号，用功率谱估计法检测，对检测时间、抗噪声能力、运算量这几个方面进行比较后，明显优于其他两种方法，满足系统安全性和可信赖性的要求，同时满足传输时间的要求。但随着电网的不断扩大，电网的结构日趋复杂，对远方保护系统的要求会更高，要进一步提高安全性、可信赖性及传输速度需要更深入的研究探讨。