基于数字信号处理的远方保护设备

1、基于数字信号处理的远方保护设备随着电力工业迅猛进展，电网规模日益扩大，当电力系统发生故障时，线路两端的继电庇护装置所产生的指令信号借助庇护设备并经(电力线载波)、光纤等通信通道，把跳闸指令信号传送到远端庇护屏，用以跳闸、切机或切除负荷，起到故障庇护作用，因此，庇护指令信号的牢靠传输对于电网平安稳定运行起着至关重要的作用。采纳plc通道传输庇护指令信号，因牢靠性高且成本低而被广泛用法。因为plc信道(线路)传输特性是随时光、地点不断变幻的，为了在信道低信噪比条件下实现平安、牢靠、迅速传输庇护指令，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迅速、精确检测。1 远方庇护设备的性能要求

2、远方庇护的工作方式可分为闭锁式、允许跳闸式、挺直跳闸式3种。plc复用远方庇护设备是利用电力载波机实现庇护信息的远距离传输，庇护指令信号设备为了在plc中通信，需将庇护指令系统的指令信息变换成0 khz4 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。庇护指令信号设备系统性能主要有传输时光、平安性、可信赖性3项。这3项指标是互相关联的，用相同的信号处理办法，若提高平安性，则会降低可信赖性；若提高平安性和可信赖性，则传输时光变长，即传输速度变慢。平安性是指未发指令信号状况下，远方庇护抗御干扰和噪声、接收端不浮现指令状态的能力。平安性为：1-puc。其中，puc为虚假指令概率。虚

3、假指令是指未发指令状况下接收端输出超过规定持续时光的指令。可信赖性是指存在于扰和噪声的状况下有效地发出并接收指令的能力。可信赖性为：1-pmc。其中，pmc为走失指令概率。各种远方庇护系统性能指标如表1所示。2 指令信号产生远方复用庇护设备可传输14个庇护指令，指令信号传输方式有"2+2"或"3+1"两种。远方庇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；需发指令信号时切断监护信号，发指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

4、满功率发指令信号。监护音频率和指令音频率采纳满足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协作用法，远方庇护设备提供几十个频率供挑选。远方庇护设备有效频带300 hz3 850 hz，发送频率品种有监护音频率信号、指令音频率信号(按照工作模式，最多7个指令音频率信号)。远方庇护工作方式为挺直跳闸时，可对指令信号举行编码，提高远方庇护设备传输的平安性，非编码信号常用于传输迅速庇护指令，如允许跳信号或闭锁信号。为编码方式时，按照要求编码选用2个指令音频率举行fsk调制。单频信号的产生可采纳函数查表法。在flash存储器中预置一个正弦函数表，每个指令信号和监护信号

5、控制dsp对函数表举行查找，产生相应的单频信号采样脉冲，再通过模拟低通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1所示。3 信号接收及检测远方庇护设备接收支路对从电力载波机送入的信号，先举行非线性处理(通过一组)，再对信号举行数字化处理。对信号频谱举行判决，判别是指令信号、监护信号还是虚假指令信号。若为fsk调制信号，则举行fsk解调，得到编码，再判别是哪个指令信号。当延续一段时光(30 ms500 ins)接收不到指令信号或监护信号，或者再

6、在一段时光(30ms500 ms)内接收到不止一个指令信号或监护信号，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举行检测，并用matlab比较。3.1 能量计算法采纳这种办法，对plc通道传输来的有噪声的模拟单频信号举行采样变换后，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，同时对脉冲举行逐点能量计算，然后对能量举行判决，检测是否存在相应的单频信号。2所示。用matlab举行仿真，采样频率fs=10 00

7、0 hz，加上噪声，信噪比为-6 db，输入信号x=sin(0.4n)+sqrt(2)rand(1，n)，仿真图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需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，会浮现虚假信号。3.2 离散傅里叶变换法举行离散傅里叶变换运算前先使信号通过一组带通滤波器，再举行运算。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举行离散傅里叶变换运算。有指令来时，对应当指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

8、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，因为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，所以噪声大时会浮现漏报和虚报。输入信号为x=sin(0.4n)+sqrt(2)rand(1，80)，信噪比为-6 db时，仿真图见图5。3.3 功率谱估量法信号功率谱分析法是现代信号检测的主要办法之一，采纳multitaper法，运用正交窗口获得互相自立的谱估量，然后组合生成终于的谱估量，通过仿真分析，这种办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，时光长度取10 ms，输入信噪比为-6 db，输入信号为

9、x=sin(2×781.25t)+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，算法实现十分复杂。通过计算，做一次功率谱分析需要dsp执行1万2万次运算。每采样一块数据后举行一次分析运算。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)、60(百万条命令每秒)，在2.5 ms内可以执行0.3mflops或0.15 mips。所以处理时光上是足够的。远方庇护设备

10、从载波机采集的信号并不是彻低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，在这种状况下，功率谱估量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量法的误判问题，对其先举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个指令的7个音频率信号及监护音频率滤波器。详细流程图7所示。功率谱估量办法是对频域分析，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显然充实。-6 db信噪比条件下，语音信号举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庇护指令信号，通过plc通道发送到远端；从电力载波