1、电力线载波通信,贵州电网公司信息通信分公司 许筑军 2011年3月,主要内容,概述 电力线载波通信系统 电力线高频通道 电力线载波频率分配 保护复用载波通道介绍,一、概述,1、简介 历史最久的技术，经历电子管、晶体管、集成电路、部分数字化、全数字载波机五个发展历程 。90年代中期应用达到最高峰，是电网通信的主体。随着贵州电网开始大规模建设光纤通信，传输业务逐渐被光纤通信取代，目前主要应用于传输电网保护业务和应急通信。,优点 用电力线作传输介质，高频通道最坚固可靠 所需投资较少信道的走向与远方保护的通道完全一致在电力系统中传输各种信息的技术成熟缺点窄带设备，传输容量很小使用的频谱受到限制对电力线
2、上的各种噪声干扰比较敏感，发信功率大,2、特点,二、电力线载波通信系统,1、电力线载波通信系统的构成 2、电力载波机 3、电力载波通道设备介绍 4、电力载波传输的业务,1、电力线载波通信系统的构成,高压线,变电站 B,变电站 A,高压电力线、阻波器、耦合电容器、结合滤波器、载波机和高频电缆组成,耦合设备,载波机发送功率较大（1-100W） 为集中利用发送功率，一般使用单路载波机 具备有较好的自动电平调节系统，接收信号电平变化在30dB变化范围内时，音频信号输出电平变化1dB 主要传输调度电话、自动化信息、电力线路保护信号,2、电力载波机,ZDD-2000D4,ETL500系列,载波机典型应用图
3、解,电力载波机方框图,3、电力载波通道设备介绍,耦合电容器连接在结合设备和电力线之间，具有承受高电压的性能 CC- 耦合电容器 专用于电力线载波通信 。,用于继电保护的二次测量回路和电力线载通信的信号耦合回路,CVT-电 容 分 压 器,结合滤波器与耦合电容器一起组成结合设备，在电力线和高频电缆之间传输载波信号，实现线路侧和载波侧的阻抗匹配,结合滤波器,结合滤波器样例： MCD80,结合滤波器原理图,设计耦合系统采用的线路阻抗值一般是： 单根导线：相地耦合为400。相相耦合为600； 分裂导线：相地耦合为300，相相耦合为500。 电缆侧（载波侧）一般为75。,线路阻波器,线路阻波器串接在电力
4、线路和变电站母线之间，阻塞高频型号，减少变电站一次设备对高频信号的分流。由强流线圈、调谐元件和保护元件组成，强流线圈通过全部线路电流，电感值为0.22mH，分流损失不应超过2.6dB 。,阻塞阻抗：电阻分量,线路阻波器,高频电缆,接在结合设备的次级端子和载波机之间 ， 由内、外导体组成，两个导体同轴布置，传输信号完全限制在外导体内，外导体接地作为屏蔽层传输线，从而保证其屏蔽性能好、传输损耗低小、抗干扰性强、使用频带宽。,单元护套 外导体 外绝缘 内绝缘 内导体,分类代号：S同轴射频 绝缘介质材料：Y聚乙烯护套材料代号：V聚氯乙稀特性阻抗：75欧姆绝缘介质芯线外径整数值： 以毫米为单位1、2、3
5、、4、5. .屏蔽层： 一般屏蔽层有一层、两层、三层及四层。,常用型号SYV75（72）,电话远动远方保护信号 允许传送和判别的时间很短，发送信号的次数极少(每年仅数次)，没有预定的发送时间，而且要求保护装置正确动作的概率很高(安全性很高)和丢失命令的概很低(可依靠性很高),4、电力载波传输的业务,电力线高频通道耦合方式 电力线高频通道的衰耗 电力线高频通道衰耗计算 电力线高频通道衰耗测试,三、电力线高频通道,1、电力线高频通道的耦合方式,相一地耦合将载波机连接在一根相导线和大地之间，其特点是只需一个耦合电容器和一个阻波器,相一相耦合,将载波机连接在两根根相导线和大地之间，需要两个耦合电容器和
6、两个阻波器,相一地耦合 比较经济，但引人的衰耗比相-相耦合大，在线路发生线路故障时高频衰减增加很多 相一相耦合 高频衰减小，单相故障时，还可按相-地方式通信，可靠性高 由于80%的线路故障是单相故障这种耦合方式在实际应用中具有重要意义,相地耦合与相一相耦合比较,相一地耦合在线路发生单相线路故障时，传输通道高频衰减增加很多，极端情况下高频通道中断,相一相耦合在线路发生单相线路故障时（如图中A相），故障相线中断，但另一回相线（如图中B相）正常，可传输高频信号，相一相耦合方式变成相一地耦合方式传输高频信号,单相故障时相-地和相-相方式比较,电力线载波通道的衰减包括线路衰减、耦合损失和桥路损失三部分线
7、路衰减耦合损失桥路损失,2、电力线高频通道的衰耗,3、电力线高频通道衰耗计算,对称分量法 信号以相间波和地行波的形式传输,A B C,相间波传输,A B C,地行波传输,A B C,相间波传输,工程计算法1A总 = A + 7.0N1 + 3.5N2 + 0.9N3 + Ac + At (dB)式中： N1 高频桥路数量 N2 中间载波机和无阻波器分支线数量 N3 两端并联载波机数量 Ac 高频电缆的衰减 At 终端衰耗，取5.7 dB A 线路衰耗,式中 k与线路电压有关的衰减系数l线路长度 km f工作频率 kHz,系数k与线路电压的关系,线路衰耗A,A B C,模1传输（最低衰耗模式）,
8、A B C,模0传输（最大衰耗模式）,A B C,模2传输,模式分析,自然模式的数目等于传输导线的数目，单回三相线路有3 个模式,工程计算法2(模式计算）A=1l + 2Ac+ Aadd式中： A-线路衰减,dB 1- 最低损失模式的衰减系数dB/km l-线路长度km Ac-模式转换损失即全部模式的总输入功率电平与最低衰减模式以外的其他模式的输入功率电平的差值dB。 Aadd-由于耦合电路换位等不连续性引起的附加损失dB,最低损失模式（1）衰减系数a1 的近似式为：,式中 ：f -频率，kHz dc- 相导线的直径mm n -分裂导线束的分导体数,线路结冰时，通道的传输衰减可增加到不能允许的
9、程度，设计人员必须考虑线路结冰时，衰减的增加与以下因素有关： a.电力线的排列； b.导线冰层的厚度； c.环境温度； d.载波频率。,不良天气情况下的线路衰减,导线冰层厚度为0.5mm时，对于300kHz以上频率，衰减系数增加到1.52.0倍。频率愈高，衰减愈大。结冰极端情况下，受影响线段的衰减系数可增加到好天气的6倍以上。分裂导线增加的倍数较少。因此对于会结冰的线路，建议选用较低频率。雨、雾增加不了多少衰减，一般可以不计。有时，在工厂区或海边，下一次雨可能将电力线绝缘子表面冲洗干净，衰减反会减少。,发信侧振荡器用0（或最小阻抗）不平衡输出，收信侧选频表在75电阻上用高阻跨测,4、电力线高频
10、通道衰耗测试,A = P0 - P1- 6(dBu),四、电力线载波频率,电力线载波频率范围 电力线高频通道的杂音 高频通道的几个重要概念 电力线载波频率分配,基本载波频带4kHz和2.5kHz两种，常用4kHz,1、电力线载波频率范围,4kHz带宽分配表,规定为40-500kHz，按4kHz 为一个基本载波频带（B），共分成115个基本载波频带（B）。一条载波电路占用频带宽度为2 4kHz，共计57组双向通信的载波频谱,40kHz,500kHz,4kHz,1,2,3,115,40-44kHz,变电站B,变电站A,56-60kHz,载波频谱,电晕噪声 由跨过绝缘子及导线表面不规则放电(电晕)引
11、起的连续不断类似白噪声的噪声,2、电力线高频通道的杂音,各种电压等级线路4kHz 带宽内噪声电平范围,4kHz/150的电力线脉冲噪声,由隔离开关及断路器操作短路故障电弧雷电放电等引起的高幅度短而尖的突发脉冲群。 持续时间短强度大 对远方保护信号影响大,脉冲噪声,在一个确定的通信系统中，接收某信号的滤波器的频带越宽，其接收的杂音电平也越高,不同带宽的杂音电平的修正值,式中：Pn 杂音电平修正值dBf 实际使用带宽,SNR 有用信号电平 杂音电平 (dB)业务对SNR的要求： 话音：不小于26 dB 远动：不小于16dB 远方保护：南网规程：正常条件接收入口的功率电平不得低于以下数值:110、2
12、20kV线路为15-16dBm(重冰区和严重污染区可取19dBm）500kV线路为17-18dBm,信杂比 (SNR或S/N),不同信杂比的话音质量,各种信号发信电平分配,载波机标称载波功率及电平，采用以下系列值： 5W/+37dBm，20W/+43dBm, 40W/+46dBm，100W/+50dBm载波机内各种信号的输出电压的总和等于峰值包络功率相应的电压值，以50bit/s移频键控通路为计算电平分配的参考通路，各信号的电平值在求出参考通路电平Pr后计算,3、高频通道的几个重要概念,参考通路电平,式中Pr参考通路的信号电平，dBm； PPEP载波机输出峰值包络功率电平，dBm； Br参考通
13、路的噪声带宽，Hz； nsi传输速率为i的远动通路数量； Bsi传输速率为i的远动通路噪声带宽，Hz； Bts呼叫通路的噪声带宽，Hz； Brc部分抑制载频(导频)通路的噪声带宽。Hz； Ba电话通路的噪声带宽，Hz；,Gc压扩器的改善增益，dB 注：10expn = 10n,各种信号发信电平计算值,当S/Nmin(a)=26dB，S/Nmin(s)=16dB，A=10(不用压扩器，Gc=0dB)，A=1(用压扩器，Gc=10dB)时，以Pr为参考，各种信号发信电平值如表所示,载波机参数： 发信功率40W/+46dBm，参考通路带宽80Hz，远动900Hz，呼叫80Hz，导频200Hz，话音1
14、700Hz计算结果:参考通道 25.55dBm,载波机功率计算举例,高频通道的回波衰耗,阻抗匹配与输出功率的关系当阻抗匹配时，负载上得到的功率最大，且等于放大器内阻所消耗的功率，功率放大器负担最轻，工作效率最高。当阻抗不匹配时，负载上得到的功率降低，功率放大器负担加重，工作效率降低。 电力线的输入阻抗是随频率变化的复阻抗，不能在整个载波频率范围都得到准确的匹配。匹配程度用回波损耗表征。 IEC标准对线路（高频通道）回波衰耗的要求是不小于12dB,Ar = 20 lg(Z1+Z2)/(Z1-Z2) （dB）Z1：载波机输出阻抗 Z2：线路输入阻抗 回波衰耗表达出设备与负载（高频通道）的匹配程度。
15、 如果知道Z1与Z2，可以通过计算得到回波衰耗的值。如果知道回波衰耗的值和Z1的值，算出的Z2有正负两个值。,回波衰耗的表达公式,载波机发送的功率有一部分被反射回来，不能全部送上高频通道，造成功率浪费。 回损太小会使载波机的高频差接网络失衡。 反射回来的信号会造成载波机功率放大器产生谐波和乱真发射，干扰其他运行设备和本机的收信回路。 反射回来的信号还会造成载波机功放的信号失真和过载。 对命令信号的传输造成损害，例如造成信号抖动现象。 有可能会造成载波机功放的自激，甚至于损坏功放。,回波衰耗太小的危害,高频通道阻抗与回波衰耗的关系,相对于75欧姆输出阻抗的载波机，通道高频阻抗与回波衰耗的关系。,
16、满足电力线载波通道最低信噪比要求的接收电平称为最低收信电平 Pmin = Pn(a) + S / Nmin(a) 式中 Pmin 电话通路的最低收信电平dBmPn(a) 电话通路带宽内的噪声电平dBmS/Nmin(a) 电话通路允许最低信噪比 取为26dB,最低收信电平,留有足够的储备电平是在通道总衰减Atot 因各种原因变化时通道的实际接收电平不会低于最低收信电平Pmin。保证通路音频输出端信噪比通道储备电平建议值dB,通道储备电平,由载波系统的噪声、信噪比允许值、信号发送电平、储备电平等因素确定。考虑到通道储备电平以后通道实际允许的最大衰减为：Amax= P a - Pmin-Pcum -
17、Pst 式中 Amax 通道允许最大衰减dBPa 电话信号发信电平dBmPmin 电话信号最低收信电平dBmPcum 考虑转接后噪声电平积累增加值dB Pst 通道储备电平,标称传输衰减一般在3545dB范围内选取,通道允许最大衰减,跨越衰减,跨越衰耗值,可懂串音55 dB，不可懂串音47 dB。远方保护专用机一般为17-20dB干扰计算公式：Ps/i=PB- (PA- Acr Atot-bs),式中： PB被干扰载波机接收信号电平dB PA干扰载波机发送电平dBAcr干扰信号路径的跨越衰减dB Atot 干扰通道总衰减dBbs 干扰载波机选择性衰减dBPs/i信号干扰比dB,干扰与串音(信号
18、干扰比),频率分配的目的频率可用范围有限 40500kHz电力线上存在噪声和信号衰减电力系统是闭合的网络,存在相互串扰影响提高载波频谱重复使用，以组建更多的载波电路,4、电力线载波频率分配,频率分组,1、 40kHz-500kHz频谱分为、四组，每组分为A相和B相 2、同一线路本机收发间隔3B，并机发发、收收间隔7B，收发间隔3B 3、邻相发发、收收、收发间隔1B 4、同组频谱可用于同一回线路 5、不同线路可用不同组频谱，不同线路频谱可紧邻,“分组分段法”,举例： 组的A相1号频谱为：4044/56-60kHz,本机收发12kHz间隔,线路分段,以变电站为节点，将电力线路分段，不同段分配不同的
19、频谱组，充分利用跨越衰减减少频率串扰,变电站3,载波机参数：发信电平46dBm，频率100kHz，220kV线路，相地耦合 1、计算变电站A和变电站C之间的跨越衰耗：26+17+17=60dB 2、计算线路衰耗： 26.510-3100100-2=13dB 3、计算串扰信号总衰减：13+26+17+17+7=80dB 4、保护串音防卫度为17-20dB，最低收信电平按6dB(正常情况下为15-16dBm）考虑 5、串扰电平：46-80=-34dBm 6、信号干扰比：6-（-34)=40dB20dB满足要求 7、不考虑线路衰减（即不考虑线路长度）的信号干扰比为21dBm也满足要求,变电站A,变电
20、站C,变电站B,频率重复使用举例,发信46dBm,发信46dBm,1、同电压等级线路隔两段线路可重复使用相同频率 2、不同电压等级隔一段线路可重复使用相同频率 3、同一变电站不能重复使用频率 4、由于一条线路同时开设的载波电路数量不会太多，同一组频率可按实际情况分别使用在同一变电站不同线路上 5、线路三相全阻塞,频率重复使用原则,a.优先安排远方保护和重要用户的载波通道频率 b.先长通道后短通道 c.在满足信噪比和线路衰减的条件下选用较高频率保留较低频率 d.对可能覆冰的线路选择较低频率 e.尽可能地重复使用频率,频率分配的原则,电力线载波保护 保护通道的三大指标 载波电路中保护信号的复用 保
21、护装置与电力载波机连接,五、保护复用载波介绍,继电保护的作用 在电力系统中检测故障或其他异常状态从而切除故障，结束异常状态，发出信号或指示的设施。根据保护的对象不同可以分为：线路保护、变压器保护、发电机保护 继电保护的特点允许传送和判别的时间很短、发送信号的次数极少(每年仅数次)、没有预定的发送时间，正确动作的概率很高(安全性很高)和丢失命令的概很低(可依靠性很高)远方保护系统由远方保护设备、保护接口设备及通信系统组成的系统,1、电力线载波保护,为了达到有选择性地快速切除全线故障的目的，需要利用通信通道将线路一侧电气量的信息传输到另一侧去，使线路两侧之间发生纵向的联系 根据使用通道分为4种 导
22、引线纵联保护（简称导引线保护）电力线载波纵联保护（简称载波保护）微波纵联保护（简称微波保护）光纤纵联保护（简称光纤保护）,纵联保护,远方保护的传输通道,根据传送信息形式和对保护装置作用的不同，远方保护系统有模拟系统与命令系统两种模拟系统 模拟远方保护在线路两端间传送工频电量的幅值、相位信息（模拟量） 光纤电流差动保护是模拟系统命令系统 命令远方保护在线路两端间传送改变开关状态的命令，断开或投入。可分为跳闸式（直接跳闸、允许跳闸）和闭锁式两种 电力线载波保护常用于命令系统,模拟系统与命令系统,闭锁信号 它是阻止保护动作于跳闸的信号。接收端收到命令信号后禁止本端保护装置动作 允许跳闸信号 它是允许
23、保护动作于跳闸的信号。在接收端收到命令而且本端保护也动作时才能实现跳闸 直接跳闸信号 它是直接引起跳闸的信号。直接跳闸方式中，不论本端保护的动作情况如何，接收端收到命令信号后就可以跳闸,载波传输的保护信号,可依赖性、安全性和快速性是远方保护通道的三大指标：可依赖性 指丢失命令信号的概率，即可靠传输安全性 指虚假命令的概率，即抗干扰能力快速性 指保护命令传输所经历的时间，即传输时间,2、保护通道的三大指标,远方保护命令的三大指标图解,远方保护系统动作时间典型值,南网规程：保护通道的三大指标,0.3kHz,2kHz,fG,fp,f,载波传输远方保护信号频谱图示,复用过程 发信端 当保护命令到来时，
24、保护接口将保护命令变换为适于通信传输的频率信号 ，中断监频并控制发信机将话音、远动信号通路切断，提升功率发送命令信号。 接收端 在线路的另一端，收信机判断监频信号已消失，并检测到一个有效的跳频信号，相应的输出端就动作。,3、载波电路中保护信号的复用,跳闸,远方保护通道的信号变换,保护装置,保护装置,TPS,PLC,PLC,TPS,TPSTeleProtection Signalling保护接口设备,高频通道,远方保护通道,本地判据,远方判据,f(跳频）,f(跳频）,载波信号,多个保护信号频率同时到达同时发送主要问题是对每一个保护信号来说功率很小,多个信号分配发信功率，势必大大降低可依靠性及安全
25、性,多个保护信号同时发送时的处理方法,0.3kHz,2kHz,fG,fp,f1,f2,f3,此种方式克服了第一种方式保护信号功率太小的缺陷，可以满功率方式保护信号，但是级别较低的保护命令因延时可能造成命令失效，而降低可依靠性。,多个保护命令同时到达时按优先级发送,0.3kHz,2kHz,fG,fp,f1,f2,f3,三个命令同时到达，按f1 f2 f3的优先顺序发送，f3在最后发送延迟时间最大，最有可能失效,t1,t2,t3,T间,T间,T,此种方式即不存在功率分配问题(满功率发送)，也不存在命令延时而失效问题。,用另一个频率代替几个同时发送的保护信号,0.3kHz,2kHz,fG,fp,f3
26、= f1+ f2,命令1(f1 )、命令2( f2 )同时到来时，改发频率f3信号代替命令1和命令2 (f1+ f2),命令1(f1 )、命令2( f2 ) 同时到达是交替发送f1和f2 （编码发送）,用一组频率代替几个同时发送的保护信号（编码发送）,此种方式不存在功率分配问题(满功率发送)，引起保护误动的概率很少,0.3kHz,2kHz,fG,fp,f1,f2,f1,f2,f1,f1,f2,T,噪音干扰引起误发命令的原因载波复用保护通道要承受强白噪音干扰，白噪音的频率成份覆盖了整个载波频带，既有保护信号的监频成分，又有保护信号的跳频成分。当与监频频率相同的白噪音频率成份，其相位相反时，监频信
27、号削弱或抵消，即监频被切断，由于有干扰的跳频成在，此时相当于发命令状态，从而引起保护误动。此概率较高。 编码抵御噪音干扰的原理当与监频频率相同的白噪音频率成份，其相位相反时，监频信号削弱或抵消，即监频被切断，虽然有干扰的跳频成在，但是按编码时序规律交替出现与f1和f2相同干扰频率的概率很少或几乎没有，所以引起保护误动的概率很少。 编码命令会增加命令传输时延，一般用于跳闸命令的传输,为什么要采用编码命令,时分复用载波机平时发送监频信号，当发保护信号时，中断监频发送，同时切断话音、远动数据和导频信号，以全部发信功率改发跳频（保护信号）信号（功率提升） 编码移频交替发送两个跳频信号代替一个保护信号或
28、代替两个以上保护信号(命令组合） 多命令组合用另一个频率代替几个同时发送的保护信号,时分复用，编码移频方式的保护复用制式,0.3kHz,2kHz,fG,fp,f1,f2,f3,多命令组合举例（NSD550保护接口）,当多个保护命令同时到达时，用另一个( 或一组)频率代替几个同时发送的保护信号,多命令组合传输频率表举例,NSD550保护接口,4、保护装置与电力载波机连接,发信 连接在X16-1和X16-2接点的保护装置的发信接点闭合，启动保护接口NSD550的(发A)发信光电继电器 ，控制载波机发保护命令。 收信 载波机收到对侧命令后启动NSD550的（收A）收信继电器，闭合X16-5和X16-
29、6接点，沟通保护装置收命令回路，保护装置收到命令后进行判别输出跳闸命令。,命令A接口图,变电站保护装置与载波机连接图,安顺变贵阳变回保护通道图,安顺变贵阳变回保护通道图（安顺变侧 ),1、主一保护RCS-931DMM双光纤电流差动保护 2、主二保护LFP-901D纵联方向及辅A保护LFP-925过压远跳 3、主三保护LFP-902D纵联距离及辅B保护LFP-925过压远跳,电力线路的电压等级 线路长度 线路种类（架空或地下电缆） 有无换位? 继电保护方式 所保护的对象（电力线路, 设备） 备份的要求 已使用的电力线载波频率,站内供电电源 现有耦合电容器的规格CVT的精度等级 所保护的电力线路有无引出线和变压器? 电力线路的额定电流 线路方式（相地耦合或相相耦合） 电网一次线路结构,做好电力载波工作需了解的信息,谢谢！,
