1、,电力线载波远方保护通道,2006.02,远方保护的传输通道,继电保护,音频或数字信号,TPS:保护接口设备,TPS:保护接口设备,继电保护,传输通道,音频或数字信号,电力系统通信的主要方式:,光纤通信超大容量、设备运行可靠，但通道较易受损，无中继距离有限。微波通信大容量，设备运行可靠，但基建及维护成本极高，易受地形及信号衰落影响。无线高频通信大容量、灵活方便，但易受地形及干扰影响。电力线载波通信(PLC),电力线载波通信的特点,优点用电力线作传输介质，坚固可靠。所需投资较少，长距离电路上有明显的优势。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已经非常成熟，并被证实是非
2、常成功和有效的。缺点是一种窄带设备，传输容量很小。使用的频谱受到限制。下限受耦合效率的限制，上限受无线电广播频率的限制。对电力线上的各种噪声干扰比较敏感。为提高传输信号的信噪比，必须提高发信机的发信功率。传输远方保护命令信号与系统故障几乎同时发生，为此对设备有一些特殊且严格的技术要求。,PLC电路的组成,A站,高压输电线,电能的传输,B站,PLC 的耦合设备,线路阻波器 - DLTC,结合滤波器 MCD80,电力线载波 - ETL541,下层为AMX500,相地耦合和相相耦合方式,电力线,母线,耦合电容器,Tx,Rx,结合滤波器,阻波器,差接网络,电力线载波机,Elements:,高频电缆,电
3、力线载波通信中的音频信号、中频信号和高频信号,音频信号(Audio Frequency -AF)0 - 4000Hz为了隔离相邻的音频频带及滤除工频信号的干扰，有效带宽一般为300 4000Hz中频信号(Intermediate Frequency -IF)音频信号变换成高频信号的中间过程高频信号(Radio Frequency -RF)线路信号，一般为调幅和调频信号,音频频带内各种信号的频率分配,音频 (Audio) 频带的分段:话音 (Speech) 频带：一般占用音频频带中的 3002000Hz上音频 (Speech Plus) 频带：话音频带以上的部分音频 (Audio) 频带的信号:
4、电话 (Telephone) 信号FSK远动 (Teleoperation) 信号600Bd及以下：一般占用上音频频带(2000-3600Hz)1200Bd：一般占用全频带(300-3600Hz)。如果选用NSK5，可以只占用上音频。2400Bd：必须选用NSK5，用全频带传送。远方保护 (Teleprotection) 信号可在电话频带内传输：节省频谱，传输命令时切断话音也可在上音频频带内传输：增加命令数量时可考虑采用,电力线载波机的调制方式,传统的方式单边带载频抑制二次调制方式新型的调制方式DDS - Direct Digital Synthesis (直接数字合成)Tx：模拟音频信号数字
5、信号（DSP技术)模拟高频信号Rx：模拟高频信号数字信号（DSP技术)模拟音频信号呈现的外部特性，与单边带载频抑制二次调制方式一样DDS方式的优点电路简单，但更可靠。功能大大增强，高度的灵活性。可以与计算机连接，用专用的软件工具对其进行设置，管理和维护。,电力系统的噪声干扰,电晕噪声与电压等级、线路长度、导线情况 (粗细、光洁度、脏污、分裂数)、天气情况、海拔高度等因素有关。刀闸和断路器动作产生的噪声刀闸动作时间较长，所以其影响远大于断路器动作的影响。绝缘子瓷瓶放电、绝缘子间隙放电等产生的噪声绝缘子的间隙放电通常是对电力线载波通信影响最大的一种噪声，其特点是强度大、持续时间长，一般出现在新线路
6、上，一旦产生，不会自动消失。雷电等自然因素产生的噪声受干扰的信号可能会引起保护装置误动。,电晕噪声的参考值,4KHz带宽内电晕噪声的平均水平（CIGRE推荐值）,信噪比,信噪比 (SNR或S/N)SNR 有用信号电平 噪声电平 (dB)ITU-T对SNR的要求话音：不小于25dB远动：不小于15dB远方保护：根据可依赖性指标确定，一般不小于6dB通道噪声电平的大小与带宽的关系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，其接收的噪音电平也越高。频带宽度与噪音电平之间的关系是：L Nf2 = L Nf1 10 lg ( f 1 / f 2 )式中： L Nf1、L Nf2 分别是带宽为
7、f 1 和 f 2 频带内的噪音电平,保护系统的构成,A站,高压线,B站,远方保护简介,远方保护的基本概念什么是远方保护 ?- Tele Communication + Protection Signalling利用通信通道传输保护命令信号国内一般称为纵联保护或高频保护电力线载波远方保护通道的基本组成继电保护装置电力线载波机保护接口设备高频通道它用在什么地方 ?- 主要用在高压和超高压系统。为什么要用远方保护 ?- 在尽可能短的时间内切除故障，保证系统的稳定运行。,远方保护信号设备,什么是远方保护信号设备 ?TPSTeleProtection Signalling (Equipment)- 或
8、称保护信号传输设备，保护接口设备，音频接口设备，Tone Equipment, TPE等),TPS 标准和出版物,IEC 标准:IEC 60834-1电力系统的远方保护设备 性能和试验 第1部分：窄带系统 (第1版, 1988)第1部分：命令系统 (第2版, 1999)IEC 60834-2电力系统的远方保护设备 性能和试验 第2部分：模拟比较系统 (第1版, 1993),CIGRE（国际大电网会议） 出版物:“远方保护导则”, 学术委员会 34 + 35, 远方保护联合工作组, 1969;“保护系统的远方保护通道”修订本, 1985“保护系统的远方保护通道”修订本, 2000,远方保护通道的
9、信号变换,远方保护信号的传输过程,信号变换发信：接点信号音频信号（或数字信号）高频信号收信：高频信号音频信号（或数字信号） 接点信号音频信号的控制方式ON/OFF（单频键控）方式FSK（移频键控）方式,保护命令信号的传输过程,同一站内保护屏与通信屏之间命令信号的连接,保护命令启动电压的选择,由保护接口设备提供启动电压优点：接线简单缺点：启动电压太低，控制电缆受到干扰时，很容易使保护接口设备误发命令信号应用场合：控制电缆极短（几米）且应用环境屏蔽良好由保护装置或外部提供启动电压优点：控制电缆受到干扰时，具有较好的抗干扰能力缺点：接线稍复杂应用场合：绝大部分应用场合启动电压的选择保护接口设备提供的
10、启动电压：一般为24VDC或48VDC保护装置或外部提供的启动电压：一般为110VDC或220VDC电压选择原则：电压越高越好,保护通道的两个判据 : 跳频信号和监频信号,跳频信号（Trip）监频信号（Guard)用载波机的导频信号：不占用额外频带，节省发信功率用保护接口设备的独立监频信号：发送命令时不影响收信AGC电路的工作状态双判据的工作状态正常运行状态常发监频信号，不发跳频信号命令发送状态停发监频信号，改发跳频信号目的提高命令传输的安全性,电力系统对继电保护的基本要求,四大指标：可靠性选择性快速性灵敏性,电力系统对保护通道的基本要求,可靠性 (Reliability) 的组成 可依赖性
11、(Dependability)安全性 (Security)快速性对通道的传输时间 (T0) 有严格要求,远方保护通道的可依赖性,Dependability - 可依赖性从一般的概念上来说，我们希望一个系统的可依赖性越高越好。但是从量化的角度来说，表述一个系统的可依赖性的值却是越低越好。它被称作丢失命令的概率Pmc。 所有可依赖性的测量都按IEC 60834-1的标准进行。可依赖性测量Pmc = ( NT NR ) / NTPmc = 丢失命令的概率NT = 发送的命令数NR = 接收的命令数,NSD550可依赖性指标曲线之一,远方保护通道的安全性,Security - 安全性从一般的概念上来说
12、，我们希望一个系统的安全性越高越好。但是从量化的角度来说，表述一个系统的安全性的值却是越低越好。它被称作虚假命令的概率Puc。所有安全性的测量都按IEC 60834-1的标准进行。安全性测量虚假命令的概率按下式计算Puc = Nuc / NBPuc = 虚假命令的概率Nuc = 接收端的虚假命令数NB = 注入的噪声脉冲数,远方保护命令的传输,传输时间,命令输入(本地),命令输出(远端),真正的命令,远方保护通道的传输时间,Transmission time - 传输时间保护命令传输所经历的时间标称传输时间T0T0是从一端载波机的远方保护接口的命令输入端信号状态改变时刻起，到另一端载波机的远方
13、保护接口的命令输出端信号状态相应改变时刻止所经历的时间。在不考虑高频通道部分的传输时间，也就是系统在背靠背试验时测得的传输时间称作标称传输时间T0。T0是在无噪声的传输条件下测得的。实际传输时间Tac系统接上有噪声的高频通道后实际测得的传输时间称作实际传输时间Tac。Tac总是大于标称传输时间T0。,切除故障所需的总时间,即从故障开始至线路跳闸所经历的时间 切除故障所需的时间由下列各部分组成： 继电保护的动作时间 (故障检测) TREL 命令信号的传输时间 TAC 线路开关的动作时间 TBR典型值:TTotal = TREL +TAC +TBR75 ms =20 ms +15 ms +40 m
14、s要求在最恶劣的条件下: TTotal = 小于100 ms = 最多4.5至 5 工频周期 (50 Hz),远方保护的传输时间一览图,远方保护通道的传输时间分配 (不包括保护装置),发信继电器的动作时间：光耦约几十微秒，继电器约23毫秒发信启动时间（保护接口设备）：键控、编码等通道时间：输电线中约每毫秒200公里设备的电路延时：时间元件，如滤波器、均衡器等收信选择时间：选频、解码等收信评估（判断）时间：判断接收信号是噪声还是命令，是什么命令。此时间的长短对接收命令信号的质量是最至关重要的收信继电器的动作时间；固态继电器约几十微秒，普通继电器约58毫秒,快速保护通道和慢速保护通道,快速保护通道
15、：传输时间一般要求小于15ms。用于主保护慢速保护通道：传输时间一般要求小于30ms。用于后备保护传输时间的选择原则：不大于保护对通道传输时间的要求值。最接近保护对通道传输时间的要求值。理由是，使保护接口设备的收信电路有足够的命令评估时间。,各参数之间的依赖关系,传输时间,远方保护的性能参数及其关系,不同保护方式下的一般参数,允许式线路保护:传输时间 T0 = 10 . 20 ms可依赖性 Plost command 10-2 . 10-3安全性 Pfalse command 10-3 . 10-4闭锁式距离保护:传输时间 T0 = 6 . 15 ms可依赖性 Plost command 10
16、-3 安全性 Pfalse command 10-2直接跳闸 (例如变压器保护):传输时间 T0 = 20 . 50 ms可依赖性 Plost command 10-3 . 10-4安全性 Pfalse command 10-5 . 10-6,命令系统的典型时间要求,闭锁式很短的传输时间Tac 15 ms 10 ms中等的安全性Puc 1E-2 1E-6较高的可依赖性Pmc 1E-3 1E-3 允许式中等的传输时间Tac 20 ms 10 ms中偏高的安全性Puc 1E-3 .1E-4 1E-6中偏高的可依赖性Pmc 1E-2 .1E-3 1E-3 直跳式中等的传输时间Tac 40 ms 10
17、 ms极高的安全性Puc 1E-5 . 1E-6 1E-9很高的可依赖性Pmc 1E-3 1E-3,音频设备 数字设备,保护系统,本地信息,各采集点的信息,不需要传输信号,需要传输信号,不带选择,带选择,有延时,无延时,有条件地选择,保护系统的基本特点:,常见的保护方式和保护逻辑,按保护对象分类主设备保护：发电机，变压器，电抗器，断路器等电网保护：母线，线路等安全自动装置：切机，切负荷，减频减载等,常见的保护方式和保护逻辑,按保护逻辑分类P（Permissive）方式：允许式。POTT（Permissive Overreaching Transfer Trip: 超范围允许式）：跳闸的必要条件
18、PUTT（ Permissive Underreaching Transfer Trip: 欠范围允许式）：加速跳闸的必要条件B（Blocking）方式：闭锁式D（Direct）方式：直跳式，也称DTTU（Unblocking）方式：解除闭锁式，是P方式的补充注：Transfer Trip：通过信道传输保护命令的工作方式,三相保护和分相保护,三相保护保护动作时跳开三相开关分相保护线路发生单相故障时，保护跳开该故障相开关，然后自动重合闸一次。重合闸如果成功，线路恢复正常运行；重合闸如果失败，保护跳开三相开关。,距离保护的分时段特性,B,A, B, C变电站RA,RB, RC 继电保护TA1, T
19、A2, TA3 保护A的动作时间TB1, TB2, TB3 保护B的动作时间,典型的分段距离/时间特性图,RA,RB,RC,A,C,距离,动作时间,1段,2段,3段,TA2,TA1,TB2,TB1,TA3,故障方向,从母线指向本段被保护线路的方向为正方向，从母线背向本段被保护线路的方向为反方向，,高频距离保护,允许信号,只有当本地保护判断为故障，且收到对方送来的允许信号后才能动作跳闸出口。,允许信号的发送,当本地保护判断为正向保护范围内的故障，就向对侧保护装置发送一个允许信号。A站和D站是否发允许信号取决于它们的测量范围。,超范围允许式,只有当本地保护判断为故障，且收到对方送来的允许信号后才能
20、动作跳闸出口。,线路距离保护,允许式超范围距离保护逻辑原理图,欠范围允许式,只有当本地保护判断为故障，且收到对方送来的允许信号后才能动作跳闸出口。,线路距离保护,允许式欠范围距离保护逻辑原理图,闭锁信号,只有当本地保护判断为故障，且收不到对方送来的闭锁信号时才能动作跳闸出口。,闭锁信号的发送,当本地保护判断为反向保护范围内的故障，就向对侧保护装置发送一个闭锁信号。,线路距离保护,闭锁式超范围距离保护逻辑原理图,跳闸信号（1）,国外的远方跳闸大都采用本方式。当本地保护判断为故障，或收到对方送来的跳闸信号时动作跳闸出口。,跳闸信号（2）,国内的远方跳闸大都采用本方式。当收到对方送来的跳闸信号，且本
21、地保护也判断为故障时，才能动作跳闸出口。,直跳式应用的例子：变压器保护,L,B,C,PPLC或光缆通道L高压输电线,远方跳闸的二取二工作方式,常见的保护方式和保护逻辑 P+U逻辑,U逻辑的特点和应用原则,采用U方式可以提高载波保护通道的可依赖性，但是它是以降低安全性为代价的。所以在考虑是否采用U方式时，应慎重地进行权衡比较。 U信号反映了通道信号接收的实际状态，它由本侧保护接口设备产生，送往本侧保护装置。U方式只在信号消失的开始时动作一次，防止因开放时间太长，降低保护的安全性。U方式是载波保护通道应用允许式保护时的一种补充方式，可提高保护通道的可依赖性。U方式应与相间保护配合，提高工作安全性。
22、尽量避免与单相保护配合。如果保护装置无法区分单相故障和相间故障，为安全起见，建议不要采用U方式。同杆双回线保护应慎用解除闭锁方式。因当其中一回线检修或操作时，会产生干扰信号而影响另一回线的U逻辑回路。合理选择启动延时时间和启动门限电平。如果通道存在较大的噪音，首先应找出产生噪音的原因并消除它，而不仅仅是被动地在设备上想办法。,“ U ” 信号的时间图,“ U ” 信号时间值的选择,启动延时时间t1对保护的影响启动延时时间太短，U信号电路对通道噪声太敏感。启动延时时间太长，U信号电路启动太慢，延长保护的动作时间。NSD550启动延时时间t1的选择（用MMI500设置）固态继电器输出：按保护要求减
23、去约7ms。例如保护允许最长启动时间为25ms，可设置为18ms。电磁型继电器输出：按保护要求减去约11ms。例如保护允许最长启动时间为25ms，可设置为14ms。延长U信号的启动延迟时间后，可以大大降低在通道受干扰情况下U信号的动作次数，但在较强干扰或干扰时间较长的情况下，仍会有U信号动作输出。这是由U逻辑本身的特点所决定的。输出时间的选择继电保护的U窗口时间约100ms保护接口设备的输出时间应为100200ms,命令信号的展宽时间,展宽时间的定义,潮流反转,命令展宽时间对允许式保护的影响,正确选择命令信号的展宽时间,展宽时间的用途用于补偿收信电路对接收命令进行评估的时间损失。对某些类型的保
24、护提供足够的工作配合时间。当命令信号在通道中传输时，会受到通道杂音的干扰。防止命令信号有可能出现的缺口。不同的保护对展宽时间的要求允许式跳闸：0ms，不超过20ms闭锁式跳闸：0ms直接跳闸式： 1. 用于设备保护：至少100ms (不适合于稳态信号) 2. 用于线路保护：20ms展宽时间太长对保护的影响展宽时间太长时，会越级对下级保护开放，引起误动。,多命令的发送方式,多跳频发送方式每个命令用一个跳频发送。缺点：每个命令占用一部分功率，降低命令信号传输的信噪比发送频率数每个频率发送电平2个降低6dB3个降低9.5dB4个降低12dB命令发送的信噪比明显降低，一般命令信号的信噪比每降低12dB
25、，命令传输的可依赖性就降低10倍以上。单跳频发送方式不管同时发几个命令，某一时刻只发一个跳频信号(包括音频编码方式)，所以不会降低命令信号传输的信噪比。优点：多命令同时发送时，不会降低命令传输的可依赖性。,多命令同时发送时的处理方法及比较,1、多个保护命令信号同时发送的方式：此种方式的主要问题是对每一个保护命令信号来说功率很小。例如，2个保护命令信号同时发送时，每个保护信号只有原载波机功率的1/4(功率电平降低6dB)，这势必大大降低可依赖性及安全性。2、多个保护命令信号同时到达时按优先级发送命令的方式：此种方式克服了第一种方式保护信号功率太小的缺陷，可以以满功率方式发送保护信号，但是级别较低
26、的保护命令因延时可能造成命令失效，而降低可依赖性。3、用另一个(或一组)频率代替几个同时发送的保护命令信号：此种方式既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的问题。例如，命令1(fT1)、命令2(fT2)同时到来时，改发频率fT3信号代替命令1和命令2 (fT1+ fT2)。,命令信号的编码传输,编码传输的目的提高命令传输的安全性。编码工作方式适用于跳频信号的模拟阶段。每个命令用两个或多个跳频发送。同一瞬间只有一个跳频。两个跳频信号按照一定的规则编码传输。编码方式的特点很强的抗干扰能力。增加了传输时间。适用于慢速保护，例如传输远方跳闸信号。,命令信号编码传输的特点分析,电力载
27、波通道是在一个高杂音、强干扰环境下运行，尤其是一次开关刀闸操作、打雷、污闪及电力线路故障时，载波复用保护通道均要承受强白噪音干扰。而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。采用简单移频方式：当与监频频率相同的白噪音频率成份，其相位相同时，监频信号加强，虽然有干扰的跳频存在，但由于监频也存在，不会引起误动。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，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。采用编码移频方式：当与监频频率相同的白噪音频率成份，其相位相同时，监频信号加强，虽然有干扰的跳
28、频成在，但由于监频也在，不会引起误动。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fT和 fG相同干扰频率的发生概率很少或几乎没有，所以引起保护误动的概率很小。,保护命令的交叉连接矩阵,保护命令交叉连接的功能是新一代保护接口设备应具备的功能,命令的频率和优先规律,命令的频率将接点命令变换为可传输的音频信号数字式保护接口设备再将它转换为数字信号或光信号使用电话频带内的频率，传命令时切断话音或使用上音频频率一个频率可以代表一个或多个命令命令的优先规律保护发送单命令时，传输相应的命令保护同时发多个命令时，根据优
29、先规律传输命令编码命令优先于非编码命令传输分相保护方式中，两相和三相故障时，传输相间故障命令，通常是D命令,命令计数器和事件记录器,机械式命令计数器记录命令发送和接收的次数不记录动作的具体时间，需每天进行人工记录各计数器的动作灵敏度不一致不能反映极短的动作情况现在已基本淘汰事件记录器记录动作的具体时间，精确到毫秒动作的灵敏度高可以用外部时钟进行同步，如GPS系统用非易失性存储器记录，先进先出(FIFO)事故后应及早调看和保存附带计数器,命令输出继电器的选择,电磁型继电器电气隔离空接点输出电流较大，最大25A无极性要求动作时间长，约58ms(实际5ms)接点有抖动，易烧死适合于告警和记录等输出固
30、态继电器电气隔离空接点输出电流较小，最大12A有极性要求动作时间短，小于0.25ms（实际0.06ms），可忽略不计。节约下来的时间可以用于命令信号的评估。接点无抖动，使用寿命长适合于命令输出,提高命令传输的可依赖性和安全性,远方保护通道应优先考虑采用相相耦合方式优点：通道衰耗小，单相或两个非加工相故障时，通道不会中断采用新型的DSP信号处理技术，提高信号识别能力传输命令信号时应切除话音、远动等信号提升命令信号的发信电平，用满功率发送多命令传输应用单频方式传输保护接口设备应具有自动检测(定时和人工)功能在保护允许的传输时间范围内，尽量增加命令收信的评估时间用固态继电器作命令输出慢速命令用音频编码方式传输允许式保护应考虑用U方式进行补充重要的保护用双通道传输同杆双回线保护应慎用解除闭锁方式如果通道存在较大的杂音，应找出原因并消除它,
