电力线载波通信1课件

电力线载波通信

2011年3月2023/4/2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。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阻波器阻波器CC/CVTCC/CVT结合滤波器结合滤波器变电站A

传输数据、电话和护信号电力线载波机电力线载波机高压电力线、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典型应用图解

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。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400Ω。相相耦合为600Ω；分裂导线：相地耦合为300Ω，相相耦合为500Ω。电缆侧（载波侧）一般为75Ω。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、4、5......屏蔽层：一般屏蔽层有一层、两层、三层及四层。常用型号SYV－75－（7－2）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与话音交替复用(AMP)

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

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ABC相间波传输ABC地行波传输ABC相间波传输ABC模1传输（最低衰耗模式）ABC模0传输（最大衰耗模式）ABC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=α1l+2Ac+Aadd式中：A--线路衰减,dBα1--最低损失模式的衰减系数dB/kml--线路长度kmAc--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，kHzdc--相导线的直径mmn--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1.5～2.0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0Ω（或最小阻抗）不平衡输出，收信侧选频表在75Ω电阻上用高阻跨测

4、电力线高频通道衰耗测试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4kHz1、电力线载波频率范围基本载波频带用途有效传输频带4kHz电话信号专用电话信号300～3400Hz非电话信号专用非电话信号300～3400Hz或以上电话和非电话信号复用电话信号300～2400Hz非电话信号2640～3400Hz或以上电话信号300～2000Hz非电话信号2160～3400Hz或以上300～3400Hz电话信号专用电话信号专用非电话信号电话2160～3400Hz300～2000Hz电话和非电话信号复用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40kHz500kHz4kHz12311540-44kHz变电站B变电站A56-60kHz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电压等级一般天气恶劣天气110KV-45dBm-30dBm220KV-35dBm-20dBm500KV-20…-25dBm-5…-10dBm各种电压等级线路4kHz带宽内噪声电平范围4kHz/150Ω的电力线脉冲噪声噪声类型噪声电平/dB延续时间ms雷电+2510--500隔离开关操作+25500--5000断路器操作+4---+205--20线路故障————接地开始+20-2--5电弧燃烧-20100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：ΔPn杂音电平修正值dB

Δf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、220kV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)信杂比（dB)话音质量（主观感受）信杂比（dB)话音质量（主观感受）40杂音很小，通话清晰10杂音相当大，通话困难30有少量杂音，通话无妨0杂音特别大，通话不明确20有较大杂音，尚可通话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；——电话通路的最小信噪比，dB；

——非电话通路的最小信噪比，dB；

Gc——压扩器的改善增益，dB注：10expn=10n

各种信号发信电平计算值信号种类噪声带宽Hz电平，dBm不用压扩器用压扩器参考通路(50bit/s)80PrPri=600bit/s900Pr+10.5Pr+10.5呼叫信号设为80PrPr部分抑制载频(导频)信号设为200Pr+4Pr+4电话信号(300～2000Hz)1700Pr+23Pr+13电话信号(300～2400Hz)2100Pr+24Pr+14电话信号(300～3400Hz)3100Pr+26Pr+16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1700Hz计算结果:参考通道25.55dBm话音远动导频呼叫38dBm32dBm30dBm25dBm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12dBAr=20lg│(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。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。通道阻抗回波衰耗通道阻抗回波衰耗通道阻抗回波衰耗通道阻抗回波衰耗通道阻抗回波衰耗(Ω)(dB)(Ω)(dB)(Ω)(dB)(Ω)(dB)(Ω)(dB)00.0006522.92313011.4281957.0442605.15751.1607029.24813510.8812006.8482655.055102.33075无穷大14010.3912056.6642704.956153.5228029.8271459.9462106.4902754.861204.7478524.0821509.5422156.3252804.769256.0219020.8281559.1732206.1692854.682307.3609518.5881608.8332256.0212904.597358.78710016.9021658.5192305.8792954.5164010.33310515.5631708.2292355.7453004.4374512.04111014.4621757.9592405.6173054.3615013.97911513.5341807.7072455.4943104.2885516.25812012.7361857.4722505.3773154.2176019.08512512.0411907.2512555.2653204.149

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最低收信电平通道性质Pst一般通道4重要通道6-9结冰或严重污染地区的通道9-13

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=Pa-Pmin-ΔPcum-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dBm

ΔPcum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35～45dB范围内选取通道允许最大衰减跨越衰减跨越衰耗值电力线情况跨越方式跨越衰耗dB无阻波器一只阻波器二只阻波器近端远端近端远端近端远端同一电力线或同杆架设双回线不同相176176176同母线不同电力线同名相0017132617异名同电压等级同名相223039异名相303943可懂串音﹥55dB，不可懂串音﹥47dB。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dBAtot—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(信号干扰比)频率分配的目的频率可用范围有限40—500kHz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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ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3B3、邻相发发、收收、收发间隔1B4、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：Ⅰ组的A相1号频谱为：40—44/56--60kHz本机收发12kHz间隔ⅠⅠⅡⅡ………40kHz500kHz--4kHz频带1Ba1b1a1b1………………………并机12kHz间隔收发a1--A相1号频谱邻相4kHz间隔a2不同线路紧邻A相A相B相B相线路分段以变电站为节点，将电力线路分段，不同段分配不同的频谱组，充分利用跨越衰减减少频率串扰变电站3110kV线路500kV线路220kV线路变电站1变电站2变电站5变电站4变电站6Ⅰ组a、b1-4

ⅣⅠ组a、b5-8Ⅰ组a、b9-11Ⅱ组a、b1-4ⅣⅠ组a、b9-11Ⅰ组a、b1-417dB39dBⅣ26dB17dB26dB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=60dB2、计算线路衰耗：2×6.5×10-3×100×100-2=13dB3、计算串扰信号总衰减：13+26+17+17+7=80dB4、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=-34dBm6、信号干扰比：6-（-34)=40dB＞20dB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变电站C变电站B频率重复使用举例发信46dBm发信46dBm100km100km载波机A载波机B26dB17dB17dB1、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PLCPLC电力线载波继电保护音频或数字信号租用线路等Port1Port2Port3Port4Port6Port5Port1Port2Port3Port4Port6Port5光纤保护接口设备保护接口设备继电保护传输通道音频或数字信号微波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传输时间命令输入(本地)命令输出(远端)真正的命令干扰，异常命令丢失可依赖性误收命令安全性远方保护命令的三大指标图解t1t3t2T1T2T3远方保护系统动作时间典型值传输时间可依赖性安全性闭锁式＜10ms10-310-1-10-2允许式＜15ms10-2-10-310-3-10-4直接跳闸式＜

15ms10-3-10-410-5-10-6条件在规定的可信赖性及通路信噪比情况下在规定的传输时间及规定的信噪比情况下在规定的传输时间及规定的信噪比情况下南网规程：保护通道的三大指标0.3kHz2kHzfGfpf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，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TPSPLCPLCTPSTPS－TeleProtectionSignalling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⑴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性多个保护信号同时发送时的处理方法0.3kHz2kHzfGfpf1f2f3

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。⑵多个保护命令同时到达时按优先级发送0.3kHz2kHzfGfpf1f2f3

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t1t2t3T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。⑶用另一个频率代替几个同时发送的保护信号0.3kHz2kHzfGfpf3=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）⑷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0.3kHz2kHzfGfpf1f2f1f2f1f1f2T噪音干扰引起误发