载波纵联保护通道信息智能辨识与状态估计的嵌入研究

童华敏，杨世勇，胡为民，舒征宇，韩 露

（国网湖北省电力公司宜昌供电公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

载波纵联保护通道是直接利用高压输电线来交换保护信号，因其投资成本低，速动性好、灵敏度高等优点，广泛应用于高压输电线路保护中。

高压输电线载波纵联保护复用输电线路，保护交换信号的传输质量在实际运行中受随机因素影响较大。随机因素形成的动态噪声包括天气原因、电网运行环境、雷电、污闪、线路故障、一次开关刀闸操作、收发信机装置异常、保护通道参数出入、载波电缆缺陷、载波电缆插头接触不良等等[1]。

动态噪声产生保护通道告警信息，部分告警信息可由调控运行远方复归，部分告警信息则需要变电运维人员现场手动复归。干扰类告警信息增加了保护通道异常的甄别难度。载波纵联保护通道告警信息的随机性、分散性和复杂性，可以将其遥信信息进行科学分析，制定专家判据[2]，发挥电力系统状态估计功能，优化数据算法[3]，实现对载波纵联保护通道不良信息的实时监视与智能辨识，提高高压输电线路保护的稳定性和可靠性[4-5]。

1 载波纵联保护通道测试信息处理现状

1.1 三载波纵联保护通道测试信息采集及传输过程

如图1所示，高压输电线载波纵联保护在进行通道自动测试时,依靠两侧收载波机（又称收发信机，以下称为收发信机）通过高压输电线路传输告警信息，电力系统无故障时，动态噪声小，两侧载波纵联保护基本处于待命状态；电力系统突发故障时，动态噪声大，两侧收发信机完成收、发信，并启动保护装置跳闸出口，同时把保护信息准确送至对侧载波纵联保护装置，变电站内保护和收发信机装置的闭锁和报警两个硬接点信号通过远动装置传送到调控中心的调度自动化主站，经SCADA系统实现调控运行的远方监视和控制[6]。

图1 线路载波纵联保护原理结构图Fig.1 The principle structure diagram of power line carrier pilot protection

远动装置及传送过程各个环节在运行过程中也可能出现系统瘫痪、通信通道误码、误遥信、遥控拒动和数据库不完善等各种状况，这些告警信息在传输过程中产生不同程度的误差。

目前，国内尚无统一的线路载波纵联保护装置、收发信机装置配置原则和告警信息规约，SCADA系统的载波纵联保护通道信息不能实现统一、准确的系统分析。

1.2 载波纵联保护通道信息的类型及分类

载波纵联保护通道信息按照反映设备和通道异常来分类，如表1可分：装置类告警信息，和通道类告警信息；按照设备监控信息分类原则，可归为第二类——异常类信息（需实时监控、及时处理），和第五类——告知类信息（需定时查询）[7-8]。

表1SCADA系统载波保护通道遥信信号分类及站端对应关系Tab.1 The classification and the correspondence between the substation devices and the remote signalling in SCADA system

1.3 载波纵联保护通道异常的设备缺陷反映

载波纵联保护通道测试通道异常有：通道中断、衰耗波动增加、干扰加大。载波纵联保护通道中断的原因主要是通道元件损坏，比如耦合电容器故障，阻波器烧毁或断线等。此类异常遥信报文表现为“载波纵联保护通道故障/异常”、“载波纵联保护通道故障/异常”等，需实时监控、立即处理，为危急缺陷。

衰耗波动变大主要是阻波器调谐元件损坏，比如结合设备故障或接触不良，高频电缆损坏，以及电力设备或电力线路接触不良，事故放电，导线遭受严重污染使电晕增加，线路积雪结冰，接地刀错位等，此类缺陷报文表现为“载波纵联保护通道3DB告警”、“载波纵联保护通道3DB异常”等。干扰加大表现为电力线路接触不良、瓷瓶绝缘有缺陷或高压设备不良、表用电压互感器熔断器熔丝接触不良、耦合电容器下桩头螺丝不紧，有不连续的放电现象、耦合电容器与输电线路连线太细，放电产生杂音干扰、结合滤波器内部接线断线、收发信机装置运行不正常或掉电等，此类故障报文表现为“载波纵联保护收发信机装置闭锁”、“载波纵联保护收发信机装置异常”、“载波纵联保护收发信机装置告警”、“载波纵联保护通道告警”等，衰耗增加、干扰增大时载波纵联保护对人身或设备有重要危险，尚能坚持运行但需要尽快处理，为严重缺陷[9-10]。

2 载波纵联保护通道信息的数学模型及数值处理

2.1 载波纵联保护通道信息状态估计的参数及流程

电力系统中的遥测主要是应用通信技术实现实时运行的基础数据（主要包括各个变电所和发电厂的有功功率、无功功率、电压、电流、频率、水库的水位等）测试传输的技术。

收发信机的参数比如输出功率电平、频率稳定度、工作频率范围、载漏电平、通道衰耗、裕度告警等,未作为基础数据接入遥测系统。载波纵联保护通道的遥信报文作为遥信量。

如图2所示，载波纵联保护通道信息的状态估计[11-12]系统就是在给定载波纵联保护间隔的网络接线、支路参数和量测系统的条件下所进行的潮流估计，以及对不良数据和信息进行检测与辨识的过程。

图2 线路载波纵联保护状态估计系统图Fig.2 The state estimation system diagram of power line carrier pilot protection

2.2 载波纵联保护通道信息数学模型

载波纵联保护通道信息的遥信信息作为状态量引入状态估计器系统，则载波纵联保护通道信息的广义量测方程为

式中：z为量测矢量；h1(x)为计算矢量；h2(x)为载波纵联保护通道信息矢量，υ为残差矢量。载波纵联保护通道信息矢量h2(x)变换为

载波纵联保护通道信息状态量x为

y1～y6对应遥信信息采样详情见表2。

表2 SCADA系统载波保护通道状态量与信号定义表Tab.2 The definition table between state estimation and ssignas of carrier protection channel in SCADA system

2.3 载波纵联保护通道信息数值处理

用二进制数“0”、“1”表示表2中的信号状态，“0”表示信号未发出，“1”表示信号发出，“恢复”信号定义在高位，则可得状态量的二进制矩阵处理见表3。

表3SCADA系统载波保护通道状态量的二进制处理Tab.3 Binary processing of the state estimation of the carrier protection channel in SCADA system

×为状态量代表的信号均未发出；⊙为状态量代表的信号“动作”或“恢复”单一发出；√为状态量代表的信号“动作”和“恢复”成对发出。

经以上分析处理后，状态量对应遥信信号的类别就×、⊙、√三类，方便计算机程序进行数值处理[13]。

3 载波纵联保护通道信息智能辨识

3.1 载波纵联保护通道信息辨识结果

电力输电线路运行时，通道测试结果有：通道正常、通道异常、通道测试拒动、通道测试超时[14]。

通道正常：通道测试收发信机启信后,“线路保护收发信机动作_动作”发出，通道检测开始，站端高频电压、电流、发信指示灯、收信指示灯亮，过载指示灯、载供异常指示灯、通道告警指示灯、裕度告警指示灯不亮。中频放大指示电平指示灯指示正常，20 s左右测试结束。信号经人员或装置自动复归，“线路保护收发信机动作_恢复”发出，且无任何装置类和通道类异常信号发出。

通道异常：载波纵联保护通道测试时，启动发信机向对侧发送载波信号,站端收发信机装置相应的电流、电压指示灯异常，SCADA系统遥信信号“线路保护收发信机动作_动作”、“线路保护收发信机动作_恢复”发出后，还有收发信机装置异常或通道异常类信号发出。

通道测试拒动：仅限于载波纵联保护通道自动测试时出现，自动测试程序未启动，载波纵联保护通道测试未完成。

通道测试超时：仅限于载波纵联保护通道自动测试时出现，自动测试程序启动，但无任何其他信息[15]。

3.2 载波纵联保护通道信息智能辨识的专家判据

线路载波纵联保护进行通道交互，收发信机启信后，收发信机遥信“线路保护收发信机动作_动作”信号发出20 s左右后，相应的电流、电压和指示灯正常，“线路保护收发信机动作_恢复”信号发出，完成一次完整的载波通道测试，测试过程中无其他异常信号发出。考虑一定的时间裕度，在专家判据中可将延时设定为小于等于3 min，对应的状态量二进制数字为“0000,0000,0011”、“0000,0000,1100”、“0000,0000,1111”转换为十六进制为“003”、“00C”、“00F”，图3为通道正常辨识的专家判据逻辑图。

图3 线路载波纵联保护通道正常专家判据逻辑图Fig.3 The logic diagram of channel normal expert criterion in power line carrier pilot protection

线路载波纵联保护通道测试载波信号通道异常时，收发信机启信SCADA系统遥信“线路保护收发信机动作_动作”信号发出，通道异常时收信时间要远短于正常交互时间，考虑到时间裕度专家判据还是按延时30 s处理，“线路保护收发信机动作_恢复”信号发出，并且有线路保护收发信机装置异常类信号或通道异常类信号发出。

电力系统远动装置的工作情况经常变化，当远动信息量严重不足时，SCADA系统会出现单一动作信号或单一恢复信号出现。图4为通道异常的专家判据逻辑图。

图4 线路载波纵联保护异常专家判据逻辑图Fig.4 The logic diagram of channel abnormal expert criterion in power line carrier pilot protection

载波纵联保护通道自动测试时的两种特殊情况——通道测试拒动与通道测试超时，专家系统判据设置较为简单。线路保护通道进行自动测试一般设置为固定时段，在固定时段内若无“线路保护收发信机动作_动作”和“线路保护收发信机动作_恢复”信号，则可判断为载波纵联保护通道自动测试装置拒动。“线路保护收发信机动作_动作”与“线路保护收发信机动作_恢复”间隔时长大于3 min小于40 min时，就判断为载波纵联保护通道测试超时。

3.3 载波纵联保护通道信息智能辨识的实现

载波纵联保护通道信息的智能辨识是在状态估计中按照上述研究成果加入特定的程序，实现对不良数据进行检测与通道异常辨识的智能处理过程。

图5为载波纵联保护通道信息智能辨识嵌入状态估计的流程框图，载波纵联保护通道受到扰动时，间隔潮流量通过网络结构处理和可观测性检验得到状态估计所需状态量，进入状态估计器运算，通过专家判据判断有无不良数据与信息，如果有的话，则polling（轮询）方式查询反退至状态估计器进一步运算直至再无不良数据与信息，通过SCADA系统，实时显示线路载波纵联保护通道辨识结果及更高级的PAS应用。

图5 载波纵联保护通道信息智能辨识流程框图Fig.5 The flow chart of intelligent identification of the carrier pilot protection channel

4 结语

线路载波纵联保护广泛应用于220 kV及以上的线路保护中，对高压、超高压大电网的安全稳定运行起着至关重要的作用。载波纵联保护通道异常不能及时发现有可能造成输电线路保护误动或拒动，影响电力系统的安全稳定运行。现有的调控运行监视条件很难及时发现通道异常的情况，将站端信息作为状态量，利用二进制数值处理，通过专家判据写入程序在状态估计时就辨识出通道异常，能够提高电网调控运行的监视效率，满足智能调度建设海量信息的处理要求。

随着电力系统继电保护、通讯技术和计算机技术的不断发展，线路载波纵联保护正被其他保护所替代，但是受电力系统规划的影响，输电线路的载波纵联保护在今后一段时间内还将继续存在，对海量的监控信息进行科学的处理，制定合理的专家判据准则，从技术层面上辨识线路载波纵联保护通道异常难题，对于提高高压、超高压线路保护的稳定性和可靠性，减轻电力系统变电运维人员的劳动强度，降低电网生产运维成本，有重大的技术和经济效益。

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