載波縱聯(lián)保護通道信息智能辨識與狀態(tài)估計的嵌入研究

童華敏，楊世勇，胡為民，舒征宇，韓 露

（國網(wǎng)湖北省電力公司宜昌供電公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

載波縱聯(lián)保護通道是直接利用高壓輸電線來交換保護信號，因其投資成本低，速動性好、靈敏度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高壓輸電線路保護中。

高壓輸電線載波縱聯(lián)保護復(fù)用輸電線路，保護交換信號的傳輸質(zhì)量在實際運行中受隨機因素影響較大。隨機因素形成的動態(tài)噪聲包括天氣原因、電網(wǎng)運行環(huán)境、雷電、污閃、線路故障、一次開關(guān)刀閘操作、收發(fā)信機裝置異常、保護通道參數(shù)出入、載波電纜缺陷、載波電纜插頭接觸不良等等[1]。

動態(tài)噪聲產(chǎn)生保護通道告警信息，部分告警信息可由調(diào)控運行遠方復(fù)歸，部分告警信息則需要變電運維人員現(xiàn)場手動復(fù)歸。干擾類告警信息增加了保護通道異常的甄別難度。載波縱聯(lián)保護通道告警信息的隨機性、分散性和復(fù)雜性，可以將其遙信信息進行科學(xué)分析，制定專家判據(jù)[2]，發(fā)揮電力系統(tǒng)狀態(tài)估計功能，優(yōu)化數(shù)據(jù)算法[3]，實現(xiàn)對載波縱聯(lián)保護通道不良信息的實時監(jiān)視與智能辨識，提高高壓輸電線路保護的穩(wěn)定性和可靠性[4-5]。

1 載波縱聯(lián)保護通道測試信息處理現(xiàn)狀

1.1 三載波縱聯(lián)保護通道測試信息采集及傳輸過程

如圖1所示，高壓輸電線載波縱聯(lián)保護在進行通道自動測試時,依靠兩側(cè)收載波機（又稱收發(fā)信機，以下稱為收發(fā)信機）通過高壓輸電線路傳輸告警信息，電力系統(tǒng)無故障時，動態(tài)噪聲小，兩側(cè)載波縱聯(lián)保護基本處于待命狀態(tài)；電力系統(tǒng)突發(fā)故障時，動態(tài)噪聲大，兩側(cè)收發(fā)信機完成收、發(fā)信，并啟動保護裝置跳閘出口，同時把保護信息準(zhǔn)確送至對側(cè)載波縱聯(lián)保護裝置，變電站內(nèi)保護和收發(fā)信機裝置的閉鎖和報警兩個硬接點信號通過遠動裝置傳送到調(diào)控中心的調(diào)度自動化主站，經(jīng)SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)控運行的遠方監(jiān)視和控制[6]。

圖1 線路載波縱聯(lián)保護原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The principle structure diagram of power line carrier pilot protection

遠動裝置及傳送過程各個環(huán)節(jié)在運行過程中也可能出現(xiàn)系統(tǒng)癱瘓、通信通道誤碼、誤遙信、遙控拒動和數(shù)據(jù)庫不完善等各種狀況，這些告警信息在傳輸過程中產(chǎn)生不同程度的誤差。

目前，國內(nèi)尚無統(tǒng)一的線路載波縱聯(lián)保護裝置、收發(fā)信機裝置配置原則和告警信息規(guī)約，SCADA系統(tǒng)的載波縱聯(lián)保護通道信息不能實現(xiàn)統(tǒng)一、準(zhǔn)確的系統(tǒng)分析。

1.2 載波縱聯(lián)保護通道信息的類型及分類

載波縱聯(lián)保護通道信息按照反映設(shè)備和通道異常來分類，如表1可分：裝置類告警信息，和通道類告警信息；按照設(shè)備監(jiān)控信息分類原則，可歸為第二類——異常類信息（需實時監(jiān)控、及時處理），和第五類——告知類信息（需定時查詢）[7-8]。

表1SCADA系統(tǒng)載波保護通道遙信信號分類及站端對應(yīng)關(guān)系Tab.1 The classification and the correspondence between the substation devices and the remote signalling in SCADA system

1.3 載波縱聯(lián)保護通道異常的設(shè)備缺陷反映

載波縱聯(lián)保護通道測試通道異常有：通道中斷、衰耗波動增加、干擾加大。載波縱聯(lián)保護通道中斷的原因主要是通道元件損壞，比如耦合電容器故障，阻波器燒毀或斷線等。此類異常遙信報文表現(xiàn)為“載波縱聯(lián)保護通道故障/異?！?、“載波縱聯(lián)保護通道故障/異?！钡?，需實時監(jiān)控、立即處理，為危急缺陷。

衰耗波動變大主要是阻波器調(diào)諧元件損壞，比如結(jié)合設(shè)備故障或接觸不良，高頻電纜損壞，以及電力設(shè)備或電力線路接觸不良，事故放電，導(dǎo)線遭受嚴(yán)重污染使電暈增加，線路積雪結(jié)冰，接地刀錯位等，此類缺陷報文表現(xiàn)為“載波縱聯(lián)保護通道3DB告警”、“載波縱聯(lián)保護通道3DB異常”等。干擾加大表現(xiàn)為電力線路接觸不良、瓷瓶絕緣有缺陷或高壓設(shè)備不良、表用電壓互感器熔斷器熔絲接觸不良、耦合電容器下樁頭螺絲不緊，有不連續(xù)的放電現(xiàn)象、耦合電容器與輸電線路連線太細，放電產(chǎn)生雜音干擾、結(jié)合濾波器內(nèi)部接線斷線、收發(fā)信機裝置運行不正?；虻綦姷?，此類故障報文表現(xiàn)為“載波縱聯(lián)保護收發(fā)信機裝置閉鎖”、“載波縱聯(lián)保護收發(fā)信機裝置異?！?、“載波縱聯(lián)保護收發(fā)信機裝置告警”、“載波縱聯(lián)保護通道告警”等，衰耗增加、干擾增大時載波縱聯(lián)保護對人身或設(shè)備有重要危險，尚能堅持運行但需要盡快處理，為嚴(yán)重缺陷[9-10]。

2 載波縱聯(lián)保護通道信息的數(shù)學(xué)模型及數(shù)值處理

2.1 載波縱聯(lián)保護通道信息狀態(tài)估計的參數(shù)及流程

電力系統(tǒng)中的遙測主要是應(yīng)用通信技術(shù)實現(xiàn)實時運行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（主要包括各個變電所和發(fā)電廠的有功功率、無功功率、電壓、電流、頻率、水庫的水位等）測試傳輸?shù)募夹g(shù)。

收發(fā)信機的參數(shù)比如輸出功率電平、頻率穩(wěn)定度、工作頻率范圍、載漏電平、通道衰耗、裕度告警等,未作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)接入遙測系統(tǒng)。載波縱聯(lián)保護通道的遙信報文作為遙信量。

如圖2所示，載波縱聯(lián)保護通道信息的狀態(tài)估計[11-12]系統(tǒng)就是在給定載波縱聯(lián)保護間隔的網(wǎng)絡(luò)接線、支路參數(shù)和量測系統(tǒng)的條件下所進行的潮流估計，以及對不良數(shù)據(jù)和信息進行檢測與辨識的過程。

圖2 線路載波縱聯(lián)保護狀態(tài)估計系統(tǒng)圖Fig.2 The state estimation system diagram of power line carrier pilot protection

2.2 載波縱聯(lián)保護通道信息數(shù)學(xué)模型

載波縱聯(lián)保護通道信息的遙信信息作為狀態(tài)量引入狀態(tài)估計器系統(tǒng)，則載波縱聯(lián)保護通道信息的廣義量測方程為

式中：z為量測矢量；h1(x)為計算矢量；h2(x)為載波縱聯(lián)保護通道信息矢量，υ為殘差矢量。載波縱聯(lián)保護通道信息矢量h2(x)變換為

載波縱聯(lián)保護通道信息狀態(tài)量x為

y1～y6對應(yīng)遙信信息采樣詳情見表2。

表2 SCADA系統(tǒng)載波保護通道狀態(tài)量與信號定義表Tab.2 The definition table between state estimation and ssignas of carrier protection channel in SCADA system

2.3 載波縱聯(lián)保護通道信息數(shù)值處理

用二進制數(shù)“0”、“1”表示表2中的信號狀態(tài)，“0”表示信號未發(fā)出，“1”表示信號發(fā)出，“恢復(fù)”信號定義在高位，則可得狀態(tài)量的二進制矩陣處理見表3。

表3SCADA系統(tǒng)載波保護通道狀態(tài)量的二進制處理Tab.3 Binary processing of the state estimation of the carrier protection channel in SCADA system

×為狀態(tài)量代表的信號均未發(fā)出；⊙為狀態(tài)量代表的信號“動作”或“恢復(fù)”單一發(fā)出；√為狀態(tài)量代表的信號“動作”和“恢復(fù)”成對發(fā)出。

經(jīng)以上分析處理后，狀態(tài)量對應(yīng)遙信信號的類別就×、⊙、√三類，方便計算機程序進行數(shù)值處理[13]。

3 載波縱聯(lián)保護通道信息智能辨識

3.1 載波縱聯(lián)保護通道信息辨識結(jié)果

電力輸電線路運行時，通道測試結(jié)果有：通道正常、通道異常、通道測試拒動、通道測試超時[14]。

通道正常：通道測試收發(fā)信機啟信后,“線路保護收發(fā)信機動作_動作”發(fā)出，通道檢測開始，站端高頻電壓、電流、發(fā)信指示燈、收信指示燈亮，過載指示燈、載供異常指示燈、通道告警指示燈、裕度告警指示燈不亮。中頻放大指示電平指示燈指示正常，20 s左右測試結(jié)束。信號經(jīng)人員或裝置自動復(fù)歸，“線路保護收發(fā)信機動作_恢復(fù)”發(fā)出，且無任何裝置類和通道類異常信號發(fā)出。

通道異常：載波縱聯(lián)保護通道測試時，啟動發(fā)信機向?qū)?cè)發(fā)送載波信號,站端收發(fā)信機裝置相應(yīng)的電流、電壓指示燈異常，SCADA系統(tǒng)遙信信號“線路保護收發(fā)信機動作_動作”、“線路保護收發(fā)信機動作_恢復(fù)”發(fā)出后，還有收發(fā)信機裝置異?；蛲ǖ喇惓ｎ愋盘柊l(fā)出。

通道測試拒動：僅限于載波縱聯(lián)保護通道自動測試時出現(xiàn)，自動測試程序未啟動，載波縱聯(lián)保護通道測試未完成。

通道測試超時：僅限于載波縱聯(lián)保護通道自動測試時出現(xiàn)，自動測試程序啟動，但無任何其他信息[15]。

3.2 載波縱聯(lián)保護通道信息智能辨識的專家判據(jù)

線路載波縱聯(lián)保護進行通道交互，收發(fā)信機啟信后，收發(fā)信機遙信“線路保護收發(fā)信機動作_動作”信號發(fā)出20 s左右后，相應(yīng)的電流、電壓和指示燈正常，“線路保護收發(fā)信機動作_恢復(fù)”信號發(fā)出，完成一次完整的載波通道測試，測試過程中無其他異常信號發(fā)出?？紤]一定的時間裕度，在專家判據(jù)中可將延時設(shè)定為小于等于3 min，對應(yīng)的狀態(tài)量二進制數(shù)字為“0000,0000,0011”、“0000,0000,1100”、“0000,0000,1111”轉(zhuǎn)換為十六進制為“003”、“00C”、“00F”，圖3為通道正常辨識的專家判據(jù)邏輯圖。

圖3 線路載波縱聯(lián)保護通道正常專家判據(jù)邏輯圖Fig.3 The logic diagram of channel normal expert criterion in power line carrier pilot protection

線路載波縱聯(lián)保護通道測試載波信號通道異常時，收發(fā)信機啟信SCADA系統(tǒng)遙信“線路保護收發(fā)信機動作_動作”信號發(fā)出，通道異常時收信時間要遠短于正常交互時間，考慮到時間裕度專家判據(jù)還是按延時30 s處理，“線路保護收發(fā)信機動作_恢復(fù)”信號發(fā)出，并且有線路保護收發(fā)信機裝置異常類信號或通道異常類信號發(fā)出。

電力系統(tǒng)遠動裝置的工作情況經(jīng)常變化，當(dāng)遠動信息量嚴(yán)重不足時，SCADA系統(tǒng)會出現(xiàn)單一動作信號或單一恢復(fù)信號出現(xiàn)。圖4為通道異常的專家判據(jù)邏輯圖。

圖4 線路載波縱聯(lián)保護異常專家判據(jù)邏輯圖Fig.4 The logic diagram of channel abnormal expert criterion in power line carrier pilot protection

載波縱聯(lián)保護通道自動測試時的兩種特殊情況——通道測試拒動與通道測試超時，專家系統(tǒng)判據(jù)設(shè)置較為簡單。線路保護通道進行自動測試一般設(shè)置為固定時段，在固定時段內(nèi)若無“線路保護收發(fā)信機動作_動作”和“線路保護收發(fā)信機動作_恢復(fù)”信號，則可判斷為載波縱聯(lián)保護通道自動測試裝置拒動?！熬€路保護收發(fā)信機動作_動作”與“線路保護收發(fā)信機動作_恢復(fù)”間隔時長大于3 min小于40 min時，就判斷為載波縱聯(lián)保護通道測試超時。

3.3 載波縱聯(lián)保護通道信息智能辨識的實現(xiàn)

載波縱聯(lián)保護通道信息的智能辨識是在狀態(tài)估計中按照上述研究成果加入特定的程序，實現(xiàn)對不良數(shù)據(jù)進行檢測與通道異常辨識的智能處理過程。

圖5為載波縱聯(lián)保護通道信息智能辨識嵌入狀態(tài)估計的流程框圖，載波縱聯(lián)保護通道受到擾動時，間隔潮流量通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)處理和可觀測性檢驗得到狀態(tài)估計所需狀態(tài)量，進入狀態(tài)估計器運算，通過專家判據(jù)判斷有無不良數(shù)據(jù)與信息，如果有的話，則polling（輪詢）方式查詢反退至狀態(tài)估計器進一步運算直至再無不良數(shù)據(jù)與信息，通過SCADA系統(tǒng)，實時顯示線路載波縱聯(lián)保護通道辨識結(jié)果及更高級的PAS應(yīng)用。

圖5 載波縱聯(lián)保護通道信息智能辨識流程框圖Fig.5 The flow chart of intelligent identification of the carrier pilot protection channel

4 結(jié)語

線路載波縱聯(lián)保護廣泛應(yīng)用于220 kV及以上的線路保護中，對高壓、超高壓大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用。載波縱聯(lián)保護通道異常不能及時發(fā)現(xiàn)有可能造成輸電線路保護誤動或拒動，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行?，F(xiàn)有的調(diào)控運行監(jiān)視條件很難及時發(fā)現(xiàn)通道異常的情況，將站端信息作為狀態(tài)量，利用二進制數(shù)值處理，通過專家判據(jù)寫入程序在狀態(tài)估計時就辨識出通道異常，能夠提高電網(wǎng)調(diào)控運行的監(jiān)視效率，滿足智能調(diào)度建設(shè)海量信息的處理要求。

隨著電力系統(tǒng)繼電保護、通訊技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，線路載波縱聯(lián)保護正被其他保護所替代，但是受電力系統(tǒng)規(guī)劃的影響，輸電線路的載波縱聯(lián)保護在今后一段時間內(nèi)還將繼續(xù)存在，對海量的監(jiān)控信息進行科學(xué)的處理，制定合理的專家判據(jù)準(zhǔn)則，從技術(shù)層面上辨識線路載波縱聯(lián)保護通道異常難題，對于提高高壓、超高壓線路保護的穩(wěn)定性和可靠性，減輕電力系統(tǒng)變電運維人員的勞動強度，降低電網(wǎng)生產(chǎn)運維成本，有重大的技術(shù)和經(jīng)濟效益。

[參考文獻]（References）

[1]郭耀珠，石光，丁衛(wèi)華，等.高頻保護載波通道運行問題的分析與解決[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（24）：142-145,212.GUO Yaozhu，SHI Guang，DING Weihua,et al.Re?seach on the testing method ofhigh frequency channel state of live power line[J].Power System Protection and Control,2010,38（24）：142-145,212.

[2]張東霞,苗新,劉麗萍,等.智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展研究[J].中國電機工程學(xué)報,2015,35(1)：2-12.ZHANG Dongxia,MIAO Xin,LIU Liping,et al.Re?search on Development strategy for Smart Grid Big Data[J].Proceeding ofthe CSEE,2015,35(1)：2-12.

[3]楊凡，篤峻，葛立青.縱聯(lián)保護載波通道遠方測試方案[J].電力自動化設(shè)備,2012,32（1）：139-141,151.YANG Fan，DU Jun，GE Liqing.Remote test scheme of pilot protection carrier channel[J].Electric Pow?erAutomation Equipment,2012,32（1）：139-141,151.

[4]吳迪.高壓輸電線路縱聯(lián)保護載波通道的構(gòu)成及故障分析[J].湖北電力,2011,35(4)：50-51.WU Di.The Structure of HV Power Line Carrier Chinnel for Longitudinal Protection and Fault Anal?ysis[J].Hubei Electric Power,2011,35(4)：50-51.

[5]孫秀娟，羅運虎，劉志海，等.低壓電力線載波通信的信道特性分析與抗干擾措施［J］.電力自動化設(shè)備，2007，27（2）：43-46.SUN Xiujuan，LUO Yunhu，LIU Zhihai，et al.Chan?nel characteristics analysis and anti-jamming mea?sures of low-voltage power line carrier communica?tion［J］.Electric PowerAutomation Equipment，2007，27（2）：43-46.

[6]吳迪.高壓輸電線路縱聯(lián)保護載波通道的構(gòu)成及故障分析[J].湖北電力,2011,35(4)：50-51.WU Di.The Structure of HV Power Line Carrier Chinnel for Longitudinal Protection and Fault Anal?ysis[J].Hubei Electric Power,2011,35(4)：50-51.

[7]Q/GDW 161-2013線路保護及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計規(guī)范[S].北京：國家電網(wǎng)公司,2013.Q/GDW 161-2013 standardization design specifica?tion for transmission line protection and auxiliary equipments[S].Beijing：State Grid Corporation of China,2013.

[8]Q/GDW 441-2010智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范[S].北京：國家電網(wǎng)公司,2010.Q/GDW 441-2010 technical specifications of pro?tection for smart substation[S].Beijing：State Grid Corporation of China,2010.

[9]應(yīng)戰(zhàn)煌,胡建斌,趙瑞東,等.繼電保護裝置自動測試系統(tǒng)研究和設(shè)計[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(17)：142-146.YING Zhanhuang,HU Jianbin,ZHAO Ruidong,et al.Research and design of relay protection equip?ment automated test system[J].Power System Pro?tection and Control,2010,38(17)：142-146.

[10]辛耀中.智能電網(wǎng)調(diào)度控制技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(1)：1-10.XIN Yaozhong.Research on International Stan?dard Architecture for Smart Grid Dispatching and Control Technology[J].Power System Technology，2015，39(1)：1-10.

[11]張國華，張建華，彭謙，等.電網(wǎng)安全評價的指標(biāo)體系與方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(8)：30-34.Zhang Guohua，Zhang Jianhua，Peng Qian，et al.Index system and methods for power grid security assessment[J].Power System Technology，2009，33(8)：30-34(in Chinese).

[12]于爾鏗.電力系統(tǒng)狀態(tài)估計［M].北京：水利電力出版社，1985：46-58.YU Erkeng.Power System State Estimation［M].Bei?Jing：China WaterPower Press，1985：46-58.

[13]Q/GDW 396-2012 IEC61850工程繼電保護應(yīng)用模型[S].北京：國家電網(wǎng)公司,2012.Q/GDW 441-2010 data model of protection relay in project based on IEC61850[S].Beijing：State Grid Corporation of China,2012.

[14]Kekatos V，Giannakis G.Distributed Robust Power System State Estimation[J].IEEE Transactions on Power Systems,2013,28(2)：1617-1626.

[15]李偉良，闞鳴，岳在春，等.復(fù)用載波機保護命令傳輸?shù)墓收戏治雠c對策［J］.電力系統(tǒng)通信，2010，31（1）：37-42.LI Weiliang,KAN Ming,YUE Zaichun，et al.Fail?ure analysis and solution for protection command transmission ofpowerlinecarriermachine［J］.TelecommunicationsforElectricPowerSystem，2010，31（1）：37-42.