載波縱聯保護通道信息智能辨識與狀態估計的嵌入研究

童華敏，楊世勇，胡為民，舒征宇，韓 露

（國網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、靈敏度高等優點，廣泛應用于高壓輸電線路保護中。

高壓輸電線載波縱聯保護復用輸電線路，保護交換信號的傳輸質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噪聲包括天氣原因、電網運行環境、雷電、污閃、線路故障、一次開關刀閘操作、收發信機裝置異常、保護通道參數出入、載波電纜缺陷、載波電纜插頭接觸不良等等[1]。

動態噪聲產生保護通道告警信息，部分告警信息可由調控運行遠方復歸，部分告警信息則需要變電運維人員現場手動復歸。干擾類告警信息增加了保護通道異常的甄別難度。載波縱聯保護通道告警信息的隨機性、分散性和復雜性，可以將其遙信信息進行科學分析，制定專家判據[2]，發揮電力系統狀態估計功能，優化數據算法[3]，實現對載波縱聯保護通道不良信息的實時監視與智能辨識，提高高壓輸電線路保護的穩定性和可靠性[4-5]。

1 載波縱聯保護通道測試信息處理現狀

1.1 三載波縱聯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保護在進行通道自動測試時,依靠兩側收載波機（又稱收發信機，以下稱為收發信機）通過高壓輸電線路傳輸告警信息，電力系統無故障時，動態噪聲小，兩側載波縱聯保護基本處于待命狀態；電力系統突發故障時，動態噪聲大，兩側收發信機完成收、發信，并啟動保護裝置跳閘出口，同時把保護信息準確送至對側載波縱聯保護裝置，變電站內保護和收發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控中心的調度自動化主站，經SCADA系統實現調控運行的遠方監視和控制[6]。

圖1 線路載波縱聯保護原理結構圖Fig.1 The principle structure diagram of power line carrier pilot protection

遠動裝置及傳送過程各個環節在運行過程中也可能出現系統癱瘓、通信通道誤碼、誤遙信、遙控拒動和數據庫不完善等各種狀況，這些告警信息在傳輸過程中產生不同程度的誤差。

目前，國內尚無統一的線路載波縱聯保護裝置、收發信機裝置配置原則和告警信息規約，SCADA系統的載波縱聯保護通道信息不能實現統一、準確的系統分析。

1.2 載波縱聯保護通道信息的類型及分類

載波縱聯保護通道信息按照反映設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；按照設備監控信息分類原則，可歸為第二類——異常類信息（需實時監控、及時處理），和第五類——告知類信息（需定時查詢）[7-8]。

表1SCADA系統載波保護通道遙信信號分類及站端對應關系Tab.1 The classification and the correspondence between the substation devices and the remote signalling in SCADA system

1.3 載波縱聯保護通道異常的設備缺陷反映

載波縱聯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為“載波縱聯保護通道故障/異常”、“載波縱聯保護通道故障/異常”等，需實時監控、立即處理，為危急缺陷。

衰耗波動變大主要是阻波器調諧元件損壞，比如結合設備故障或接觸不良，高頻電纜損壞，以及電力設備或電力線路接觸不良，事故放電，導線遭受嚴重污染使電暈增加，線路積雪結冰，接地刀錯位等，此類缺陷報文表現為“載波縱聯保護通道3DB告警”、“載波縱聯保護通道3DB異常”等。干擾加大表現為電力線路接觸不良、瓷瓶絕緣有缺陷或高壓設備不良、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，有不連續的放電現象、耦合電容器與輸電線路連線太細，放電產生雜音干擾、結合濾波器內部接線斷線、收發信機裝置運行不正常或掉電等，此類故障報文表現為“載波縱聯保護收發信機裝置閉鎖”、“載波縱聯保護收發信機裝置異常”、“載波縱聯保護收發信機裝置告警”、“載波縱聯保護通道告警”等，衰耗增加、干擾增大時載波縱聯保護對人身或設備有重要危險，尚能堅持運行但需要盡快處理，為嚴重缺陷[9-10]。

2 載波縱聯保護通道信息的數學模型及數值處理

2.1 載波縱聯保護通道信息狀態估計的參數及流程

電力系統中的遙測主要是應用通信技術實現實時運行的基礎數據（主要包括各個變電所和發電廠的有功功率、無功功率、電壓、電流、頻率、水庫的水位等）測試傳輸的技術。

收發信機的參數比如輸出功率電平、頻率穩定度、工作頻率范圍、載漏電平、通道衰耗、裕度告警等,未作為基礎數據接入遙測系統。載波縱聯保護通道的遙信報文作為遙信量。

如圖2所示，載波縱聯保護通道信息的狀態估計[11-12]系統就是在給定載波縱聯保護間隔的網絡接線、支路參數和量測系統的條件下所進行的潮流估計，以及對不良數據和信息進行檢測與辨識的過程。

圖2 線路載波縱聯保護狀態估計系統圖Fig.2 The state estimation system diagram of power line carrier pilot protection

2.2 載波縱聯保護通道信息數學模型

載波縱聯保護通道信息的遙信信息作為狀態量引入狀態估計器系統，則載波縱聯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)為載波縱聯保護通道信息矢量，υ為殘差矢量。載波縱聯保護通道信息矢量h2(x)變換為

載波縱聯保護通道信息狀態量x為

y1～y6對應遙信信息采樣詳情見表2。

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

2.3 載波縱聯保護通道信息數值處理

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

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

×為狀態量代表的信號均未發出；⊙為狀態量代表的信號“動作”或“恢復”單一發出；√為狀態量代表的信號“動作”和“恢復”成對發出。

經以上分析處理后，狀態量對應遙信信號的類別就×、⊙、√三類，方便計算機程序進行數值處理[13]。

3 載波縱聯保護通道信息智能辨識

3.1 載波縱聯保護通道信息辨識結果

電力輸電線路運行時，通道測試結果有：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：通道測試收發信機啟信后,“線路保護收發信機動作_動作”發出，通道檢測開始，站端高頻電壓、電流、發信指示燈、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左右測試結束。信號經人員或裝置自動復歸，“線路保護收發信機動作_恢復”發出，且無任何裝置類和通道類異常信號發出。

通道異常：載波縱聯保護通道測試時，啟動發信機向對側發送載波信號,站端收發信機裝置相應的電流、電壓指示燈異常，SCADA系統遙信信號“線路保護收發信機動作_動作”、“線路保護收發信機動作_恢復”發出后，還有收發信機裝置異常或通道異常類信號發出。

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

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

3.2 載波縱聯保護通道信息智能辨識的專家判據

線路載波縱聯保護進行通道交互，收發信機啟信后，收發信機遙信“線路保護收發信機動作_動作”信號發出20 s左右后，相應的電流、電壓和指示燈正常，“線路保護收發信機動作_恢復”信號發出，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出。考慮一定的時間裕度，在專家判據中可將延時設定為小于等于3 min，對應的狀態量二進制數字為“0000,0000,0011”、“0000,0000,1100”、“0000,0000,1111”轉換為十六進制為“003”、“00C”、“00F”，圖3為通道正常辨識的專家判據邏輯圖。

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

線路載波縱聯保護通道測試載波信號通道異常時，收發信機啟信SCADA系統遙信“線路保護收發信機動作_動作”信號發出，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還是按延時30 s處理，“線路保護收發信機動作_恢復”信號發出，并且有線路保護收發信機裝置異常類信號或通道異常類信號發出。

電力系統遠動裝置的工作情況經常變化，當遠動信息量嚴重不足時，SCADA系統會出現單一動作信號或單一恢復信號出現。圖4為通道異常的專家判據邏輯圖。

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

載波縱聯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，專家系統判據設置較為簡單。線路保護通道進行自動測試一般設置為固定時段，在固定時段內若無“線路保護收發信機動作_動作”和“線路保護收發信機動作_恢復”信號，則可判斷為載波縱聯保護通道自動測試裝置拒動。“線路保護收發信機動作_動作”與“線路保護收發信機動作_恢復”間隔時長大于3 min小于40 min時，就判斷為載波縱聯保護通道測試超時。

3.3 載波縱聯保護通道信息智能辨識的實現

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

圖5為載波縱聯保護通道信息智能辨識嵌入狀態估計的流程框圖，載波縱聯保護通道受到擾動時，間隔潮流量通過網絡結構處理和可觀測性檢驗得到狀態估計所需狀態量，進入狀態估計器運算，通過專家判據判斷有無不良數據與信息，如果有的話，則polling（輪詢）方式查詢反退至狀態估計器進一步運算直至再無不良數據與信息，通過SCADA系統，實時顯示線路載波縱聯保護通道辨識結果及更高級的PAS應用。

圖5 載波縱聯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 結語

線路載波縱聯保護廣泛應用于220 kV及以上的線路保護中，對高壓、超高壓大電網的安全穩定運行起著至關重要的作用。載波縱聯保護通道異常不能及時發現有可能造成輸電線路保護誤動或拒動，影響電力系統的安全穩定運行。現有的調控運行監視條件很難及時發現通道異常的情況，將站端信息作為狀態量，利用二進制數值處理，通過專家判據寫入程序在狀態估計時就辨識出通道異常，能夠提高電網調控運行的監視效率，滿足智能調度建設海量信息的處理要求。

隨著電力系統繼電保護、通訊技術和計算機技術的不斷發展，線路載波縱聯保護正被其他保護所替代，但是受電力系統規劃的影響，輸電線路的載波縱聯保護在今后一段時間內還將繼續存在，對海量的監控信息進行科學的處理，制定合理的專家判據準則，從技術層面上辨識線路載波縱聯保護通道異常難題，對于提高高壓、超高壓線路保護的穩定性和可靠性，減輕電力系統變電運維人員的勞動強度，降低電網生產運維成本，有重大的技術和經濟效益。

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