单边带电力线载波系统设计导则.docx

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单边带电力线载波系统设计导则

中华人民共和国国家标准

单边带电力线载波系统设计导则GB/T14430—93

Planningofsingle-sidebandpowerlinecarriersystems

国家技术监督局1993-06-05批准1993-12-01实施

本标准参照采用国际电工委员会663号出版物《单边带电力线载波系统的设计》（1980年版）。

1主题内容与适用范围

本标准规定了电力线载波系统设计的基本方法，对有关概念及原理作了说明。

本标准适用于110～500kV交流电网单边带电力线载波系统，可作为系统设计的指导文件。

35kV电网也可参照使用。

2引用标准

GB4705耦合电容器及电容分压器

GB7255单边带电力线载波机技术条件

GB7329电力线载波结合设备

GB7330交流电力系统线路阻波器

图1表明了与电力线载波系统有关的国家标准示意图。

图1与电力线载波系统有关的国家标准示意图

3电力线载波系统

3.1概述

电力线载波是利用电力线作传输媒介的载波通信，不需另外架设通信线路。

电力线结构坚固，作为通信媒介使用可靠性很高。

电力线和电力设备在运行和操作中存在电晕、电弧和火花放电等现象，使电力线载波通道的噪声较高。

为保证传输信号的信噪比，电力线载波机的发信功率较大。

电力线路故障时，载波通道的衰减可能会发生较大的变化，为保证电力系统通信不中断，电力线载波机应具有较好的自动电平调节特性。

电力线载波机除传输电话信号外，还需传输远动、数据及远方保护等非电话信号，因此有专用机和复用机之分。

电话信号与非电话信号的复用有交替复用和同时复用两种方式。

由于电力线载波信号的传输通过电力线，所以电力线载波通道的组织与电网的结构密切相关。

电力线载波机一般安装在发电厂、变电所或开关站内。

电力线载波通信是电力部门特有的一种通信方式，特别适用于以电力系统各发电厂、变电所和开关站为对象的电力系统调度电话、远动，及在被保护的电力线路两端间传送保护信号的远方保护系统。

电力系统中的电力线在发电厂和变电所内是连接在公共母线上的，在电力线上开设的电力线载波通道之间有较大的相互干扰。

这种通道间的串扰，限制了电力线载波通道开设的数量，对电力线载波通信的质量也很不利。

可以采用合理的安排电力线载波通道的频率和安装阻塞效果较好的阻波器或频率分隔装置等方法解决。

电力系统调度通信要求迅速、正确、可靠。

电力线载波机一般设有自动交换系统（自动盘）与用户直接连接，或二线、四线接口，与系统中的交换设备连接。

电力线载波传输频率范围，最低频率由结合设备的传输性能及其费用确定，最高频率由传输衰减确定，并考虑无线电信号干扰等因素。

我国规定为40～500kHz。

3.2应用

电力线载波系统主要用来传送：

电话信号：

模拟信息；

非电话信号：

电报、传真、远动、远方保护、数据等模拟或数字信息，采用移频键控（FSK）或移相键控（PSK）调制以音频方式传送。

3.2.1电话

电力线载波系统可以用作从简单的同线电话到专用电话交换网中的中继线等广泛范围内的通话工具。

电话通路一般采用四线汇接交换方式，也可采用二线方式。

在复用机中，一般将电话的上限频率降低到2000Hz或2400Hz，而将上音频频带供非电话信号传输复用，也有将有效传输频带扩展到3400Hz以上的方式，以便安排更多的非电话信号通路。

3.2.2电报、传真

电报（电传）和传真也可在电力线载波电路上使用。

有些电力部门在调度管理上使用电传打字电报，因为电传打字电报在命令端和执行端可以自动记录交换的信息，在点对点和交换网的电路中都可以采用，传输速率一般为50或75波特，由所用的电传打字机决定。

传真则需较高的速率。

电报和传真通路的性能应符合国际电报电话咨询委员会（CCITT）的有关标准。

3.2.3远动

远动信号一般采用检错校验编码方式，以达到高度的安全性，避免错误动作或丢失信号。

其传输速率从50bit/s到2400bit/s或以上，目前多数采用200、600、1200bit/s。

3.2.4远方保护

为保护电力设备安全，防止事故扩大，保证电力系统稳定运行和连续供电，在电力系统发生故障时，需通过远方保护系统在线路两端间高速度地传送继电保护信息，控制两端保护装置有选择性地快速动作，切除故障。

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。

模拟远方保护在线路两端间传送工频电量的幅值、相位信息。

接收端将收到的模拟信息与本端相应值比较，判定故障发生在被保护线段区内还是区外。

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，这类命令可分为跳闸式和闭锁式两种。

跳闸命令又可分为直接跳闸和允许跳闸两种方式。

在直接跳闸方式中，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；而允许跳闸方式，只在接收端收到命令而且本端保护也动作时才能实现跳闸。

在闭锁方式中，接收端收到命令信号后，禁止本端保护装置动作。

远方保护系统的特点是：

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）。

电力系统发生故障时，线路的干扰和衰减会增加。

这时，仍应可靠地接收远方保护信号。

对于直接跳闸式和允许跳闸式保护装置，这点尤为重要。

在电力线载波系统中，远方保护可以专用一条载波通路，也可以和电话信号等复用一条通路。

根据对安全性、可依靠性、需要的操作时间、是否经济以及可用的频带宽度等方面的要求作出适当选择。

对于传送远方保护信号的复用电力线载波机，通常采用发送保护信号时中断电话及全部或部分非电话信号，并相应提高保护信号电平的方式（交替复用）。

有些保护专用的电力线载波设备平时不发送载波信号，只在需要时发送很短时间。

这种设备应装设定时测试电路，每隔一定时间，例如24小时，发一次测试信号，以证实系统是否工作正常。

进行电力线载波系统设计时，对这种平时不发信号的载波设备，在可能发生的干扰影响等方面，与连续发送电话或其他信号的一般载波机相比，显然应有不同考虑。

3.3耦合装置

为使电力线兼用于载波通信目的，需要装设耦合装置，包括耦合电容器（或电容分压器）、线路阻波器、结合设备及高频电缆等。

耦合装置使载波信号进入电力线及从电力线引出时损耗较小，使通信设备和电力线的工作电压、操作过电压、雷电过电压隔开，减少一次设备对载波信号引起的分流损失，并使通道的线路阻抗不受电力系统操作的影响。

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。

上述数值是在整个载波频率范围内以及未耦合相终端处于各种可能状态的典型值。

实际值可能和典型值相差较多，从设计的观点看来，这个问题并不重要，线路输入阻抗的失配虽然会使损失增加十分之几分贝，但不会使功率放大器产生失真。

3.3.1耦合电容器（或电容分压器）

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。

耦合电容器的技术要求见GB4705。

耦合电容器的费用随电容量的增加而增加很多，耦合装置的通频带宽度又取决于耦合电容器的电容量。

因此，建议对于220kV以下线路选用10000pF；220kV及以上线路选用5000pF。

3.3.2线路阻波器

线路阻波器与电力线串联，连接在耦合电容器与电力线的连接点和变电站之间，或接在电力线的分支处。

线路阻波器主要由能通过全部线路电流的强流线圈、调谐元件和保护元件组成。

强流线圈的电感值为0.2～2mH。

线路阻波器的技术要求见GB7330。

用于提高线路阻波器阻塞效果的调谐元件有几种电路。

一种具有单频调谐性能，在一个载波频带内呈现高阻塞阻抗。

另一种具有双频调谐性能，在两个不相邻的载波频带内呈现高阻塞阻抗。

还有一种具有宽频带调谐性能，在一个较宽载波频带内呈现高阻塞阻抗。

为保证阻塞效果，建议按电阻分量法调谐，一般分流损失按GB-7330不应超过2.6dB，这相当于阻波器阻塞电阻为线路特性阻抗倍的情况。

3.3.3结合设备

结合设备与耦合电容器一起，在电力线和高频电缆之间传输载波信号，由以下基本元件组成：

接地刀闸：

在维修和其他需要的情况下，将结合设备的初级端子直接有效地接地，保证设备和人身安全；

避雷器：

限制来自电力线的瞬时过电压；

排流线圈：

为通过耦合电容器的工频电流提供接地通路；

调谐元件（包括匹配变量器）：

与耦合电容器一起组成高通、带通滤波器或其他网络，以提高载波信号的传输效率。

在结合设备工作频带内，工作衰减应小于2dB。

结合设备应尽可能与线路特性阻抗匹配，以提高传输效率。

在结合设备的工作频带内，线路侧和电缆侧的回波损耗应大于12dB。

测试时应计及耦合电容器低电压端子杂散电导和杂散电容的影响。

结合设备的其他要求见GB-7329。

3.3.4高频电缆

高频电缆接在结合设备的次级端子和载波机之间，按照载波机载波输出输入端不同阻抗的要求，可以用不对称电缆（同轴电缆），也可用对称电缆。

电缆的阻抗值，同轴电缆一般为75Ω；对称电缆一般为150Ω。

我国主要采用同轴电缆。

采用同轴电缆时，屏蔽层的接地有不同的方法。

如电缆处于同一个接地网范围内，有两种接地方法：

一种是将同轴电缆屏蔽层的两端都接地，另一种是只在载波机一端将同轴电缆的屏蔽层接地。

前一种方法可以保证工作人员的安全，因为在当地的地和屏蔽层之间不会出现电位差。

但是，采用这种接地方式，在发生故障时，同轴电缆的屏蔽层和芯线中会出现工频环流电流。

工频环流将引起其他问题，例如结合设备的线圈有磁芯时将使磁芯饱和；如结合设备和载波机不在一个接地网范围内，故障时两端地电位可能相差很大，同轴电缆屏蔽层中的环流可能达到危险程度，使电缆损坏。

这时，建议只采用在载波机一端将屏蔽层接地的方法。

一端接地虽没有工频环流，但在结合设备匹配变量器两线圈间会出现电位差。

匹配变量器必须按这种情况设计，对故障时屏蔽层与当地的地之间可能有电位差的问题也应采取预防措施。

采用铠装电缆时也会发生类似问题，应作同样考虑。

如采用对称电缆，有些问题可能不致发生。

3.4耦合方式

3.4.1电力线耦合

载波设备与电力线之间的耦合方式，主要有相地耦合和相相耦合两种。

3.4.1.1相地耦合

这种耦合方式是将载波设备接在一根相导线和地之间，在每个耦合点只需装一个耦合电容器和一个阻波器，使用设备较少，但其衰减比相相耦合大。

在耦合相发生接地故障时，衰减还会增加很多。

需要指出，虽然耦合是按一相对地连接的，实际的信号传输却包括其他两相在内，以复杂的方式进行着。

由于相地耦合比较经济，在线路故障时不要求载波通道具有很高的可靠性的一般情况下，可以采用这种方式。

3.4.1.2相相耦合

这种耦合方式是将载波设备接在两根相导线之间，可以用一个相相结合设备，也可以用两个相地结合设备。

如用一个相相结合设备，耦合电容器低压端和结合设备之间的距离一般比用两个相地结合设备时大，发生危险或中断的可能性也较大。

为了保证安全，通常均以两个相地结合设备进行相相耦合，而将他们的匹配变量器的次级正确连接起来。

这样，这种方式就需要在耦合点装两个耦合电容器和两个阻波器，耦合设备的费用较高。

但它的优点突出；衰减低；线路故障，特别是单相接地故障时，衰减变化小，可靠性高；发送的干扰和接收的干扰较小等。

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。

还有一种耦合方式可以看作特殊的相相耦合方式，称为线路间耦合。

在同杆架设的双回路电力线上，可以利用每回线路中的一个相的导线组成相当于单回线路的相相耦合，也可以利用每回线路中两个相的导线组成差接形式耦合。

采用后面这种耦合方式时，即使一回线路不送电并接地，载波通信也不致中断。

3.4.2绝缘地线耦合

在电力线杆塔顶部，常架设有一根或两根接地的导线，称为架空地线。

其主要作用是防止线路遭受雷击并减少线路故障对邻近通信线的危险影响。

为了降低输电工频损耗，有时将地线用带放电间隙的绝缘子绝缘起来，而在遭受雷击时地线仍可以通过放电间隙使雷击电流泄放，起到防雷的作用。

绝缘地线也可以为通信使用，尤其是采用良导体作绝缘地线的材料时，通信效果更好。

绝缘地线载波通信和电力线相线载波通信一样也需要耦合装置，但一般不需要线路阻波器，也无需耐受工频高电压的耦合电容器。

因此，绝缘地线通信系统的耦合装置的费用要比相线载波通信的耦合装置低得多。

而且电力线电压等级越高，费用差距越大。

在绝缘地线上组织载波通道，几乎不受电力系统运行方式改变的影响。

绝缘地线载波通道中的线路噪声电平也比电力线相线载波通道的噪声电平低。

但是非良导体的地线传输衰减较大。

实际使用时，还必须注意防止正常运行时的工频感应电压通过地线绝缘子的间隙放电，线路两端的耦合装置的工频接地也必须良好。

3.4.3电力电缆耦合

与架空电力线的耦合一样，载波信号也可以与电力电缆进行耦合。

在三相电缆或三根单相电缆上作相地或相相耦合都可以。

相相耦合的衰减较小，但费用较多。

电力电缆的特性阻抗很低，为架空线的120至110。

因此，与架空线耦合方式相比，阻波器的电感量可以减小，但在相同频段上耦合电容器的电容量却要增加相等倍数。

4载波频率分配

4.1基本载波频带

在我国，大多数单边带电力线载波系统采用4kHz为基本载波频带，也有少数选用2.5kHz。

在一个电网内，不宜同时采用4kHz及2.5kHz两种基本载波频带。

考虑到电力线载波通信多种目的的应用要求以及与国家电信网标准相适应，建议优先选用4kHz频带。

在一个基本载波频带内，电话有效传输频带有以下三种可供设计选用：

宽频带电路：

300～3400Hz（不适用于基本载波频带为2.5kHz的设备）；

一般频带电路：

300～2400Hz；

窄频带电路：

300～2000Hz。

电话和非电话信号复用或专用的电力线载波机有效传输频带分配的典型值如表1所示。

表1单向通路内有效传输频带典型值

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

2.5kHz

电话信号专用

电话信号300～2400Hz

非电话信号专用

非电话信号300～2400Hz

电话和非电话信号复用

电话信号300～2000Hz

非电话信号2160～2400Hz

注：

在交替复用方式中，非电话信号的频率也可以位于电话信号频带内。

4.2频率分配的目的

电力线载波系统的频率范围是有限的，为了经济合理地利用频率资源，必须对各电力线载波通道的发收频率作周密细致的安排。

这就是频率分配。

电力线上存在噪声，载波信号在电力线上传输，其衰减受频率等各种因素的影响。

要通过计算，使线路传输衰减在允许范围内，以满足规定的信噪比要求。

电力系统是闭合的网络，各电力线载波通道之间存在着较大的相互串扰影响。

为保证电力线载波通道的传输质量，载波机对来自相邻通道（包括在同一厂站或不同厂站中运行的通道）的干扰应具有一定的抑制能力。

抑制干扰的能力除取决于电力线载波机的技术性能外，还需在通道衰减计算的基础上，通过妥善安排通道频率，合理利用通道之间的跨越衰减实现。

频率分配的目的，就是将相邻载波通道之间的串扰影响限制在允许的限度内，以及最大限度地利用频率资源。

由于各种型号载波机的性能不尽一致，应按制造厂的规定统一划分和组合整个载波频率范围内的通道频率。

4.3频率分配的原则

工程设计中的频率分配工作，是依据组织电力线载波通道的要求，在已选定机型的条件下，选择具体的电力线载波通道的工作频率，包括发信频率、收信频率以及本机或邻机的工作频带之间的间隔。

为了经济合理地利用电力线载波频率资源，建议先将载波频率范围按基本载波频带（通常以B表示）的整倍数，依据电力线载波机技术条件要求的频带间隔，划分组合载波通道，一般遵循以下原则：

对于双工工作的载波机，本机发收信频带间隔一般为3～7B，或以工作频率的5%～10%作间隔。

当载波机设有高频差接网络时，本机发收信频带可以紧邻，即无间隔。

相邻通道的载波机互为干扰机和被干扰机，它们之间的频带间隔应考虑发信—发信，发信—收信，收信—收信三种情况：

对于直接并联在同一相上运行的载波机，考虑其发信—发信频带间隔的因素有：

限制干扰载波机对工作载波机发信功率放大器过载的影响；限制干扰载波机对工作载波机发信功率分流的影响。

考虑发信—收信频带间隔与收信—收信频带间隔的因素基本一致；限制收信支路可能出现的过负载；满足串音指标的要求。

两者的差别在于发信对收信的干扰影响要比收信对收信大得多。

然后，再按以下原则选用安排每一通道的实际工作频率：

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。

分配频率时，应注意到在有些地区某些频率可能是不能使用或限制使用的。

例如长波无线电广播的频率、授时无线电信号台、航空无线电通信和罗盘的频率以及电力线附近明线载波通信使用的频率等。

对于接在同一耦合装置（结合滤波器、线路阻波器等）上的载波设备，应注意选择其频率都在耦合装置的工作频带以内。

同一厂站内，不论是在同一电压等级还是不同电压等级线路上的电力线载波通道，一般均不重复使用频率，尤其应注意不使发信频率与收信频率相同。

在同一电压等级电网中，通常需相隔两段电力线且有阻波器阻塞时，才允许重复使用频率。

若经过核算或实测不能重复使用频率，而通道组织又要求必须重复使用频率，建议在变电站不同方向的两条出线的三相都串接宽频带线路阻波器；在阻波器和母线之间对地并接电容器；在电容器低压端子连接调谐元件，构成频率分隔装置，将电力线载波网分隔成两个独立区域。

在分隔频带内，两区之间跨越衰减很大（一般为50～60dB）。

这样就可以重复使用频率。

装设频率分隔装置费用较高，可能受到开关站场地的限制，一般不采用。

只在重要而又非常必须的情况才予以考虑，并应在变电站的一次系统设计中予以安排。

远方保护专用收发信机的工作频带较窄。

进行频率分配时，应使它只占用一个载波频带，中心频率宜与标称载波频带的中心频率一致。

在基本载波频带为4kHz的电力线载波系统中，保护专用机频带的中心频率可选为4n+2kHz,n=10,11,12,……124。

5电力线载波通道的衰减

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。

线路衰减主要由以下参数决定：

a.线路长度和导线排列；

b.相导线的结构和材料；

c.地线的结构和材料；

d.载波频率；

e.耦合方式；

f.大地电阻率；

g.铁塔效应；

h.天气情况；

i.线路的不均匀性（换位、分支、插入电缆等）。

耦合损失包括：

a.经过结合设备和高频电缆的损失；

b.由于阻波器和未阻塞相泄漏引起的载波信号分流损失；

c.其他损失，例如因并联载波机引起的分流损失。

桥路损失是指载波信号在通道中经过高频桥路时的损失。

5.1线路衰减

5.1.1模式分析

对多导线线路的分析表明，载波信号以几种模式同时传输，自然模式的数目等于传输导线的数目（例如，有两条在每一铁塔接地的地线的单回三相线路有3个模式，而有一条绝缘地线的双回三相线路有7个模式）。

自然模式的主要特点为：

a.每一模式有它固有的传输常数、传输速度和特性阻抗；

b.各模式间互不相关；

c.线路上任一点的相电压、相电流为该点不同模式相电压、相电流的向量和。

模式分析表明，应选用适当的耦合方式使发送机的功率以损失最小的模式进入电力线。

但在实际的耦合方式中，例如在相地、相相和线路间的耦合等方式中，信号一般都以混合模式进入线路，其中总有一部分模式是高损失的（地模式），从而引起一定的模式转换损失。

由于模式分析理论的建立及电子数字计算机的应用，已能精确计算在构造形式不同的电力线路上开设的各种复杂形式的电力线载波通道的线路衰减，其中包括相导线和地线换位、覆冰及各种不同的耦合方式等情况。

然而，精确计算线路衰减需要很多原始数据，其中有些基本参数在电力线路本体没有完成勘测设计之前往往无法提供。

在电力系统通信规划和设计阶段，一般不具备精确计算条件。

因此，在实际工程中常采用比较简单的工程计算方法。

5.1.2工程计算法1

5.1.2.1线路衰减计算式

这个方法以大量经验数据为基础，按模式分析理论，略去传输衰减较大的模式，仅计算传输损失最低的模式的衰减、模式转换损失和附加损失。

线路衰减计算式为：

式中A——线路衰减,dB；

a1-——最低损失模式的衰减系数，dB/km；

l——线路长度，km；

Ac——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,见图2；

Aadd——由于耦合电路、换位等不连续性引起的附加损失，dB，见5.1.2.3条及表2。

表2不同线路排列及最佳耦合方式的附加损失

线路排列及耦合方式

（图2a～j）

换位数

0

1

2

＞2

aρ=30～300Ωm

ρ≥1000Ωm

0

0

6

6

3～81）

1～101）

—

—

b

0～3

6～12

6～12

6～12

c

0～3

6～12

6～12

6～12

dρ=30～300Ωm

ρ≥1000Ωm

0～4.5

0～4.5

8.5～11

8.5～12

2～101）

0～81）

—

—

e

0～3

4～8

4～8

4～8

f

0～3

4～8

4～8

4～8

g

2～10

2～102）

2～102）

2～102）

h

2～10

2～102）

2～102）

2～102）

i

2～10

2～102）

2～102）

2～102）

j

0～1

0～4

2～82）

2～82）

注：

①lfmax≤105km·kHz（≤330kV）；

lfmax≤5×104km·kHz（＞330kV）。

②lfmax≤2×105km·kHz。

图2最佳耦合方式及模式转换损失Ac

通过对大量试验和计算结果的分析得出最低损失模式衰减系数α1的近似式为：



式中f——频率，kHz；

dc——相导线的直径，mm；

n——分裂导线束的分导体数。

图3中列出以上式为基础求出的曲线，可用查曲线的方法代替计算。

图3最低损失模式的线路衰减常数α1

dc—相导线的直径，mm；n—分裂导线束的分导体数

上式对于电压在